【原创文章】SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

前言

今天清晨SpaceX圆满完成了一次NASA给的“艰巨考验”,因为之前出于对火箭的不信任,一直以来NASA交办猎鹰9的大多为非关键载荷,大多是国际空间站的日常补给或实/试验器材。此次的载荷虽为猎鹰9史上最轻载荷(仅350kg),但这个探测器却举足轻重,尤其是对人类找寻“第二地球”起到重要作用,更是未来天价的“韦伯”望远镜的“最佳拍档”。本文作者:Saturn V,本文为往期重发,内容有所更新。

SpaceX诸多等待发射的载荷中,TESS似乎并不很引人注目。但其实通过一个细节便能看出此次发射对SpaceX来说至关重要,TESS将会使用全新的一级火箭,而且是猎鹰9 Block 4非二手火箭的谢幕演出。TESS到底是什么东西值得SpaceX如此重视?

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

TESS,正对的是数据天线,黑色罩子罩住的是相机

发射主要流程视频,由于目标轨道相当高(Highly Elliptical Orbit),漫长的滑行段被切掉了,但精准的海上回收被保留了,这枚回收火箭将用于下一次CRS国际空间站货运补给任务

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

编号1045一级回收顺利,正中靶心

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

星箭分离,但TESS还要自行完成后续变轨

TESS是英文Transiting Exoplanet Survey Satellite的首字母简写,译为凌日系外行星巡天卫星,是NASA的“探索者计划”太空望远镜成员之一。计划最早在2011年由谷歌提供种子资金,麻省理工学院带头,光学组件由MIT的林肯实验室负责研制,卫星则由轨道ATK公司负责制造。这颗发射质量仅350千克,立起来不过略比人高的卫星,放在猎鹰9诺大的整流罩里颇有些玩具的感觉。但就是这个“玩具”却牵动着无数天文学家的心,其发射成功与否更对SpaceX的未来发展有着深远影响。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

TESS和人与猎鹰9整流罩和人

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

从TESS的名字便能看出,这是一个通过凌日法来寻找太阳系外类似地球行星的望远镜,简而言之便是通过行星对其环绕恒星光芒的定期性遮挡,导致的恒星光源强度衰减来发现行星。大约一年前TESS的“老前辈” 斯皮策空间望远镜便是通过此法发现了七颗环绕TRAPPIST-1恒星的类地行星,TESS预计替代的前辈开普勒空间望远镜更利用此法,在9年多的时间内发现了1284个太阳系外类地行星

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

说到观测类地行星的太空望远镜,几乎所有人都会想到NASA远(臭)近(名)闻(昭)名(著)的詹姆斯•韦伯空间望远镜,超大的6.5米直径第一级镀金镜片让韦伯会有超过以往所有太空望远镜的观测精度。尽管一拖再拖,但此“神器”也预计会在2019年中发射升空(就在作者发给我此文的那个早上,发射时间再次推迟到2020年,主页君注),既然如此为何和韦伯比起来几乎各方面性能都是小不点的TESS还能牵动那么多天文学家的心呢?这还要从TESS的S(Survey,巡天)说起。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

“韦伯“望远镜的预算经费飙升图(这货以后绝X是航天项目经费控制的反面典型,主页君注)

接触过专业相机的人都知道,拍摄远景时使用广角镜头可获得很宽视角的完整远景,但远景的细节则不清晰,相反使用高倍镜头虽能拍摄到远景的清晰细节,但却不得不牺牲视角拍摄不到整体远景。通俗一点讲,就像站在最后一排看话剧,不使用望远镜能看所有演员的表演但却看不见每个演员的面部细节,而使用望远镜虽能看清面部细节,但也一次只能看一个演员。视野和清晰度是两个不共戴天的仇敌,在观测距离以光年计算的天文望远镜上更是如此。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

TESS不同任务时长所能观测视角和韦伯观测视角(黑色虚线)对比

韦伯逆天观测精度的代价便是主近红外相机视角横纵只有2.2 弧分,而60弧分等于1度,对你没有看错,韦伯的主相机观测视角只有大约0.0367度。也就是说韦伯一次所能观测的恒星数量十分有限,而截止至2018年3月,在2796个地外行星系中已确定有3743颗行星,其中625个行星系有不止一颗行星。哪怕从现在开始不再有新的行星被发现,韦伯也不可能在预计的10年服役期内完成数千颗行星的细节观测。因此有效利用韦伯宝贵的观测资源便至关重要,这时候就轮到TESS出场了。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

TESS的“广角”相机

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

如果说韦伯是高倍镜头,那么TESS则是广角镜头。四台CCD低温低噪相机每台都有横纵24度的视角,使得TESS可以对整片宇域的恒星进行观测,提前发现和筛选值得韦伯进行后续细致观测的类地行星,巡天的称呼因此得来。TESS入轨后将会对提前划分的每个星区进行为期27天的观测,着重观测距离地球30至300光年之间的,较为明亮的红矮星,确定是否存在行星的同时观测出恒星宜居带的大概距离。由于红矮星温度低于太阳,宜居带距离恒星更近,因此在宜居带环绕红矮星的行星环绕周期较短,在10-30地球日之内。也就是说27天的观察最佳可产生3次光源衰减,足以进行非常细致的分析和计算,从这个意义上来讲,TESS可算是韦伯的先遣队了。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

