□ 尹懷勤

旅行者1號(hào)：首個(gè)進(jìn)入星際空間的探測(cè)器

□ 尹懷勤

今年9月5日是人類首個(gè)進(jìn)入星際空間的探測(cè)器“旅行者1號(hào)”成功發(fā)射升空飛行40周年的日子，它是歷史上飛行距離最遠(yuǎn)、最長(zhǎng)壽的航天器，盡管已經(jīng)距離地球很遠(yuǎn)，它每天仍與美國(guó)宇航局聯(lián)系，繼續(xù)探索著人類未知的深空。

“孿生兄弟”旅行者1號(hào)和2號(hào)

為了探測(cè)太陽(yáng)系的行星和觀測(cè)太陽(yáng)以及更遠(yuǎn)的深空，美國(guó)宇航局先后于1972年3月2日和1973年4月6日，分別發(fā)射了先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)探測(cè)器。又于1977年8月20日和9月5日，相繼發(fā)射了旅行者2號(hào)和1號(hào)探測(cè)器。其中以“旅行者1號(hào)”飛得最快，目前距太陽(yáng)約210億千米，已經(jīng)進(jìn)入星際空間。

旅行者1號(hào)和2號(hào)是一對(duì)“孿生兄弟”，它們的結(jié)構(gòu)基本相同，頭部是一個(gè)扁平的十面棱柱體，中央裝有球形燃料貯箱，周圍安置著電子設(shè)備。其頭上戴有一頂大草帽形狀的設(shè)備——一個(gè)直徑為3.7米的拋物面天線即定向天線，下部的兩個(gè)長(zhǎng)條天線實(shí)際上都是鞭狀天線。向左右伸開的兩個(gè)手臂，一長(zhǎng)一短，長(zhǎng)的是磁強(qiáng)計(jì)支桿，短的是紅外干涉頻譜儀支架，其中除紅外光譜儀外，還有宇宙線探測(cè)計(jì)、等離子體探測(cè)器、廣角攝像機(jī)、窄角攝像機(jī)、紫外光譜儀。“旅行者1號(hào)”的側(cè)身還掛著補(bǔ)充能量用的裝置——放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器，就是兩枚核電池，亦稱钚電池。在燃料貯箱上側(cè)旁裝有16臺(tái)小型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以供探測(cè)器改變飛行方向和調(diào)整姿態(tài)使用。

“旅行者1號(hào)”的兩臺(tái)電視攝像機(jī)的圖像分辨率比“先驅(qū)者號(hào)”提高了1000倍；有多種光學(xué)儀器用來(lái)測(cè)量行星及其衛(wèi)星的反射和輻射特性，并分析它們的構(gòu)成和成份；有宇宙線探測(cè)計(jì)、等離子體探測(cè)器和磁強(qiáng)計(jì)等星際空間環(huán)境探測(cè)設(shè)備安裝在儀器支架上，測(cè)量來(lái)自各方的宇宙線、帶電粒子和太陽(yáng)風(fēng)的邊界，研究太陽(yáng)與行星間的關(guān)系；還有行星射電天文接收機(jī)及其鞭狀天線，用來(lái)了解行星和衛(wèi)星的大氣層及電離層的特性。它們獲得的數(shù)據(jù)資料都用無(wú)線電信號(hào)發(fā)回地球。

“旅行者1號(hào)”的天線大，同位素核能電源工作時(shí)間長(zhǎng)，便于進(jìn)行遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)間的通信。然而距離較遠(yuǎn)時(shí)，地球發(fā)出的信息它要延遲一段時(shí)間才能收到，故而由美國(guó)宇航局位于加利福尼亞州帕薩迪那的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室地面控制中心調(diào)整其機(jī)動(dòng)飛行效率太低。為此，探測(cè)器上裝備先進(jìn)的控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間無(wú)監(jiān)督的自主控制。在旅途中除軌道修正由地面掌握外，飛行中的大部分活動(dòng)由探測(cè)器自己做主。其控制系統(tǒng)有三套：計(jì)算機(jī)指揮系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)。依靠這些系統(tǒng)，探測(cè)器不但能對(duì)自己的飛行狀態(tài)和設(shè)備儀器工作情況進(jìn)行自動(dòng)的監(jiān)測(cè)控制和修正，而且能對(duì)旅途中臨時(shí)發(fā)生的各類故障迅速進(jìn)行檢查和排除。

▲ “旅行者1號(hào)”的結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 旅行者1號(hào)探測(cè)器

