40年寂寞征程飛出太陽系——獻給深空探測器旅行者號（中）

科技 08-11

作者說

在SpaceX的馬斯克雄心勃勃要在有生之年去火星的時候，又有人提出土衛六才是最合適的人類移居星球，我們究竟對太陽系了解多少？事實上40年前，就已經有一型探測器

勇敢無畏的

邁出了這一步！（本期2750字，閱讀時間5-7分鐘）

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四、飛船的結構設計

（一）JPL的設計----系出名門

旅行者號探測器由JPL設計，三軸穩定。

主體由推進艙和任務倉構成

1、推進艙重1207公斤，上圖黑色的八條腿以下部分，主體是Thiolol（瑟奧科爾，專註固體火箭發動機，後續為太空梭固體火箭供貨）公司的Star-37-E固體火箭發動機，重1123公斤，工質為鋁和高氯酸銨，真空比沖284秒，在43秒工作時間內提供76.5KN的推力把任務艙送到木星轉移軌道；洛克達因（Rocketdyne）公司提供了4台445N、4台22N的發動機，8台發動機主要是配合進入木星轉移軌道時調姿態用，由任務艙的肼貯存箱供應，在完成工作之後，推進艙脫離。應該說，

這種肼推進系統在工作過程中分離是非常少見的

，還好兩艘探測器都非常順利。

任務倉

（二）為什麼用肼推進劑

考慮到深空探測的極端可靠性要求，對於姿態調整的推進劑採用了肼（Hydrazine, 聯氨），肼是最適合作為小推力姿態控制發動機的推進劑，在催化劑幫助下分解成氨氣和氮氣並放熱，單組元催化分解：

省卻氧化劑、省卻氧化劑貯存罐、省卻閥門、省卻點火裝置……可以多次可靠啟動

。

一般的單推肼含0.5%以下的苯胺，要求姿態控制發動機加熱到300華氏以上以控制脈衝狀的解離反應。而在一次偶然的試驗中，碰巧用了海盜號火星探測器用剩下的肼，發現採用不含苯胺的超純肼，不僅可以節省加熱器功率，還可以延長兩台Voyager的姿態調整發動機的使用壽命。

催化劑是銥沉積在三氧化二鋁的顆粒上構成，預加熱到180攝氏度，分解肼穩定並可以避免傷及催化劑的冷啟動。

重力助推讓旅行者號少攜帶很多推進劑，

事實上旅行者號任務艙僅裝載了104公斤姿態調整專用的肼，貯存在71公分直徑的鈦燃料罐裡面

，通過氦氣擠壓內部的有彈性的膜片完成推進劑供應，初始壓力為3.1MPa，後續隨著推進劑的使用，壓力逐漸下降。

需要指出的是肼推進劑的冰點比較高，達到2攝氏度，因此在寒冷的深空旅行者號不得不把寶貴的電力用來加熱鈦燃料罐、閥門、催化劑床等，防止肼結冰導致的事故。

超純肼的物理特性

（三）準確安全借力---靠的是脈衝調整姿態

重力助推在具體操作上有很大的複雜性，NASA工程師考慮了數千個借道木星、土星的探測路線，最終NASA的工程師精確規划了旅行者號的軌跡，制定了一個充分接近行星而又不至於太近，又能確保完成研究兩顆巨大行星的主要任務，然後再將其推向星際空間。40年行程充分證明了方案的成功。但這些精確的變軌是如何實現的呢？靠的是6組16個Rocket Research Company公司的MR-103(T/VA) 0.9N的姿態控制發動機，均為單推肼發動機，這些姿態控制發動機至今仍在工作。

這些姿態調整發動機依靠10ms的脈衝點火，通過點火、熄火精確控制飛行姿態，脈衝的壽命達到40萬次，直到現在這些0.9N的小發動機依舊工作正常

，而且推進劑用的省，2001年的時候用剩下32公斤，目前每周用量在6-8克的水平。相關的技術在GPS衛星、通信衛星軌道維持和變軌、卡西尼探測器等飛行器上得到了廣泛的應用。

（四）任務倉渾身上下裝滿探測儀

任務倉重825千克，攜帶有105千克科學探測儀器。主體是鋁結構扁平的十面稜柱體，頂端裝有一直徑為3.7米的高增益拋物面天線（S和X波段），左右兩側各伸出一根懸臂，較長的一根（13米長）是磁力探測儀，短的一根是科學儀器支架。

由於外形飄逸出眾，旅行者號在上世紀90年代還被錯當成是氣象衛星出現在中央電視台的天氣預報的片頭動畫中，搞得風雲們意見非常大

。

探測儀器有11種，主要是行星及其衛星的攝像設備和各種空間環境探測設備，如紫外線和紅外線光譜儀/偏振光儀/干涉儀/輻射計、宇宙射線系統、等離子探測分析儀、磁力探測儀、照相機等。依靠這些儀器揭示了未知的行星的面貌，帶回了前所未有的照片和數據，很多都刊登在了教科書上。

（五）核能供電（Radioisotope Thermoelectric Generators,RTG)

深空探索任務要求安全、可靠、長壽的電力系統向航天器及其科學儀器提供電力和熱能。旅行者號定位深空探索，但出了木星軌道，再往外面太陽能就很微弱了，這種情況下核能進入了科學家的視線。

旅行者號的能量來源是放射性同位素熱電發電機（RTG），這是一種可靠的將鈈-238裂變產生的熱量轉換成電能的核電池。

和我們平時看到的核電站不同，旅行者號的核反應堆非常輕巧，每組僅37.7公斤重，合計三組，含二氧化鈈（PuO2）13.5公斤，鈈-238能量密度為0.54瓦/克，

衰變發熱功率7200瓦，即便固態熱電偶的轉換效率非常低，頂多3%～7%，7200瓦的熱量只能轉換為470瓦的電能

（1977年發射時），但可靠性和壽命很長。為了防止發射失敗導致的災難性的核污染，鈈-238燃料球被包裹在特殊的鈹（BERYLLIUM）合金中。

鈈-238的半衰期為僅為87.7年，相對短的半衰期可以儘快解決各種事故後遺症（比如半失敗的阿波羅13號登月艙的RTG最後在斐濟上空燃燒殆盡），但由於衰變的持續發生，發熱功率下降，導致供電能力也減弱，

目前以每年下降4.2瓦特的速度在下降，科學家不得不忍痛割愛按照優先順序關閉一些儀器，科學家估計兩艘旅行者號的核電池能夠保證旅行者號上搭載的科學儀器繼續工作至2025年

，而到2036年，連訊號傳輸的電力都將消耗殆盡。一旦電池耗盡，「旅行者號」將繼續向銀河系中心前進，但再也不會向地球發回數據了。而相比較旅行者1號有足夠的肼燃料持續用到2040年，而Voyager 2可以保持到2034年。（由於軌道設計的不同，Voyager 2不得不花費更多的肼訪問天王星和海王星）。

五、完美的2+2+X探測--木星/土星+天王星/海王星+系外未知深空

（一）弟弟先走一步

旅行者1號在1977年9月5日於佛羅里達州的卡納維拉爾角，被搭載在當時最強大的火箭-----一枚大力神3E（又稱泰坦，Taitan）-半人馬座上面級的火箭上發射升空，

18.3公里/秒的對地速度，成為人類有史以來以最快發射速度離開地球的飛行器

（2006年發射的「新視野號」飛船對地速度是16.26千米/秒只能排第二）。