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发布时间:2020-07-14 21:53:39

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作者:(英) BBC《仰望夜空》(Sky at Night)杂志

出版社:人民邮电出版社有限公司

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旅行者号的故事

旅行者号的故事试读:

内容提要

《仰望夜空》(Sky at Night)杂志是一本由英国广播公司(BBC)出版的关于天文学和天文观测的杂志,这本杂志是在 BBC已有50多年历史的《仰望夜空》专栏电视节目的基础上诞生的。《仰望夜空》栏目曾由知名天文学家帕特里克·摩尔先生主持,现已成为BBC的经典节目之一。从宇航登月到日食观测,从夜观天象到人物访谈,从天文摄影到太空探索,这本杂志的内容包罗万象、应有尽有。

本书是BBC基于《仰望夜空》杂志出版的一系列图书之一,书中从旅行者号航天器的宏伟构想讲起,介绍了航天器探索太阳系和太阳系外未知领域的无数发现,以及未来命运又将如何等。同时,书中还涵盖了参与这项任务的工作人员的心路历程等内容。

本书适合广大天文爱好者阅读、收藏。

序言

“在此期间,旅行者号已造访了4颗行星和48颗卫星,其中的23颗卫星我们在此之前竟从不知道它们的存在。”

这一对儿双子般的旅行者号航天器在40多年时间里一直在太空中航行。在阿波罗11号登月发生之前的那些岁月里,人们怀着兴奋的心情梦想着它们会对外空间的行星们进行一次“盛大的旅行”。自这对儿双子航天器1977年发射至今,它们的旅行在不断地重新定义着我们对太阳系的理解。

过去的40多年间,它们的航行为人们带来了无穷的启发。在此期间,旅行者号已造访了4颗行星和48颗卫星,其中的23颗卫星我们在此之前竟从不知道它们的存在。它们在旅程中见到了新的行星环、火山、间歇泉甚至极光。而现在,旅行者1号仍在进一步拓展人类探索宇宙的疆域,它已经超出了太阳的影响范围,进入到了前所未知的星际空间。尽管现在一个普通智能手机的计算能力都要比这对儿仅装有八轨磁带计算机的航天器强上大约24万倍,但即使这样,它们所带给我们的种种发现仍然每每令人惊叹。

旅行者号的故事错综复杂,所以在为大家讲述那些林林总总的发现之前,我们还邀请了那些曾经亲身参与到任务当中的人们去讲述他们所经历的故事。这些人包括卡罗林·波尔科,正是她发现了土星环中那些仍然无法解释的“辐条”,并帮助收集了黄金唱片中的内容;苏珊娜·多德,旅行者号当前的“指挥官”;埃德·斯通,自1972年,甚至在该航天器还未被命名为“旅行者号”之前,旅行者号的项目科学家。那么未来又将如何?美国国家航空航天局(NASA)行星科学部主任詹姆斯·格林将为大家揭示旅行者号在不远的未来将如何继续影响现代的太空探索事业。

在已经过去的这许多年间,有关旅行者号的故事不绝于耳。未来几年里,随着它们继续向我们发送更多的信号,它们的故事还将继续。你愿意和我们一道去看看吗?凯夫·洛春BBC《仰望夜空》杂志编辑

第一阶段 宏伟的构想

美国艺术家肯·霍奇为许多NASA项目创作了相应的绘画作品,这是他所想象的1979年旅行者1号与木星相遇的情景。

在旅行者号之前,我们对外部太阳系的巨行星们只有零星的了解。人类航天器仅造访过木星两次,土星一次,而天王星和海王星更是完全没有到达过。1965年,喷气推进实验室(JPL)的实习生加里·法兰德罗注意到了一个不寻常的机会:不久之后,在20世纪70年代的后期,所有这4颗外行星都将位于太阳系的同一侧。这也就提供了一个极其诱人的机会,我们可以发射一个航天器一次性地造访所有这些行星,完成一次“盛大的旅行”。把这个想法变为现实中的旅行者号航天器着实不易,项目在研发过程中饱受预算紧缩以及技术方面的各种困扰。当航天器最终于1977年8月和9月发射时,在正式的航行计划中,只限定了它们将驶向木星和土星。旅行者号在建造的时候人们就有着将任务拓展至更远行星的计划。事实证明,在旅行者号航天器建造过程中,将对其他外部行星进行探索作为延续任务的想法将会使整个研发过程难度剧增。

