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咱们书归正传。上文书我们讲到了柯伊伯带着一伙志同道合的天文学家来到亚利桑那大学，开创了一个专门研究月球与行星的实验室。一开始，他们的主要工作就是绘制月球的详细地图。但是，随着柯伊伯开始在NASA承担一份工作，开始深度参与NASA的月球探测计划，他们发现，研究月球仅仅依靠天文学家是不够的。还必须和美国地质调查局进行合作。
美国的地质调查局是内政部下属的一个科学部门。美国地图都是他们画的，他们不仅仅是负责调查美国的地质情况，绘制各种地图，还要负责地震等等自然灾害的应急预案。我们发现，美国人的各个部门不仅仅是监视美国本国的地理信息，而且眼睛总是伸向全世界，他们对地震的监控也是全球性的。还有生物调查啊，什么火山预警啊，也都是地质调查局的事儿。
美国地质调查局总部
从1962年开始，柯伊伯他们月球与行星科学实验室也开始和地质调查局合作，绘制月球的地图，以及对月球上的地质进行研究。说实话，后来主导月球探测器的，很多都是研究地质的。派探测器上去是为了挖土取样嘛，哪里的土该挖，天文学家们搞不定，这还得靠地质学家出手。
那么，该如何研究月球上的地质情况呢？以当时美国人的技术水平，根本不可能跑到月球上去挖俩铲子土。他们倒是想挖，可惜没那个本事。他们只能靠光谱分析。所以，柯伊伯的月球与行星实验室又招募了一大批专门研究光谱分析的专家。市面上出售的光谱计灵敏度不够，德州仪器公司专门开发了一种高灵敏度的光谱计，对于1000微米波长以内的光非常敏感。但是这种仪器需要制冷以后才能正常工作，毕竟1000微米的波长已经是红外光和毫米波波段了。
这些光谱分析也不仅仅是针对月球的，也可以用来研究行星大气层。木星等等巨行星基本上是个气体球，金星的大气也很浓密。当然啦，当时大家对金星的认识还不深，不知道金星条件那么恶劣。
61英寸口径的柯伊伯望远镜
当然，柯伊伯他们还惦记着建造一台口径61英寸的望远镜。这个大镜面直径也有1.5米了，还要安装几台小的21英寸望远镜。这笔钱还是军方的中国湖试验场出的。由此也看得出，他们与军方的关系也不浅。望远镜最终安装在了亚利桑那州圣卡特里纳山上。
总之，因为美国人对航天事业的重视，因此发射探测器去探测太阳系内的行星也就有了可能性。因此像柯伊伯这样长期坐冷板凳的行星科学家们就成了香饽饽了。正因为美国早期的航天发射还是军方主导，因此柯伊伯他们和军方的关系都不错。
说实话，当时美国的陆海空三军都在研究导弹，都在搞火箭发射，但是一开始就走的磕磕绊绊。1958年，他们就发射了一个先驱者号月球探测器，目标是绕月飞行。这东西长得像个大陀螺，直径74厘米。中心转轴周围插着8枚固体火箭。那火箭比礼花弹大不了多少。当时美国人的火箭不怎么样，到最后还得是靠这种小火箭最后再努一把力。先驱者号装了一个红外电视扫描仪，装了磁场探测器。靠自旋稳定姿态，每秒钟转1.8圈。
先驱者0号探测器
这个探测器装在雷神127导弹上发射升空。这个火箭的外观非常的难看，火箭的第一级其实就是一枚雷神导弹。这枚导弹说到底还是V2导弹的改进型，只是能够装进运输机的机身，用飞机进行空运部署。雷神火箭的顶上装了一个细长的阿布尔上面级。阿布尔本身长得像个火柴杆儿一样，顶上个火柴头里面装着先驱者号探测器，整体模样别提多别扭了。火箭从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射升空，在16公里的高空，雷神火箭一头栽了下来，压根就没出大气层。