▲ “旅行者1號(hào)”在1979年拍攝的，是著名的木星大紅斑，它已持續(xù)存在超過(guò)1個(gè)世紀(jì)。這個(gè)大紅斑結(jié)構(gòu)非常巨大，其內(nèi)部足以吞下3個(gè)地球

▲ “旅行者1號(hào)”拍攝到的土星光環(huán)

▲ “旅行者1號(hào)”探訪木衛(wèi)一

幸運(yùn)的是，這次發(fā)射任務(wù)剛巧碰上了176年一遇的行星幾何排列，可以運(yùn)用引力彈弓效應(yīng)予以加速。探測(cè)器只需要少量燃料以作航道修正，其余時(shí)間可以借助各個(gè)行星的引力提速，用一個(gè)探測(cè)器就能造訪太陽(yáng)系里的四顆行星：木星、土星、天王星及海王星。姊妹探測(cè)器旅行者1號(hào)及2號(hào)就是為了這次機(jī)會(huì)而設(shè)計(jì)的，它們的發(fā)射時(shí)間是被計(jì)算過(guò)以便盡量充分利用這次機(jī)會(huì)。依賴這次機(jī)遇所賜，兩個(gè)探測(cè)器只需要用上12年的時(shí)間就能造訪四個(gè)行星，而非一般的30年時(shí)間。由此可見，借用行星引力提高航天器飛行速度的重要性。

以第三宇宙速度發(fā)射升空

從地球表面發(fā)射航天器飛出太陽(yáng)系到浩瀚的銀河系中漫游所需的最小速度，叫做第三宇宙速度，亦稱逃逸速度。不計(jì)大氣阻力和地球自轉(zhuǎn)的影響，按照力學(xué)理論，可以計(jì)算出第三宇宙速度為每秒16.7千米，這是從地球表面起飛的航天器飛離太陽(yáng)系所需要的最低速度。上述4個(gè)航天器發(fā)射時(shí)都達(dá)到了這一速度值。

航天器升空后都是沿著雙曲線的途徑而飛離地球的。當(dāng)它們到達(dá)距離地心93萬(wàn)千米處時(shí)，便被認(rèn)為已經(jīng)脫離地球引力，以后就在太陽(yáng)引力的作用下運(yùn)動(dòng)。這個(gè)航天器相對(duì)太陽(yáng)的軌道是一條拋物線，最后會(huì)脫離太陽(yáng)引力場(chǎng)飛出太陽(yáng)系。事實(shí)上，由于銀河系是個(gè)龐大的天體系統(tǒng)，航天器以第三宇宙速度飛出太陽(yáng)系進(jìn)入銀河系之后仍然顯得飛得很慢。

“旅行者1號(hào)”重815千克，于1977年9月5日由泰坦3號(hào)E半人馬座火箭在佛羅里達(dá)州的卡納維爾角發(fā)射升空。它是第一個(gè)進(jìn)入星際空間的探測(cè)器，是目前在太空中走得最遠(yuǎn)的人類文明的使者?！奥眯姓?號(hào)”發(fā)射升空后，多年來(lái)，與比它早些時(shí)候發(fā)射的“旅行者2號(hào)”聯(lián)合對(duì)太陽(yáng)系外圍行星及其衛(wèi)星展開了大量有價(jià)值的觀測(cè)。兩個(gè)探測(cè)器上都帶有鍍金唱盤，記載著地球人用55種語(yǔ)言對(duì)可能遭遇的外星文明發(fā)出的問(wèn)候。當(dāng)然，只有在星際空間中存在有能力進(jìn)行太空旅行的高級(jí)生命時(shí)，探測(cè)器上的唱片才可能遇到目標(biāo)并被播放，它僅是人類的一種期望。1998年，“旅行者1號(hào)”超越“先驅(qū)者10號(hào)”，成為在宇宙中飛行得最遠(yuǎn)的人類探測(cè)器。2003年11月5日，“旅行者1號(hào)”與太陽(yáng)之間的距離達(dá)到了90個(gè)天文單位（1天文單位約1.5億千米），也就是說(shuō)它與太陽(yáng)已相距近135億千米。“旅行者1號(hào)”在2011年3月9日距離太陽(yáng)大約116.406個(gè)天文單位，即174.14億千米。

2014年9月13日，美國(guó)宇航局召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布37年前發(fā)射的旅行者1號(hào)探測(cè)器已經(jīng)進(jìn)入星際空間，正在飛向別的恒星。