旅行者号之前的岁月

1609年,伽利略第一次展示了他设计的望远镜。1610年,他的观测揭示了木星卫星的存在。

撰文:本·埃文斯

在科学家们坐下来讨论旅行者号穿越太阳系的大冒险的很久以前,人们就一直在仰视和想象这些行星,而双子航天器有一天将会逐一拜访它们。

从170多年前海王星被人们所发现,到2011年7月,它完成了被发现以来绕太阳运行的第一个完整轨道。尽管在历史上它已经历了数百万次这样的旅程,但在此之前的那些过往,我们在地球上却一无所知。木星是太阳系中最大的行星,它的名字来自于罗马神祇中的众神之王朱庇特。

现在想想,就在仅仅235年以前,海王星和天王星对我们来说还是未知的,太阳系到了木星和土星就已被认为是到了它的“边界”。即使1846年海王星的存在被观测证实之后,我们对这4个星体的认识与我们今天所知的也相差甚远。在那时,它们只不过是夜空中的光点而已。

自古以来,天文学家和占星家都知道木星的存在。作为天空中最明亮的天体之一,它被以罗马人最重要的神祇朱庇特命名是很自然的。另一方面,由于土星在天空中的运动缓慢,它常常被和朱庇特的父亲——这位以“老年的使者”而闻名的神联系在一起。早年间的那些观星者们所不知道的是,这些行星距离我们亿万千米远,所以他们几乎不会去想象这些行星会比我们自己的世界大得多。只有借助望远镜,遥远的行星们才从黑暗中浮现出来。

大开眼界

1610年,伽利略将他亲手制造的望远镜对准木星,他随即在木星附近发现了4颗类星的天体。随后的观测证实它们是木星天然的卫星——在我们自己的卫星月亮之后最早被知晓的卫星,它们最终被命名为卡利斯托(木卫四)、欧罗巴(木卫二)、 甘尼德(木卫三) 以及艾奥(木卫一)。无畏的先驱者

1973年12月,在伽利略凝视木星3个半世纪之后,先驱者10号成为第一个造访木星的人造机器。在旅程中,这个航天器经历了电路故障、警报误触发,并吸收了1000倍于人类致命剂量的高能辐射,但即使如此,先驱者10号还是幸存了下来。

当先驱者10号从木星的磁赤道上方13万千米处经过时,它发现了比地球强1万倍的电子通量。它还发现,与地球相比,木星那巨大的磁场是反转的。它所拍摄的500张照片揭示了欧罗巴和甘尼德这两颗卫星表面的明亮特征。射电波段的掩星观测证实了艾奥电离层的延展范围和密度,确认了甜甜圈形的等离子体圆环,以及艾奥与木星之间复杂的磁场关系。从先驱者10号上还返回了木星大气特征的近景图像,比如那著名的大红斑。它还首次得到了木星外层气体包层的垂直温度廓线。

继先驱者10号之后,先驱者11号登场。1974年12月,当航天器以4.3万千米的高度经过木星上方时,它探测到高能粒子数量的短暂下降。这个发现引发了人们对木星可能是一个环形世界的猜测。先驱者11号的数据证实了木星大气极光的存在。它拍摄了木星的北极地区,揭示了北极地区的云层顶比赤道处低得多的现象,并证实了卡利斯托比地球的卫星月亮重1.5倍。

