和时间赛跑的“凤凰”

by Shea on 5月 11, 2009

Eric Hand　文　Shea　编译

揭秘“凤凰”号在火星上的157个日日夜夜……

[图片说明]：版权：NASA/JPL-CALTECH/UNIV. ARIZONA/TEXAS A&M UNIV.。

撇开火星北部平原不谈，如果按照美国亚利桑那州土桑的标准，纽约的伊萨卡一年四季都是郁郁葱葱的。但是冬天就要来了。时间是2008年10月14日，美国亚利桑那大学教授彼得·史密斯（Peter Smith）正大步走向康乃尔大学的校园，此时道路两旁的秋季观叶植物已经过了它们的最佳时期。他此行的目的是在美国天文学会行星科学部年度会议上做一个关于美国宇航局（NASA）“凤凰”号火星探测器目前状况的报告。史密斯是“凤凰”号的首席科学家，同时他也是以“学院派”身份执掌整个火星表面探测计划的第一人。

不过史密斯并不是第一个上台报告NASA正进行中的火星探测计划的主讲人。来自康乃尔大学的史蒂夫·斯夸尔斯（Steve Squyres）教授第一个上台，他负责“勇气”号和“机遇”号火星车上的科学模块。这两辆火星车从2004年登陆火星开始一直工作至今。斯夸尔斯说：“因为我只有20分钟的时间，因此请各位抓牢了。”在如旋风一般地浏览了火星上的丘陵、环形山以及特殊的地质特征之后，斯夸尔斯结束了他的演讲。并且在他演讲的最后他公布了一个雄心勃勃的计划，那就是“机遇”号火星车将花上2年的时间、行驶12千米去往一个直径22千米的环形山。

　　轮到史密斯走上讲台的时候他显得有些吃力，当他站定之后脸上则闪过了一丝微笑。“你们都知道，我和史蒂夫之间有一个很大的不同，”他说，“史蒂夫永远在前进，而我则一直呆在一个地方。我是一个不爱动弹的人，因此我们的计划也是一样。”但是除了这些自嘲之外，史密斯的演讲中不无流露出了对他们300个人的团队所完成的工作的自豪之情。他们把一个相对廉价的探测器送上了火星，并且着陆在了一个近地表富含有冰块的平原上。探测器上的分析实验装置发现了有盐存在的证据。史密斯展示了一张探测器着陆支撑腿的奇怪照片，上面似乎有小水滴。另一台仪器则发现了水成碳酸盐的证据，以及可能是来自于有机分子的微弱信号，这是以前在火星上从来没有探测到过的。如果有更多时间的话，还有很多东西值得慢慢品味和研究。

[图片说明]：第８个火星日出现在“凤凰”号支撑腿上疑似盐水的物质。版权：NASA/JPL-CALTECH/UNIV. ARIZONA/MAX PLANCK INST.。

但现实总是残酷的。斯夸尔斯的火星车的寿命已经从原先计划的90个火星日延长到了1,700个火星日，而且它们还在继续工作。然而这对于“凤凰”号来说却是不可能的。它着陆的地点比起火星车纬度要高得多，即将到来的冬季严寒会使得“凤凰”号“冻僵”。操作“凤凰”号上仪器的科学家在尽量减少能源的消耗，因为火星上的白天正在变得越来越短，太阳也在慢慢地下落。当史密斯在康乃尔大学演讲的时候，正是“凤凰”号在火星上的第138个火星日。史密斯心里知道在第200个火星日到来之前“凤凰”号就会完全停止工作，“死”在这一片漆黑的平原上。

扭转乾坤

“凤凰”号计划也对史密斯这个善于交际、无忧无虑的人产生了影响。在他的演讲中，史密斯以他的幽默吸引了听众。但是在午餐的时候他却一反常态地变得沉默甚至是急躁。“很多事情和开始时我所想的并不一样，”他边挑选食物边说，“我们到了正确的地方，深藏着火星各种秘密的土壤就在我们身边。我们也装备了正确的仪器设备，配备了正确的人员，一切都显得十分完美。但是我们就是无法从我们的仪器中得到我们想要的东西。我告诉你，这真让人沮丧。我们在和时间赛跑，剩下的时间已经不多了。”