这枚先驱者号探测器就这么栽了，后来NASA追认这枚探测器为“先驱者0号”。军方还是不服气啊，后来又发射了一大串的先驱者号探测器。往下排是先驱者1号，这东西长得跟先驱者0号差不多。这一次雷神火箭倒是没有载下来，但是角度错了3度，而且提前了10秒关机，导致这枚探测器不可能飞出地球引力范围。地面控制人员还想做最后的努力，想依靠探测器上的固体火箭把这颗探测器送入环绕地球的轨道，横竖也得把它变成一颗地球卫星吧。但是因为先前的火箭出了问题，导致这个探测器的位置不合适。现在探测器所处的轨道温度太低了，探测器上的火箭被冻成了冰疙瘩的，根本启动不起来。最终探测器还是掉下来了，最高点距离地面大概120公里左右。
雷神-阿布尔火箭
当然这颗探测器上的那些传感器还是发挥了一定的作用，送回了一部分数据。但是任务整体上依然是失败的。后来，美国人发射的先驱者3号依然失败，第3级火箭不给力，点火失败导致这个探测器还是没能飞出地球轨道。
苏联人的火箭比美国人强。科罗廖夫设计的那个R7系列火箭真的是太强了，这个火箭家族到现在还在使用，送宇航员上国际空间站，使用的还是R7家族。苏联的月球探测器的火箭，就是R7改装的。
月球1号探测器模型
本来月球1号的目标是撞击月球，但是因为轨道错误，这家伙和月球擦身而过。从6000公里的距离上掠过了月球，意外的成为了一颗绕着太阳旋转的人造行星，周期是450天转一圈。虽然也没有达到预定目的，但是横竖是比美国人强多了。
美国人咬牙发狠，拿出先驱者4号，在月球1号发射成功以后4个月，才完成了从月球旁边飞掠而过。距离是6万公里，这个成绩比苏联人差远了。先驱者3号和4号都是圆锥体，底面的圆直径23厘米，高51厘米，体积很小。为了尽量简化，这两颗探测器都只有6公斤重。也没搭载几样仪器，这么做就是为了把事情简单化，能从月亮旁边绕过去，打开相机拍几张照就算万事大吉。
先驱者4号仅有6公斤重
这两颗探测器都是用朱诺火箭发射的，这东西依然是德国V2导弹的拉长改进型。总设计师都是布劳恩。先驱者3号没能入轨掉下来了。先驱者4号倒是成功了，但是完成质量依然比苏联人差得多。
1959年，苏联人又发射了月球2号，这一次月球二号成功的撞击了月球，实现了从地球飞到另外一个天体，撞上去也算是硬着陆嘛。月球3号成绩更好，绕到了月球的背面，拍到了月球背面的照片，赫鲁晓夫拿着这张照片到处嘚瑟，美得都快乐开花了。毕竟苏联人赢了呀，就是压你美国人一头。
新版先驱者探测器
美国人的先驱者计划还在继续进行，新探测器不在像陀螺了，而是一个直径1米的金属球体，周围长着三片太阳能板，比先驱者0号那种探测器大多了。内部装着电视转播系统，装着摄像头、磁场记录仪。发射的火箭从雷神换成了宇宙神系列，上面的二级火箭和三级火箭没有换，因此外观还是一如既往的难看。你想想也是，一般来讲，洲际导弹都是很好看的，一根细长的火箭，前面是个尖头。整体上都很匀称。现在改成运载火箭了，上面级长得像个火柴，硬插在洲际导弹的顶端，怎么看怎么别扭。
这个新版的先驱者探测器依然是流年不利，先驱者P1探测器失败，P3探测器失败，P30和P31探测器依然失败。只有先驱者5号取得了部分成功。本来先驱者5号是用来探测金星的。但是因为准备时间太长，错过了探测金星的窗口期。金星每过584天，也就是1.6年，就有一次机会和地球的距离最近。时间错过了，那就只能在傻等下一次周期了。美国人当然不肯傻等，他们还是发射了先驱者5号探测器，按照轨道是不可能遇上金星的，遇不上就遇不上呗，白跑一趟就白跑一趟呗。还是可以取得一些科研成果的，比如这颗探测器探测到了行星际的磁场。
行星际磁场
所谓的行星际磁场，也叫日光层磁场。因为太阳的日冕层其实一直延伸到了广袤的星际空间。从太阳上吹出来的太阳风包含大量带电粒子。这些带电粒子也有磁场。太阳在自转，大概二十几天转一圈的样子，太阳喷出的大量带电粒子也就是螺旋状分布的。所以，行星际空间的带电粒子分布，有点像电风扇的叶片。一边带坡度，一边带扭曲，形状非常复杂。
