NASA的冥王星任务是如何差点失败的

O（运行）2015年7月4日星期六下午，美国国家航空航天局“新视野”冥王星任务负责人艾伦·斯特恩在项目任务控制中心附近的办公室工作时，手机响了。他知道独立日假期，但更关注的是，这一天是“冥王星飞越减去10天”。“新地平线”是他14年职业生涯的中心任务，距离他与有史以来探索过的最遥远行星的目标相遇只有10天。

那天下午，艾伦忙于工作，忙着准备飞越。他习惯于在任务的最后进近阶段进行少睡的操作，但那天他半夜起床，进入他们的任务操作中心（MOC）上传关键的大规模计算机指令，以引导航天器通过即将到来的近距离飞行。这一“命令载荷”代表了近十年的工作，当天上午，它通过无线电传输以光速飞快到达新地平线，然后接近冥王星。

艾伦瞥了一眼自己的手机铃声，惊讶地发现来电者是新视野公司的长期项目经理格伦·喷泉。他感到一阵寒意，因为他知道格伦将在即将到来的飞越的最后一场全力以赴的比赛之前，在他附近的家中休假。为什么格伦现在会打电话？

艾伦拿起电话。“格伦，怎么了？”
“我们与太空船失去了联系。”
艾伦回答说：“我会在主运行中心见你，五分钟后见。”艾伦挂上电话，坐在桌子前几秒钟，目瞪口呆，难以置信地摇摇头。任何航天器都不应发生意外与地球失去联系的情况。在从地球到冥王星的整个九年飞行中，新地平线从未发生过这种情况。离冥王星只有10天的距离，这怎么会发生？

T型在向第九颗行星进发的九年漫长旅程中，与新地平线的无线电连接是其团队联系和控制飞船、接收飞船状态和观测数据的生命线。随着“新地平线”继续向太阳系的外部延伸，与之通信的时间延迟增加，而这一联系已延长到现在的无线电信号往返9小时，以光速传播。

通信中断是任务控制小组所能经历的最糟糕的事情，这意味着与地球的联系已经中断。

为了保持联系，“新地平线”号和所有远程航天器一样，都依赖于一个基本上未知且未知的行星探索奇迹：NASA的深空网络；西班牙马德里；而澳大利亚堪培拉则在地球每24小时绕地轴自转的过程中，无缝地完成了彼此之间的通信任务。这三个站分布在世界各地，因此无论物体在深空中的什么位置，任何时候都至少有一个天线复合体可以指向它的方向。

但现在……DSN失去了与他们最宝贵的资产之一——新地平线的联系。

如果这是一个轨道飞行器，或者是一个安全在外星表面上的漫游者，团队可以花时间分析问题，提出建议，尝试不同的行动方案。但“新地平线”是一项飞行任务。宇宙飞船以每天超过750000英里的速度冲向冥王星，每小时超过31000英里。不管是否恢复正常工作，它都会在7月14日飞过地球，再也不会回来了。在解决问题的过程中，新地平线没有停下脚步。只有一次机会在冥王星拿到货物，没有后援，没有第二次机会，也没有办法推迟与冥王星的约会。

E类7月4日下午早些时候，艾丽斯·鲍曼（Alice Bowman）和少数其他任务操作人员在主运行中心，她是该任务冷静且极有能力的14年资深任务操作经理（因此她的绰号是“MOM”），等待看到来自New Horizons的报告，该报告指示它已经接收并存储了Core负载。这是“新视野”号在最近距离接近和飞越的九天内执行数百次科学观测时所遵循的长命令脚本。这个经过详尽测试的命令脚本命名恰当，将真正执行任务的核心，其忠实的传输和执行将指导“新视野”号完成每一个转折、每一次计算机内存分配、每一次与地球的通信、每一次相机拍摄等等。

大约下午1点，准时，第一批信号开始返回，确认收到了命令脚本。爱丽丝：

直到下午1:55左右，一切都很好。突然，我们失去了与航天器的所有通信。死寂。没有什么。我们失去了联系。但它没有回来。

十有八九，当我们失去信号时，地面站就出现了问题：有些东西出了问题，或者其他什么问题。由于此次上传非常重要，我们让网络运营工程师在线。我们称他们为NOPE：这是他们的首字母缩写。我们还拥有我们的冥王星王牌，它们是我们运营中心的控制器。所以我们让冥王星王牌要求澳大利亚地面站的NOPE检查他们的系统配置。所有这些检查结果表明，接地系统一切正常。