与先驱者10号一样,先驱者11号的木星之行也极富戏剧性。当航天器准备到达距木星的最近距离时,柴油发电机操作员们举行的一次罢工差点让澳大利亚的一个跟踪站关闭。而先驱者11号上的大部分数据需要发送至这个跟踪站。幸运的是,该跟踪站在此期间并没有停止运转。航天器在巨行星上的旅行成功地结束了,其后它向土星奔去。1979年9月,在距离土星2万千米的地方,航天器终于掠过了这个由环状结构包围的世界。它拍摄了(并且几乎撞上)这颗巨行星的小卫星伊比米修斯(土卫十一)。在穿过了土星环所在平面的“下方”时,先驱者11号发现了薄环F,随后的观测又发现了泰坦(土卫六)表面的温度极低,无法支持生命的存在。先驱者11号拍摄了土星A环和B环之间的卡西尼缝。先驱者11号看到木星气体带前所未有的细节。先驱者10号拍摄了木星最大的卫星甘尼德的照片。先驱者10看到的木星大红斑和艾奥的影子。当先驱者11号接近土星的时候,土星最大的卫星泰坦出现在视野中。在经过土星之后,先驱者11号来到了距离泰坦36万千米的范围内。在接近并通过木星时,先驱者10号拍摄的木星上的日出。

同年,伽利略看到了土星上有两个神秘的“耳朵”。尽管他并没有意识到它们到底是怎么回事,但他却见证了这壮丽的圆环从半开移动到完全侧向的全过程。当看上去像耳朵的圆环短暂消失时,他感到十分震惊。联想到神话传说,他思忖着土星是否真的吞下了它的孩子。伽利略把这幅景象描述为“如此令人惊讶,如此荒唐,如此新奇”。当时他觉得自己看到的可能是一个三行星系统。

直到1655年,克里斯蒂安·惠更斯才正确地推断出土星被一个薄环包围着。到了1675年,乔凡尼·卡西尼发现A环和B环之间有一个“间隙”,被称为卡西尼缝。

仅凭当时的观测结果,环自身的性质很难被确定下来。尽管在1660年,法国作家让·夏普兰认为它们可能是由许多微小的物体组成的,许多人却倾向于认为它们每个环都是单一的固体。“单一固体环”的概念受到了法国学者皮埃尔·拉普拉斯以及德国出生的天文学家和作曲家威廉·赫歇尔的认可。直到薄纱般的C环被发现,人们才开始对“单一固体环”这个概念产生怀疑。苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦首先预测了“无限数量的互不连接的粒子”组成的环状结构,其后美国的詹姆斯·基勒观测发现这些环所反射的太阳光存在多普勒频移,这也就意味着形成环的粒子占据着彼此分离的离散轨道。伽利略观察到的有“耳朵”的土星,以及木星的4颗最大卫星(由顶部的星号代表)的运动。

4颗巨行星内部

对外太阳系行星内部的了解最早开始于人们对穿过木星表面云带的研究,这种方法揭示了木星不同部分的大气在以不同的速度旋转。卡西尼注意到这颗行星在两极更为扁平,这是所有4颗巨行星共有的一个特点,这使得人们对木星的旋转速度的早期计算得以实现。

木星的低密度表明它的物质成分主要是氢,它所辐射出的热量是从入射太阳光中接收的热量的两倍。这让英国天文学家理查德·普洛克认为,这颗行星的内部是沸腾的流体,进而他提出木星是一颗“不成功的恒星”的观点。但后来对木星的光谱学研究结果显示,木星上存在氨和甲烷。哈罗德·杰弗里、鲁珀特·怀尔特等人的工作则进一步给出了岩石芯、冰冻地幔和深层气态大气的木星结构理论。外部行星的起源地心说的宇宙模型在历史上占主导地位长达数个世纪,它的观点是地球位于宇宙的中心。

几千年来,人类一直相信地球处于整个宇宙的中心,这种信念在相对较近的时期才发生了变化。伊曼努尔·康德、皮埃尔·拉普拉斯和其他一些人认为太阳和它的追随者出现于气态的“星云”中,而正是星云的坍缩使周围的尘埃和气体形成一个超致密、过热的核。但是,我们的母恒星是如何获得能量的,这个问题一直没有答案,直到1938年,汉斯·贝特意识到太阳是由氢和氦的核聚变驱动的。

