引言 足不出戶看宇宙

2010年2月11日，在佛羅里達州肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC），我和幾位科學(xué)家站在一起，注視著火箭從發(fā)射臺呼嘯升空。安放在火箭里的無人航天器，正是身邊這幾位傾畢生之力研發(fā)的成果。

幾個月來，我一直盼望這次機會，只是之前沒有料到，原來親臨火箭發(fā)射現(xiàn)場，近距離體驗發(fā)射過程的激動根本無法言說。這種感受，人人都值得親歷。

半年前，我打算去肯尼迪航天中心現(xiàn)場觀看STS-130發(fā)射任務(wù)。那一次，火箭將要搭載“奮進號”（Endeavour）航天飛機，將6名宇航員送到國際空間站，執(zhí)行兩個新部件的安裝任務(wù)。2004年，美國國家航空航天局（NASA）宣布將在2011年結(jié)束航天飛機計劃，這意味著偉大而傳奇的“奮進號”快要退役了。從那時起，我就希望能到發(fā)射現(xiàn)場一睹它最后的風(fēng)采。畢竟，我是專門報道太空探索和天文學(xué)新聞的記者，還有什么事件比一個太空時代的終結(jié)更具新聞價值呢？

我仔細查閱了發(fā)射時間表，發(fā)現(xiàn)如果多逗留一段時間，我便可以多觀看幾次發(fā)射。再說，我那時住在伊利諾伊州，正值數(shù)九隆冬，若能到四季如春的佛羅里達州過上幾個星期，豈不美哉。

2010年的太空海岸（Space Coast）之旅讓我夙愿得償。我不僅目睹了兩架航天飛機和兩臺無人航天器的發(fā)射，參觀了美國國家航空航天局的設(shè)施（包括一些平時不對外開放的場所），還見到并且采訪了幾十名宇航員、科學(xué)家、工程師和局里的官員。最令人激動的是，我直接站在具有歷史意義的39A發(fā)射臺上，巨大的“發(fā)現(xiàn)號”（Discovery）航天飛機就在我的正上方蓄勢待發(fā)，即將開啟它的倒數(shù)第二次太空之旅。

載人航天的故事自然波瀾壯闊，而且在我的報道中一直占很大比重，但在我看來，無人航天器總有某種魅力，攝人心魄。作為宇宙中人類的使者，這些機器人能夠到達人類尚無法觸及的太空深處。我是聽著“水手號”（Mariner）、“海盜號”（Viking）和“旅行者號”（Voyager）的故事長大的。故事里說，這些機器人航天器勇敢踏上史無前例的深空航程，獲得劃時代的發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)祟悓μ�陽系的看法，將過去只存在于夢境和畫家筆下的群星世界呈現(xiàn)在我們眼前。

我們已經(jīng)向地球附近的行星、矮行星、小行星、彗星和衛(wèi)星發(fā)射了多個無人航天器，它們每天發(fā)回的太空圖像如此逼真，如此震撼。無論多么艱辛，它們作為人類科學(xué)探索的代表，飛越、環(huán)繞、登陸、撞擊和環(huán)視千奇百怪的太陽系天體。此外，我們還將超級望遠鏡送入太空。它們越過云霧重重的地球大氣層，在外太空清晰地觀察和拍攝遙遠的恒星和星系，甚至是與太陽系截然不同的恒星系統(tǒng)，向我們展示令人嘆為觀止的宇宙圖景。

人類渴望揭開宇宙的未解之謎，為此設(shè)計和制造了航天器。它們有著金屬和電路板構(gòu)成的身軀，是人類智慧的結(jié)晶。人類依靠聰明才智，精確計算軌跡，繪制星歷表（確定某個給定時間點天體與航天器的位置），讓無人航天器跨越星際之遙，造訪群星。善于探究的人類大腦分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，獲得新發(fā)現(xiàn)。不論是火箭科學(xué)家，還是我們普通人，都會對宏偉的太空景象心生敬畏，為遙遠太空里的神秘發(fā)現(xiàn)贊嘆不已。這些無人航天器讓我們足不出戶就能探索宇宙。

但把它們送上太空并非易事。

首先，天文學(xué)家和行星科學(xué)家在自己的科研領(lǐng)域嘔心瀝血數(shù)年，其間受某個未解之謎的啟發(fā)，萌生新的想法，比如研制一臺儀器或者一個配備多種儀器的航天器，好去研究這個未解之謎。然后，他們與日后可能共事的研究員合作擬定初步的任務(wù)概念和計劃圖表。