“凤凰”号是一系列失败的“产物”。1997年“火星探路者”继“海盗”号于1976年之后第一次成功着陆火星，NASA火星项目的管理者秉承着当时NASA局长丹·戈尔丁（Dan Goldin）“更快、更好、更廉价”的方针，打算每两年向火星发射两个新型的小探测器。但是1999年12月由于未曾有人注意到的导航命令中公制单位和英制单位的差异，环火星气候探测器烧毁在了火星大气中。3个月后，可能是由于距离地面40米时反推火箭熄火，“火星极地着陆者”在降落到火星南极的过程中与地球失去了联系。

为了谨慎行事，NASA在2000年取消了原本计划于2001年发射的火星着陆器，因为这个火星着陆器使用了和“火星极地着陆者”完全一样的设计。与此同时，计划中的“火星勘探者”也由于斯夸尔斯的火星车而失去了发射机会。这使得史密斯也陷入了可怕的困境。他曾经负责“火星探路者”上的主照相机，如果“火星极地着陆者”没有出现意外的话，他也将负责同样的工作。除此之外，他还为另外两个同样被取消的探测任务制造和管理照相机。史密斯说：“当时我没有了探测计划，没了工作，也失去了35个雇员。”之后他就转投美国亚利桑那大学的艾尔弗雷德·麦克尤恩（Alfred McEwen），他当时正负责于2005年发射的“环火星巡逻者”上的高分辨率成像科学实验。

但是“更快、更好、更廉价”并没有完全死寂。2002年NASA发起了一场低成本火星侦察任务竞赛，于是史密斯重新干起了他的老本行。他负责6个火星侦察任务提案的照相机部件，并且他还成了他自己提案的首席科学家。“无论谁获胜了，”他说，“我也就获胜了。”

史密斯的提案“凤凰”号非常的精巧。它将利用2001年被取消的、与“火星极地着陆者”类似的硬件，只不过这次着陆的地点从南极变到了北极。原“火星极地着陆者”的成员、史密斯在亚利桑那大学的同事比尔·博因顿（Bill Boynton）当时正负责于2001年发射的“火星奥德赛”探测器上的γ射线分光仪。他发现在火星极地冰帽周围靠近地表的地方有氢的存在。这预示着在火星北部的平原中可能有水冰的存在，而且这些水冰非常靠近地表，只要轻轻一铲就能“破土而出”。在水冰的问题上，北部平原和“火星极地着陆者”所选择的南极地区很类似。但是北部平原的优势是它更加平坦，而且几乎也没有什么巨石。再加上海拔要低得多，因此探测器在那里着陆可以有更多的大气用来减速。

“凤凰”号提案提出在北部平原着陆的两大科学目标：研究火星北极水的历史以及评估冰、土交界处的生物学潜力以便寻找火星上适宜生命存在的环境。2003年，让很多人惊讶的是，“凤凰”号击败了许多风险要小很多的项目赢得了竞赛，成为了“火星侦察”计划的第一个探测器。史密斯也成为了“凤凰”的掌门人，负责有关它的一切事物。作为喷气推进实验室（JPL）的项目主管，他将对项目的合同和建造全权负责。

如此美丽，如此新颖

史密斯的科学控制中心就位于距离亚利桑那大学校园几千米的一个居民区内。这是一幢位于众多暗褐色房子之间表面涂有灰泥的低矮房屋，并不起眼。但是在2008年5月25日——第0火星日，当“凤凰”号的行星际之旅结束的时候，数百名科学家、工程师以及他们的家人在这里齐聚一堂，来聆听由“火星奥德赛”和“环火星巡逻者”转发回地球的消息。

在被“凤凰”号团队称为“恐怖7分钟”的时间里，“凤凰”号会一头扎进火星稀薄的大气里。之后“凤凰”号上黑色的绝热层会被丢弃，降落伞打开。任务控制中心开始获得探测器的高度读数。12个反推火箭开始快速点火。在最后调整完自己的朝向以便使得太阳能电池板获得最大光照之后，“凤凰”号最终着陆。这是自“海盗”号之后第一个使用反推火箭而非缓冲气囊在火星上成功着陆的探测器，这要求科学家和工程师们必须完美无暇地完成任务的每一步。在地球上人们也为之欢呼和鼓掌。“成功着陆可能是整个计划中最令人高兴的事情，”史密斯说，“因为有人一而再、再而三地告诉我们着陆会失败。”

