旅行者1号:首个进入星际空间的探测器

Space Exploration - - 深空探测专题 - □尹怀勤

今年9 月 5日是人类首个进入星际空间的探测器“旅行者1号”成功发射升空飞行40周年的日子,它是历史上飞行距离最远、最长寿的航天器,尽管已经距离地球很远,它每天仍与美国宇航局联系,继续探索着人类未知的深空。

“孪生兄弟”旅行者1号和2号

为了探测太阳系的行星和观测太阳以及更远的深空,美国宇航局先后于1972年3月2日和1973年4月6日,分别发射了先驱者10 号和 11号探测器。又于1977年8月20日和 9 月 5日,相继发射了旅行者2 号和 1号探测器。其中以“旅行者1号”飞得最快,目前距太阳约210亿千米,已经进入星际空间。

旅行者1号和2号是一对“孪生兄弟”,它们的结构基本相同,头部是一个扁平的十面棱柱体,中央装有球形燃料贮箱,周围安置着电子设备。其头上戴有一顶大草帽形状的设备——一个直径为3.7 米的抛物面天线即定向天线,下部的两个长条天线实际上都是鞭状天线。向左右伸开的两个手臂,一长一短,长的是磁强计 支杆,短的是红外干涉频谱仪支架,其中除红外光谱仪外,还有宇宙线探测计、等离子体探测器、广角摄像机、窄角摄像机、紫外光谱仪。“旅行者1号”的侧身还挂着补充能量用的装置——放射性同位素热电发生器,就是两枚核电池,亦称钚电池。在燃料贮箱上侧旁装有16台小型液体火箭发动机,以供探测器改变飞行方向和调整姿态使用。

“旅行者1号”的两台电视摄像机的图像分辨率比“先驱者号”提高了 1000 倍;有多种光学仪器用来测量行星及其卫星的反射和辐射特性,并分析它们的构成和成份;有宇宙线探测计、等离子体探测器和磁强计等星际空间环境探测设备安装在仪器支架上,测量来自各方的宇宙线、带电粒子和太阳风的边界,研究太阳与行星间的关系;还有行星射电天文接收机及其鞭状天线,用来了解行星和卫 星的大气层及电离层的特性。它们获得的数据资料都用无线电信号发回地球。

“旅行者1号”的天线大,同位素核能电源工作时间长,便于进行远距离长时间的通信。然而距离较远时,地球发出的信息它要延迟一段时间才能收到,故而由美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪那的喷气推进实验室地面控制中心调整其机动飞行效率太低。为此,探测器上装备先进的控制系统,可以进行长时间无监督的自主控制。在旅途中除轨道修正由地面掌握外,飞行中的大部分活动由探测器自己做主。其控制系统有三套:计算机指挥系统、飞行数据处理系统和姿态控制系统。依靠这些系统,探测器不但能对自己的飞行状态和设备仪器工作情况进行自动的监测控制和修正,而且能对旅途中临时发生的各类故障迅速进行检查和排除。

幸运的是,这次发射任务刚巧碰上了 176年一遇的行星几何排列,可以运用引力弹弓效应予以加速。探测器只需要少量燃料以作航道修正,其余时间可以借助各个行星的引力提速,用一个探测器就能造访太阳系里的四颗行星:木星、土星、天王星及海王星。姊妹探测器旅行者1号及2号就是为了这次机会而设计的,它们的发射时间是被计算过以便尽量充分利用这次机会。依赖这次机遇所赐,两个探测器只需要用上12年的时间就能造访四个行星,而非一般的30年时间。由此可见,借用行星引力提高航天器飞行速度的重要性。

以第三宇宙速度发射升空

从地球表面发射航天器飞出太阳系到浩瀚的银河系中漫游所需的最小 速度,叫做第三宇宙速度,亦称逃逸速度。不计大气阻力和地球自转的影响,按照力学理论,可以计算出第三宇宙速度为每秒 16.7 千米,这是从地球表面起飞的航天器飞离太阳系所需要的最低速度。上述4个航天器发射时都达到了这一速度值。

航天器升空后都是沿着双曲线的途径而飞离地球的。当它们到达距离地心 93万千米处时,便被认为已经脱离地球引力,以后就在太阳引力的作用下运动。这个航天器相对太阳的轨道是一条抛物线,最后会脱离太阳引力场飞出太阳系。事实上,由于银河系是个庞大的天体系统,航天器以第三宇宙速度飞出太阳系进入银河系之后仍然显得飞得很慢。