接下來，他們要等美國國家航空航天局、歐洲空間局（ESA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）、印度空間研究組織（ISRO）之類的太空機構(gòu)發(fā)出機會通告（Announcement of Opportunity，AO），征集太空任務(wù)計劃書。不過，太空機構(gòu)往往只關(guān)注一些特定類型的任務(wù)。因此，如果他們的構(gòu)想與太空機構(gòu)的預(yù)期不符，他們就要繼續(xù)等待，直到合適的機會出現(xiàn)。

終于，機會出現(xiàn)了。他們開始組建團隊，起草任務(wù)計劃書。一般來說，為了讓任務(wù)能夠挺過多輪專家評審，他們會提交幾份計劃書。最終，只有少數(shù)幸運者贏得太空機構(gòu)的資助。若是有幸過審，他們不免要欣喜若狂一陣子，但狂喜過后，他們必須著手籌劃儀器和航天器的建造，這中間還要反復(fù)修改和調(diào)整方案。同時，他們還要搞定運載工具，也就是火箭。對了，國會或議會說不定什么時候會削減太空機構(gòu)的預(yù)算，已經(jīng)獲批的任務(wù)也難保不會被擱置，甚至取消。

上述過程動輒耗費幾年甚至幾十年的時間，而在此期間，沒人敢保證火箭、儀器和航天器將來一定會如人所愿，完美運轉(zhuǎn)，不辱使命。

雖然道阻且長，但在2010年2月11日，多年費心籌措終臻大成。太陽動力學(xué)觀測臺成功發(fā)射，奏響了任務(wù)的開篇樂章。洋溢在幾位科學(xué)家臉上的喜悅激動之情，成了我此生難忘的珍貴回憶。

我為今日宇宙網(wǎng)撰稿多年，有幸“跟隨”無人航天器了解太空——跟蹤它們的一舉一動，分析它們的新奇見聞，結(jié)識它們背后的優(yōu)秀航天人。我還有幸給公眾講述這些偉大任務(wù)的執(zhí)行過程，挖掘科學(xué)家和工程師等幕后功臣的傳奇故事——構(gòu)思設(shè)計，研發(fā)建造，分析數(shù)據(jù)，運維照料，凡此種種，不可悉數(shù)。

這些幕后故事引人入勝，情節(jié)跌宕起伏，幾度峰回路轉(zhuǎn)。正如許多太空科學(xué)家所說，不必預(yù)設(shè)成果，學(xué)會期待驚喜。

本書講述21世紀(jì)初的幾個無人太空任務(wù)。這些任務(wù)有的持續(xù)幾年，有的長達幾十年，有的不過運行幾個月便完成使命。有如新舊更替的英雄傳奇，無人太空任務(wù)的故事也是此篇說罷，又?jǐn)⑿缕��?/p>

本書之外，還有許多奇妙的無人太空任務(wù)正在執(zhí)行中，我希望你們多去了解。在本書最后一章，我會介紹一些未來的新任務(wù)。

如今，不單單是記者，其實每個人都可以“跟隨”無人航天器探索宇宙。普通大眾可以通過社交媒體參與其中，向美國國家航空航天局和其他太空機構(gòu)提問題，觀看影像，了解新的發(fā)現(xiàn)（有些發(fā)現(xiàn)會實時共享）。

此外，隨著公民科學(xué)計劃的實施，普通人可以突破“跟隨者”的角色，為科學(xué)進步做出實質(zhì)性的貢獻——發(fā)現(xiàn)隱藏的星系、新的超新星、新的恒星系統(tǒng)、原先看不到的月球隕坑或火星隕坑等等。有什么比這樣的新發(fā)現(xiàn)更激動人心呢？很多天體的發(fā)現(xiàn)者都是普通人，今后會有更多。

跟我來，讓我們一起探索太空……

南希·阿特金森

于明尼蘇達州伯南維爾鎮(zhèn)區(qū)

2016年

以往的火星任務(wù)

數(shù)百年來，在夜空中閃爍著紅光的火星深深吸引著太空觀察者。作為離地球最近的行星，火星為人類未來的太空任務(wù)和外星殖民提供了可能，因此也一直是太空探索時代人們的主要興趣所在。迄今為止，人類已經(jīng)執(zhí)行了40多個無人火星探測任務(wù)……或者更確切地說，已經(jīng)嘗試過40多個任務(wù)。

