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旅行者2号探测器

旅行者2号探测器

旅行者2号探测器（Voyager 2）是美国航空航天局（NASA）研制的飞往太阳系外的两艘空间探测器的第二艘，旨在研究太阳系的外层空间和行星，以及进一步探索星际空间。也是继旅行者1号第二个进入星际空间的探测器。

旅行者2号探测器于1977年8月20日在美国肯尼迪航天中心成功发射升空；1979年7月9日最接近木星，多发现了几个环绕木星的环，并拍摄了木卫一的照片，显示其火山活动；1981年8月25日最接近土星；1986年1月24日最接近天王星，并发现了10个之前未知的天然卫星；1989年8月25日最接近海王星；后于2018年11月5日进入星际空间；2023年7月21日，“旅行者2号”探测器天线从指向地球的方向偏离了2度，导致探测器失联，后于8月4日恢复正常通信。

旅行者2号探测器由一个高47厘米、宽1.78米的十面棱柱体组成。探测器顶部安装了直径为3.66米的抛物面高增益天线，科学吊杆上安装了科学仪器及可转向的成像和光谱遥感仪器。通过使用三个放射性同位素热电发电机（RTG）为探测器系统和仪器供电。

截止2023年7月，旅行者2号探测器距地球约200亿千米。旅行者2号探测器上携有关于人类文明的声音、图片和影像，有望继续长期在宇宙中传递人类文明的信息。

发展沿革

项目起源

20世纪60年代末期，美国喷气推进实验室的航天工程师加里·弗兰德罗构思了一项名为“行星之旅”的计划，设想在1970年代后期利用木星、土星、天王星、海王星和冥王星这五颗行星175年一次的直线排列，使用“引力助推”技术将太空探测器送到太阳系的外围区域，以帮助科学家研究太阳系的边界和星际空间。最初的计划是外行星大巡游，包括1976-1977年对木星、土星和冥王星的两次发射，以及1979年对木星、天王星和海王星的两次发射，但由于预算限制，该项目被大幅调整为两个航天器，每个航天器只对木星和土星进行探测。新的任务被称为“水手木星/土星”，或MJS。在发射前六个月，美国航空航天局局长詹姆斯·C·弗莱彻（1919-1991）宣布它们将更名为旅行者号探测器，旅行者计划由此诞生。

研发历程

自1959年开始设计探测器以来，喷气推进实验室（JPL）一直致力于三轴稳定航天器研究，利用姿态控制系统保持正确的指向。1972年，美国国家航空航天局航空航天技术办公室资助了一项关于延长寿命姿态控制系统的研究，它被称为“HYPACE”，是一个模拟和数字相结合的可编程姿态控制系统，是混合可编程姿态控制电子设备，是一个具有强大功能的字节串行处理器。该系统最终应用在旅行者号探测器上。

旅行者号的放射性同位素热电发电机被安装在一个吊杆上，以防止辐射泄漏到科学仪器上。磁力计安装在吊杆上，以避免电机、致动器、电源总线和电子设备引起的航天器磁场干扰。此外，扫描平台也安装在吊杆上，以提供更好的视野。

旅行者号探测器采用三个冗余计算机系统，喷气推进实验室对其飞行硬件和软件开发组建了一个团队，配备有三名认知软件工程师，由一名航天器软件工程师管理。1974年初，肯特-弗因（H. Kent Frewing）担任这一职务，并在当年上半年发出了一系列组织备忘录，详细列出了旅行者号探测器1977年夏季发射项目时间表。1974年至1977年，软件开发人员的只有1-4名程序员。这个小团队允许大部分工作以非正式的方式进行，从而简化了沟通。1977年，肯特-弗因成立了机载软件设计小组，成员包括他本人、飞行数据系统工程师唐纳德-约翰逊、中央控制系统工程师斯坦利-林根以及一名姿态和关节控制系统代表。软件开发过程的验证工作由能力演示实验室（CDL）负责。CDL是在初始软件制作完成后组建的，在该实验室中，可以对软件和硬件的更改进行测试，看其是否能成功运行。在这一管理框架下，三个计算机系统逐渐成型。

飞行历程

1977年8月20日，旅行者2号探测器在美国肯尼迪航天中心，借助泰坦3号E半人马座火箭（Titan IIIE-Centaur）成功发射升空，受控飞往天王星和海王星进行探测任务。