发现行星际磁场算是先驱者5号的一个重要发现，大概是从这里开始先驱者计划就转向行星和太阳的探测，而不是围着月亮打转转了。从先驱者P31任务失败之后，这个计划暂停了。NASA也经不起没完没了的打水漂。1960年的年底，这个继承自军方的项目只能先告一段落了。
1961年，肯尼迪总统发表了登月讲话。他立下豪言壮语，那就是在60年代结束前，把美国人送上月球。可是到那时候为止，美国人对月球的了解依然是不多的。总统话一出口。这就等于开始了倒计时。NASA只能硬着头皮继续对月球进行探测。哪个时代的NASA真是要钱给钱，要人给人，先后动员了120家高校，2万家工厂，动用了400多万人。总之，一切都要为登月服务。
喷气推进实验室
在载人登月之前，你总得搞定无人登月吧。你总得把探测器送上月球吧，你总不能一次次打水漂吧。这个任务交给谁？对了，先驱者4号不是取得了部分成功吗？这是谁干的？是加州理工的喷气推进实验室。OK就是它了，探测月球的任务就交给加州理工的喷气推进实验室。
NASA的这个新的无人探月计划就叫做“徘徊者”计划。柯伊伯也就是这一阵子被拉进这个项目小组的，他和喷气推进实验室的主任皮克林也是老熟人了。
NASA也是不会起名字啊，你为啥要起个徘徊者的名字呢？人家海军的EA6电子干扰机外号“徘徊者”倒是很贴切，电子干扰机嘛，总是在人家家门口一圈圈转悠。你月球探测器也叫“徘徊者”，那不是注定了瞎转悠嘛。孔雀东南飞，五里一徘徊，十里一拐弯，百里一转圈……这不是什么好事儿。
徘徊者1号
所以啊，喷气推进实验室在执行这个徘徊者计划的时候，就一路的走霉运。最开始的徘徊者1号和2号探测器基本上是一个模子刻出来的。就是一个细长的锥形，底边是6边形的。锥形顶端是磁场探测器和天线。六边形的底座里面装有各种仪器，可以探测磁场、电场、宇宙辐射、来自太阳的X射线辐射和带电粒子。侧面伸出两片太阳能板，底座下面深处一个锅盖一样的定向天线。
这两探测器都是用宇宙神-阿金纳火箭发射的，说白了就是宇宙神火箭上边插了一个阿金纳上面级。阿金纳上面级虽然比过去的那个阿布尔火箭要粗多了，但是依然长得像个胖版的火柴杆。不管什么火箭，你顶着一个火柴棒，都不会好看。
宇宙神-阿金纳火箭
徘徊者1号的发射一开始还算是顺利。火箭把探测器送到了环绕地球的临时轨道上。但是，这个阿金纳B型上面级在关键时刻掉链子，火箭二次点火失败，无法离开临时的泊车轨道。阿金纳A型火箭没有二次启动的功能，所以开发商洛克希德公司专门给阿金纳B型升级版增加了二次点火功能，这个功能是关键性因素。
但是，在轨道上二次启动是有难度的，我们以前都讲过，在太空轨道上，一切都处于失重状态，燃料罐里的燃料也是一样，如果罐子是满的，那倒还好说如果只剩下半罐子燃料，这些燃料机会因为失重，在罐子里飘起来，反正就是不聚集在罐子底部，这时候燃料泵就算是拼命搅合也抽不到燃料。于是点火就会失败。在航天技术发展的初期，这种事都是非常难以克服的问题。二次点火失败，也不能说是太意外的事儿。
结果呢，徘徊者1号在近地轨道上徘徊了一个礼拜，姿态也稳定不住，足足翻了好几天跟头，最后还是掉下来了。徘徊者2号还不如徘徊者1号呢，这回倒是陀螺仪出了毛病，倒是阿金纳上面级没办法点火，在临时泊车轨道徘徊了2天就掉下来了。
徘徊者3号
到了1962年的1月份，美国人发射了徘徊者3号。这个徘徊者3号跟徘徊者2号长得还是挺像的，只是三角锥的头上多了个大球。喷气推进实验室的目标还是在月球上反推着陆，在撞上去之前，启动探测器上的电视摄像机，回传一段月球的画面。预计能传回150多幅画面。以当时的技术，分辨率都非常低，只有200线左右。