一部分天文学家认为,另一颗恒星在与太阳擦肩而过时从太阳上“撕下”了气体的条带。这些条带上的物质进一步形成了行星的核心。也许罪魁祸首是一颗更小、更冷的原恒星,或者是一颗发生爆炸的双星伴星,它的爆炸为行星的演化留下了肥沃的增长土壤。

到1977年,科学共识才逐渐形成。这种观点认为45亿年前星云的坍塌形成一颗原恒星,在它周围还形成了一个气体盘。逐渐地,气体盘冷却并形成行星的核,它们被周围的材料不断堆积填充。距离中心不同距离的星云密度分布导致了行星之间不同的化学成分:重元素向内凝结,较轻的挥发物质向外迁移。最终的结果就是出现了两种行星类型:岩石态的行星和气态的行星。木星、土星、天王星和海王星的内核聚集了它们的主要化学成分,并生长到足够的大小和质量,进而束缚住更多的星云气体。这4个比地球大很多倍的星体的秘密,正是旅行者号在1977年夏天所试图揭示的。

木星上是否有磁场存在一直难以确定。直到1955年,美国天文学家伯纳德·伯克和肯尼斯·富兰克林偶然发现22.2兆赫的射电暴与木星的10小时旋转速度恰巧相匹配,这使得木星磁场的存在首次被实测证实。所有4颗巨行星上都有磁场,但木星的磁场强度是最强的,也是唯一一个可以在射电波段被探测到的。而对来自土星发射线的观测直到1974年前都没有定论,在这一年,天文学家观测到了来自土星的频率为1兆赫的射电暴。

拓展我们的认知

如果说我们对木星和土星的了解是粗略的,那么在旅行者号探测器之前,我们对于最外层的两颗巨行星的了解几乎可以说是一片空白。天王星,在1781年由威廉·赫歇尔用望远镜发现之前,已经多次被发现但一直被人们误认为是一颗恒星。它的自转轴与轨道平面呈一个很奇怪的98度倾角。海王星则是直到1846年才被人们发现,人们将让人费解的轨道力学、巧妙的数学推导与直接观测相结合才得以发现海王星。天王星的淡蓝色外观被解释为包含某种富甲烷的气体,远红外光谱表明它自身辐射出的热量与从太阳所吸收的热量一样多。1977年,出现了短暂的恒星掩星事件,在此期间,柯伊伯机载天文台的天文学家们发现了天王星的5个窄环。同时,木星存在环的证据也被发现。这些发现促使人们对海王星也开展了类似的探索。但令人惊奇的是,20世纪80年代初来自智利的观测看到的是类似于“环-弧”似的结构,该结构仅在这颗行星的周围延伸了一部分。

但谜团并未就此揭开。在这4颗巨行星周围都存在大量的卫星,从木星的4颗伽利略卫星到土星的双色调的伊帕托斯(土卫八)以及行星大小的泰坦(土卫六)。1944年,光谱学揭示出,泰坦是已知的第一颗拥有真正大气的天然卫星。至于其余的卫星,人们对它们则知之甚少。海王星的大卫星海卫一直到20世纪才有正式名称,并且尽管有证据表明它的表面有氮冰,但它的精确质量仍无法确定。我们将一个正圆套在木星的这幅哈勃空间望远镜拍摄的图像上,从中可以看出这颗巨大行星的扁率。木星的这一特征由乔凡尼·卡西尼发现。

当旅行者号探测器飞到它们附近的时候,有关它们的那些疑问大部分终于得到了解答。这对儿航天器对巨行星们开展的巡回旅行打开了人类知识的闸门,释放出关于这些遥远世界的史无前例的数据洪流。我们对木星、土星、天王星和海王星的全部理解将发生革命性的变化,尽管这些探索可能会再次引出更多新的问题。观测者们很快就发现,木星和土星都被各自的卫星家族所环绕。在这张望远镜图像中,我们能够很容易看到木星的4颗伽利略卫星。木星巨大的磁场是太阳系中规模最大(相对于行星的大小)、强度最强的。