1979年7月9日，旅行者2号探测器最接近木星，多发现了几个环绕木星的环，并拍摄了木卫一的照片，显示其火山活动。

1981年8月25日，旅行者2号探测器最接近土星。

1986年1月24日，旅行者2号探测器最接近天王星，并发现了10个之前未知的天然卫星。

1986年2月14日，旅行者2号探测器进行了一次中途修正，这是旅行者2号有史以来最大的一次修正，以将它设定在前往海王星的精确路线上。

1989年8月25日，旅行者2号探测器最接近海王星。

1998年11月，旅行者2号探测器在发射21年后，将不重要的仪器永久关闭，只剩下7台仪器仍在运行。

2007年8月30日，旅行者2号通过了终止激波，然后进入了日鞘层。

2018年11月5日，旅行者2号探测器进入星际空间，其当时与地球的距离是地球和太阳距离的119倍。

2019年7月8日，旅行者2号成功启动了轨迹校正机动推进器，并将在未来使用它们控制航天器的指向。

2023年7月21日，向“旅行者2号”发出的一系列指令无意间使该探测器天线从指向地球的方向偏离了2度，导致探测器既不能向地球发送信息也接收不到来自地球的指令。

2023年8月4日，美国航空航天局利用其“深空网络”位于澳大利亚堪培拉的设施向“旅行者2号”发出相当于“星际呼唤”的指令，指示其调整自身方向并将天线指向地球。“旅行者2号”终于开始传回科学和遥测数据，表明其运行正常并保持在预期轨道上。

任务规划

旅行者2号是为探索外太阳系行星和星际环境而发射的航天器。旅行者2号主要的探测任务为：

（1）研究行星大气层的环流、动力学、结构和组成。

（2）表征行星卫星的形态、地质和物理状态。

（3）提供行星、卫星和环的质量、大小和形状等经过修正的值。

（4）确定其磁场结构并表征其中的高能捕获粒子和等离子体的组成和分布。

总体设计

旅行者2号探测器的结构和构造经过精心设计，以确保其在太空中的稳定性和性能。探测器由一个高47厘米、宽1.78米的十面棱柱体组成。探测器顶部安装了直径为3.66米的抛物面高增益天线，航天器伸出一个约2.5米的科学吊杆，其上安装了部分科学仪器。科学吊杆的末端是一个可转向的扫描平台，上面安装有成像和光谱遥感仪器。在科学吊杆的不同距离上还安装有等离子体和带电粒子探测器。磁力计安装在科学吊杆对面一侧13米长的单独吊杆上。第三根吊杆向下延伸，远离科学仪器，安装着航天器的放射性同位素热电发生器（RTG）。航天器上还伸出两根10米长的鞭状天线（用于等离子波和行星射电天文学研究），每根天线相互垂直。航天器采用三轴自旋稳定方式，并对安装在扫描平台上的仪器进行选择性观察。旅行者号探测器的遥感仪器功率大，机载计算机能力强，指向更精确。

为了在接近4年的土星之旅中保持功能，旅行者号子系统设计了高可靠性的部件和广泛的冗余。此外，星载计算机提供选定的故障检测和纠正措施，使航天器处于安全状态，以便进行地面跟踪。针对先锋（Pioneer）10和11号飞船测量的恶劣木星辐射环境，采取了适当的抗辐射加固、部件选型、电路设计评估和屏蔽措施，加强了旅行者的抗辐射效应。

电源系统

旅行者2号探测器的电源系统是确保探测器在长期太空飞行中获得足够电能以维持其运行和科学仪器操作的关键组件。旅行者2号通过使用三个放射性同位素热电发电机（RTG）为航天器系统和仪器供电。这些RTG串联组装在一个可展开的吊杆上，吊杆接在连接到基本结构的支杆上。每个RTG单元都装在一个铍外壳中，直径40.6厘米，长50.8厘米，重39千克。RTG使用放射源（这里指的是氧化形式的钚238），它在衰变时会放出热量。双金属热电装置将热量转化为电能，供航天器使用。随着放射性物质的消耗，RTG的总输出量会随时间慢慢减少。因此，虽然旅行者号2号上的RTG在发射时的初始输出功率约为470W，直流电压为30V，但到1997年初（发射后约19.5年）已降至约335W。随着功率的不断降低，航天器上的功率负荷也必须随之降低。

