小火箭：外太空宜居星球搜尋情況的當下與未來 之一

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本系列共5篇，本文是第1篇。

公元2018年10月30日，美國宇航局NASA宣布，預計工作壽命為3.5年的開普勒望遠鏡因燃料耗盡，在超期服役直至工作9年7個月零23天後，徹底退役，停止了她的所有在軌科學探索活動。

從此，開普勒望遠鏡在發現了2662顆系外行星之後，帶著滿滿的收穫和無盡的好奇心，溫和地走入了那個良夜。

本文，小火箭要和大家共同探討如下幾個問題：

開普勒望遠鏡是怎樣的一種設計？整個項目是如何啟動的？

千百年來，人類對外星人和系外星球的好奇心，永無休止，而開普勒望遠鏡是依靠怎樣的方法來尋找系外行星的？

為什麼要尋找系外行星？

給出小火箭技術分類體系；

目前人類對系外行星，尤其是宜居行星的掌握程度；

未來會怎樣？

設計

開普勒望遠鏡是人類首個專門設計用來在茫茫宇宙搜尋類地系外行星的空間探測器。

上圖左側為開普勒望遠鏡的太陽能電池陣列+防護罩的背面。右側則是沒有遮陽板保護的較為難得一見的望遠鏡光度計核心部件。

開普勒望遠鏡質量為1.0524噸，長4.7米，最大直徑2.7米。

該望遠鏡是由鮑爾航天集團作為主承包商研製的，在2008年具備交付狀態。

鮑爾航天集團，是全球第88大軍火集團。美國陸軍的單兵50瓦和單兵100瓦戰術電源系統就是該集團研製的。

F-35戰鬥機的共形天線，也是鮑爾航天的產品。通過多輪激烈角逐，鮑爾憑藉出色的產品性能打入了F-35分系統承包商的行列。

註：

共形天線，又稱共形陣列天線，是指附著於載體表面且與載體緊密貼合的陣列天線，在裝備上進行使用的時候，需要將陣列天線共形安裝在一個固定形狀的表面上，從而形成非平面的共形天線陣。在現代無線通信系統中，共形陣天線由於能夠與飛機、導彈甚至是衛星等高速運行的載體平台表面相共形，且並不破壞載體的外形結構或空氣動力學等特性，成為天線領域的一個研究熱點。

貝爾公司大名鼎鼎的OH-58D奇奧瓦武裝偵察直升機的觀測/瞄準系統，也是出自鮑爾航天之手。

而屢屢用超高清的對地觀測照片引起我們對現代太空技術的讚歎的數字地球公司，實際上是由鮑爾航天、柯達（嗯，就是那個在我們童年時代成為相機和相紙代名詞的柯達）還有福克空間這3大集團強強聯合誕生的高科技企業。

由鮑爾航天這樣的專註于軍用天線、軍用瞄準系統和超高解析度對地觀測系統研發的軍火巨頭來牽頭研製尋找系外行星的太空探測器，大家還是比較放心的。

立項

不過，整個開普勒項目的立項過程還是很曲折的。

這一切，小火箭覺得需要從博魯茨基這位工程師開始談起。

在小火箭的公號報告《小火箭聊導彈飛船與高超聲速飛行器的熱防護》中，咱們一起探討了熱防護技術。

而博魯茨基就是在阿波羅時代研究飛船防熱系統的工程師。

阿波羅計劃完成，留下一代傳奇。

迄今為止，人類留在月球上的物品足足有170噸之多，

而人類從月球取回的月壤和月球岩石則有382公斤。

這是人類在奔月途中拍攝的地球照片。

這張照片如今成為了地球上一家叫做騰訊的企業的一款名為微信的應用程序的登陸畫面。在呼喚著人類早日重返月球。

博魯茨基在阿波羅計劃中，表現出色，獲得了阿波羅任務成就獎。

隨後，在1970年，已經31歲的博魯茨基並未像大多數工程師那樣，憑藉年輕時代參與大工程的經歷而去混資歷，轉行政，而是一頭扎入了他熱愛的行星探索事業。

對月球的分析，在滿足了很多人的好奇心的同時，也激發了那一代工程師對太陽系內的其他自然天體了解的慾望。

上圖左側為金星，右側為地球。

博魯茨基醉心於研究行星上的閃電和表面紋路。無論是金星上的還是木星上的，他都非常痴迷。

到1987年，博魯茨基已經48歲了。按理說，應該是著手準備為退休生活培養一些愛好，去辦理釣魚協會或者房車協會的會員卡的時候了，但是，他突然在他的辦公室冒出這樣一句話：

