旅行者号解构

两艘运行了40年的宇宙飞船的运作原理

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,并反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点。


旅行者2号宇宙飞船于1977年8月20日发射,而令人困惑的是,旅行者1号在两周后的1977年9月5日发射 — 但仍然设法比它的姊妹飞船更早地到达了木星和土星。

这两艘非凡的飞行器及其史诗般的旅程,因此在我写这篇文章时正值40周年。在太阳系探索的历史中,我不确定有任何任务能如此持久地产生如此多的成果 — 并如此有力地将自己深深地印刻在人类的意识中。

但是,与其过于抒情地描述它们的深刻意义,我认为简要了解一下是什么使(以及正在使)这些 20 世纪 70 年代和 60 年代的技术作品发挥作用会很有趣。


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两艘飞船的质量都约为 830 公斤,现在标志性的大型高增益无线电天线跨度达 3.7 米(12 英尺)。每艘飞船都配备了 16 个肼推进器、三个用于稳定 x、y、z 轴的陀螺仪、8 个备用推进器、三个放射性同位素温差发电机(由美味的钚-238 氧化物制成)、11 个科学仪器(带有冗余系统以帮助应对故障)和三个双冗余计算机系统。总而言之,每艘宇宙飞船都由大约 65,000 个独立零件 组成。

旅行者号科学仪器。 来源:NASA,JPL

这些计算机系统令人印象深刻,既因为它们在当今电子世界中的原始性质,也因为它们的功能。例如,每艘旅行者号的计算机硬件总共有 69.63 千字节的内存。对于如今一张经过高度压缩的糟糕手机图像来说,这几乎不够用。尽管旅行者号实际上确实采用了易失性 CMOS 内存,以匹配其飞行数据系统中 CMOS 处理器的惊人速度 — 每秒能够执行大约 81,000 次操作。

这听起来还可以,直到您意识到最近的 iPhone 拥有一个处理器,每秒能够执行大约 2000 亿次浮点运算。

对于稍长期的数据存储,信息被写入 8 轨数字磁带上 — 包括移动部件 — 然后以大约每秒 160 比特的速度涓滴返回地球。磁带的容量?大约半兆字节。

旅行者号飞行数据系统硬件。 来源:NASA,JPL

 

但这些都是令人惊叹的电子硬件 — 高度定制、精细调整和设计。正是您在星际空间中航行数十年所需的东西。

科学仪器在上面的示意图中标记出来。它们的范围从由慢扫描电视摄像机(不是我们现在都习惯的完全数字化的探测器,而是配备了 8 个彩色滤光片在一个轮子上)构建的成像系统,到用于感应磁场、等离子体、宇宙射线和行星无线电波的大量探测器。

但到目前为止,由于旅行者号探测器的放射性同位素发电机中的电力正在减少,大多数科学仪器已被关闭。正在运行的仪器包括等离子体波探测器、磁力计和宇宙射线仪器。

旅行者号还能运行多久?嗯,宇宙飞船本身将继续进入不受阻碍的星际空间,但目前的估计是,大约在 2025 年左右,电力可能会下降到两艘探测器永久沉默的程度。

 

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