科学家解释为什么火星探测器失败率高的原因

伤我心太深

最重的太空垃圾将于三个月内坠回地球
每一次失败的火星任务背后都有具体的原因。搭载“萤火一号”的俄罗斯火星探测器出现故障的确切原因目前仍然未知。
最重的太空垃圾
在地球通往火星的路上住着一个妖怪，它通身绿色，带着一些黑色斑点，脸是粉红的，有一张血盆大口。美国的航天工程师们把这个妖怪叫做“银河系食尸鬼”（Great Galactic Ghoul）。
从1960年代开始，他们就“发现”了这个妖怪的存在，因为他们发射到火星去的探测器常常莫名其妙就不见了。就像四百多年前的航海地图上会在危险海域标注“这里有龙”一样，航天工程师们在任务失败时会用“银河系食尸鬼又把探测器给吃掉了”这样的戏谑来平衡失落的情绪。

2011年11月9日，我国第一架火星探测器“萤火一号”在哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场由俄罗斯火箭“天顶－2SB”发射升空。 （CFP/图）
中国的火星探测器在2011年第一次遇到了“银河系食尸鬼”。11月9日，我国第一架火星探测器“萤火一号”在哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场由俄罗斯火箭“天顶－2SB”发射升空。“萤火一号”搭载于一架叫作“火卫一-土壤”的探测器上，计划中后者要去火星的一颗卫星上采集土壤样本，顺便把“萤火一号”释放到火星轨道上去。
据“萤火一号”工程应用首席科学家吴季在发射之前的说法，对于中国来说，在还没有建立起真正的深空测控网之前，借用俄罗斯的探测器一同飞往火星，并开展联合探测，可将我国科学家利用自主的探测数据、深入开展对火星研究的时间提前。
然而，俄罗斯的火箭升空之后，“火卫一-土壤”号探测器点火失败，导致它连同“萤火一号”未能进入通往火星的轨道，而是滞留在了地球轨道上。俄罗斯试图在探测器的电池耗尽之前重设其电脑程序，让它回到正轨，但几天里的数次努力均告失败。
这架探测器有将近15吨重，它携带了7吨有毒燃料。“号称史上最重的行星际探测器，可能会成为史上失控坠回地球的最重的太空垃圾。”曾在美国宇航局（NASA）约翰逊航天中心工作了22年的轨道设计师詹姆斯·奥伯格（James Oberg）评论说。
这样的一架探测器一旦坠回地球，是否可能构成安全威胁？曾有报道称“火卫一-土壤”上载的有毒燃料在坠入地球时可能无法完全燃烧，最终造成污染。俄联邦航天局负责人弗拉基米尔·波波夫金则表示，如果航天器坠落，不会对地球造成任何伤害，它将在进入密度较大的大气层时爆炸并燃烧殆尽。
但奥伯格并不认同波波夫金的辩解。“当然有可能（伤害人群），俄罗斯知道这一点，尽管它的官方人员仍在否认。”他对南方周末记者说，“你看，作为一项长期政策，俄罗斯深思熟虑地操纵它所有的废弃太空交通工具坠入无人的南太平洋。假如他们认为没有危险，干嘛不让它们坠回俄罗斯呢？”
据报道，以现在探测器的下落速度估计，它可能会在12月末至明年1月期间掉落回来。“从概率上来讲，危险是比较小的，但对于概率并不比此还要大的（车祸），我们都会在坐车时系上安全带。”奥伯格继续说。
食尸鬼的胃口
迄今为止，中国的太空探测器所到达过的最远位置，是日-地系统的“拉格朗日点”的2号位置。拉格朗日点是天体力学中的一个概念，指的是在两个天体环绕运行的情况下，在空间放入第三个天体，使其与二者相对静止。这样的点一共有五个。中国的“嫦娥2号”在今年8月到达了其中一个点。
拉格朗日点2号位置到地球的距离大约相当于地月距离的四倍，也就是大约150万公里。与此相比，火星至少远在5500公里以外的太空。
自1960年10月苏联发射第一批火星探测器以来，苏联和俄罗斯、美国、欧洲、日本共进行过41次发射，其中失败的占到了半数以上。所有的任务中包括了13次着陆任务，其中只有7架探测器在着陆后成功发回信号。美国宇航局在所有的火星探测活动中成功率最高，达到了65%。其发射的7架着陆探测器中有6架获得了成功。
如此之低的成功率，尤其是在1960和1970年代失败多于成功的情况下，工程师们才创造出了“银河系食尸鬼”这个怪兽。1960年代，当时的美国宇航局喷气推进实验室主任约翰·卡斯尼（John Casani）作了一幅画，画出了一个在火星附近专吃探测器的生物。