为了让航天器尽可能长时间地运行，工程师们已经关闭了加热器以及其他非必要的系统，使得功率降低。旅行者2号的电源问题主要在于电涌对航天器仪器的损坏。为了解决这一问题，需要取消通常可用的保护装置，使用稳压器来触发一个备用电路，该电路在出现问题时从RTG获取额外的功率作为浪涌保护。

通信系统

旅行者2号探测器的通信系统是确保其能够与地球保持联系、传输科学数据和接收指令的重要组成部分。旅行者2号探测器装备了两种不同类型的通信天线，分别是高增益和低增益天线。通信由高增益天线提供，低增益天线作为备份。高增益天线支持X波段和S波段下行链路遥测。旅行者号是第一个使用X波段作为主要遥测链路频率的航天器。上行通信采用2115MHz的S波段链路，可通过航天器LGA或HGA接收。下行通信可以在2295MHz的S频段上通过LGA或HGA，也可以在8415MHz的X频段上通过HGA。遥测数据由飞行数据子系统（FDS）收集、格式化，并路由到调制解调子系统（MDS），以便在射频载波上显示，或传输到数字盒式录音磁带记录器（DTR），以便后期回放。四种基本类型的遥测数据包括仅工程、巡航科学+工程、遭遇一般科学+工程（GS&E）和成像+工程（GS&E）。一般情况下，S波段频率返回2560bps以下的数据速率，X波段频率返回7.2~115.2Kbps的数据速率。科学数据在每个仪器子系统内进行数字化，并呈现给FDS进行格式化。

通过使用机载数字磁带录音机，可以存储数据，以便日后传输到地球。同时，为了接收从旅行者2号传回地球的信号，美国航空航天局设置了一系列地面站，分布在全球不同地点。这些地面站接收探测器传回的信号，并与探测器建立通信联系。地面站的位置选择在地球上能够覆盖探测器的飞行轨迹。

导航和控制系统

旅行者2号探测器的导航和控制系统是确保探测器按照既定轨道和任务计划进行飞行的关键组成部分。旅行者号由于距离地球较远，指挥时间较长，因此设计成高度自主的方式运行。为了做到这一点并执行复杂的航天器运动和仪器操作序列，使用了三台相互连接的机载计算机。计算机指令子系统（CCS）负责为其他两台计算机存储指令，并在设定的时间发出指令。姿态和衔接控制子系统（AACS）负责控制航天器的姿态和扫描平台的运动。飞行数据子系统（FDS）控制仪器，包括改变配置（状态）或遥测速率。所有三台计算机都有冗余组件，以确保持续运行。AACS还包括冗余的恒星跟踪器和太阳传感器。

在旅行者2号探测器柱体中央装有燃料贮箱，在箱体上侧旁边不同方向装有16台小型液态火箭发动机，以供探测器改变飞行方向和调整姿态使用。

导航和控制系统的精确性和可靠性对于确保探测器能够准确执行飞行任务至关重要。这些系统的设计和操作是太空探测任务成功的关键之一，它们使旅行者2号能够安全地飞越木星、土星和进入星际空间，以收集宝贵的科学数据。

载荷信息

科学仪器

旅行者号探测器飞船上搭载了支持十一项科学考察的仪器。科学有效载荷质量约为105kg，电子学消耗90W，加热消耗10W。其中包括用于大气和其他分析的中高分辨率电视摄像机、光谱仪和光度仪，用于测量行星比排放和等离子波的无线电接收器，用于测量场和电荷粒子的大量传感器，以及用于通信、导航和科学目的的高精度地球/航天器无线电链路。将对可能的电离层和大气进行视觉测量、光谱扫描、温度测量、质量和尺寸测定以及无线电探测。窄角电视相机还将用于行星进近期间的极精密导航(达克斯伯里,1974)，允许根据行星卫星在恒星背景下的图片计算航天器轨迹。

黄金唱片

与旅行者1号探测器一样，旅行者2号也携带有一批“地球名片”，其中包括各种几何图案的镀金铜片，以及记录有地球上各种声音的唱盘，旨在向可能存在的外星智慧生物描绘地球上生命和文化的多样性。每张磁盘都装在一个铝制保护套中，里面还有一个盒式录音磁带盒和一根针。护套上还刻有说明，解释了飞船的起源和如何播放磁盘。在封套上2厘米的区域还电镀了一个超纯-238源（放射性约为0.26纳居里，半衰期为45.1亿年），通过测量剩余铀-238的子元素数量，可以确定自发射以来所经过的时间。磁盘上的115幅图像以模拟形式编码。声音选集（包括55种语言的问候语、35种自然和人造声音以及27首乐曲的部分内容）设计为1000rpm的播放速度。旅行者号探测器并不是第一艘设计有这种向未来传递信息的航天器。先驱者10号和11号以及阿波罗着陆器上也有类似的设计。

