40年寂寞征程飛出太陽系——獻給深空探測器旅行者號（上）

科技 08-08

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！

20世紀60～70年代可以說是人類航天史上最為輝煌的黃金時代，兩個超級大國集中精力辦大事（1966年NASA的預算曾佔到了整個聯邦預算的近4.5%），在阿波羅登月計劃、對水星、金星、火星、木星、土星等行星探測項目和載人空間站等方面都實現了突破，對未知空間的探索取得了巨大成就！

不僅如此，兩個原本探索木星、土星及其衛星的探測器歷經近40年的漫長歲月後依然在崗奮戰，2013年9月12日，NASA正式公布，經過36年的飛行，旅行者1號已經離開太陽系，成為首個離開太陽系的人造物體，而至今旅行者號還在飛向深空並傳回前所未知的星際物質的探測數據！

截至2017年6月30日為止，旅行者1號正處於離太陽207.9億公里（即20.79×10的14次方米/138.9天文單位/129.1億英里），進入了日鞘，即介乎太陽系與星際物質之間的終端激波區域，航天器發出的訊號需要17個小時才能抵達它的控制中心。此時作為讀者的你一定有很多疑問，比如這探測器一定用了成噸的推進劑、深空太陽光比較弱太陽能帆板一定很大很大、能夠持續工作40年的計算機一定很先進，等等等等。那麼本期就來聊聊，飛出太陽系的探測器---旅行者號（Voyager）。

一、旅行者號是一對雙胞胎探測器

在1970年初的時候，NASA制定了旅行者計劃，打算對木星和土星及其衛星進行探測，如果情況順利則順便對天王星和海王星也一同進行探測。由於深空探測在當時來說是一個未知的課題，為了提高項目的成功率，該計劃在不同軌跡上發射一對兩個無人探測器，從多個角度深入研究行星。因此Voyager 1和Voyager 2的結構相同，攜帶的設備在當時都是尖端技術，裝載的是通用電氣公司生產的計算機控制系統、飛行數據系統、姿態控制系統，含主備兩套共6台計算機。合計「高達」68KB的存儲空間，相當於一台蘋果手機的千分之一的存儲容量；主時鐘的運行時間為4 MHz，CPU時鐘的運行頻率為250KHz，即每秒約8000條指令，而2017年頂級智能手機的運行速度已經到3GHz。

但設計壽命為五年的旅行者號實際上工作近40年目前依舊在崗，這絕對是一個奇蹟，因為我實在有點擔心各位的蘋果手機40年之後是否還能開機，開機之後是否能夠打電話……

旅行者號的姿態控制系統備用主板，在地面用於模擬空間運行情況

另外旅行者號還有配置了當時最新數字八軌記錄器，用於記錄和回放科學數據，要求磁頭划過橫跨美國那麼長的磁帶，而不出現磨損和損壞，一晃40年過去了，這個磁帶機也沒有出現過故障。

二、給外星人帶去人類文明----這事不能讓三體FANS知道

「宇宙就是一座黑暗森林，每個文明都是帶槍的獵人…竭力不讓腳步發出一點兒聲音，連呼吸都必須小心翼翼，因為林中到處都有與他一樣潛行的獵人…任何暴露自己存在的生命都將很快被消滅」。

讀過科幻小說《三體》的讀者對於向外太空發送地球和人類的信號會非常謹慎，但是太空探索黃金時代的科學家是無畏的：

（一）人類已經在比旅行者號更早發射的美國宇航局先驅者10號和11號飛船上都搭載了標明其出發地以及發射時間，以及未來可以在何處找到它們的金屬銘牌。

（二）NASA決定在旅行者1號和2號飛船上安放更加雄心勃勃的「時間膠囊」，藉此希望與茫茫宇宙中它可能遭遇的外星文明進行交流。

1、貨真價實「金唱片」

旅行者號飛船搭載的金唱片是一種12英寸規格的鍍金銅質唱片，並配有唱針，每分鐘轉動16-2/3圈，並描述了這張唱片的播放方式，如果沒有意外這張光碟可以存在十億年。在唱片的封面上，設計了符號語言，它利用宇宙中數顆穩定的脈衝星的位置來標註了地球的坐標（按三體的思想是一件很危險的事情，估計以後科技發達了會有金唱片爭奪戰( ^_^ )）。

