【原创文章】40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(中)

作者说

在SpaceX的马斯克雄心勃勃要在有生之年去火星的时候,又有人提出土卫六才是最合适的人类移居星球,我们究竟对太阳系了解多少?事实上40年前,就已经有一型探测器勇敢无畏的迈出了这一步!(本期2750字,阅读时间5-7分钟)

 上期链接:40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(上)

四、飞船的结构设计

(一)JPL的设计—-系出名门

旅行者号探测器由JPL设计,三轴稳定。

主体由推进舱和任务仓构成

1、推进舱重1207公斤,上图黑色的八条腿以下部分,主体是Thiolol(瑟奥科尔,专注固体火箭发动机,后续为航天飞机固体火箭供货)公司的Star-37-E固体火箭发动机,重1123公斤,工质为铝和高氯酸铵,真空比冲284秒,在43秒工作时间内提供76.5KN的推力把任务舱送到木星转移轨道;洛克达因(Rocketdyne)公司提供了4台445N、4台22N的发动机,8台发动机主要是配合进入木星转移轨道时调姿态用,由任务舱的肼贮存箱供应,在完成工作之后,推进舱脱离。应该说,这种肼推进系统在工作过程中分离是非常少见的,还好两艘探测器都非常顺利。

任务仓

 

(二)为什么用肼推进剂

考虑到深空探测的极端可靠性要求,对于姿态调整的推进剂采用了肼(Hydrazine, 联氨),肼是最适合作为小推力姿态控制发动机的推进剂,在催化剂帮助下分解成氨气和氮气并放热,单组元催化分解:省却氧化剂、省却氧化剂贮存罐、省却阀门、省却点火装置……可以多次可靠启动

一般的单推肼含0.5%以下的苯胺,要求姿态控制发动机加热到300华氏以上以控制脉冲状的解离反应。而在一次偶然的试验中,碰巧用了海盗号火星探测器用剩下的肼,发现采用不含苯胺的超纯肼,不仅可以节省加热器功率,还可以延长两台Voyager的姿态调整发动机的使用寿命。

催化剂是铱沉积在三氧化二铝的颗粒上构成,预加热到180摄氏度,分解肼稳定并可以避免伤及催化剂的冷启动。

重力助推让旅行者号少携带很多推进剂,事实上旅行者号任务舱仅装载了104公斤姿态调整专用的肼,贮存在71公分直径的钛燃料罐里面,通过氦气挤压内部的有弹性的膜片完成推进剂供应,初始压力为3.1MPa,后续随着推进剂的使用,压力逐渐下降。

需要指出的是肼推进剂的冰点比较高,达到2摄氏度,因此在寒冷的深空旅行者号不得不把宝贵的电力用来加热钛燃料罐、阀门、催化剂床等,防止肼结冰导致的事故。

超纯肼的物理特性

(三)准确安全借力—靠的是脉冲调整姿态

重力助推在具体操作上有很大的复杂性,NASA工程师考虑了数千个借道木星、土星的探测路线,最终NASA的工程师精确规划了旅行者号的轨迹,制定了一个充分接近行星而又不至于太近,又能确保完成研究两颗巨大行星的主要任务,然后再将其推向星际空间。40年行程充分证明了方案的成功。但这些精确的变轨是如何实现的呢?靠的是6组16个Rocket Research Company公司的MR-103(T/VA) 0.9N的姿态控制发动机,均为单推肼发动机,这些姿态控制发动机至今仍在工作。

这些姿态调整发动机依靠10ms的脉冲点火,通过点火、熄火精确控制飞行姿态,脉冲的寿命达到40万次,直到现在这些0.9N的小发动机依旧工作正常,而且推进剂用的省,2001年的时候用剩下32公斤,目前每周用量在6-8克的水平。相关的技术在GPS卫星、通信卫星轨道维持和变轨、卡西尼探测器等飞行器上得到了广泛的应用。

(四)任务仓浑身上下装满探测仪

任务仓重825千克,携带有105千克科学探测仪器。主体是铝结构扁平的十面棱柱体,顶端装有一直径为3.7米的高增益抛物面天线(S和X波段),左右两侧各伸出一根悬臂, 较长的一根(13米长)是磁力探测仪,短的一根是科学仪器支架。由于外形飘逸出众,旅行者号在上世纪90年代还被错当成是气象卫星出现在中央电视台的天气预报的片头动画中,搞得风云们意见非常大

探测仪器有11种,主要是行星及其卫星的摄像设备和各种空间环境探测设备,如紫外线和红外线光谱仪/偏振光仪/干涉仪/辐射计、宇宙射线系统、等离子探测分析仪、磁力探测仪、照相机等。依靠这些仪器揭示了未知的行星的面貌,带回了前所未有的照片和数据,很多都刊登在了教科书上。

 

(五)核能供电(Radioisotope Thermoelectric Generators,RTG)

