航天器的“备胎”有多强大？

王鑫

2019年1月11日，“嫦娥四号”探测器成功着陆月球背面的预选着陆区，实现了人类月背表面探测的突破。但很多人并不知道的是，“嫦娥四号”原本只是2013年发射的“嫦娥三号”探测器的备份。事实上，很多航天器在“出生”之初就有“胞弟”或者“备胎”，它们或者是相同设计的航天器因为搭载了不同的科学载荷而产生，或者是赋予了不同的探测目标而出现。那么，为什么要做这种“备胎”的设计呢？

探测器队伍为“组团”出现

美国和苏联在航天史上都曾有大量航天器采用过这种思路，尤其是在20世纪的六七十年代的深空探测高峰期，大量探测器“成双结对”地奔向月球和外太阳系。

比如，喷气推进实验室曾设计过多个系列的航天器，这些航天器充分利用了相同设计、不同目标、互为备份的思路，其中不少都像“双胞胎”一样组队出现，有些甚至是成批次先后发射入轨，比如“海盗计划”“旅行者计划”“先驱者计划”“游骑兵计划”。那个时期的探测器之所以“搭伙”甚至“组团”出现，主要是由于当时深空探测水平和经验有限，再加上美国和苏联两国争夺航天地位的时间紧迫。另外，当时航天器本身的可靠性和成熟度不足，该时期深空探测失败率很高。

由此可见，冷战时期探测器出双入对的根本动机在于提高任务的成功率，弥补早期对探测目标缺乏认知和探测器本身的不可靠所带来的任务风险。但正所谓“无心插柳柳成荫”，一些相同设计的探测器因奔向不同的目标或采用了不同的探测路径而得到了迥异的结局以及丰富的成果，有的甚至大大超越了原来的设计意图，取得了令人瞩目的科学成就。

长寿的“两兄弟”

20世纪末，美国国家航空航天局（以下简称NASA）发起了“火星探测漫游者”计划，同时设计了两辆火星车，分别命名为“机遇号”和“勇气号”，同期前往火星表面的不同地点找寻水和生命存在的痕迹。或许是因为“师出同门”，两辆火星车都带有“长寿基因”。自2004年1月“勇气号”着陆火星表面直到最终失去联系，累计工作了2208个火星日，是原设计寿命90天的24.5倍。而“机遇号”则更长寿，自着陆火星起一直工作至2018年6月火星刮起全球尘暴失联，累计工作长达14年，共5474个火星日，是原设计寿命的60倍。

但是要说起最长寿的相同设计航天器，那必须说是与“机遇号”同门的“旅行者”1、2号探测器，它们自19了了年发射后已经在茫茫深空中飞行长达41年。

2013年9月12日，NASA正式公布，经过36年的飞行，“旅行者1号”已经飞出了太阳风的势力范围，至今它还在飞向深空并传回前所未知的星際物质的探测数据。在“新视野号”飞掠冥王星之前，人类所有对太阳系边缘的知识几乎都来自于“旅行者号”这两颗探测器。

它们不只是“备胎”而已

利用相同设计的航天器，同期发射并分别探测不同目标，与单独发射相比可以充分利用已有的设计和任务规划。由于它们共用零部件和生产设备，所以任务总成本增加不多，但科学效益有时却是双倍甚至更多。有时凭借扩展任务还会有意外惊喜，而互为备份的情况也增强了任务的可靠性。所以，即使进入新世纪，这种思路一直沿用至今。

探测器设计互相继承的思路可以最大限度利用已有的成熟设计，也可对以往航天器任务中暴露出的缺陷做出改进，避免了造车要从发明车轮开始的情况。比如，NASA正在研发但尚未命名的2020火星车，就采用了与“好奇号”火星车同样的架构，就连进入火星大气直至着陆火星表面所用的天空升降机都是一样的。只是科学家们在选取新的着陆点后，给它更换了新的有效载荷，其中包含一套新的采样封装系统，可以将火星表面采集的样本封装保存，留待后续火星采样任务返回时将这些样本带回地球。

当然，除了对合理部分的继承，还有对不合理部分的革新。在火星恶劣的气候和地面条件下，“好奇号”部分车轮的表面被“折磨”得千疮百孔，虽然暂时不影响其继续执行任务，但仍是隐患。因此，在2020火星车上，研发人员重新设计了火星车的车轮，以期能在火星上更好更耐久地工作。