新视野号的三条命

　　2015年7月14日，临近晚上9点，新视野号（New Horizons）的首席科学家阿兰·斯特恩（Alan Stern）和NASA的局长查尔斯·博尔登（Charles Bolden），一起在美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室里，焦急地等待着新视野号飞船向地球传回第一批信号。大约13个小时前，远在40多亿千米外的新视野号刚刚一次性地飞掠了冥王星（Pluto）及其系统内的五颗卫星。
　　实验室附近有将近2000人一起在等待着新视野号的消息，而全世界还有无数人正坐在电视机和电脑前，关注着这次飞掠行动。回首往事，老科学家阿兰不禁唏嘘。他用了至少27年，才使新视野号飞掠冥王星成为今天的现实。他花了14年来推广这个项目，花了4年来建造和发射飞船，飞船又用了9年多时间来穿越太阳系。这一刻，阿兰和他的伙伴们翘首以盼，他们的努力能换回什么结果，很快就能揭晓答案。
　　阿兰心里很清楚，现实并不像童话故事那样，总会有个美好的结局。在励志故事中，努力的人总会获得丰厚的回报，而在现实中，辛勤一辈子却竹篮打水一场空的科学家比比皆是。
　　如果要评选史上经历磨难最多的太空探测器的话，我肯定会把票投给新视野号。它就像是经历了九九八十一难才抵达西天的唐僧，但要想取回真经，还差最后这么一锤子买卖。冥王星的质量非常小，引力很弱，新视野号的速度太快，以至于无法泊入冥王星环绕轨道，只能是一次性飞掠。所以，要取到冥王星的有效信息，只有一次机会。
　　从新视野号发出的无线电波大约需要4个小时才能抵达地球，所以，阿兰知道，虽然还没收到信号，但此时此刻结果已经决定了。在阿兰的感觉中，这几分钟就像一个世纪一样漫长，他的脑海中不断闪现着新视野号多舛的命运。
　　让我们把时间拉回1999年，NASA在全国范围内征集PKE任务的具体方案，PKE任务的全称是＂冥王星-柯伊伯快车＂（Pluto-Kuiper Express）。这个任务的前身叫作＂冥王星飞掠探测任务＂，是由NASA喷气推进实验室于1992年提出的，预算是4亿美元，预计最快在1998年发射，飞七八年到达冥王星。这个计划得到了时任NASA局长丹尼尔·戈尔丁的大力支持。可是计划在推进过程中非常不顺利，主要原因是花费太高。到1995年，任务演变为冥王星快车任务（Pluto Express），预算从4亿美元降为3亿美元。到1999年，这个计划增加了探测柯伊伯带（Kuiper belt）(1)小天体(2)的任务，于是又更名为Pluto-Kuiper Express，简称为PKE任务。
　　阿兰·斯特恩当时是美国西南研究院空间科学与工程部的副主任，他所带领的团队受到了NASA的邀请，提出PKE任务的详细设计方案，方案最核心的部分是采用何种设备来观测冥王星和柯伊伯带的小天体。阿兰他们当时提出的方案是由照相机和光谱仪组成的一套组合设备。但是，好景不长，在资金预算方面又出现了问题。这个任务的预估费用一再增加，很快就要接近8亿美元了(3)，这下NASA吃不消了，终于在2000年9月，NASA甚至都还没有选择发射什么设备飞往冥王星，就取消了PKE计划。
　　阿兰一年多的工作成果眼看着就要化为乌有。然而，令他和NASA都没有想到的是，突然神兵天降，取消行为遭到了空前的压力。首先是行星科学界的科学家们联名公开谴责NASA的这个决策，要求恢复项目。然后这种情绪很快传导到公众身上，NASA的热线电话几乎被打爆了，NASA还收到了一万多封抗议邮件。有一个十几岁的小伙子甚至开车横跨整个美国，来到位于华盛顿哥伦比亚特区的NASA总部请愿。在这件事情上可见美国人对太空探索的热情有多高，也从一个侧面反映出一个国家公民的科学素养水准。2017年，我国也发生了两次类似的事件，一次是关于中国是否要建设大型强子对撞机的争论，另一次是关于中国建设大型通用型光学望远镜的设计方案的争论。这两次争论也在公众中引起了较大的反响，虽然与美国的这次事件比起来是小巫见大巫，但在我看来这是一个非常好的现象，说明我国公民的科学素养在逐步提高。