深空探索任务要求安全、可靠、长寿的电力系统向航天器及其科学仪器提供电力和热能。旅行者号定位深空探索,但出了木星轨道,再往外面太阳能就很微弱了,这种情况下核能进入了科学家的视线。旅行者号的能量来源是放射性同位素热电发电机(RTG),这是一种可靠的将钚-238裂变产生的热量转换成电能的核电池。和我们平时看到的核电站不同,旅行者号的核反应堆非常轻巧,每组仅37.7公斤重,合计三组,含二氧化钚(PuO2)13.5公斤,钚-238能量密度为0.54瓦/克,衰变发热功率7200瓦,即便固态热电偶的转换效率非常低,顶多3%~7%,7200瓦的热量只能转换为470瓦的电能(1977年发射时),但可靠性和寿命很长。为了防止发射失败导致的灾难性的核污染,钚-238燃料球被包裹在特殊的铍(BERYLLIUM)合金中。

钚-238的半衰期为仅为87.7年,相对短的半衰期可以尽快解决各种事故后遗症(比如半失败的阿波罗13号登月舱的RTG最后在斐济上空燃烧殆尽 ),但由于衰变的持续发生,发热功率下降,导致供电能力也减弱,目前以每年下降4.2瓦特的速度在下降,科学家不得不忍痛割爱按照优先级关闭一些仪器,科学家估计两艘旅行者号的核电池能够保证旅行者号上搭载的科学仪器继续工作至2025年,而到2036年,连讯号传输的电力都将消耗殆尽。一旦电池耗尽,“旅行者号”将继续向银河系中心前进,但再也不会向地球发回数据了。而相比较旅行者1号有足够的肼燃料持续用到2040年,而Voyager 2可以保持到2034年。(由于轨道设计的不同,Voyager 2不得不花费更多的肼访问天王星和海王星)。

五、完美的2+2+X探测–木星/土星+天王星/海王星+系外未知深空

(一)弟弟先走一步

旅行者1号在1977年9月5日于佛罗里达州的卡纳维拉尔角,被搭载在当时最强大的火箭—–一枚大力神3E(又称泰坦,Taitan)-半人马座上面级的火箭上发射升空,18.3公里/秒的对地速度,成为人类有史以来以最快发射速度离开地球的飞行器(2006年发射的“新视野号”飞船对地速度是16.26千米/秒只能排第二)。

而他弟弟旅行者2号16天前,也就是8月20日的发射。为什么这样安排?科学家对两艘探测器做了不同的分工:旅行者2号被科学家设计可以利用一个不寻常的便捷路线来探测木星、土星、天王星与海王星,在计划中第一个发射;而旅行者1号定位为主要探测木星及土星,因此比它的弟弟探测器还要晚发射,利用更快速的轨道比2号快一点到达木星及土星,而不探测其他的外行星。

虽然发射时间较2号晚,但1号却被发射进入更短的轨迹之中,让它早到达木星及土星。

这是9月18日旅行者1号在1120万公里外回头拍摄的照片,这是第一张完整显示地月系统的照片

(二)有惊无险的小插曲

旅行者2号向天王星飞行的八年半行程不是没有问题的。由于地面的工作人员忘记传送一个重要的启动代码到旅行者2号,使飞行器关闭了船上的高增益天线,幸好地面的工作人员最终成功与船上的低增益天线取得联络,并重新启动船上的高增益天线。

飞行初期,飞船的一个无线电接收机出了问题, 彻底失效备份无线电接收机又失去了自动频率控制。但是,通过从地球发送一些频率精心控制的讯号, 与飞船的联系总算维持了下来。

掠过土星后,飞船上的拍摄平台有点卡住了,使前往天王星和海王星的任务产生变数。幸好,地面的工作人员最终把问题解决,那是因为过度使用而令润滑油暂时耗尽。最终飞船接到继续前进的指令,前往天王星。

(未完待续)


近期鉴于苹果公司的抽成行为,I-Phone用户打赏清扫这里,打赏都将转给作者本人。


近期或相关文章:

  1. 探寻地外行星的“黑科技”——“遮星板”技术小叙

  2. 外星人,你是住这儿嘛?论发现宜居行星TRAPPIST-1的“眼睛”

  3. 永别了,卡西尼!

  4. 还记得彗星上的那个“菲莱”么?这回它真的挂了。。。

  5. 如果把核反应堆送上太空,后果会如何?说不定某天会砸在你头上!

  6. 详解三体问题的神秘特解-回顾“拉格朗日点”两百年来的梦幻

  7. 不就是一块石头么,看我把它推回去! ——回顾NASA胎死腹中的小行星重定向任务


想了解更多的航天科普新闻,请扫描或长按二维码关注我们的公众号“航天爱好者”!

欢迎各位爱好者投稿,各抒己见,畅所欲言!

欢迎访问我们的网站:www.spaceflightfans.cn

最新的航天新闻聚合和发射预报