3次生命的机会

撰文:本·埃文斯

这个被称为“盛大的旅行”的项目始于一个对行星呈特殊排列的现象的偶然发现,再次出现这种现象则要等到176年以后。在经历了预算削减、反对者的抗议和日程安排不断发生冲突之后,我们终于还是开展了现今所知的旅行者号任务。NASA的艺术作品展示了旅行者2号是如何利用木星和土星的引力,并通过引力弹弓效应穿过太阳系的。

旅行者计划的曙光起源于一个“顿悟时刻”。这一时刻或许和阿基米德洗澡或者牛顿那真实性令人质疑的苹果有着同样的价值。1965年7月,在“一个难得的令人极其振奋的时刻”,加里·法兰德罗意识到,4颗巨行星—木星、土星、天王星和海王星将在20世纪70年代末和80年代初在黄道面上排列在一条直线上。这将为前往外部太阳系的旅行创造史无前例的条件。正是他的工作为人类历史上最杰出的冒险之一播下了种子。

法兰德罗是NASA位于加利福尼亚帕萨迪纳的JPL的一名航空学研究生。他从JPL的另一位数学家米迦勒·米诺维奇那里汲取了灵感。1961年,米诺维奇正在试图解决困难的“三体问题”。这道已经有300年历史的难题是要准确地预测太阳和一个给定行星的引力将会如何扰动第三个物体的运动轨迹,例如自然卫星、小行星或彗星的运动轨迹。米诺维奇主要在夜间工作,他注意到行星的引力场可以用来调整进入其中的航天器相对于太阳的航线。航天器可以被重新定向到另一个目的地,从而大大节省发射能量和总的飞行时间。

他的工作消除了人们对“引力辅助”(或者被米诺维奇称为“引力助推”)的部分误解。这也标志着太空时代早期的宇宙航行模式的观念转变。由于穿越小行星带所需要的能量非常高,早期太空任务的目标主要集中于离地球更近的类地行星,如水星、金星和火星。许多工程师怀疑航天器的能量不会有净变化,引力辅助会进一步使航天器偏离直飞目标的直达轨道,进而会花费更多的时间(而不是更少时间)才能到达目的地。但当时还没有被人们完全理解的是,行星在给经过的航天器加速的同时,实际上自身也会损失少量的能量。1965年在NASA实习期间,加里·法兰德罗意识到,太阳系外部的行星将进入罕见的呈直线排列的状态。

航线的发现

米诺维奇意识到,在1962—1966年和1976—1980年发射的航天器可以与外太阳系的多个行星会合。在这个发现的几年后,法兰德罗修改了计算,绘制了数百条潜在的航行轨道,并指出1976—1978年间发射的航天器可以利用木星巨大的引力在不到10年的时间内到达土星、天王星和海王星。

这个发现尤为重要。对于航天器而言,直接飞往外部行星需要巨大的发射能量以及漫长的飞行时间:到达木星需要两年半,到达土星需要6年,到达天王星需要16年,到达海王星需要30年。但如果在1977年的夏季发射,航天器在1979年年初就可以到达木星,其后只要再次加速11千米/秒,以97度角偏离原先的轨道,就可以在1980年和土星、1984年和天王星以及1986年和海王星会合。“我研究了一系列的飞行轨迹和飞行时间,”法兰德罗解释说,“但我最喜欢的是在大约8年内就能带我们去到海王星的那一条。”在他看来,木星是“最好的能源补给站”,也是揭示巨行星秘密的关键钥匙。

如果可以有效地利用这些潜在的引力增益,访问木星和土星所需要的时间就可以减半,而到达天王星和海王星所需要的时间则减少到直线路程所需时间的1/3。法兰德罗建议,1977年9月、1978年10月和1979年11月发射最为理想,这样就可以以不同的组合方式到达外部行星,包括遥远的矮行星冥王星。

