40年寂寞征程飛出太陽系——獻(xiàn)給深空探測器旅行者號（中）
        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(wèi)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(shí)上40年前,，就已經(jīng)有一型探測器勇敢無畏的邁出了這一步?。ū酒?750字，閱讀時間5-7分鐘）

上期鏈接：

     （一）JPL的設(shè)計(jì)----系出名門

      旅行者號探測器由JPL設(shè)計(jì),，三軸穩(wěn)定。

        1,、推進(jìn)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,，專注固體火箭發(fā)動機(jī),，后續(xù)為航天飛機(jī)固體火箭供貨）公司的Star-37-E固體火箭發(fā)動機(jī)，重1123公斤,，工質(zhì)為鋁和高氯酸銨,，真空比沖284秒，在43秒工作時間內(nèi)提供76.5KN的推力把任務(wù)艙送到木星轉(zhuǎn)移軌道,；洛克達(dá)因（Rocketdyne）公司提供了4臺445N,、4臺22N的發(fā)動機(jī)，8臺發(fā)動機(jī)主要是配合進(jìn)入木星轉(zhuǎn)移軌道時調(diào)姿態(tài)用,，由任務(wù)艙的肼貯存箱供應(yīng),，在完成工作之后，推進(jìn)艙脫離,。應(yīng)該說,，這種肼推進(jìn)系統(tǒng)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,。

       （二）為什么用肼推進(jìn)劑

       考慮到深空探測的極端可靠性要求,，對于姿態(tài)調(diào)整的推進(jìn)劑采用了肼（Hydrazine, 聯(lián)氨），肼是最適合作為小推力姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑,，在催化劑幫助下分解成氨氣和氮?dú)獠⒎艧?，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(diǎn)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(tài)控制發(fā)動機(jī)加熱到300華氏以上以控制脈沖狀的解離反應(yīng),。而在一次偶然的試驗(yàn)中,，碰巧用了海盜號火星探測器用剩下的肼，發(fā)現(xiàn)采用不含苯胺的超純肼,，不僅可以節(jié)省加熱器功率,，還可以延長兩臺Voyager的姿態(tài)調(diào)整發(fā)動機(jī)的使用壽命。

       催化劑是銥沉積在三氧化二鋁的顆粒上構(gòu)成,，預(yù)加熱到180攝氏度,，分解肼穩(wěn)定并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(jìn)劑,，事實(shí)上旅行者號任務(wù)艙僅裝載了104公斤姿態(tài)調(diào)整專用的肼,，貯存在71公分直徑的鈦燃料罐里面，通過氦氣擠壓內(nèi)部的有彈性的膜片完成推進(jìn)劑供應(yīng),，初始壓力為3.1MPa,，后續(xù)隨著推進(jìn)劑的使用，壓力逐漸下降,。

       需要指出的是肼推進(jìn)劑的冰點(diǎn)比較高,，達(dá)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(jié)冰導(dǎo)致的事故,。

       （三）準(zhǔn)確安全借力---靠的是脈沖調(diào)整姿態(tài)

       重力助推在具體操作上有很大的復(fù)雜性，NASA工程師考慮了數(shù)千個借道木星,、土星的探測路線,，最終NASA的工程師精確規(guī)劃了旅行者號的軌跡，制定了一個充分接近行星而又不至于太近,，又能確保完成研究兩顆巨大行星的主要任務(wù),，然后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(shí)現(xiàn)的呢,？靠的是6組16個Rocket Research Company公司的MR-103(T/VA) 0.9N的姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)，均為單推肼發(fā)動機(jī),，這些姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)至今仍在工作,。

       （四）任務(wù)倉渾身上下裝滿探測儀

       任務(wù)倉重825千克,，攜帶有105千克科學(xué)探測儀器,。主體是鋁結(jié)構(gòu)扁平的十面棱柱體，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(cè)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(xué)儀器支架,。由于外形飄逸出眾,，旅行者號在上世紀(jì)90年代還被錯當(dāng)成是氣象衛(wèi)星出現(xiàn)在中央電視臺的天氣預(yù)報(bào)的片頭動畫中，搞得風(fēng)云們意見非常大,。

