一波三折的“旅行者”任務(wù)

文/ 小超

自上世紀(jì)70年代末從地球出發(fā)，到如今雙雙飛出日球?qū)樱眯姓?號和2號已經(jīng)在太空中工作了40多年，成為人類歷史上壽命最長的航天器。雖然在飛行過程中也曾有過一波三折的經(jīng)歷，甚至在發(fā)射過程中就遭遇過差點夭折的命運，但航天工程師們克服了種種困難，最終使得兩艘旅行者號飛船達成了自己的使命。

▲ 廠房中的旅行者2號

拒絕執(zhí)行命令的“旅行者2號”

實際上，雖然“旅行者2號”編號靠后，但它的發(fā)射時間要早于“旅行者1號”。除了基本的探測計劃外，“旅行者2號”本來承擔(dān)著為“旅行者1號”充當(dāng)備胎的任務(wù)。一旦“旅行者1號”未能成功的對土星和木星進行探測，“旅行者2號”將接手“旅行者1號”未完成的任務(wù)，對土星和木星進行精細探測，而放棄之后造訪天王星和海王星的安排。

在旅行者1號和2號上，技術(shù)人員們首次為探測器裝備了能夠自主控制飛行的計算機。它們能夠在飛行過程中，自我監(jiān)控探測器的狀態(tài)，自我診斷存在的問題并采取相應(yīng)的措施。然而，由于新技術(shù)并不那么成熟，在發(fā)射過程中就引發(fā)了一些麻煩。

由于在編寫自主控制的計算機程序時，并沒有考慮火箭發(fā)射過程中存在的震動和旋轉(zhuǎn)，“旅行者2號”在發(fā)射之后一度“自閉”了。在發(fā)射過程中，計算機在發(fā)現(xiàn)震動和旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)后，將其判定為是探測器本身出了問題，并不停地來回切換主用與備份系統(tǒng)，或不停地打開和關(guān)閉某個系統(tǒng)，以尋找問題出現(xiàn)的原因。同時，在進入這種錯亂的狀態(tài)后，“旅行者2號”像是一個叛逆的孩子，拒絕執(zhí)行地面上送的控制指令。幸運的是，在問題出現(xiàn)后，設(shè)計這套程序的“碼農(nóng)”找到了解決辦法，并一舉解決了這個問題。

▲ 旅行者號探測器和它對各個行星探測圖像的合影

然而，一波未平，一波又起。在之后的運行過程中，“旅行者2號”上的計算機錯誤判斷自己的主天線出現(xiàn)問題，從而關(guān)閉了主天線而切換到了備用天線上。當(dāng)?shù)孛娴募夹g(shù)人員發(fā)現(xiàn)這個問題時，主天線已經(jīng)無法打開了。在之后的時間里，“旅行者2號”只能依靠備用天線繼續(xù)工作。更加麻煩的是，備用天線也不是完好無損的狀態(tài)，一個器件的失效使得天線只能使用固定的頻率與地球通信。如果頻率稍微偏離一點，就會像收音機調(diào)偏頻率后無法再收聽電臺廣播一樣，無法進行正常的通信操作。而且，這個頻率的值與地球、探測的相對位置和探測器本身的速度和溫度都有關(guān)系。

▲ 半人馬座上面級

經(jīng)過摸索，美國宇航局的技術(shù)人員找到了這個頻率的計算方式，但是由于探測器本身的溫度可能隨時間發(fā)生變化，在實際的通信過程中，操作人員可能還要進行多次嘗試，才能與“旅行者2號”獲得通信聯(lián)系。如果緊急情況出現(xiàn)，必須將指令立即注入到探測器上時，美國宇航局有一套與“鳥槍法”類似的辦法，通過使用不同頻率的信號連續(xù)發(fā)射的方式，來“蒙”到正確的頻率。

發(fā)射時險些喪命的“旅行者1號”

“旅行者1號”的險情，則出現(xiàn)在發(fā)射過程中。兩艘旅行者號探測器使用的發(fā)射載具是大力神-IIIE型火箭，這是一種利用大力神火箭的助推器、第一級和第二級，與“半人馬座”上面級結(jié)合而成的火箭，是美國在上世紀(jì)70年代執(zhí)行深空任務(wù)的主力火箭。

