航天器的“備胎”有多強(qiáng)大？

王鑫

2019年1月11日，“嫦娥四號”探測器成功著陸月球背面的預(yù)選著陸區(qū)，實(shí)現(xiàn)了人類月背表面探測的突破。但很多人并不知道的是，“嫦娥四號”原本只是2013年發(fā)射的“嫦娥三號”探測器的備份。事實(shí)上，很多航天器在“出生”之初就有“胞弟”或者“備胎”，它們或者是相同設(shè)計(jì)的航天器因?yàn)榇钶d了不同的科學(xué)載荷而產(chǎn)生，或者是賦予了不同的探測目標(biāo)而出現(xiàn)。那么，為什么要做這種“備胎”的設(shè)計(jì)呢？

探測器隊(duì)伍為“組團(tuán)”出現(xiàn)

美國和蘇聯(lián)在航天史上都曾有大量航天器采用過這種思路，尤其是在20世紀(jì)的六七十年代的深空探測高峰期，大量探測器“成雙結(jié)對”地奔向月球和外太陽系。

比如，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室曾設(shè)計(jì)過多個(gè)系列的航天器，這些航天器充分利用了相同設(shè)計(jì)、不同目標(biāo)、互為備份的思路，其中不少都像“雙胞胎”一樣組隊(duì)出現(xiàn)，有些甚至是成批次先后發(fā)射入軌，比如“海盜計(jì)劃”“旅行者計(jì)劃”“先驅(qū)者計(jì)劃”“游騎兵計(jì)劃”。那個(gè)時(shí)期的探測器之所以“搭伙”甚至“組團(tuán)”出現(xiàn)，主要是由于當(dāng)時(shí)深空探測水平和經(jīng)驗(yàn)有限，再加上美國和蘇聯(lián)兩國爭奪航天地位的時(shí)間緊迫。另外，當(dāng)時(shí)航天器本身的可靠性和成熟度不足，該時(shí)期深空探測失敗率很高。

由此可見，冷戰(zhàn)時(shí)期探測器出雙入對的根本動(dòng)機(jī)在于提高任務(wù)的成功率，彌補(bǔ)早期對探測目標(biāo)缺乏認(rèn)知和探測器本身的不可靠所帶來的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。但正所謂“無心插柳柳成蔭”，一些相同設(shè)計(jì)的探測器因奔向不同的目標(biāo)或采用了不同的探測路徑而得到了迥異的結(jié)局以及豐富的成果，有的甚至大大超越了原來的設(shè)計(jì)意圖，取得了令人矚目的科學(xué)成就。

長壽的“兩兄弟”

20世紀(jì)末，美國國家航空航天局（以下簡稱NASA）發(fā)起了“火星探測漫游者”計(jì)劃，同時(shí)設(shè)計(jì)了兩輛火星車，分別命名為“機(jī)遇號”和“勇氣號”，同期前往火星表面的不同地點(diǎn)找尋水和生命存在的痕跡?；蛟S是因?yàn)椤皫煶鐾T”，兩輛火星車都帶有“長壽基因”。自2004年1月“勇氣號”著陸火星表面直到最終失去聯(lián)系，累計(jì)工作了2208個(gè)火星日，是原設(shè)計(jì)壽命90天的24.5倍。而“機(jī)遇號”則更長壽，自著陸火星起一直工作至2018年6月火星刮起全球塵暴失聯(lián)，累計(jì)工作長達(dá)14年，共5474個(gè)火星日，是原設(shè)計(jì)壽命的60倍。

但是要說起最長壽的相同設(shè)計(jì)航天器，那必須說是與“機(jī)遇號”同門的“旅行者”1、2號探測器，它們自19了了年發(fā)射后已經(jīng)在茫茫深空中飛行長達(dá)41年。

2013年9月12日，NASA正式公布，經(jīng)過36年的飛行，“旅行者1號”已經(jīng)飛出了太陽風(fēng)的勢力范圍，至今它還在飛向深空并傳回前所未知的星際物質(zhì)的探測數(shù)據(jù)。在“新視野號”飛掠冥王星之前，人類所有對太陽系邊緣的知識幾乎都來自于“旅行者號”這兩顆探測器。

它們不只是“備胎”而已

利用相同設(shè)計(jì)的航天器，同期發(fā)射并分別探測不同目標(biāo)，與單獨(dú)發(fā)射相比可以充分利用已有的設(shè)計(jì)和任務(wù)規(guī)劃。由于它們共用零部件和生產(chǎn)設(shè)備，所以任務(wù)總成本增加不多，但科學(xué)效益有時(shí)卻是雙倍甚至更多。有時(shí)憑借擴(kuò)展任務(wù)還會(huì)有意外驚喜，而互為備份的情況也增強(qiáng)了任務(wù)的可靠性。所以，即使進(jìn)入新世紀(jì)，這種思路一直沿用至今。

探測器設(shè)計(jì)互相繼承的思路可以最大限度利用已有的成熟設(shè)計(jì)，也可對以往航天器任務(wù)中暴露出的缺陷做出改進(jìn)，避免了造車要從發(fā)明車輪開始的情況。比如，NASA正在研發(fā)但尚未命名的2020火星車，就采用了與“好奇號”火星車同樣的架構(gòu)，就連進(jìn)入火星大氣直至著陸火星表面所用的天空升降機(jī)都是一樣的。只是科學(xué)家們在選取新的著陸點(diǎn)后，給它更換了新的有效載荷，其中包含一套新的采樣封裝系統(tǒng)，可以將火星表面采集的樣本封裝保存，留待后續(xù)火星采樣任務(wù)返回時(shí)將這些樣本帶回地球。

當(dāng)然，除了對合理部分的繼承，還有對不合理部分的革新。在火星惡劣的氣候和地面條件下，“好奇號”部分車輪的表面被“折磨”得千瘡百孔，雖然暫時(shí)不影響其繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，但仍是隱患。因此，在2020火星車上，研發(fā)人員重新設(shè)計(jì)了火星車的車輪，以期能在火星上更好更耐久地工作。