随后便出现了一个爆炸性的发现。在详尽地绘制日心经度之后,法兰德罗观察到,在20世纪80年代,这些外部行星均将位于太阳的同一侧,并且彼此之间距离较近。这为在一个或两个任务执行期内依次造访所有这些外部行星创造了可能性。每176年太阳系的这些外部行星才会出现一次如此有利的天体排列。此前的最后一次还是在拿破仑战争的时候,也就是海王星发现前的半个世纪左右。对法兰德罗来说,这个机会千载难逢。米迦勒·米诺维奇的工作展示了行星引力场如何可以被用来引导航天器。在旅行者号之前,NASA一直专注于太阳系内部行星的任务,比如造访过金星和水星的水手10号。

附加动机

法兰德罗怀疑美国那进展缓慢的行星探索项目在短短的10年内难以有所改观,并无法支持这样一项雄心勃勃的任务。但即便如此,他仍旧写道:“这个科学目标的实施将会推进行星探索项目的进程。”这项提议遭到了批评——一些科学家对建造一艘寿命足够长久的航天器的可能性嗤之以鼻,而毫无诚意的嬉皮士团体则抗议说这项任务可能会破坏木星的现有轨道。但他的这一想法还是得到了导师埃利奥特·乔·卡廷和JPL先进概念小组负责人荷马·乔·斯图尔特的鼎力支持。“外部行星如此有利的天体排列每176年才出现一次。”

项目的设计阶段几乎立刻就被启动了。斯图尔特将这个项目命名为“盛大的旅行”。这个名字来自于盖塔诺·克罗科10年前用来描述利用引力辅助进行地球—火星—金星航行的名字。然而,这项任务面临的主要障碍是需要冒险靠近土星环,以获得足够的动力来将航天器弹射向天王星。“为了快速飞行,需要一条非常接近土星的航线,”法兰德罗写道,“航线将要穿过土星的上层云层和环之间,以获得额外的引力辅助加速。”

备用计划

土星环上的微小颗粒可能会撞击到航天器,这个风险是非常致命的。因此,在1966年,JPL的工程师杰姆斯·朗为这两次航行设计了一个保守的飞行计划,保证航天器不会与土星环接触。第一次航行GT-1计划于1977年8月发射, 1979年3月到达木星,1980年8月到达土星,然后向黄道外25度的夹角方向加速,在1985年12月飞临冥王星。与此同时,GT-2将于1979年11月发射,在1981年经过木星,木星所提供的能量将使它能够在1985年勘测天王星并于1988年观测海王星。朗认为1977年至1979年的窗口对于发射来说是最好的,因为它最大程度地减少了飞行的时间。NASA GT-1计划是让它通过木星和土星,并最终前往冥王星。当项目经费缩减的时候,TOPS的原型机已经进入开发阶段。为“盛大的旅行”而开发的TOPS技术被证明过于雄心勃勃,且过于昂贵。

同时,美国科学院提出了两种探索路线。一种侧重于飞掠木星,而另一种则认为应该利用轨道飞行器和大气探测器对木星进行深入的研究。为了给这些任务做准备,JPL于1968年7月启动了一个为期3年的热电推进式外部行星航天器(TOPS)的先进系统技术计划。虽然其本身并不是一个“项目”,但是TOPS能帮助人们确定未来的需求,并允许“对性能、成本、可靠性和时间表做出现实的估计”。“‘盛大的旅行’计划从仅包括几个飞掠任务的想法膨胀成一个臃肿的航天器舰队计划。”

这就包括长效长寿命的子系统建造,以及核能量源的集成。考虑到木星上的来自太阳光的辐射能相比地球轨道上少得多,所以基于TOPS的航天器将携带4个钚供给的放射性同位素热电发电机(RTG),它们置于可延展臂上,远离科学装备。

这些RTG将在任务开始阶段产生550瓦的电力,在任务结束时仍能产生约439瓦的电力。其他TOPS技术包括一个4.3米可折叠的X/S频3段高增益天线——能够从木星进行131×10比特/秒的下行数据传输,3而从海王星的数据传输将下降到2×10比特/秒,以及一台有着高容错能力的自测试及修复(STAR)计算机。