这意味着问题不在地球上，不在Alice和她的冥王星团队聚集的马里兰州，也不在澳大利亚，NOPE在深空网络的堪培拉站接收来自新地平线的信号。信号丢失是由于航天器本身的问题造成的。

通信中断是任务控制小组所能经历的最糟糕的事情，这意味着与地球的联系已经中断。但这还不是最糟糕的。这可能意味着航天器遭遇了灾难性的故障。爱丽丝感到一阵陌生的恐惧：

你知道当事情发生时，你内心深处的那种感觉，你无法相信它会发生吗？我们在这九年半的旅程中走过，我不敢相信我们从未失去过沟通。你允许自己有5到10秒的恐惧和怀疑，但随后我们所训练的一切开始发挥作用。

新地平线距离冥王星还有数百万英里，还有它带来的任何危险。在行星际空间撞击任何物体的可能性低得离谱。然而，尽管如此，团队中的每个人都有一个噩梦般的想法：我们能不能仅仅击中一些东西？

B类由于该团队在飞船沉寂之前已经获得了遥测数据，克里斯·赫斯曼（Chris Hersman）（航天器工程团队的负责人）和他的工程师们也已经到达，他们有一些线索需要研究。他们很快发现的一个关键问题是，就在航天器的信号停止之前，主计算机已经同时做了两件事，这两件事都需要计算。其中一项任务是压缩之前拍摄的63张冥王星图像，以便为即将开始的近距离飞越成像腾出内存空间。与此同时，计算机也从地球接收到核心负载并将其存储在内存中。计算机会不会因为这些密集的计算任务组合而超载，并因此重新启动？

新地平线没有后备力量，没有第二次机会，也没有办法推迟与冥王星的约会。

这是布莱恩·鲍尔的理论。布莱恩当时是任务的自主系统工程师，他编写了回收程序，航天器将在这种情况下自动完成。布莱恩告诉爱丽丝：“如果真是这样，飞船将使用备份计算机重新启动，60到90分钟后，我们将在备份计算机上收到新地平线的无线电信号。”

第一次世界大战中有一句话将战争描述为“无聊的几个月被恐怖时刻打断”。这同样适用于长期的航天器任务。这是一个漫长而令人毛骨悚然的时刻，他们等待着从新地平线返回的希望信号。工程师们，Aces，以及Alice、Glen和Alan等了很长时间，制定应急计划以防Brian的假设不正确。但可以肯定的是，90分钟后，“新视野”号发出信号，表明它已切换到备份计算机。

通信已经恢复，对航天器灾难性损失的恐惧也随之烟消云散。但危机并没有结束；它刚刚进入一个新阶段。

T型主运行中心及其周围的办公室很快就挤满了工程师、更多飞行控制团队成员以及其他参与该项目的人员，他们缩短了周末的假期来帮忙。人们穿着短裤和人字拖，穿着野餐服抵达，为了到达主运行中心，他们放下了所有东西。

随着更多的遥测数据从鸟身上返回，他们了解到，当飞船重新启动到备份计算机时，上传到主计算机的所有飞越命令文件都被删除了。这意味着当天早上发送的核心飞行序列必须重新加载。但更糟糕的是，运行Core序列所需的大量支持文件也需要再次发送，其中一些文件早在12月份就已加载。爱丽丝回忆道：“我们以前从未从这种异常中恢复过来。问题是，我们能否及时开始定于7月7日开始的飞越序列？”

这意味着车队只有三天的时间从30亿英里外把汉普蒂·邓普蒂（Humpty Dumpty）重新组装起来。如果他们做不到，那么随着时间的推移，他们将失去几十个独特的、特写的冥王星系统观测，这些观测是精心构建的核心载荷飞越计划的一部分。任务小组突然发现自己在一场为期三天的竞赛中，要抢救他们花了数年时间规划和数月时间上传的所有东西。

在围绕一系列称为ARB（即异常评审委员会）的正式会议形成任何航天器异常后，新地平线计划将重新回到正轨。下午4点后不久，即航天器重新控制后仅45分钟，7月4日异常的第一次ARB在主运行中心附近的会议室召开。

在ARB启动会议上，团队成员必须评估发生了什么，如何恢复飞越计划，以及如何确保在恢复过程中不会意外做任何可能导致航天器再次出现问题的事情。他们被重启到备份计算机上所耽搁的范围之大令人震惊。很快估计，他们必须在三天内完成相当于数周的工作，才能在7月7日准时开始飞越核心序列。这一切都必须完美地完成。