把美國、歐洲、蘇聯(lián)（俄羅斯）和日本執(zhí)行的任務(wù)都算在內(nèi)，超過半數(shù)的火星任務(wù)均以失敗告終。有的是發(fā)射時出師不利，有的在航行中途出現(xiàn)故障，有的沒能進入軌道，還有的經(jīng)歷了慘烈的著陸。雖然最近幾次任務(wù)的成功率已經(jīng)遠高于早期的原地探索任務(wù)，但是當(dāng)空間科學(xué)家和工程師每每埋怨“噬星老妖”或者“火星詛咒”搞砸了任務(wù)時，他們并不完全是調(diào)侃。

不過，我們也取得了非凡的成績。在20世紀(jì)60年代和70年代，“水手號”軌道飛行器和“海盜號”探測器等早期任務(wù)向我們展示了一個異常美麗但貧瘠荒蕪的巖石世界，人類希望找到小綠人做行星鄰居的幻想從此破滅了。然而，后來的任務(wù)給人類帶來了新希望。壯闊的荒涼里暗藏著過去——抑或是現(xiàn)在——水和全球活動的跡象，令人神往。

“海盜號”探測器的藝術(shù)概念圖。

圖片來源：美國國家航空航天局、噴氣推進實驗室

現(xiàn)在的火星表面看起來又冷又干，大氣稀薄得好像你在地球上呼出的一口氣，無法抵御太陽輻射的轟擊。但有跡象表明，火星并非一直如此。從軌道上可以看到溝槽和錯綜復(fù)雜的峽谷系統(tǒng)，這些地形特征似乎是流水沖刷而成的。

幾十年來，行星科學(xué)家爭論不休。這些地形特征是在災(zāi)難性事件（比如小行星撞擊或者突然的氣候災(zāi)變）引起的短暫濕潤期形成的？還是在幾百萬年的歲月里，隨著火星慢慢變得溫暖濕潤形成的？到目前為止，許多證據(jù)都是模棱兩可的，兩種情況皆有可能。但如果幾十億年前，火星跟地球一樣擁有河流和海洋，那么或許生命在那時便已扎根。

“好奇號”火星車

長久以來，人類夢想著踏足火星，但至今尚無法實現(xiàn)。要登上火星，我們需要更強大、更先進的火箭和航天器，還需要更尖端的生命支持和作物種植技術(shù)。如果要在火星上建立人類居住地，我們必須將巨大的有效載荷運往火星，而時至今日，我們依然沒有這個能力。

我們一邊努力鉆研上述問題，一邊向這顆紅色行星派出一個堪比地質(zhì)學(xué)家的無人探測器——“好奇號”火星車。它跟小汽車一般大小，上面配備了17部相機、一臺沖擊鉆、一個鏟斗、一臺機械臂末端透鏡成像儀和一臺激光器。這些設(shè)備相當(dāng)于地質(zhì)學(xué)家在地球上研究巖石和礦物會用到的工具。此外，它還能模仿人的活動，比如登山、進食（比喻意義上） 、動動胳膊（機械臂）和自拍。

這位在火星上漫步的“機器人地質(zhì)學(xué)家”還是一個移動的化學(xué)實驗室。10部車載儀器可以搜尋作為原始生命物質(zhì)的有機碳，“聞一聞”火星的空氣，“看一看”是否存在甲烷之類的氣體——生命存在的跡象�！昂闷嫣枴钡臋C械臂好似一把瑞士軍刀，所需工具應(yīng)有盡有：一個類似照相機的放大鏡，一臺用來測量化學(xué)元素的光譜儀，還有一臺給巖石鉆孔的沖擊鉆，為火星樣品分析裝置和化學(xué)與礦物學(xué)設(shè)備提供樣品�；瘜W(xué)相機（ChemCam）的激光能夠在7米外把巖石汽化，然后根據(jù)其光譜確定礦物成分。此外，火星車上還有一個氣象站和一臺輻射監(jiān)測設(shè)備。

“好奇號”的國際科學(xué)團隊由大約500人組成，設(shè)備齊全的“好奇號”成為他們探索火星的手和眼睛。

“好奇號”火星車上的各種成像設(shè)備和科學(xué)儀器。

圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學(xué)院－噴氣推進實驗室

以往的火星車使用太陽能電池陣列（solar arrays）收集太陽能發(fā)電，而“好奇號”與“新視野號”一樣，使用放射性同位素溫差發(fā)電機，反復(fù)為可充電的鋰電池供電。同時，產(chǎn)生的熱量被導(dǎo)入火星車的底盤，用于內(nèi)部電子元件的保溫。

