数学老师不务正业——旅行者号探测器
老邓DoMo
2025年12月08日 19:47
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就太空探索来说,限制我们目前边界的最大问题其实是:人类的肉体在宇宙空间中实在是太脆弱了。光是为了解决近地轨道上宇航员们的吃喝拉撒问题,就让各国工程师们掉了大把头发(所以霍华德能给空间站通马桶是真的很厉害)。太空航行过程中要照顾好人类真的太难了,温度太高了不行,太低了也不行,氧气不能没有,也不能浓度太高,执行任务时间太久了保不齐还会出心理问题……甚至都不是说我们的飞船速度上不去,而是一旦加速度太快了,宇航员的身体会率先承受不住。这副在地球上横行霸道的恐怖直立猿躯体,到了太空真就脆弱得像纸片。

而如果不考虑人,纯粹送出一台人造的机器,那能到达的尺度甚至已经能够突破日球层顶,真正进入星际空间。

1962年起,NASA在水手号项目中,先后向太阳系里距离地球最近的两颗行星:金星和火星(答不上来的同学,自觉下来去找地理老师加课)发射了多台探测器,近距离取得了大量一手的实测科研数据。但彼时整个机构的工作重心还是载人登月的阿波罗计划,哪怕数学家迈克尔·安德鲁·米诺维奇已经通过数据,验算了引力弹弓的加速效应是完全可行的,NASA还是没有什么兴趣去探索太阳系远端的行星。

时间来到1964年夏天,新入职的实习工程师弗兰德罗在计算外太阳系各大行星在未来几年位置的时候,发现了一个惊人的事实:1970年往后,木星,土星,天王星海王星这几颗大质量行星,会处在黄道面相对地球的同侧,如果在1977年这个时间窗口发射探测器的话,依次利用引力弹弓效应掠过这些大质量天体,可以把预计航行时间从30年缩短为12年,且一次发射就可以至少近距离观测两颗太阳系行星。下一次再有这样的发射窗口,就得等到175年以后了。

这可是正儿八经天时到了,验证无误之后NASA自然也不会放弃这个两百年一遇的机会,1969年外太阳系行星工作组成立,项目原本被定名:The Grand Tour(伟大旅程),申请10亿美金为8年以后发射四艘航天器进行各项准备。但当时航天飞机项目拿走了预算的大头,且耗资越来越多,最后外太阳系行星工作组的预算被砍到只有3.8亿美金,这个“看风景”的项目更名为旅行者计划,穷酸得只能把原定的水手11号和12号要过来改造一下,更名为旅行者1号和旅行者2号进行发射。

终于到了1977年,旅行者2号于8月20号发射升空,旅行者1号则是于9月5日发射(哥哥比弟弟出门晚一点是因为在发射之前的地面测试准备中发现了一个故障,所以改由二号先发)。两兄弟互为备份,首先一起冲向木星这个太阳系质量最大的行星,获得引力弹弓加速以后,一起访问土星,之后主线任务是继续去往天王星和海王星。

旅行者号兄弟的任务非常顺利,于是在旅行者1号冲向土星的时候,为了近距离观测土卫六“泰坦”,这颗拥有浓密大气层的行星,NASA让其变轨离开黄道面,后续只能直接往太阳系外侧飞行,旅行者2号则继续留在黄道面看能否有观测天王星和海王星的机会,最后沿着黄道面北侧方向离开太阳系。

1980年,在传回清晰的土星环照片之后,旅行者1号的主要任务已经完成,即将进行变轨,此时项目主管卡尔萨根提出了一个想法:让旅行者1号把摄像头转向太阳这一面,用连拍的方式,照一张太阳系行星的“全家福”。从科研层面这个操作其实没啥意义,而且摄像头还有可能因为太阳的强光直射受损,但卡尔萨根说话还是有分量的,在多方游说下,这个方案最终通过,科学家在用连拍照片拼凑全家福的过程中,成功找到了地球,一个像素都不到的,一小块“暗淡蓝点”(Pale Blue Dot):

1990年2月14日,情人节,旅行者1号当时正以16公里每秒的人类造物的最高速度远离地球,远离太阳,在距离我们60亿公里的距离,拍摄下了这张照片,回望它出发的地方,这如同尘埃一样渺小的东西,就是地球。我们,我们的先辈和我们的后辈,在这里出生,在这里死去,慷慨悲歌,欢声笑语,一切从尘土中来,一切到尘土中去。

千年以前的祖先叩问着:天地玄黄,宇宙洪荒。日月盈昃,辰宿列张。

千年以后,它带着我们的好奇心,飞到了如此遥远的距离。

之后完成了主要任务的旅行者号两兄弟都陆续关闭了摄像机和部分科学探测仪器,只保留部分传感器以此尽量节省能源,我们甚至可以简单理解为,他俩此后传回的数据,都算是计划外赚到的。

2012年8月25日,旅行者一号穿越了太阳系的一个理论边界:日球层顶,传回的数据显示在极短时间内,探测器周围太阳粒子数量锐减,同时来自银河系的高能宇宙射线急剧增加,用实际数据验证了日球层顶假说的真实性。2018年11月,旅行者2号也同样观测到了类似数据,并且通过对比,科学家可以计算出日球层顶的形状应为椭圆形。

2020年3月,位于南半球澳大利亚的巨型天线进行升级改造。因为旅行者2号是往黄道面南飞的,这个唯一可以向他发送信息的窗口被暂时关闭。这个内存只有68KB,岁数快跟我爷爷一边大的航天仪器,只能单方面用它跟汽车钥匙功率一样大的发射器,尽量对着太阳的方向,一边以每秒40个字节的速度往地球单向传输数据,一边借由机载系统预设程序飞行。

此时距离卡尔萨根去世都过去了十多年,很多当年亲手制造他们,送他们离开地球的工程师都已经退休或者离世,甚至有些工程师的整个职业生涯,都只是在接收处理和向旅行者号发送数据,那些古老的编程语言,现在的大学教材都已经不会再教了。2020年10月29日,天线升级改造完成,工程师向旅行者2号发送了测试指令。17个小时后,以光速行进的电磁波,传回了旅行者2号来自深空的回应:“我一切正常,仍在运行。”

然而大哥这边却出了点问题,2023年11月14日,旅行者1号传回的数据忽然变成了乱码。NASA喷气推进实验室的工程师团队经过分析,判断问题是由于某块飞行数据系统芯片可能因宇宙射线轰击或单纯的老化而损坏,导致整个数据流“卡死”。

工程师只能在240亿公里之外,顶着一条数据通信来回共计将近45小时的延迟,在不关机,不重启的情况下,把一台48年前的计算机把操作系统的一个核心组件,一点点挪到硬盘的其他扇区,并保证它能重新运行。他们竟然真的做到了,在2024年4月20日,旅行者1号重新恢复正常,继续传回有效数据。

这两台飞行器,不仅是飞得最远的人类造物,也是连续开机运行时间最长的机器。但物理终究有其极限,到2026年左右,旅行者号搭载的热核电池中的钚-238(半衰期88年)提供电力将不足以同时运行任何一台科学仪器。到2030年代,肼推进剂预计将在因温度过低而冻结,旅行者号飞船将无法调整姿态对准地球,通信永久终止。大约在2035年之后,即使仪器全关,电力也将不足以维持飞船核心系统运行。届时,旅行者号将变成在银河系中静静漂浮的“沉默信使”。

也许时间才是宇宙中唯一的刻度,我们现在还不知道,要在多远的未来,是谁,会拨动那张黄金的唱片。

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