更糟糕的是，每一步都必须由遥控器完成，任务控制和航天器之间的无线电通信时间为9小时。科学课教授光速是如何惊人地快，以这种速度移动的信号如何在八分之一秒内环绕世界，或往返于月球——只需两秒半的路程就可以达到50万英里。但对于“新地平线”团队来说，当飞船接近冥王星时，地球和“新地平线”之间的巨大距离使得光速看起来慢得令人难以忍受。

T型ARB的软管装配人员知道，随着所有媒体的关注，世界很快就会意识到新地平线号在飞越的边缘绊倒了自己。在仅仅10天内，宇宙飞船将飞越冥王星系统，任何事情都无法阻止这一天体力学——但它是否会收集它花了近十年时间收集的数据，则是另一回事。

Alan和Glen宣布会议开幕，并告诉ARB，他们所知道的最优秀的航天器团队莫过于“新地平线”上的团队，如果有任何团队能够完成这次复苏，那就是那个房间里的团队。然后，爱丽丝发言，开始构思他们将如何实现复苏。

爱丽丝立即询问艾伦当天和7月7日开始近距离飞行前三天丢失的科学观测结果。她想从任务负责人那里知道，除了重新配置航天器并将所有文件和命令加载到鸟上进行近距离飞越外，她的团队是否还应该尝试恢复这些观测结果。艾伦：

我没有要求房间里的其他科学团队成员对此进行任何讨论。我甚至没有让我的飞行计划沙皇莱斯利（Leslie）参与进来。我知道事实上，爱丽丝的团队需要清晰的方向，没有模糊的东西，他们需要专注于拯救主要事件，而不是我们因飞船重启而闲置时丢失的初步观察结果。我告诉爱丽丝，除了让我们回到正轨，及时启动近距离飞越，任何事情都会分散注意力。”

爱丽丝接到了行军命令。她现在唯一的工作是保存核心飞行序列；其他一切都是可以消耗的。但能及时完成吗？

A类lice和她的团队迅速但有条不紊地制定了一个恢复计划。在接下来的三天里，他们必须设计和建立所有的命令程序，使航天器回到主计算机上，然后重新发送所有丢失的核心负载命令和支持文件，他们必须在NHOPS（新地平线操作模拟器）上测试所有这些，然后才能采取任何行动，为了确保每一步都能在第一次尝试中发挥作用，没有重复的余地。他们知道飞越核心序列何时需要启动，即7月7日中午。因此，爱丽丝的团队将到那时为止可用的总时间分为九个小时的往返光照时间，即发送每一组程序在航天器上运行并获得成功运行确认所需的时间。考虑到地面上必须完成的所有其他工作，他们发现只有三个通信周期的时间，核心负载才需要在7月7日中午启动。

从未发生过这种规模或如此高风险的问题。

因此，复苏将分为三个步骤。首先，该团队将指挥航天器恢复正常而非紧急通信。这将使通信比特率提高100倍，使其余恢复工作能够及时完成。他们估计，仅仅是第一步，就需要大约半天的时间来编码、测试、发送到新地平线，并获得成功的确认。滴答，滴答。

接下来，该团队将命令航天器重新启动到其主计算机上。这是使用flyby命令加载编码所必需的。从备份到主计算机的重启从未在飞行中完成。因此，必须为此设计和编码一个程序，并在NHOPS上进行测试，然后必须检查测试结果，然后才能将该程序发送到新地平线。最后，团队必须有条不紊地恢复所有核心飞行文件，并遵守飞行时间表。该计划制定时已近午夜，没有多余的时间：自那天下午失去联系以来，时钟已经放慢了10个多小时。滴答，滴答。

爱丽丝的任务操作团队与克里斯·赫斯曼的航天器系统团队密切合作，在7月5日凌晨3点15分左右重新建立航天器通信约12小时后，编写、测试并发送了第一组命令。

九个小时后，即第五天中午，主运行中心收到确认，通信已恢复正常！但一天过去了，“新地平线”号在冥王星的命运又向前推进了将近一百万英里。恢复步骤1已经完成，但现在只剩下两天，核心飞行序列需要启动。滴答，滴答。

T型“新地平线”团队在接下来的几天里，围绕着往返航天器的九小时通信周期，安排了他们的工作和生活。他们睡得很少，肾上腺素也很高。他们合作了十多年，之前在航天器上遇到过问题，但从未出现过这种规模的问题，也从未出现过如此高的风险。它要求在任务控制中实现全方位的存在，团队做到了。

格伦回忆道，“团队只是做了他们需要做的事情。我开始寻找人们睡觉的地方，试图找到比他们办公室地板更舒适的地方。”爱丽丝回忆道，”“我们找到了婴儿床、毯子和枕头，有人带来了充气床垫。不够，所以我们一起睡。”艾伦：