由于體積和質(zhì)量較大，“好奇號”不可能像過去那樣，使用安全氣囊著陸。美國國家航空航天局工程師羅伯·曼寧（Rob Manning）解釋說：“你沒法讓那么大的東西彈起來。”空中吊車是一個大膽的解決方案。

“好奇號”的使命：揭示火星幾十億年的演化過程，確定火星是否曾經(jīng)，甚至現(xiàn)在依然支持微生物存在。

“好奇號”的探索目標(biāo)：一座高5.5千米的火星山，它被科學(xué)家稱為夏普山（Mount Sharp），原名伊奧利亞山（Aeolis Mons），坐落在直徑155千米的蓋爾坑（Gale Crater）中央。

現(xiàn)場參與“好奇號”著陸的人員包括美國國家航空航天局太陽系探索（Solar System Exploration）項目執(zhí)行官戴夫·萊弗里（Dave Lavery，右二）和負(fù)責(zé)科學(xué)任務(wù)指揮部（Science Mission Directorate）的副局長約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld，右四）。

圖片來源：美國國家航空航天局、比爾·英戈爾斯

蓋爾坑從60個候選著陸點中脫穎而出。火星軌道飛行器的數(shù)據(jù)表明，夏普山含有幾十個沉積巖層，可能經(jīng)過了幾百萬年才形成。這些巖層可以解釋火星的地質(zhì)變遷和氣候演化。此外，夏普山和蓋爾坑似乎都有看似由流水沖刷而成的溝槽和其他特征。

計劃：火星科學(xué)實驗室將在蓋爾坑內(nèi)一片平坦的低地上著陸，然后小心地攀登夏普山，研究山體的每個巖層，這相當(dāng)于縱觀火星的各個地質(zhì)年代。

最大的挑戰(zhàn)在于“好奇號”能否降落到那里，機會只有一次。

如何駕駛火星車

在火星上，“好奇號”怎么知道要去哪里？怎么去？你或許以為，噴氣推進實驗室的工程師像搖動游戲桿一樣操控火星車。但與遙控駕駛和電子游戲不同，火星車司機沒有即時的視覺輸入和屏幕，看不到火星車的實時位置。此外，跟著陸時的情況一樣，從地球發(fā)出指令，到火星車接到指令，兩者之間總有一段時間延遲。

“由于通信延遲，我們無法做到實時交互式的操控�！辈倏貓F隊負(fù)責(zé)人約翰·邁克爾·莫魯基恩（John Michael Morookian）解釋說。

準(zhǔn)確地說，莫魯基恩和這個團隊的成員都是火星車路線規(guī)劃師。他們與其說是操控火星車，還不如說是提前為它規(guī)劃路線，編寫專門的軟件，然后上傳指令。

“我們會參考‘好奇號’拍攝的周邊圖像�！蹦�魯基恩說，“4部黑白導(dǎo)航相機提供一套立體圖像，還有避障相機的照片和全景攝像機的高分辨率彩色照片，這些都能詳細展示前方的地形特征，以及工作現(xiàn)場的巖石和礦物種類，幫助我們識別科學(xué)家可能感興趣的構(gòu)造�！�

利用所有可得數(shù)據(jù)以及名為漫游序列和可視化程序（Rover Sequencing and Visualization Program，RSVP）的專門軟件，操控團隊可以創(chuàng)建一張三維的可視化地形圖。

“這本質(zhì)上是一個火星環(huán)境模擬器。我們把虛擬的‘好奇號’放進全景場景中，然后模擬它沿設(shè)計路線行駛的過程�！蹦�魯基恩解釋說，“我們還可以戴上立體眼鏡，看到三維場景，這讓我們感覺好像在火星上同‘好奇號’一起行進。”

在虛擬現(xiàn)實中，操控團隊可以通過操縱場景和火星車來測試所有可能的路線，從而尋找最佳路線，同時確定需要避開的區(qū)域。他們可以讓虛擬火星車犯各式各樣的錯誤，比如陷進沙丘、翻車、撞上大石頭、掉下懸崖等等，還可以不斷完善駕駛指令序列，而真正的“好奇號”在火星上安然無恙。