　　3个月后，NASA终于扛不住公众舆论的巨大压力了。2000年12月，他们宣布了一个补救方案。这个方案有点意思，NASA宣布要组织一场竞赛，在达成PKE任务目标的前提下，花的钱只能是之前预算的一半，并且必须让飞行器在2020年前抵达冥王星。说实话，NASA的这一招还真够绝的。本以为这是一项不可能完成的挑战，哪知道，NASA最终从不同的团队那里收到了五个方案，每一本方案书都像电话号码簿那样厚。人类的创造力也真是惊人，被逼急了什么都能想出来。阿兰也领导团队提交了一个方案，他们把这个方案取名为＂新视野号＂，英文是＂New Horizons＂，有些书也将其直译为＂新地平线号＂，我这里采用中文世界更常见的一个译法。
　　新视野号探测器
　　阿兰的团队来自两个单位：一个是阿兰所在的美国西南研究院，负责探测器的设计；另一个是约翰斯·霍普金斯大学的应用物理研究所，负责飞船的建造与控制。在怎么省钱上，他们主要想出了两个大招——
　　第一，只发射一艘飞船。你可能没搞懂，难不成原计划要发射两艘？是的，按照过去NASA发射宇宙探测器的惯例，对某颗行星的首次探索任务都是要双保险的，从无例外。因为只发射一艘，失败的风险太大了。现在，阿兰团队大胆地提出就发射一艘，这样就可以省出一大笔钱。虽然话说得容易，但真要做到降低失败率那不是拍拍胸脯就够的，需要大量实实在在的技术提高。
　　第二，让飞船在飞往冥王星途中的近10年内休眠，这样就可以节约人力成本。这话说得容易，但要做到这一点，就意味着飞船航线的精度必须高到令人咋舌。用数据来说，就是必须让飞船在完全没有中途航线修正的情况下，在飞行9年半后，在一个9分钟的时间窗口内抵达冥王星，还要穿过一个只有56千米×97千米的空间窗口。听上去有5000多平方千米的面积，但是要提前将近10年就设计好路线，在40亿千米之外控制飞船穿过那个空间窗口，就好比从上海一杆把高尔夫球打到乌鲁木齐的球洞里面，这个难度可想而知。
　　阿兰他们经过不厌其烦地修改和完善，无论是技术实施，还是科学小组成员，又或是在计划管理、教育、公众宣传、成本控制，甚至是在应急措施上，终于让这个计划变得无可挑剔。2001年11月底，NASA正式宣布：新视野号在所有候选方案中胜出。
　　这时候，阿兰的研究小组还剩下4年零2个月的时间完成飞行器的设计、建造和检验，而在NASA以往的飞行任务中，比如旅行者号、伽利略号和卡西尼号，这样的过程都用了8—12年。现在阿兰他们需要把时间缩短到原计划的一半甚至三分之一，预算方面就更加寒碜了，只有旅行者号经费的五分之一。
　　正当阿兰团队撸起袖子准备大干一场的时候，又出幺蛾子了。
　　确定新视野号方案获胜还不到3个月，小布什（George Walker Bush）政府就突然宣布要取消新视野号的任务，把它从2002年年初发布的美国政府的预算中去除，这使得美国国会和白宫发生了一场旷日持久的经费战。大概半年后，在2002年的夏天，美国科学院将冥王星探测列在了行星探测＂十年调查＂项目的首位，并且说服了足够多的议员，向他们证明了该任务的巨大价值，这场经费战才得以平息。我们可以想象在这半年中阿兰团队的煎熬，那真是要对这项事业无比热爱才能坚持下来的。
　　关于经费的摩擦暂时平息了。但是没想到，洛斯阿拉莫斯国家实验室又横生枝节。这个实验室于1943年成立，因为研制出了世界上第一颗原子弹而声名远播。新视野号的核燃料电池要靠这个实验室生产，它在新视野号研发期间两次停止运行，每次停运都持续了好几个月，这严重削减了钚（Pu，读bù）的产量。这些困难让NASA和科学界的很多人曾经都不看好新视野号。但阿兰他们夜以继日、全年无休地勤奋工作，最终按时把新视野号送上了发射台。
　　2006年1月19日，在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地，新视野号成功发射，45分钟后，第三级火箭分离，新视野号脱离地球引力，朝木星飞去。它将在1年零1个月后抵达木星，然后借助木星的引力助推，飞向冥王星。预计抵达目标的时间是2015年7月14日，这是一次超远距离的一杆进洞表演。