[图片说明]：控制室里庆祝“凤凰”号成功着陆，中间的为彼得·史密斯。版权：L. K. HO/AP。

着陆之后数据便开始源源不断地传回地球。科学家们也开始把自己的作息时间调整成了火星日——火星上的一天比地球上的多40分钟，这就使得两者有了“时差”。“凤凰”号的主相机架设在距离地面2米高的地方，它将用于全景照片的拍摄。在早先拍摄的照片中，发现了火星土壤中的裂缝，这暗示了火星上存在着可能是由于火星自转轴摆动所造成的冷热循环交替变化。“凤凰”号的机械臂随后也伸了出去，挖掘了火星表面的土壤。“凤凰”号在火星上的第20个火星日，照相机拍摄到了机械臂挖掘之后在几厘米深的坑中出现的一些白色小块。4个火星日之后这些白色小块便消失了。这是火星上的冰在暴露于火星北极夏季温暖的空气中之后由固体升华成了水蒸汽，据“凤凰”号上气象站的观测，当天的气温是−31℃。

照片向我们展示的仅仅是一道开胃小菜，真正的大餐则是火星的土壤。“凤凰”号上面有8个容器，其中的加热器可以把倒入的火星土壤加热到1,000℃。然后“凤凰”号上的质谱仪就会“嗅探”火星土壤所释放出的气体，并且可以探测出其中浓度低至一亿分之一的化合物。这一系统被称为“热与溢出气体分析仪”（TEGA），它是在火星土壤中寻找有机化合物——“凤凰”号的重要科学目标——的关键部件。上个世纪的“海盗”号没有在火星上发现有机化合物，但是TEGA可以把样品加热到更高的温度，而且“凤凰”号降落地点的低温也更有利于有机化合物的保存（见火流星网站之《火星土壤的秘密》）。虽然这些有机化合物并不一定就是火星有生命存在（过）的证据，因为在太阳系中许多可以确定没有生命的地方也发现了复杂的含碳化合物，但是这对于“凤凰”号评估火星宜居性的目的而言有重要的意义。

[图片说明]：在第20个火星日挖出的白色小块（左图）于4天后消失了。版权：NASA/JPL-CALTECH/UNIV. ARIZONA/TEXAS A&M UNIV.。

基于“火星极地着陆者”上类似仪器的TEGA由博因顿负责。他曾经用火星轨道上的分光仪探测到了火星极地的冰，现在他将在火星表面融化土壤中的冰块来探测其中的同位素。博因顿说，TEGA是“凤凰”号科学计划的核心。它的结果是最令人热切期待的，“凤凰”号的团队在它身上也花费了最多的时间。12个来自不同大学的科学家和技术人员花了1,360万美元造了这台仪器。但是TEGA从要它开始工作的那一刻起就“闹”起了脾气。

遥远的北海

2007年4月在TEGA从土桑运往洛克希德·马丁公司装配到探测器上的前几天，在质谱仪内部的线路中发现了一处短路。这并不是什么致命问题，而且也还有时间来得及加以修复。另外质谱仪里面还有一套备用的线路。然而，在“凤凰”号的第4个火星日，备用线路中也出现了短路，这顿时使得TEGA的运转缺乏了安全保障，也使得博因顿的小组倍感压力。到2008年6月底的第25个火星日，又发现了一处短路。这次出现短路的是8个加热器中的某一个，原因则可能是操作人员在企图把黏性土壤送入容器时的震动所导致的。同样地，这一短路并不是致命的——它只会影响一个加热器，但是它让位于土桑和NASA总部本已十分紧张的人变得更加紧张。

[图片说明]：比尔·博因顿了解“凤凰”号的研发工作。版权：H. ENOS。

对于诸如“火星侦察”这样由首席科学家领导的项目，NASA也必须遵从全权负责该项目运转的科学家。然而，由于“凤凰”号本身很高调，再加上它上面搭载的仪器又出了一点问题。因此，NASA火星探测计划主任道格·麦奎逊（Doug McCuistion）说，在NASA总部上到局长迈克尔·格里芬（Michael Griffin）下至每一个人都在关心当天送来的对“凤凰”号每日评估报告。2008年6月底的时候，NASA破例发出了命令，要求“凤凰”号的团队把下一次TEGA的采样当成它的最后一次采样，并且把寻找带有坚硬冰块的土壤本样作为目前的头等大事。土桑的小组就此失去了控制权。