你应该看看。人们日以继夜地工作，没有一点抱怨，甚至连换衣服、睡觉或洗澡的地方都没有，有时甚至连续工作了四天。一些人睡在桌子上。有些人每天只睡两三个小时。没有时间在餐厅用餐。我们招人只是为了找到外卖，让团队吃得饱饱的。

为了确保恢复的这一步和每一步都能按预期进行，必须在NHOPS上测试每个恢复程序。由于NHOPS如此忠实地模拟了航天器，因此对其进行的命令加载测试可以用来找出错误，并证明发送给“新地平线”本身的指令不会出错。

事实证明，几年前做出的一个决定是经济复苏期间的救命稻草。艾伦非常担心球队没有一个完整的NHOPS备份，于是又建立了第二个备份。好吧，在7月4日的周末，根本没有足够的时间来测试只使用一个NHOPS恢复所需的所有新命令负载。因此，他们加倍努力，使用第二个NHOPS来适应更多的测试运行。如果没有NHOPS-2，恢复将需要数天的时间，整个独特的冥王星科学将永远消失。

使用在NHOPS-1和NHOPS-2上测试的程序，新地平线脱离安全模式并返回主飞行计算机的中间步骤成功，7月6日航天器发送的遥测数据证实了这一点。

接下来，航天器必须按照7月4日尝试上传飞越脚本之前的配置进行配置，然后，作为最后一步，必须再次发送核心负载，以及异常重启主计算机时丢失的数十个相关支持文件。这些步骤以及NHOPS对它们的所有测试，包括计划和认证每一步的许多异常审查委员会会议，都在第六阶段进行了全面的工作。

但不知怎么的，到了7月7日凌晨，所有的恢复工作都完成了。团队筋疲力尽，设法使航天器回到轨道上，准备飞越。在核心负载需要启动之前，他们只剩下四个小时的空闲时间就完成了这项工作。

W公司由于7月4日的异常和恢复工作，科学失去了什么？为了挽救新视野的一天，爱丽丝和她的团队遵循了艾伦的指示，“不惜一切代价”挽救核心飞越。所以最后，他们确实丢弃了在异常恢复的三天内进行的所有观测，因为根本没有办法重新规划它们，也没有办法让航天器脱离安全模式，并准备按时开始近距离飞行。

但当异常发生时，Alice的团队确实保存了63张正在压缩的图像。这些图像必须进行压缩以适合存储，因为必须删除较大的原始图像，以便为飞越数据打开更多的内存空间。在恢复操作期间，爱丽丝的团队在航天器操作时间表中发现了一个打开的窗口，并设法重新安排了压缩时间，保存了这63张珍贵图像中的每一张。

在7月4日的周末太空船回收过程中被丢弃的所有进近观测结果如何？艾伦指派飞越计划沙皇莱斯利·杨组建一支老虎队来分析这一点。莱斯利和她的部队在太空船回收的三天里进行了工作，以查看每一次丢失的观测结果及其对冥王星整体科学返回的影响。他们发现，每个人都有一个后来的观察结果，其分辨率更高或范围更近，这意味着除了一例外，没有任何目标丢失。这是计划于7月5日和6日围绕冥王星进行的最后一次卫星搜索，当时“新地平线”仍在足够远的地方，可以用图像覆盖冥王星周围的空间。该序列的搜索灵敏度将是异常发生前几天进行的前一次搜索的几倍。当新地平线科学团队随后仔细搜索所有卫星搜索图像时，没有发现新的卫星。这让科学团队中的许多人感到惊讶，因为哈勃太空望远镜每次仔细观察时，都会发现更多的卫星。“新地平线”会在那次破败的、最终的、更好的搜索中发现卫星吗？在未来的冥王星轨道飞行器任务到来之前，没有人知道，也可能不会知道再次进行搜索。

阿兰·斯特恩（Alan Stern）是“新地平线”（New Horizons）任务的首席研究员，领导美国宇航局（NASA）对冥王星系统和柯伊伯带的探索。作为一名行星科学家、空间项目执行官、航空航天顾问和作家，他参与了二十多项科学太空任务。

大卫·格林斯彭（David Grinspoon）是一位天体生物学家、获奖的科学传播者和获奖作家。他以前的书包括地球在人类手中，他的作品出现在《纽约时报》、《板岩报》、《科学美国人》、，和其他。

摘自 追寻新视野：史诗般的首次冥王星任务 艾伦·斯特恩和大卫·格林斯彭。Picador出版，2018年5月1日。版权所有©2018，作者：Alan Stern和David Grinspoon。保留所有权利。