　　新视野号配备了短暂飞掠冥王星系统时所需要的一切东西。它的工作端装载了多台仪器，包括两部相机、两台可以将不同波长的光分开从而分析天体的大气组成和表面物质组成的光谱仪、一台研究撞上飞船的那些尘埃的威尼西亚·伯尼学生制测尘器、两个用来测量冥王星的大气逃逸速度以及逃逸气体的成分的空间等离子体传感器，还有一个用来测量冥王星的表面温度、随高度变化的大气温度和气压的无线电探测包。
　　这些仪器大大地提高了新视野号的科研能力。新视野号采用的是21世纪的技术，而旅行者号这样的航空器用的还都是20世纪六七十年代的仪器。旅行者1号装载的成像光谱仪只有1像素，而新视野号的成像光谱仪有6.4万像素。有了这些先进的技术，再加上比旅行者号的磁带大上100多倍的数据存储量，新视野号的探测效率远超以往任何飞掠任务。
　　新视野号的任务主要包括：用七种仪器对冥王星及其五颗卫星做400多次观测；搜寻可能伤害飞船的障碍物；寻找新的卫星和环结构；不断观测冥王星，对其位置进行三角测量，从而精确定位；控制飞船引擎，使它精确地完成飞掠目标的任务；传输靠近目标时获得的所有数据。
　　光阴荏苒，9年多过去了，时间终于走到了2015年7月14日，最后的时刻终于来临了。阿兰·斯特恩从30多岁开始跟进这个项目，这时已经58岁，满头黑发的小伙已经变成了头发半白的大叔。他坐在那里，静静地等待着新视野号的命运，也在等待着自己的命运。
　　新视野号的任务运行主管叫爱丽丝·鲍曼（Alice Bowman），是一位中年女性。任务运行主管的英文是＂mission operations manager＂，首字母的组合刚好是＂mom＂，＂妈妈＂的意思，而爱丽丝又是一位女性。所以，新视野号的运行团队成员都亲切地把爱丽丝称为＂mom＂。
　　
　　阿兰团队庆祝新视野号成功，图中高举的是放大后的冥王星邮票，票面上＂尚未探测＂的＂尚未＂二字被划去
　　美国东部时间7月14日20点52分37秒，爱丽丝通过扩音器冷静地宣布：＂我们与新视野号的遥测系统锁定。＂
　　她的话音刚落，整个中心立即响起了掌声，人们沸腾了，大家振臂欢呼、击掌庆祝、挥舞旗子、相互拥抱。接着，非常有趣的一幕发生了。
　　坐在爱丽丝身后、负责新视野号RF通信系统(4)的小伙报告：＂妈妈，我是冥王星一号的RF通信系统。＂
　　爱丽丝说：＂请继续，RF。＂
　　小伙说：＂RF通信系统报告：载波功率额定，遥测标称信号噪声比额定。RF通信系统正常。＂
　　爱丽丝说：＂收到，RF通信系统正常。＂
　　冥王星
　　大厅中立即响起了会心的笑声，大家听出来了，他们这是在玩角色扮演呢。
　　接下去，所有的飞行工程师一个接一个地学着RF的口气，跟＂妈妈＂汇报飞船工作系统一切正常。当所有人都报告完毕后，办公室的门被推开，掌声雷动，阿兰·斯特恩在众人的注目下走了进来，他高举着双臂，脸上洋溢着幸福的笑容，与＂妈妈＂来了一个热情的拥抱。
　　这一刻是对他所有努力的最佳回报，阿兰他们用了将近30年的时间，克服了无数的困难，用了＂三条命＂，终于打通关了。
　　第二天一早，新视野号就已经将它拍摄的第一组高清图像发回了地球，让人们看到冥王星是一个复杂到令人称奇的世界。此后几个月，飞船陆续传回数据，一直持续到2016年年末。总体而言，新视野号用七种科学仪器实施了至少400次独立的观测，在这个过程中获得的数据量是NASA首次火星探索任务水手4号（Mariner 4）获得数据的5000倍。
　　这批科学数据使人们对冥王星系统的认知产生了革命性的巨变，颠覆了我们对小行星的普遍看法——原来它们也可以这么复杂，这么活力四射。公众对此次任务反响热烈。阿兰他们的任务网站增加了20多亿次的访问量，飞掠冥王星的新闻在那一周占据了500多家报纸的头条，并登上了数十家杂志的专题，还出现在了谷歌首页涂鸦的地方。这样热烈的反响让阿兰感到既欣喜又意外。