“诚实地讲，我们确实介入了，”麦奎逊说。有一点顽固地想继续控制他的仪器的博因顿也承认；“NASA真的害怕……如果我们没有找到冰，那将会是非常难堪的一件事。”但是他和史密斯仍然讨厌这种接管任务的方式。“这不是应该采取的做事方式，”史密斯说，“这也正是为什么我们到最后被迫的原因。”

“凤凰”号的团队花了几天的时间才弄清楚了如何才能把冰弄进机械臂的抓斗里。当机械臂带着样本来到TEGA容器上方的时候，抓斗里的冰块又拒绝掉入加热器。然而当队员们终于想出办法让冰块掉进容器之后，他们又不得不面对从此任务中最备受指责的问题：加热器的闸门只打开了一半。于是抓斗中的许多样本根本就没有落入加热器中。

其实最令人抓狂的许多故障在发射前就已经排除了。“凤凰”号上的TEGA和“火星极地着陆者”上的有一个不同，那就是“凤凰”号上的TEGA有一个薄薄的盖子，用来防止来自地球的微生物污染用于盛放样本的容器。博因顿和他的小组在测试样机时发现，这个盖子底部的支架大了一根头发丝的宽度，因此它会阻碍闸门的开启。他们将修改的设计发给了盖子的制造商纽约蜜蜂机器人公司。然后新的部件被运来并且安装到了“凤凰”号上。但是由于需要修改的地方在图纸上没有交待清楚，因此蜜蜂机器人公司仍然按照原先的设计制造了相关的部件，而土桑的科学家也没有进一步对它进行测试。“他们本应该发现这个问题的，我们也本应该发现这个问题，但是我们都没有，”博因顿无不懊恼地说。

[图片说明]：实验室里的热与溢出气体分析仪（左图），但是在火星上样本并不总能倒入其中。版权：NASA/JPL-CALTECH/UNIV. ARIZONA/MAX PLANCK INST.。

博因顿说，TEGA出现的问题并没有使我们丧失继续探测任务的能力，但却使我们丧失了宝贵的时间。在花了三个星期终于把一些冰块送入一个加热器之后，NASA终于松了口气。“凤凰”号团队也将目标转向了含冰的土壤。倒入TEGA中的土壤里含有足够的冰可以用来确认它是水冰，但是还不足以来确定它的同位素组成，而对同位素的测量可以提供有关火星水和大气历史的重要信息。在2008年8月和9月，TEGA又分析了几个浅层土壤的样本，发现了碳酸钙存在强有力证据，而碳酸钙通常是在水中沉淀而成的。但真正引起博因顿兴趣的是一个来自所有样本的低温信号，它可能来自不同类型的碳酸盐，甚至是有机分子。

晚风的吹拂

“凤凰”号在火星上的第153个火星日，也就是2008年万圣节前几天，博因顿庆祝了他的64岁生日，并且在他学校的办公室里召开了最后一次TEGA计划会议。很多科学家已经离开了科学控制中心，只有史密斯和少数人还在坚守。博因顿的左手缠着绷带，由于不小心他的左手被咖啡机三度烫伤了。TEGA的情况同样不妙。前一天晚上博因顿接到项目工程师的报告，“凤凰”号已经进入了“安全”模式——一种探测器为了应对突发事件的而自我保护的措施，但为了节约能源而关闭“凤凰”号上加热器的指令尚未被执行。因此TEGA小组还有能源和时间来进行最后一次实验。博因顿和他的工程师向“凤凰”号发出了一系列的指令，虽然这样的工作他们已经重复了几百次，但“这应该是我向‘凤凰’号发出的最后一批指令了，”其中一个工程师说。