任务经历

木星之旅

旅行者2号在1979年7月9日最接近木星，在距离木星云顶570,000千米（350,000英里）处掠过。木星作为太阳系里最大的行星，主要由氢气和氦气、以及少量的甲烷、氨气、水蒸气和其他合成物组成，中央则是一个由硅酸盐岩石和铁组成的核。木星上多彩的云层显示了其大气层下变幻莫测的天气。同时，木星还拥有迄今为止最多的天然卫星共67个。虽然天文学家透过望远镜研究了这个行星好几个世纪，但旅行者2号的发现仍然为科学家们带来了惊喜。根据旅行者2号探索的结果，科学家发现木星大气层上著名的大红斑风暴是一个以逆时针方向转动的复杂风暴系统，同时其中还存在一些细小的风暴和旋涡。此外，由旅行者2号所拍摄的木卫一影像资料显示，其上存在活火山，在旅行者2号的探测期间，共有九座火山爆发，火山爆发造成的烟雾被喷射至离开木卫一表面300千米（190英里）以上的高空。而从火山爆发喷射出的物质速度更高达每秒一千米。

在木星旅程中，旅行者2号比之前的先驱者航天器更详细地探索了这颗巨大的行星，它的磁层和卫星。旅行者2号也使用重力辅助技术将其用作通往土星的跳板。旅行者2号在所有方面都取得了成功。它返回了整个木星系统的壮观照片，从木星图像拍摄的延时电影显示了自旅行者1号探测器访问以来这颗行星的变化。航天器将旅行者1号在木卫二上显示的条纹分解为厚而非常光滑的冰壳中的裂缝集合。它还发现了第14颗卫星，并揭示了行星环的第三个组成部分。

土星之旅

掠过木星之后，旅行者2号于1981年8月25日到达了距离土星最高云层12万千米处，并使用雷达针对土星的大气层上部进行了探测。旅行者2号发现高层位置（气压相当于7百帕时）的气温为70K（-203°C），而在低层位置（气压相当于120百帕）则量度出143K（-130°C）。北极会多冷10K，但仍会出现季节性变化。

作为第三艘访问土星的航天器，旅行者2号再次近距离观察土星及其卫星。它使用在旅行者1号探测器上失败的光电偏振仪，能够以更高的分辨率观察行星的环，并发现更多的小环。它还提供了环辐条和扭结以及F环及其牧羊卫星的更详细的图像。最后，它在土星采用了重力辅助机动，以帮助它到达下一个目的地天王星。

天王星之旅

1986年1月，“旅行者”2号探测器在距天王星赤道10.7万公里处飞过，在长达6个小时的观察窗口里，第一次揭开了天王星的神秘面纱。

在飞越木星和土星之后，旅行者2号成为第一个访问天王星的航天器。旅行者2号仍然是唯一由天王星飞行的航天器。来自“旅行者”2号的影像资料显示，天王星实际上是一颗平平无奇的行星，在其可见光的影像中没有出现类似其他气态巨行星所拥有的云彩或风暴。然而，近年来，随着天王星接近昼夜平分点，观测发现天王星有季节变化的迹象和渐增的天气活动。天王星内部的自转周期是17小时14分钟，但和所有巨行星一样，其上部的大气层朝自转的方向可以产生非常强劲的风，风速可达每秒250米。此外，旅行者2号在其云顶下方约500英里（800千米）处发现了沸水海洋的证据，同时发现天王星面向太阳的极点的平均温度与赤道相同。旅行者2号发现了10颗新卫星，两个新环，以及一个比土星更强的奇怪倾斜磁场。旅行者2号在天王星的重力辅助下飞往了下一个目的地海王星。

海王星之旅

1989年8月，“旅行者”2号在距海王星北极4827千米处的最近点掠过，拍摄了6000多张彩色照片。在“哈勃空间望远镜”太空望远镜升空之前，人类对天王星和海王星的了解主要来自于“旅行者”。此外，它们还发现或修正了16颗木星卫星、24颗土星卫星、15颗天王星卫星和8颗海王星卫星的各种数据。