“旅行者1号”重 815 千克,于1977年9月5日由泰坦3号E半人马座火箭在佛罗里达州的卡纳维尔角 发射升空。它是第一个进入星际空间的探测器,是目前在太空中走得最远的人类文明的使者。“旅行者1号”发射升空后,多年来,与比它早些时候发射的“旅行者2号”联合对太阳系外围行星及其卫星展开了大量有价值的观测。两个探测器上都带有镀金唱盘,记载着地球人用55种语言对可能遭遇的外星文明发出的问候。当然,只有在星际空间中存在有能力进行太空旅行的高级生命时,探测器上的唱片才可能遇到目标并被播放,它仅是人类的一种期望。1998年,“旅行者 1号”超越“先驱者10 号”,成为在宇宙中飞行得最远的人类探测器。2003 年 11 月 5日,“旅行者1号”与太阳之间的距离达到了90个天文单位(1天文单位约 1.5 亿千米),也就是说它与太阳已相距近135亿千米。“旅行者1号”在2011年3月9日

距离太阳大约 116.406 个天文单位,即 174.14 亿千米。

2014 年 9 月 13日,美国宇航局召开新闻发布会,宣布37年前发射的旅行者1号探测器已经进入星际空间,正在飞向别的恒星。

“旅行者1号”的速度达到了每小时 24万千米,一秒钟就飞行66.27千米,比刚发射时快得多。这是由于它在探访木星和土星的时候,科学家们使它利用了木星和土星的引力作用使其速度大大加快了。“旅行者1号”现在还在继续飞行,在离开地球的40年中,它一直向外奔驰。现在,它继续向银河系中心前进,再也回不来了。作为首个进入恒星际空间的人造飞行器,它在人类的航天史上已成为一座具有纪念意义的里程碑。

多变的飞行路线

“旅行者1号”在 1979 年 1 月开始首次对木星进行拍摄。在同年的3 月 5日离木星最近,只距离木星中心 34.9万千米。探测器在如此近距离的 48小时飞行过程中,得以对木星的卫星、环、磁场以及辐射环境做了深入了解以及高解像度拍摄。对距离木星不同高度整个拍摄过程最终于4 月完成。它还发现,大红斑是木星大气 中的一种大旋涡,犹如地球上的龙卷风。旅行者1号和2号探测木星及其卫星时就发现,个儿小于月球的木卫二像个冰与奶油巧克力混合的大球体,表面上分布着弯曲条纹。科学家们分析研究木卫二的照片和探测资料后提出,该卫星表面覆盖着5千米厚的冰层,冰层下面可能有一个深达50 千米的海洋。这为后来的“伽利略号”多次探测木卫二表面有水流存在提供了理论依据和技术借鉴,并为科学家们提出木卫二生命假说奠定了基础。两艘探测器对木星及其卫星所做的不少 重要发现中,还包括在最靠近木星的直径为 3642千米的木卫一上有火山活动。

探测木星之后,再向外飞行就是土星。“旅行者1号”于 1980 年11月掠过土星,并于11 月 12 日最接近土星,距离土星最高云层12.4万千米以内,不仅探测到土星环的复杂结构,还对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层,地面控制中心帕萨迪那喷气推进实验室人员最终决定让“旅行者 1号”驶近土卫六进行研究,并于11 月 20日完成使命,随之终止了它继续探访其余两颗行星的任务。结果造访天王星和海王星的任务只得交予“旅行者2号”去完成。这次靠近土卫六的决定使“旅行者1号”受到了额外的引力影响,最终使其离开了黄道面而向深空飞行,其任务已变为探测太阳风顶,以及对太阳风进行粒子测量。

“旅行者1号”是第一个提供了木星、土星以及其卫星详细照片的探测器。现在,它是离地球最远的人造飞行器,它所携带的两枚核电池将支持它持续工作到 2025 年,供其一部份仪器操作,在那之后,或许人类将失去与它的联系,而它也将向着宇宙深处孤独地飞去。★

▲ “旅行者1号”在 1979年拍摄的,是著名的木星大红斑,它已持续存在超过1个世纪。这个大红斑结构非常巨大,其内部足以吞下3个地球

▲旅行者1号探测器

▲ “旅行者1号”探访木卫一

▲ “旅行者1号”拍摄到的土星光环

▲ 1990 年 2 月 14日,飞行中的“旅行者1号”完成了有史以来的第一幅太阳系家族照。在这张组合照片中,太阳、金星、地球、木星、土星、天王星、海王星等汇聚一堂(水星和火星其实也在照片里的,但水星因为太靠近太阳而无法分辨出来,而火星则不幸淹没在相机光学系统所散射的阳光里)

▲ 工作人员在展示“旅行者号”所携带的物品——一面小的美国国旗和一个金色唱片

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