他们发出的指令是要“凤凰”号打开或者关闭一些阀门，因此来寻找加热器没有被关闭的原因。同时他们往TEGA中注入了一些火星大气的样本，然后滤除了其中所有的二氧化碳，把剩下的浓度高一点的痕量气体送入了质谱仪。质谱仪会探测其中氩以及其他稀有气体的同位素，以此来为火星大气的历史演变提供有价值的信息。

他们知道他们心目中完美的计划可能即将结束，他们已经为此做好了准备，无论是如释重负还是忧伤。“这个任务比我预期的更有人情味儿。我们都希望它能运转更长的时间，哪怕只是一会儿，”TEGA仪器主管海瑟·伊诺斯（Heather Enos）说，“人类的天性不都是如此的吗？”

在许多方面，TEGA所经历的考验和苦难反映出了整个计划所一路走来的艰辛。4.28亿美元的耗资使得“凤凰”号这一“廉价”的计划面临了巨大的风险。按照博因顿的说法，诸如JPL这样NASA传统的控制中心决不可能在少于5亿美元的情况下来运营这样一个项目，或者是只用1,360万美元就能制造出像TEGA这样的仪器设备。与之形成对比的是JPL的“重头戏”、总耗资已彪升到20亿美元的“火星科学实验室”，它上面仪器设备的造价就达到了8,000万美元，并且有50个科学家和工程师参与到了其中。目前“火星科学实验室”的发射时间已经被推迟2年到了2011年。

[图片说明]：“凤凰”号在火星上的第157个火星日，最后的日出。此为艺术家想象画。版权：C. WASTE/JPL。

JPL太阳系探测总工程师金特里·李（Gentry Lee）说，“凤凰”号将以其“物美价廉”被载入史册。“凤凰”号着陆器在其157个火星日里几乎天天都处于科学运转状态。它为8个分析容器中的5个送入了火星样本，并且使用了4个湿化学烧杯中的3个。尽管它没有彻底检测火星上的冰，但是它分析了含冰的土壤。“凤凰”号还拍摄了25,000张火星照片。它的原子力显微镜观测到了比两个火星车上的显微成像仪最高分辨率还要小100倍的片状粒子。“凤凰”号上的主照相机还拍摄到了火星上的降雪和地面上的霜冻。

博因顿说，他们并没有把每一分钱的功效都发挥到了极致。他特别希望他们能有更多的钱来进行后续的数据分析，因为在项目进行的过程中真正用于数据分析的时间其实很少。他目前仍然在地面控制室工作，目的是为了搞清楚TEGA探测到的可能是来自某种碳酸盐的神秘低温信号。但是他并不感到遗憾，他说：“你不能希望什么事情都尽善尽美。”

梦想之地

尽管尝试了去关闭着陆器上消耗能量的加热器，但是“凤凰”号还是由于电池耗尽从安全模式转入了“自主”模式。“凤凰”号会按照固定的程序运转，它上面的仪器设备将不再接受任何新的指令。工程师们花了三天时间来监听来自“凤凰”号的微弱信号，但是没能重新掌握控制权。最终“凤凰”号还是离开了我们，“凤凰”号的科学使命也就此结束。

目睹了一代又一代、一个又一个探测器的李说，所有的火星探测器不管大小和设计都有这样一个信条。大型、昂贵的重要计划决不容忍失败，而小型、廉价的方案则可以。“凤凰”号为“海盗”号实验的结果带来了希望，它也为“火星科学实验室”在抓取和倾倒火星土壤方面提供了宝贵的经验。火星计划都是通过互相取长补短而壮大起来的，毕竟火星还是一个鲜有人去过的地方，光是在路上就要花上差不多1年的时间。每一个探测计划无不得益于先前所取得的经验，同时又会为惠及后来的探测任务。不过也无法否认，在从“凤凰”号着陆到计划结束的5个月里依然还有一些未尽的愿望。

在距离地球3.74亿千米远的地方，早已冷到“骨子”里的“凤凰”号正等待着漫天的固态二氧化碳将其埋葬。61岁的彼得·史密斯也行将结束其“凤凰”号首席科学家的职务，他也不会再接新的探测任务。但无疑，如果未来的火星探测器嗅探到了一点什么的话，人们都希望它是“有机”的。

（本文已刊载于《太空探索》2009年第3期）

[Nature 2008年12月10日]

扩展阅读