旅行者2号是第一个飞越海王星的人造物体。在飞越过程中，航天器离行星云顶上方不到3,100英里（5,000千米）。它发现了五个卫星，四个环和一个“大黑斑”，但五年后用哈勃太空望远镜拍摄海王星时，发现大黑斑已经消失。大黑斑起初被认为是一大块云，据后来推断，它应该是可见云层上的一个孔洞。海王星有太阳系最强烈的风，测量到的时速高达2100千米，而地球上的12级大风时速不过才118千米。海王星云顶的温度是－218°C，是太阳系最冷的地区之一。因为轨道距离太阳很远，海王星从太阳得到的热量很少，仅相当于地球得到的千分之一，但海王星释放的能量比它从太阳得到的还多，其内部热量的来源仍然是未知的。加热机制的一个解释是行星磁场与离子的交互作用；另一个解释是来自内部的重力波在大气层中的消耗。

海王星最大的卫星海卫一被发现是太阳系中最冷的行星体。“旅行者 2 号”对海卫一进行了深度观测，海卫一的表面温度甚至低于冥王星的表面温度（-229℃）。海卫一地质活动活跃，其表面非常年轻，很少有撞击坑。“旅行者 2 号”观测到了多个冰火山或正在喷发着液氮、灰尘或甲烷混合物的喷泉，这些喷泉可以达到 8 千米的高度。因为轨道距离太阳很远，海王星从太阳得到的热量很少，仅相当于地球得到的千分之一，但海王星释放的能量比它从太阳得到的还多，其内部热量的来源仍然是未知的。加热机制的一个解释是行星磁场与离子的交互作用；另一个解释是来自内部的重力波在大气层中的消耗。

进入星际空间

在海王星的重力辅助下，旅行者2号在行星围绕太阳运行的平面下飞出太阳系。美国航空航天局于2018年12月宣布，航行了41年的旅行者2号开启了生命的下一个征程——飞出日光层开始探索星际空间，成为继旅行者1号探测器之后又一个进入星际空间的人造物体。截至2019年7月，旅行者2号在穿越星际空间时，继续从五种仪器传回数据。最终，将没有足够的电力来驱动一台仪器。然后，旅行者2号将默默地继续它在星际间永恒的旅程。

未来规划

2023年8月4日，NASA喷气推进实验室表示，他们已经成功发出了指令并纠正了旅行者2号的姿态，据悉，这种被称为“星际问候”的指令需要以光速行进18.5个小时才能到达旅行者2号，二指令控制中心则一共需要37个小时才能确认指令是否成功。现在，两个旅行者号探测器离地球非常遥远，而每天它们都会再飞行3~4光秒的距离。“旅行者”号与地球的唯一联系是NASA的深空探测网（DeepSpace Network），这是由分布在全球的三个跟踪综合体构成的网络，能够在地球旋转时与航天器进行不间断的通信。随着“旅行者”号在空间和时间上离我们越来越远，它们的信号也越来越微弱。目前，NASA宣称旅行者2号将在未来三年内继续进行星际科学任务，传回科学数据。之后，它们将继续在银河系中漫游，并可能永远保持沉默。

科学成就

意义评价

作为人类飞得最远的两个航天器，旅行者探测器在人类宇宙探索的历史中无疑是两座里程碑。首次对木星成像、首次观测到天王星和海王星的环、首次发现地球以外的活火山、首次观测到地外行星上的闪电等，这些成就都由旅行者探测器达成。航天科工集团二院研究员、国际宇航联合会空间运输委员会副主席杨宇光说：“旅行者计划对人类意义非常重大。尤其是旅行者2号，直到现在人类还没有重访过天王星和海王星，我们对于这两颗行星最深入的了解都来自它。”

在初期的探测中，它们一共发现了木星的3颗、土星的4颗卫星，天王星的11颗和海王星的5颗新卫星。旅行者号探测器的探索，也为后来的很多航天任务铺平了道路。美国宇航局行星科学部主任詹姆斯·格林说，伽利略、木星探测器对木星的探测、卡西尼探测器对土星的探测，都起源于旅行者的探索，“旅行者的探测数据曾显示了木星动荡的大气。由于旅行者号的事先探测，我们的朱诺号在极近距离范围内观测到木星的风暴，并在极地两侧发现了几乎是地球大小的旋风。”

旅行者探测器的“旅行”故事不仅影响了几代科学家和工程师，也影响了地球的文化，包括电影、艺术和音乐。