□ 尹懷勤

旅行者1號：首個進入星際空間的探測器

□ 尹懷勤

今年9月5日是人類首個進入星際空間的探測器“旅行者1號”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、最長壽的航天器，盡管已經(jīng)距離地球很遠，它每天仍與美國宇航局聯(lián)系，繼續(xù)探索著人類未知的深空。

“孿生兄弟”旅行者1號和2號

為了探測太陽系的行星和觀測太陽以及更遠的深空，美國宇航局先后于1972年3月2日和1973年4月6日，分別發(fā)射了先驅(qū)者10號和11號探測器。又于1977年8月20日和9月5日，相繼發(fā)射了旅行者2號和1號探測器。其中以“旅行者1號”飛得最快，目前距太陽約210億千米，已經(jīng)進入星際空間。

旅行者1號和2號是一對“孿生兄弟”，它們的結(jié)構(gòu)基本相同，頭部是一個扁平的十面棱柱體，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——一個直徑為3.7米的拋物面天線即定向天線，下部的兩個長條天線實際上都是鞭狀天線。向左右伸開的兩個手臂，一長一短，長的是磁強計支桿，短的是紅外干涉頻譜儀支架，其中除紅外光譜儀外，還有宇宙線探測計、等離子體探測器、廣角攝像機、窄角攝像機、紫外光譜儀?！奥眯姓?號”的側(cè)身還掛著補充能量用的裝置——放射性同位素熱電發(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臺小型液體火箭發(fā)動機，以供探測器改變飛行方向和調(diào)整姿態(tài)使用。

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

“旅行者1號”的天線大，同位素核能電源工作時間長，便于進行遠距離長時間的通信。然而距離較遠時，地球發(fā)出的信息它要延遲一段時間才能收到，故而由美國宇航局位于加利福尼亞州帕薩迪那的噴氣推進實驗室地面控制中心調(diào)整其機動飛行效率太低。為此，探測器上裝備先進的控制系統(tǒng)，可以進行長時間無監(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由探測器自己做主。其控制系統(tǒng)有三套：計算機指揮系統(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)，探測器不但能對自己的飛行狀態(tài)和設(shè)備儀器工作情況進行自動的監(jiān)測控制和修正，而且能對旅途中臨時發(fā)生的各類故障迅速進行檢查和排除。

▲ “旅行者1號”的結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 旅行者1號探測器

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

▲ “旅行者1號”拍攝到的土星光環(huán)

▲ “旅行者1號”探訪木衛(wèi)一

幸運的是，這次發(fā)射任務(wù)剛巧碰上了176年一遇的行星幾何排列，可以運用引力彈弓效應(yīng)予以加速。探測器只需要少量燃料以作航道修正，其余時間可以借助各個行星的引力提速，用一個探測器就能造訪太陽系里的四顆行星：木星、土星、天王星及海王星。姊妹探測器旅行者1號及2號就是為了這次機會而設(shè)計的，它們的發(fā)射時間是被計算過以便盡量充分利用這次機會。依賴這次機遇所賜，兩個探測器只需要用上12年的時間就能造訪四個行星，而非一般的30年時間。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。不計大氣阻力和地球自轉(zhuǎn)的影響，按照力學理論，可以計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系所需要的最低速度。上述4個航天器發(fā)射時都達到了這一速度值。

航天器升空后都是沿著雙曲線的途徑而飛離地球的。當它們到達距離地心93萬千米處時，便被認為已經(jīng)脫離地球引力，以后就在太陽引力的作用下運動。這個航天器相對太陽的軌道是一條拋物線，最后會脫離太陽引力場飛出太陽系。事實上，由于銀河系是個龐大的天體系統(tǒng)，航天器以第三宇宙速度飛出太陽系進入銀河系之后仍然顯得飛得很慢。

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

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

“旅行者1號”的速度達到了每小時24萬千米，一秒鐘就飛行66.27千米，比剛發(fā)射時快得多。這是由于它在探訪木星和土星的時候，科學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”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，再也回不來了。作為首個進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念意義的里程碑。

▲ 1990年2月14日，飛行中的“旅行者1號”完成了有史以來的第一幅太陽系家族照。在這張組合照片中，太陽、金星、地球、木星、土星、天王星、海王星等匯聚一堂（水星和火星其實也在照片里的，但水星因為太靠近太陽而無法分辨出來，而火星則不幸淹沒在相機光學系統(tǒng)所散射的陽光里）

▲ 工作人員在展示“旅行者號”所攜帶的物品——一面小的美國國旗和一個金色唱片

多變的飛行路線

“旅行者1號”在1979年1月開始首次對木星進行拍攝。在同年的3月5日離木星最近，只距離木星中心34.9萬千米。探測器在如此近距離的48小時飛行過程中，得以對木星的衛(wèi)星、環(huán)、磁場以及輻射環(huán)境做了深入了解以及高解像度拍攝。對距離木星不同高度整個拍攝過程最終于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。旅行者1號和2號探測木星及其衛(wèi)星時就發(fā)現(xiàn)，個兒小于月球的木衛(wèi)二像個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家們分析研究木衛(wèi)二的照片和探測資料后提出，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深達50千米的海洋。這為后來的“伽利略號”多次探測木衛(wèi)二表面有水流存在提供了理論依據(jù)和技術(shù)借鑒，并為科學家們提出木衛(wèi)二生命假說奠定了基礎(chǔ)。兩艘探測器對木星及其衛(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。

探測木星之后，再向外飛行就是土星?！奥眯姓?號”于1980年11月掠過土星，并于11月12日最接近土星，距離土星最高云層12.4萬千米以內(nèi)，不僅探測到土星環(huán)的復雜結(jié)構(gòu)，還對土衛(wèi)六上的大氣層進行了觀測。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實驗室人員最終決定讓“旅行者1號”駛近土衛(wèi)六進行研究，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”去完成。這次靠近土衛(wèi)六的決定使“旅行者1號”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太陽風頂，以及對太陽風進行粒子測量。

“旅行者1號”是第一個提供了木星、土星以及其衛(wèi)星詳細照片的探測器?，F(xiàn)在，它是離地球最遠的人造飛行器，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地飛去?！?/p>