由于旅行距离十分遥远,从地球发出命令到航天器上收到命令之间存在数小时的时间间隔,因此TOPS技术的自主性非常重要。在出现问题的情况下,由故障部件产生的消息会被故意“损坏”,一个3串测试修复处理器会隔离失效单元并切换到备用设备。人们希望这个系统甚至可以定期检查自己的健康状况,但是它的大小、可靠性和“谁来测试测试员”的明显弱点被证明是STAR失败的原因。

预算削减总是伴随而来,并最终敲响了过于复杂的TOPS项目的丧钟。当NASA在1969年年初成立外部行星工作组的时候,“盛大的旅行”被称为“英雄式的技术巡回演出”,但是越来越保守的白宫并没有表现出同样的态度。太空探索不再是用来与苏联竞争的工具,随着越南战事的结束,以及时任美国总统理查德·尼克松把称作“伟大社会”的改革作为头等大事,NASA的预算急剧下降。

成本上升“盛大的旅行”计划从仅包括几个飞掠任务的想法中进一步膨胀成一个臃肿的由航天器舰队计划。该计划在开销方面,峰值就已经达到了将近7.5亿美元,再加上另外1.06亿美元的运载火箭费用,它的有效载荷从90千克降到了60千克。到1971年中期,行星探险经费被削减了。时任NASA局长詹姆斯·弗莱彻曾向国会宣称,该计划将引起“巨大的公众兴趣”。但被分裂成飞掠任务和轨道任务两派的科学界所拖累,这一说法最终成了一个空洞的声明。12月,尼克松表示他打算资助航天飞机,弗莱彻别无选择,只能放弃这项基于TOPS的“盛大的旅行”。由于尼克松支持航天飞机项目,NASA局长詹姆斯·弗莱彻(左)被迫停止TOPS的研发。

然而,并不是一切都结束了。TOPS已经为即将到来的外部太阳系探索任务所需的能力打下了重要的经验基础。1972年1月,弗莱彻提出了一项成本更低的水手—木星—土星(MJS)探险,由一对儿完全相同的双胞胎航天器参与其中。他解释说,“盛大的旅行”计划之所以结束,是因为“从各方面得到的反应不够热烈,特别是从科学界的某些方面,以及来自国会等方面的因素”。新的MJS借鉴已经经过考验的水手号航天器的硬件,并在2月得到了空间科学委员会的“热烈赞同”。

为了最大限度地减少财政风险, MJS被设置了2.5亿美元的预算上限,并且NASA选择了在JPL进行实验室设计和建造,以进一步降低成本。当时的估计,一半来自TOPS的技术都将被新的任务所使用。其他技术,包括STAR和可折叠的高增益天线,则被放弃了。1972年4月关于科学有效载荷提案的首次公告收到来自全球各地的超过200名科学家的回应,其中包括美国、法国、瑞典、联邦德国和英国。截至7月,科学家们已经正式提交了77项关于MJS有效载荷的提案,之后又被进而缩减至只有28项的最终名单。其中仅有少数提案被最终认可,用于建造实际的仪器载荷,提出最终名单内其他提案的科学家也可以参与观测任务。大挑战:引力辅助

数学家在300年前首先观察到行星对彗星轨道的微扰效应,特别是木星有改变这些天体轨道的强大能力。然而直到20世纪初,人们才逐渐认识到多颗行星的会合对完成深入太阳系的探索任务的重要性。

1925年,德国的瓦尔特·霍曼论证了,如果将一个航天器放置在与地球轨道和“目的地”行星的轨道相切的椭圆形上,理论上可以让航天器以最少的能量在两个行星之间行进。30年后,德里克·劳顿描述了由“引力辅助”提供的速度改变量,而另一位德国火箭科学家克拉夫特·埃里克论证了航天器与行星沿双曲线接近相遇的重要性,这一方法能够减少或增加经过的航天器的轨道参数。“行星的质量越大,”他写道,“节省的能量就越多。”埃里克表明,航天器的轨道形状和方向可以借此调整,并解释说,“如果仔细选择相遇条件,扰动力可以被利用,为太空航行提供帮助”。