       探測儀器有11種,，主要是行星及其衛(wèi)星的攝像設(shè)備和各種空間環(huán)境探測設(shè)備，如紫外線和紅外線光譜儀/偏振光儀/干涉儀/輻射計(jì),、宇宙射線系統(tǒng),、等離子探測分析儀、磁力探測儀,、照相機(jī)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(shù)據(jù),，很多都刊登在了教科書上,。

       深空探索任務(wù)要求安全、可靠,、長壽的電力系統(tǒng)向航天器及其科學(xué)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(jìn)入了科學(xué)家的視線。旅行者號的能量來源是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（RTG）,，這是一種可靠的將钚-238裂變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)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(yīng)堆非常輕巧，每組僅37.7公斤重,，合計(jì)三組,，含二氧化钚（PuO2）13.5公斤，钚-238能量密度為0.54瓦/克,，衰變發(fā)熱功率7200瓦,，即便固態(tài)熱電偶的轉(zhuǎn)換效率非常低，頂多3%～7%,，7200瓦的熱量只能轉(zhuǎn)換為470瓦的電能（1977年發(fā)射時）,，但可靠性和壽命很長。為了防止發(fā)射失敗導(dǎo)致的災(zāi)難性的核污染,，钚-238燃料球被包裹在特殊的鈹（BERYLLIUM）合金中,。

        钚-238的半衰期為僅為87.7年，相對短的半衰期可以盡快解決各種事故后遺癥（比如半失敗的阿波羅13號登月艙的RTG最后在斐濟(jì)上空燃燒殆盡 ）,，但由于衰變的持續(xù)發(fā)生,，發(fā)熱功率下降，導(dǎo)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(xué)家不得不忍痛割愛按照優(yōu)先級關(guān)閉一些儀器，科學(xué)家估計(jì)兩艘旅行者號的核電池能夠保證旅行者號上搭載的科學(xué)儀器繼續(xù)工作至2025年,，而到2036年,，連訊號傳輸?shù)碾娏Χ紝⑾拇M。一旦電池耗盡,，“旅行者號”將繼續(xù)向銀河系中心前進(jìn),，但再也不會向地球發(fā)回?cái)?shù)據(jù)了。而相比較旅行者1號有足夠的肼燃料持續(xù)用到2040年,，而Voyager 2可以保持到2034年,。（由于軌道設(shè)計(jì)的不同，Voyager 2不得不花費(fèi)更多的肼訪問天王星和海王星）,。

       （一）弟弟先走一步

       旅行者1號在1977年9月5日于佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角，被搭載在當(dāng)時最強(qiáng)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(fā)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(fā)射速度離開地球的飛行器（2006年發(fā)射的“新視野號”飛船對地速度是16.26千米/秒只能排第二）,。

       雖然發(fā)射時間較2號晚,，但1號卻被發(fā)射進(jìn)入更短的軌跡之中,，讓它早到達(dá)木星及土星。

       （二）有驚無險(xiǎn)的小插曲

       旅行者2號向天王星飛行的八年半行程不是沒有問題的,。由于地面的工作人員忘記傳送一個重要的啟動代碼到旅行者2號，使飛行器關(guān)閉了船上的高增益天線,，幸好地面的工作人員最終成功與船上的低增益天線取得聯(lián)絡(luò),，并重新啟動船上的高增益天線。

       飛行初期,飛船的一個無線電接收機(jī)出了問題, 徹底失效備份無線電接收機(jī)又失去了自動頻率控制,。但是,通過從地球發(fā)送一些頻率精心控制的訊號, 與飛船的聯(lián)系總算維持了下來,。

       掠過土星后，飛船上的拍攝平臺有點(diǎn)卡住了,，使前往天王星和海王星的任務(wù)產(chǎn)生變數(shù),。幸好，地面的工作人員最終把問題解決,，那是因?yàn)檫^度使用而令潤滑油暫時耗盡,。最終飛船接到繼續(xù)前進(jìn)的指令，前往天王星,。