“科學(xué)家會研究圖像，尋找有趣的地形特征，然后請我們制定一條行進路線。路線確定后，我們再編寫詳細的指令，讓‘好奇號’從A點移動到B點�！蹦�魯基恩說，“在此基礎(chǔ)上，我們可以添加指令，指揮機械臂接觸目標(biāo)�！�

“好奇號”火星車在“天穹”（Big Sky）的自拍照，由火星機械臂末端透鏡成像儀拍攝于2015 年10 月6 日（第1 126 個火星日），當(dāng)時“好奇號”的沖擊鉆正鉆入砂巖（左下角）。

圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學(xué)院－噴氣推進實驗室、馬林空間科學(xué)系統(tǒng)公司

根據(jù)指令，“好奇號”每晚停車8小時，以便核發(fā)電機為電池充電。但停車前，“好奇號”會將地形圖像和科學(xué)信息等數(shù)據(jù)傳回地球。在地球端，路線規(guī)劃團隊接收數(shù)據(jù)，規(guī)劃路線，編寫程序，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳回火星�！昂闷嫣枴钡诙�天醒來后，先下載指令，然后恢復(fù)工作。這個過程周而復(fù)始，不斷重復(fù)。

“好奇號”還有自動導(dǎo)航功能，可以穿越操控團隊在圖像里尚未看到的地方。借助自動導(dǎo)航，“好奇號”能夠感知潛在的危險，從而有能力翻山越嶺，到未知的領(lǐng)域去探索。

“我們不常使用自動導(dǎo)航功能，因為計算量太大，火星車行進起來太耗時�！蹦�魯基恩說，“我們發(fā)現(xiàn)，與其使用自動導(dǎo)航，還不如等我們第二天上班看到圖像，研究明白，然后讓它沿著設(shè)計好的路線能走多遠走多遠�！�

莫魯基恩帶我參觀了路線規(guī)劃團隊的工作間，向我解釋他們怎樣按照多個時間表規(guī)劃“好奇號”的路線。

“我們不僅要做每日路線規(guī)劃，”他說，“還要做長期戰(zhàn)略規(guī)劃，后者要用到火星勘測軌道飛行器高分辨率成像科學(xué)實驗設(shè)備（HiRISE）的圖像。我們基于這些圖像里的地形特征，選擇合適的路線。這項工作具有戰(zhàn)略性，需要考慮未來幾個月的最佳路線�！�

路線規(guī)劃團隊還要做短程規(guī)劃（supratactical）。短程規(guī)劃只考慮下一個星期，目的是管理和完善“好奇號”近期活動的類型。此外，由于團隊里已經(jīng)沒有人再按火星時間作息，所以規(guī)劃人員會在每周五確定未來幾天的計劃。

“我們周末休息，所以要在星期五規(guī)劃好后面幾個火星日的活動。”莫魯基恩說，“我們分成兩組，一組負(fù)責(zé)確定行駛時間，另一組確定機械臂和其他儀器的工作時間�！�

不過，“好奇號”在周末傳回的數(shù)據(jù)還是會有人監(jiān)控。如果有問題的話，他們會請周末應(yīng)急小組做更詳細的評估。莫魯基恩說，有幾次他們不得不啟用周末應(yīng)急小組，但到目前為止，還沒有出過嚴(yán)重的問題�！暗�這確實讓我們保持警覺。”他說。

“好奇號”具有多種響應(yīng)式安全檢查手段，比如監(jiān)測火星車甲板的整體傾斜度和車輪懸掛系統(tǒng)的循跡性。如果車輪壓到體積太大的物體，“好奇號”會自動停車。

“ 好奇號”的導(dǎo)航相機每天把黑白圖像發(fā)回地球， 路線規(guī)劃團隊將這些圖像與“好奇號”傳回的其他數(shù)據(jù)結(jié)合起來，生成三維地形模型，然后在里面添加一個虛擬的三維火星車。這樣，路線規(guī)劃團隊便能更好地了解火星車的位置以及圖像中各種地形的規(guī)模和間距。

圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學(xué)院－噴氣推進實驗室

“好奇號”不追求速度。它的設(shè)計行駛能力是每天200米，但它很少在一個火星日里走那么遠。

到2016年年中，“好奇號”已經(jīng)在火星表面行駛了大約13.2千米。

“好奇號”火星車的車轍可以幫助路線規(guī)劃團隊計算行駛距離，從而更準(zhǔn)確地操控“好奇號”。圖片中車輪孔洞留下的痕跡是JPL 三個字母的莫爾斯電碼。

圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學(xué)院－噴氣推進實驗室