类地行星开普勒-186f距离恒星要比地球近很多,环绕周期更短

为达到上述观测效率,TESS要尽可能远离地球避免地球遮挡住它的视野,但同时也不能离地球太远阻碍数据传输,研发团队为此设计了一条非常奇葩的轨道,TESS将会是第一个使用2:1月球共振轨道的太空飞行器。此轨道正如其名,是利用月球引力共振效应的地球环绕轨道,近地点108000千米远地点375000千米,轨道平面大约垂直于月球环绕平面。2:1是因为环绕周期(13.7地球日)恰好是月球环绕地球周期的一半,月球的引力会和TESS产生共振,第一圈环绕时月球向一个方向施力,第二圈环绕时则向相反方向施力,这样TESS不需要轨道调整引擎便可在此轨道上稳定环绕1000余年,不会像它预计替代的开普勒望远镜那样因为燃料限制而牺牲了部分观测。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

不过要到达2:1月球共振轨道(上图蓝线)并非易事,从地球发射的TESS要先飞向月球(上图绿线),利用月球的引力弹弓效应改变倾角进入深空的转移轨道(上图紫线),最后再利用地球的引力(上图黄线)把TESS拉回共振轨道。TESS还要使用NASA的深空通讯网络(DSN),在仅有的经过近地点的16小时内完成两次为时4个小时的庞大数据传输,同时轨道ATK的地面工作人员还要在TESS再次前往深空前清空硬盘内存,以便记录新的观测数据。TESS也会成为首个使用26GHz Ka波段DSN数据链的太空飞行器,此高频波段比老式S低频波段的数据传输速度快数百倍,有趣的是韦伯望远镜也要使用此波段的数据链,也就是说就连通讯技术上TESS都是韦伯的先遣队。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

由在美国加州巴斯托市,西班牙马德里市和澳大利亚堪培拉市的三座巨大天线阵列组成的“覆盖”宇宙的深空通讯网络将负责TESS的数据传输。若4月16日成功发射,TESS经过多次点火后最顺利也要6月中旬才能入轨,任务复杂程度可见一斑。而上述一系列接力入轨操作第一棒的重担,则被NASA钦定压到了SpaceX身上。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

NASA对SpaceX剪不断理还乱的“感情”,在TESS上得到了最完美展现。一方面NASA希望这个自己投资几十亿的私人公司能带来廉价发射的回报,但另一方面较为保守的NASA也担心SpaceX尤其是马斯克本人的冲劲会把造价高昂的载荷变成绚丽的烟花。事实上从3月16日NASA发布的关于CRS-7任务事故的报告就能看出,两年半过去了,SpaceX和它最大的赞助商依然在事故具体原因上尚存在分歧。TESS可以说是NASA给SpaceX的又一张试卷,这会是SpaceX第一次发射进入深空的“非测试广告”载荷,亦是SpaceX发射的第一个太空望远镜。

让NASA耿耿于怀的CRS-7事故(视频2分钟左右发生事故

NASA之所以能把TESS“放心”地托付给SpaceX,是因为和总耗资80亿的韦伯,6亿5千万的开普勒相比,TESS的2亿美金已经可算为“小任务”了,换句话说就是哪怕发射失败了也不会特别心疼(有钱人的世界我们不懂)。而若发射成功,则证明猎鹰9或者说SpaceX这个公司具备发射超精密载荷送入深空的能力,也就是发射要求最高的太空望远镜将不再被欧空局和ULA垄断,次世代更大更贵的太空望远镜,诸如ATLAST(Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope,先进科技大直径太空望远镜)等都可允许SpaceX参与发射竞标。从这个意义上来讲,发射TESS的猎鹰9或许比重型猎鹰更容易遭到来自神(U)秘(L)人(A)狙击手的攻击。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

可能的ATLAST设计

当然对于SpaceX来说,尤其对于马斯克本人来说,公司的认可才是最为关键的。早在介绍其殖民火星关键的BFR飞船时,马斯克便说过BFR巨大的前部货仓能够发射更大直径的太空望远镜,其实这已经是表明了希望NASA能为BFR的研发提供资金支持,未来以廉价发射太空望远镜回报。TESS的成功与否,会是马斯克画的这块大饼能否被NASA认可的关键,毕竟若连一个小的望远镜都发射不好,NASA又有什么理由相信能发射更大更复杂的呢?不相信,又何来的投入资金呢?

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

BFR所能搭载的望远镜第一级镜片大小预估,最左为哈勃,中间为韦伯

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

这能否成为现实,TESS是要过的第一关

就像不管iPhone X的发布会上大家再怎么嘲讽苹果见光死的新产品,再怎么拿iPhone的创新玩梗开玩笑,等iPhone 8和iPhone X发售时还都老老实实掏出钱包购买一样。对一个商业公司产品的信任才是购买力的真正来源,ULA的天价“黑店”能行走江湖亦是如此,SpaceX作为后起之秀更应如此。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

(全文完)


iPhone用户打赏清扫这里,打赏都将转给作者本人。

SpaceX又一次完成NASA给的“艰巨考验”,新探测器将祝人类找寻第二家园(含发射视频)

该作者往期文章:

  1. 火星之路(上)

  2. 火星之路(下)——从90天报告到SpaceX的火星殖民计划

  3. 下一站,火星(上)

  4. 下一站,火星(下)

  5. 他在月球上飙过车,飞过4种飞船,6次进入太空,他是宇航员中的传奇

  6. 2017年全球航天发射集锦和盘点

  7. 2017的物理诺奖颁给了发现引力波的LIGO三剑客——对宇宙真理的百年追逐(下)

  8. 又一次发现引力波的LIGO——对宇宙真理的百年追逐(上)

  9. 如何不回收第一级火箭 ——15年的SpaceX历程

  10. 不就是一块石头么,看我把它推回去! ——回顾NASA胎死腹中的小行星重定向任务


想了解更多的航天科普新闻,请关注我们的公众号“航天爱好者”!

欢迎各位爱好者投稿,各抒己见,畅所欲言!

欢迎访问我们的网站:www.spaceflightfans.cn

最新的航天新闻聚合和发射预报