「我們對太陽系外面的行星，簡直是一無所知！」

這下子可不得了。他的一席話，引起了同事間的大範圍討論。

討論的話題集中在兩個方面：

第一，到底有沒有大量的系外行星？或者說，類似太陽系的這種一組行星小兄弟圍繞一顆恆星轉動的系統，在宇宙中是否是常見的？

第二，就算系外行星是存在的，甚至是大量存在的，那麼靠什麼方法來發現呢？

博魯茨基沒有和大家多說，直接就提出了解決方案。

他把這個方案的意向報給了美國宇航局NASA的預研部門。

方案還是比較有趣的（詳見小火箭好友提供的博魯茨基老爺子當年提的原始方案）：

用一個太空探測器，凝視數千顆恆星。如果其中有的恆星有她自己的行星系統的話，行星繞到恆星前面（類似金星凌日）的時候，恆星的一部分光就會被擋住，這樣恆星的亮度就會出現周期性地變暗。

美國宇航局NASA一開始還是感興趣的。

於是，博魯茨基得以有機會陳述他的技術基礎：

他早些年研究過行星的閃電，擁有用光度計來判斷星球情況的工程經驗。

但是，很多同行還是不能理解他的方案，並且認為，就算理論上可以，工程上也不可行。

博魯茨基老爺子急了，說道：

「我早在1967年就已經有閃電和光度計的相關工程經驗了，是可行的！」

在眾人表示有些懵的時候，老爺子拿出了他的阿波羅獎章，並且講述了往事。

在上世紀60年代，還沒有超高速的高清攝影設備。

而博魯茨基是搞阿波羅飛船的防熱系統的，他迫切地想知道在高超聲速飛行狀態下，飛船防熱大底的激波是什麼樣子的。

當他申請經費，要求專門為研究飛船防熱系統的激波建造高超聲速風洞的時候，一個明確地拒絕回應立刻就回絕了他。

原因比較簡單，當時美國根本沒有建設高超聲速風洞的技術條件（實際上，直到今天，真正掌握這門技術的國家也只有美國和中國。）

怎麼辦？

博魯茨基有辦法。這也是為什麼他後來被人稱作炮彈工程師的原因。

博魯茨基想到，戰列艦巨大的16英寸（406mm）艦炮能夠在瞬間賦予1.225噸重的炮彈762米/秒（Mach 2.2418）的速度，這巨大的出口動能能夠讓1噸多重的炮彈飛行38公里遠。

這是當時他能夠想到的除核武器之外，爆發力最強的試驗設備了。

當時是上世紀60年代，距離二戰結束還沒有太久，有大量的二戰艦隻甚至還來不及拆解。

博魯茨基通過他在海軍的關係，搞到了兩門巨大的艦炮。

在他精通空氣動力學的好友的幫助下，其中一門艦炮加裝了超聲速噴嘴，當發射葯被點燃，炮聲響起的時候，這門炮能夠以15倍聲速的速度瞬間拋出136公斤的空氣。

另一門艦炮則緊接著開炮，這門炮並不發射空氣，而是發射一枚特殊的炮彈。

兩門炮是頭對著頭，炮口瞄著炮口的。

第二門炮發射的炮彈的頭部，就是阿波羅飛船防熱大底的氣動外形。

這枚炮彈以相對於地面3倍的聲速撕裂迎面而來的快速氣流，這樣就構建了一個阿波羅飛船模型的18倍聲速空氣動力學實驗條件（炮彈3倍聲速+迎面氣流的15倍聲速）。

博魯茨基在兩門大炮的炮口之間，布置了大量光度計。當阿波羅飛船模型快速飛過的時候，伴隨著巨響，會有一系列斜激波出現。這些斜激波會改變當地空氣的密度，從而使得其透光率發生變化。

博魯茨基就是這樣，依靠光度計的測量數值，間接地了解了高超聲速飛行的斜激波的情況。

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本文是邢強博士原創文章，騰訊獨家內容。歡迎朋友圈轉發。

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