主頁君註：在三體迷看來，這簡直就是找死啊。。。

2、這張金唱片刻錄了來自地球的聲音和圖像資料

這些聲音和圖像都經過精心選擇，目的是準確地反映我們地球上生命的多樣性以及地球上的文明。內容選擇是由著名天文科學家卡爾?薩根(Carl?Sagan)領銜的美國宇航局小組負責的，這個小組挑選了115張圖像以及很多地球自然界錄製的長達90分鐘的聲音，其中有中國古曲《高山流水》、莫扎特的《魔笛》和日本的尺八曲等，也包括海浪拍岸，風，閃電，鳥，鯨以及其他動物發出的聲音。除此之外，卡爾?薩根的小組還精心選擇了儘可能代表全世界各個地區各種文化社會中，在歷史上不同時期誕生的經典音樂作品，超過55個地球上不同民族的問候語，包括四種中國的方言（普通話、閩南語、粵語、吳語），甚至還收錄了當時的美國總統卡特以及時任聯合國秘書長瓦爾德海姆代表人類向外星人的問候致辭。

115張圖片中包含了中國的長城！

3、帶上了時間印記

在唱片封面上有一個2厘米區域，鍍了一層超純鈾-238，質量為0.00026微克。鈾238會穩定衰變為鉛206，半衰期為44億5千萬年，分析這個直徑為2厘米的區域鈾鉛比例可以確定時間。因此外星人可以通過這個方式計算旅行者號飛越的時間（NASA充分信任外星人的智商的( ^_^ )。

在旅行者號上安裝金唱片的COVER，封面上有符號和圖示說明如何操作這張唱片和詳細指示地球所在的位置

4、何等壯志豪情

旅行者1號一段發給外星人的電文是這麼說的：這是一個來自遙遠的小小星球的禮物，它是我們的聲音、科學、形象、音樂、思想和感情的縮影，這個地球之音是為了在這個遼闊而令人敬畏的宇宙中給予我們的希望，我們的決心和我們對遙遠世界的良好祝願。

正如卡爾?薩根說的：「要是宇宙里有先進的太空文明，探測器才將會被遇上及被播放。但是發射這個「瓶子」到宇宙「海洋」里是訴說著這顆星球上生命的願望。」

向地外傳遞人類文明信號的四艘飛船

三、一路化緣、行星助力---旅行者借176年一遇的重力助推（gravity assist，也稱Slingshot引力彈弓）

從地球起飛的航天器飛行速度達到16.7千米/秒時，請注意這是對地相對速度，相對太陽系的速度為42.2 km/s，無需後續加速就可以擺脫太陽引力，脫離太陽系進入更廣袤的宇宙空間。這個從地球起飛脫離太陽系的最低飛行初速度就是第三宇宙速度（Third Cosmic Velocity ）。

但路途遙遠，到木星的航程即長達8億公里，同時向外行星飛行受到太陽引力作用而減速，如果使用霍曼轉移軌道法前往外行星（木星、土星和天王星等），途中可能就要消耗掉數十年的時間，或要求攜帶大量的推進劑，但當時世界上最大的火箭—土星5號已經在1973年5月14日最後一次發射後退役。這個時候「重力助推」，或稱「引力彈弓」提供了一個無需附加燃料即可為飛行器加速的方法。

（一）什麼是重力助推

19世紀末對彗星的研究表明，在其近距離接近木星之後，會明顯的發生能量轉移，軌道發生變動。蘇聯科學家的尤里?康德拉圖克和弗里德里希?詹德分別在1919年和1925年提出飛船可以使用兩行星衛星的引力實現軌道初段的加速和軌道末段的減速。

但提出飛行器通過沿行星軌道施加的引力助推，從而減少飛行器星際間飛行的燃料消耗，卻是由一名加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究生邁克爾?米諾維奇(Michael Minovitch）在1961年提出的，當時他在美國加州帕薩迪納的NASA的噴氣推進實驗室暑期實踐，他提出飛行器靠近太陽行星時獲得加速，他在1962年進行模擬並提交出自己的解決方案。

第一個使用重力助推加速的是先驅者10號，它從1973年12月木星通過的速度從52000公里/小時提高到132,000公里/小時。

（二）怎麼用好這個彈弓？

1、主動「求」俘獲

以木星為例，軌道充分靠近木星，飛行器就會被木星捕獲，獲得與木星一致的向左方向的矢量速度VB，下圖紅圈內可以發現飛行器在原有切線速度V出B上，已經被疊加了一個和木星一致的速度VB，根據力學平行四邊形法則，V出A明顯大於原有的V入B。