当然，银河系食尸鬼在现实中是不存在的。火星在那样一个遥远的距离上，带来的问题首先是通讯上的困难。通讯信号的强度是与距离的平方成反比的。其次，飞往火星的时间要比去月球长得多，是以“月”而非“日”来计的。随着探测器深入越来越寒冷的太空，到达火星时阳光的强度只有地球的一半，因而需要更多的太阳能板。
“火星探测并非因超自然的危险而困难，它只是因为人类的疏忽和鲁莽而困难。”奥伯格说，“莎士比亚曾写到：‘布鲁斯，是我们的错，不怨星星……’对于我们的行星目标来说也是如此。”
每一次失败的火星任务背后都有具体的原因。1990年代，美国宇航局先后失去了两架火星探测器，分别是1993年的火星观察者号探测器和1999年的火星气候轨道探测器。对于火星观察者号的失败，美国宇航局在其网站上写道：“该任务在1993年8月22日以令人失望的结果告终，探测器在即将进入火星轨道前失踪。”对于火星气候轨道探测器的说法是，“工程师们总结，探测器进入火星大气层时飞得太低了，可能导致烧毁。”
然而，进一步考察会发现，火星气候轨道探测器之所以会进入得太低，乃是因为设计人员将公制和英制单位搞混了。但是在奥伯格看来，这个原因也只是找了几个替罪羊而已，“这个失误之所以能把整个任务搞砸，问题并不直接出在那个层面上”。由于当时的任务被定性为“更快，更好，更廉价”方针的代表作，常规的“二次确认”被省略了；当有人发现错误时，他们得到的回答是“你们得证明我们偏离轨道了”，而此时探测器还尚未偏离。“对于太空安全，正确的措施应该是，假设一个威胁是存在的，除非你能证明它不存在，然后再进行下一步。”奥伯格评论说，“不确定性被用作了放弃确认的借口。”
至于火星观察者号，它之所以会失踪，是因为它停止了无线电发射。而无线电之所以会中断，则可能是它的燃料出现了泄漏，导致爆炸造成的。而燃料泄漏的原因，跟美国宇航员为了省钱，将一个地球卫星的硬件改造后使用有关。这种硬件原本只是用于飞行6个小时到地球同步轨道上去，而现在被用于长达一年的行星际飞行。
对于这些“真正”的原因，美国宇航局一度避而不谈，这让奥伯格在一篇文章中写道：“纳税人为这些教训买了单，美国宇航局需要更公开、更彻底地分享它们。”
但他也高兴地看到，美国2005年发射的火星侦察轨道器的团队吸取了以上两次失败任务的教训，让这次任务变得非常成功，探测器直到今天仍在运行。它最近发现了火星上曾经有水流的新证据。
最重要的一课
“火卫一-土壤”号探测器发射出现复杂状况之后，“萤火一号”的命运令中国人十分牵挂。但是与国内大量的报道相比，俄罗斯本国媒体的报道并不多。南方周末记者查询俄塔社及俄罗斯联邦航天局网站发现，相关报道十分有限，也缺乏细节。
据俄塔社报道，在“火卫一-土壤”出现异常情况之后，俄联邦航天局负责人波波夫金表示，“火卫一-土壤”将继续在轨道上运行至明年1月，因此，俄罗斯仍然有机会对其进行复苏抢救工作。但他同时也表示，对“火卫一-土壤”的“重症监护”最长只能进行至12月初。
“航天器的所有系统运作正常”，但“我们与航天器的每次对话只能维持7分钟”，“机会是存在的，可我们不能通过遥测得知到底发生了什么”，波波夫金说。他同时还否认了外界关于航天器设计存在缺陷的猜测，“这样的说法是完全不正确的！”
据国际宇航科学院院士朱毅麟分析，故障的出现有两种可能性。一种可能性来自发动机本身，即探测器接收到了点火信号，但是发动机因本身故障无法点火。另一种可能是，探测器根本没有接收到点火信号，这可能是探测器上的电源或控制系统的功能缺失，也可能是地面遥控指令上传但无法被接收等原因造成的。“从现在俄罗斯方面发布的消息来看，还没有找到确切的原因。”他说。
“令人遗憾，迄今为止这次事故带给我们的最重要一课就是，俄罗斯以前在开放和坦率的态度中从国际合作伙伴那里赢得的信任，现在已经丧失掉了。”奥伯格尖锐地指出，“他们深思熟虑的原则把所有人都蒙在鼓里，无法得知存在的问题和可能的对策。”
“第二个教训，是俄罗斯官员至今没有懂得的，即一个国家发展大型航天项目，靠糟糕的薪水和威胁出错了投进监狱是做不到的。”奥伯格继续说。
奥伯格认为，中国已经懂得这些道理，“它从其他国家那里学习到了那些国家自己都没有学到的经验”。“（中国）已经创造出了一代具有奉献精神的、顶级质量的太空工作者，太阳系已经在他们脚下。”奥伯格说，“中国的坦率和大多数情况下的公开政策已经赢得了潜在合作者的信任。”