一波三折的“旅行者”任务

文/ 小超

自上世纪70年代末从地球出发，到如今双双飞出日球层，旅行者1号和2号已经在太空中工作了40多年，成为人类历史上寿命最长的航天器。虽然在飞行过程中也曾有过一波三折的经历，甚至在发射过程中就遭遇过差点夭折的命运，但航天工程师们克服了种种困难，最终使得两艘旅行者号飞船达成了自己的使命。

▲ 厂房中的旅行者2号

拒绝执行命令的“旅行者2号”

实际上，虽然“旅行者2号”编号靠后，但它的发射时间要早于“旅行者1号”。除了基本的探测计划外，“旅行者2号”本来承担着为“旅行者1号”充当备胎的任务。一旦“旅行者1号”未能成功的对土星和木星进行探测，“旅行者2号”将接手“旅行者1号”未完成的任务，对土星和木星进行精细探测，而放弃之后造访天王星和海王星的安排。

在旅行者1号和2号上，技术人员们首次为探测器装备了能够自主控制飞行的计算机。它们能够在飞行过程中，自我监控探测器的状态，自我诊断存在的问题并采取相应的措施。然而，由于新技术并不那么成熟，在发射过程中就引发了一些麻烦。

由于在编写自主控制的计算机程序时，并没有考虑火箭发射过程中存在的震动和旋转，“旅行者2号”在发射之后一度“自闭”了。在发射过程中，计算机在发现震动和旋转出现后，将其判定为是探测器本身出了问题，并不停地来回切换主用与备份系统，或不停地打开和关闭某个系统，以寻找问题出现的原因。同时，在进入这种错乱的状态后，“旅行者2号”像是一个叛逆的孩子，拒绝执行地面上送的控制指令。幸运的是，在问题出现后，设计这套程序的“码农”找到了解决办法，并一举解决了这个问题。

▲ 旅行者号探测器和它对各个行星探测图像的合影

然而，一波未平，一波又起。在之后的运行过程中，“旅行者2号”上的计算机错误判断自己的主天线出现问题，从而关闭了主天线而切换到了备用天线上。当地面的技术人员发现这个问题时，主天线已经无法打开了。在之后的时间里，“旅行者2号”只能依靠备用天线继续工作。更加麻烦的是，备用天线也不是完好无损的状态，一个器件的失效使得天线只能使用固定的频率与地球通信。如果频率稍微偏离一点，就会像收音机调偏频率后无法再收听电台广播一样，无法进行正常的通信操作。而且，这个频率的值与地球、探测的相对位置和探测器本身的速度和温度都有关系。

▲ 半人马座上面级

经过摸索，美国宇航局的技术人员找到了这个频率的计算方式，但是由于探测器本身的温度可能随时间发生变化，在实际的通信过程中，操作人员可能还要进行多次尝试，才能与“旅行者2号”获得通信联系。如果紧急情况出现，必须将指令立即注入到探测器上时，美国宇航局有一套与“鸟枪法”类似的办法，通过使用不同频率的信号连续发射的方式，来“蒙”到正确的频率。

发射时险些丧命的“旅行者1号”

“旅行者1号”的险情，则出现在发射过程中。两艘旅行者号探测器使用的发射载具是大力神-IIIE型火箭，这是一种利用大力神火箭的助推器、第一级和第二级，与“半人马座”上面级结合而成的火箭，是美国在上世纪70年代执行深空任务的主力火箭。

上面级任务性质介于运载器与航天器之间，既可以像运载火箭那样提供推力，又可以像航天器那样具备独立的电气系统，在轨道上长时间工作。此外，它的发动机采用了更适合在真空环境中工作的设计，可以在太空中点火，有些甚至具备多次启动的功能。可以说，上面级是一位太空多面手，可以利用其综合能力强的优势执行一些较为复杂的发射。

在上世纪60年代早期，美国宇航局曾经使用宇宙神火箭与半人马座上面级结合，并希望在新一代的可重复利用火箭研发成功后，将半人马座上面级移植到那里。然而，由于经费的变故，美国宇航局不得不在上世纪70年代使用大力神火箭的下面级与半人马座上面级结合，曾称大力神IIIE火箭。

在组成大力神-IIIE火箭的过程中，半人马座上面级和要发射的载荷一起，被包裹到了一个巨大的整流罩中。这个整流罩的存在，使半人马座可以在轨道上关机滑行的时间由之前的30分钟提高到5个小时。同时，由于半人马座上面级的直径比大力神火箭第二级大，需要额外设计一个转接器，完成连接任务的同时还有隔热功能。半人马座使用的是低温燃料，“大力神”第二级使用的是常温燃料。如果没有隔热措施，大力神第二级的温度可能会让半人马座上面级的低温燃料蒸发。

对于“旅行者1号”这样的深空探测器，一般需要上面级的辅助，才能获得足够的能量从地球附近逃逸。而在“旅行者1号”的发射过程中，半人马座上面级还担任了“救场”的作用。在发射过程中，大力神IIIE火箭的第二级出现了燃料泄露，因此在燃料耗尽并与上面级分离时，第二级并没有为发射提供足够的推力。幸运的是，“半人马座”上面级有自主计算飞行工作参数的功能，并预留了多余的燃料。在第二级与其分离时，上面级发现了当前的速度低于计划中速度的问题，并在之后的过程中让发动机工作了额外的时间。

▲ 深空网络天线

▲ 旅行者2号探测器

截止到将“旅行者1号”送入轨道，半人马座上面级总共多消耗了约半吨的燃料。在与“旅行者1号”分离时，其剩余的燃料仅仅能够支撑它再工作3.5秒。险情过后，“旅行者1号”以足够的速度进入轨道，奔向了各大行星，乃至遥远的星际空间。

乱码的科学数据

2010年4月，技术人员发现一个让人忧心的问题：从“旅行者2号”上传回的科学数据，突然“乱码”了。飞船上的数据处理系统，将科学仪器产生的数据进行编码后，再发回地球，然而，科学家们发现，按照以前的解码规则，已经无法正常的将数据读出。如果不解决这个问题，虽然探测器还会正常工作，但无法再发回有用的科学数据。

大概半个多月后，技术人员中有机会读出了“旅行者2号”数据系统的一个完整的内存数据片段。通过分析，他们发现是一个二进制位出现了翻转，由0变成了1，才使得问题出现。在航天飞行中，这种现象被称为单粒子翻转，一般是由于来自太阳本身或太阳系以外的高能粒子轰击航天器上的集成电路引起。为了进一步确认问题来源，技术人员在地面的计算机上对问题进行了模拟，成功重现了故障现象。5月23日，在重新启动了负责数据处理的计算机后，出现的问题被消除，“旅行者2号”又开始发回正确的科学数据。