虽然引力辅助显然带来了节约能量的好处,但人们普遍认为,与“中间”行星的会合会让总体的飞行时间更长(而不是更短)。霍曼以及20世纪50年代中期的盖塔诺·克罗科对去往水星、金星和火星的任务计划进行了理论研究,他们的研究结果似乎强化了这一论点。直到20世纪60年代初,我们才认识到,如果航天器可以合理规划使用相遇时从行星所获得的能量,就可以大幅缩减飞往外部行星的时间。木星对彗星轨道产生的影响启发了人们研制利用引力辅助效应进行星际旅行的技术。两条轨道的故事

这是旅行者号最终确定的两条轨道。旅行者1号在一条被称为JST的轨道上,计划飞向木星、土星,然后是泰坦,之后它将完全离开行星们所在的平面。旅行者2号的路径被称为JSX,沿着它将飞往木星、土星,然后(如果扩展任务被批准的话)会飞向天王星和海王星。奇怪的是,旅行者2号是首先被发射的,这是因为它的轨道是两条轨道里面航行速度比较慢的一条,而旅行者1号将在小行星带追上它。“另一个拟采用的新名字是航海家,但1977年3月在NASA所举办的命名大赛中‘旅行者’这个名字最终胜出。”

每一个MJS航天器都有10个面。航天器主要被3.7米的高增益天3线占据,能够帮助航天器以115.2×10比特/秒的数据传输速率从木星3向地球返回数据,在海王星的时候传输速率将会下降到14.4×10比特/秒。此外,这两个航天器还将安装3个可伸展的机械臂和一对鞭状天线,在它们的身上将满负荷安装10台科学仪器和至关重要的放射性同位素热电发电机。

名称变更

MJS双胞胎定于1977年8月到9月发射,这精确符合法兰德罗所确定的“盛大的旅行”的最佳发射时机,而它们的技术水平也很快就超越了之前的水手号。尽管JPL主任威廉·皮克林已经提出“航海家”这个拟采用的新名字,但1977年3月在NASA所举办的命名大赛中“旅行者”这个名字最终胜出。它最初是一个未实现的火星任务的名称,但似乎更加适合这次将要拓展到人类知识疆界的探险。NASA关于TOPS的经验使旅行者号的“实验室内”开发成为可能。

尽管名称发生了改变,人们也希望政治和预算风向的改变可能会令飞掠天王星和海王星的任务重新启动,但旅行者项目仍然仅考虑造访木星和土星这两个目标。最初的“盛大的旅行”仍然是可能的,但其代价将是失去接近木星的卫星艾奥和土星的卫星泰坦的机会。如果旅行者1号飞到离艾奥很近的距离,它将因木星引力的影响而使速度增加太多,以至于它会过早到达土星,错过与天王星相遇的最佳时机。另一方面,如果它飞掠泰坦的距离太近,它将在错误的方向上离开土星系统,无法遇到天王星。

但是,如果旅行者1号放弃任何前往天王星和海王星的机会,而去执行与艾奥和泰坦相遇的飞行任务——采用木星—土星—泰坦(JST)轨道,那么旅行者2号就可以毫无困难地访问天王星和海王星这两个更外部的行星。如果旅行者1号在土星上的访问没有成功,旅行者2号还有9个月的时间来调整飞行路线,代替旅行者1号完成JST轨道的航行。而如果旅行者1号成功了,它的孪生姐妹可以执行一项被称为JSX的独特的探险任务。这样的话,JSX将能够把旅行者2号从土星带到天王星和海王星,以华丽的姿态完成“盛大的旅行”。尽管上马得很仓促而且遇到重重困难,旅行者号仍非常幸运地可以利用外部巨行星的罕见排列进行航行。

核动力奇迹

1977年,在法兰德罗的发现12年之后,经过几次从头再来的反复,双胞胎旅行者号接近完成。

撰文:本·埃文斯

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