上面級任務(wù)性質(zhì)介于運載器與航天器之間，既可以像運載火箭那樣提供推力，又可以像航天器那樣具備獨立的電氣系統(tǒng)，在軌道上長時間工作。此外，它的發(fā)動機采用了更適合在真空環(huán)境中工作的設(shè)計，可以在太空中點火，有些甚至具備多次啟動的功能?？梢哉f，上面級是一位太空多面手，可以利用其綜合能力強的優(yōu)勢執(zhí)行一些較為復(fù)雜的發(fā)射。

在上世紀(jì)60年代早期，美國宇航局曾經(jīng)使用宇宙神火箭與半人馬座上面級結(jié)合，并希望在新一代的可重復(fù)利用火箭研發(fā)成功后，將半人馬座上面級移植到那里。然而，由于經(jīng)費的變故，美國宇航局不得不在上世紀(jì)70年代使用大力神火箭的下面級與半人馬座上面級結(jié)合，曾稱大力神IIIE火箭。

在組成大力神-IIIE火箭的過程中，半人馬座上面級和要發(fā)射的載荷一起，被包裹到了一個巨大的整流罩中。這個整流罩的存在，使半人馬座可以在軌道上關(guān)機滑行的時間由之前的30分鐘提高到5個小時。同時，由于半人馬座上面級的直徑比大力神火箭第二級大，需要額外設(shè)計一個轉(zhuǎn)接器，完成連接任務(wù)的同時還有隔熱功能。半人馬座使用的是低溫燃料，“大力神”第二級使用的是常溫燃料。如果沒有隔熱措施，大力神第二級的溫度可能會讓半人馬座上面級的低溫燃料蒸發(fā)。

對于“旅行者1號”這樣的深空探測器，一般需要上面級的輔助，才能獲得足夠的能量從地球附近逃逸。而在“旅行者1號”的發(fā)射過程中，半人馬座上面級還擔(dān)任了“救場”的作用。在發(fā)射過程中，大力神IIIE火箭的第二級出現(xiàn)了燃料泄露，因此在燃料耗盡并與上面級分離時，第二級并沒有為發(fā)射提供足夠的推力。幸運的是，“半人馬座”上面級有自主計算飛行工作參數(shù)的功能，并預(yù)留了多余的燃料。在第二級與其分離時，上面級發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前的速度低于計劃中速度的問題，并在之后的過程中讓發(fā)動機工作了額外的時間。

▲ 深空網(wǎng)絡(luò)天線

▲ 旅行者2號探測器

截止到將“旅行者1號”送入軌道，半人馬座上面級總共多消耗了約半噸的燃料。在與“旅行者1號”分離時，其剩余的燃料僅僅能夠支撐它再工作3.5秒。險情過后，“旅行者1號”以足夠的速度進入軌道，奔向了各大行星，乃至遙遠的星際空間。

亂碼的科學(xué)數(shù)據(jù)

2010年4月，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)一個讓人憂心的問題：從“旅行者2號”上傳回的科學(xué)數(shù)據(jù)，突然“亂碼”了。飛船上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將科學(xué)儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行編碼后，再發(fā)回地球，然而，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，按照以前的解碼規(guī)則，已經(jīng)無法正常的將數(shù)據(jù)讀出。如果不解決這個問題，雖然探測器還會正常工作，但無法再發(fā)回有用的科學(xué)數(shù)據(jù)。

大概半個多月后，技術(shù)人員中有機會讀出了“旅行者2號”數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一個完整的內(nèi)存數(shù)據(jù)片段。通過分析，他們發(fā)現(xiàn)是一個二進制位出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)，由0變成了1，才使得問題出現(xiàn)。在航天飛行中，這種現(xiàn)象被稱為單粒子翻轉(zhuǎn)，一般是由于來自太陽本身或太陽系以外的高能粒子轟擊航天器上的集成電路引起。為了進一步確認(rèn)問題來源，技術(shù)人員在地面的計算機上對問題進行了模擬，成功重現(xiàn)了故障現(xiàn)象。5月23日，在重新啟動了負責(zé)數(shù)據(jù)處理的計算機后，出現(xiàn)的問題被消除，“旅行者2號”又開始發(fā)回正確的科學(xué)數(shù)據(jù)。