现在很多人已经习惯于数字化的影像了。小朋友们可能从出生起就没有接触过模拟电视。至于半导体收音机，中波广播，那就是个遥远的古董。模拟信号时代的整套拍摄设备，信号传输的方式全都是不一样的。
显像管扫描线
所以，我们还是要解释一下这个200线的画面是啥意思。当时的真空管摄像管采用电子束扫描的方式，一张图像要分解成200根扫描线。至于这一根扫描线可以分解成多少像素呢？对不起，那个时代不存在像素概念。一根扫描线就是连续的模拟信号，就是连续的高低起伏的电信号。并不是数字化图像那样，明确的一格一格的。
这样连续复杂波形在传回地面过程之中是有损失的。因为带宽的限制，往往是高频信号丢了，于是电视机上还原出来的图像显得比较模糊，那些细节都丢了。而且模拟信号很容易掺杂大量的噪音和麻点，甚至出现扭曲。
同步信号不佳造成的扭曲
你想啊，传回的一张图像是200根扫描线组成的，这200根线必须头尾对齐，对不齐的话，画面就扭曲了。如果因为信号弱，因为干扰大，用于对齐画面扫描线的同步信号丢失了，这画面就没法看了。
当时美国的电视标准是400线左右，从月球传回图像采用了200线这种格式，其实就是为了省带宽。美国的地面通信站已经做好了准备，准备从地面接收到徘徊者3号传回的电视信号。
为了精确着陆，美国人设计了中途轨道修正，着陆之前，必须尽量保证轨迹垂直于月球表面。在距离月球表面3900公里高度，电视摄像机开始工作。在下降到24公里高空，拍摄结束。在距离月球表面21.4公里的高度，着陆器和探测器主体分离。然后开启3个反推火箭，在月球表面上空300米实现悬停。然后爆炸螺栓启动，把反推火箭的支架和着陆器炸开。着陆器就掉下去了，以每秒45米的速度装上月球表面，月球上重力加速度比较小。最多把屁股下边的半球形木头缓冲壳摔烂。机器本身还是没事的。
轻木制成的球形缓冲器
着陆器内部是个小型的月震仪。内部装了1.7公斤的水，月亮上是高度真空，着陆器是完全封闭的，在太阳照射下，水会蒸发，在内部产生压力。在这个压力下，水的沸点是30度左右。也就是说，在这些水烧干漏光之前，月震仪可以维持在30度的温度，不会过热。水晒干了，也就完成使命了。
美国人算计的是挺好的呀，但是真的发射以后，完全不是按照事先的剧本来的。首先是发射被推迟了4天，宇宙神火箭助推器出故障了，需要修理。发射以后也不顺利，阿金纳B上面级进入围绕地球运转的临时泊车轨道，因为控制系统错误，这个泊车轨道比预计的要高。
阿金纳B第二次启动，这次倒是成功了，但是火箭太着急了，速度快了点，按照这个速度，探测器会提前14小时到达月球的轨道线。是啊，探测器到了，月球还没来，你着啥急呢？按照这个状态，探测器会从32000公里之外掠过月球。
原定的轨道修正过程
徘徊者3号的轨道修正引擎太小，这么大的误差根本无法修正。看来着陆月球的任务已经无法完成了。那么，退而求其次，能不能尽量近距离掠过，多拍几张照片呢？事不宜迟，NASA的控制人员开始输入修正轨道的指令。结果呢，指令错误，越修越远了，飞掠的点距离月球会达到36785公里。还不如不修正呢。
远点就远点吧，在距离月球5万公里，地面控制人员调整探测器姿态，对准月球，开始准备拍照。这一转身不要紧啊，天线歪了，没对准地球，徘徊者3号倒是开始拍照了，但是电波对歪了，地面除了一堆噪音，啥也没收到，你瞧这事儿闹的。
天线歪了，这也就意味着地面的指令，探测器也收不到了，只能听天由命。这个探测器进入了环绕太阳运行的轨道，周期406天。这个探测器传输回来的唯一有用的数据是30小时的伽马辐射仪的背景数据。
看来徘徊者3号就是因为轨道控制不精确而导致任务失败。不行啊，这个问题一定要解决。徘徊者4号的轨道控制一定要精确。徘徊者4号是真的精确啊，精确到8头牛也拉不回来啊。欲知后事如何，且提供下回分解。我们下次再说。