“旅行者1號(hào)”的速度達(dá)到了每小時(shí)24萬(wàn)千米，一秒鐘就飛行66.27千米，比剛發(fā)射時(shí)快得多。這是由于它在探訪木星和土星的時(shí)候，科學(xué)家們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號(hào)”現(xiàn)在還在繼續(xù)飛行，在離開地球的40年中，它一直向外奔馳?，F(xiàn)在，它繼續(xù)向銀河系中心前進(jìn)，再也回不來(lái)了。作為首個(gè)進(jìn)入恒星際空間的人造飛行器，它在人類的航天史上已成為一座具有紀(jì)念意義的里程碑。

▲ 1990年2月14日，飛行中的“旅行者1號(hào)”完成了有史以來(lái)的第一幅太陽(yáng)系家族照。在這張組合照片中，太陽(yáng)、金星、地球、木星、土星、天王星、海王星等匯聚一堂（水星和火星其實(shí)也在照片里的，但水星因?yàn)樘拷?yáng)而無(wú)法分辨出來(lái)，而火星則不幸淹沒(méi)在相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)所散射的陽(yáng)光里）

▲ 工作人員在展示“旅行者號(hào)”所攜帶的物品——一面小的美國(guó)國(guó)旗和一個(gè)金色唱片

多變的飛行路線

“旅行者1號(hào)”在1979年1月開始首次對(duì)木星進(jìn)行拍攝。在同年的3月5日離木星最近，只距離木星中心34.9萬(wàn)千米。探測(cè)器在如此近距離的48小時(shí)飛行過(guò)程中，得以對(duì)木星的衛(wèi)星、環(huán)、磁場(chǎng)以及輻射環(huán)境做了深入了解以及高解像度拍攝。對(duì)距離木星不同高度整個(gè)拍攝過(guò)程最終于4月完成。它還發(fā)現(xiàn)，大紅斑是木星大氣中的一種大旋渦，猶如地球上的龍卷風(fēng)。旅行者1號(hào)和2號(hào)探測(cè)木星及其衛(wèi)星時(shí)就發(fā)現(xiàn)，個(gè)兒小于月球的木衛(wèi)二像個(gè)冰與奶油巧克力混合的大球體，表面上分布著彎曲條紋?？茖W(xué)家們分析研究木衛(wèi)二的照片和探測(cè)資料后提出，該衛(wèi)星表面覆蓋著5千米厚的冰層，冰層下面可能有一個(gè)深達(dá)50千米的海洋。這為后來(lái)的“伽利略號(hào)”多次探測(cè)木衛(wèi)二表面有水流存在提供了理論依據(jù)和技術(shù)借鑒，并為科學(xué)家們提出木衛(wèi)二生命假說(shuō)奠定了基礎(chǔ)。兩艘探測(cè)器對(duì)木星及其衛(wèi)星所做的不少重要發(fā)現(xiàn)中，還包括在最靠近木星的直徑為3642千米的木衛(wèi)一上有火山活動(dòng)。

探測(cè)木星之后，再向外飛行就是土星?！奥眯姓?號(hào)”于1980年11月掠過(guò)土星，并于11月12日最接近土星，距離土星最高云層12.4萬(wàn)千米以內(nèi)，不僅探測(cè)到土星環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還對(duì)土衛(wèi)六上的大氣層進(jìn)行了觀測(cè)。由于發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六擁有濃密的大氣層，地面控制中心帕薩迪那噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室人員最終決定讓“旅行者1號(hào)”駛近土衛(wèi)六進(jìn)行研究，并于11月20日完成使命，隨之終止了它繼續(xù)探訪其余兩顆行星的任務(wù)。結(jié)果造訪天王星和海王星的任務(wù)只得交予“旅行者2號(hào)”去完成。這次靠近土衛(wèi)六的決定使“旅行者1號(hào)”受到了額外的引力影響，最終使其離開了黃道面而向深空飛行，其任務(wù)已變?yōu)樘綔y(cè)太陽(yáng)風(fēng)頂，以及對(duì)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行粒子測(cè)量。

“旅行者1號(hào)”是第一個(gè)提供了木星、土星以及其衛(wèi)星詳細(xì)照片的探測(cè)器。現(xiàn)在，它是離地球最遠(yuǎn)的人造飛行器，它所攜帶的兩枚核電池將支持它持續(xù)工作到2025年，供其一部份儀器操作，在那之后，或許人類將失去與它的聯(lián)系，而它也將向著宇宙深處孤獨(dú)地飛去。★