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來源：互聯網

旅行者2號探測器（Voyager 2）是美國航空航天局（NASA）研制的飛往太陽系外的兩艘空間探測器的第二艘。最初該探測器是作為水手計劃中的水手12號，旨在研究太陽系的外層空間和行星，以及進一步探索星際空間。也是繼旅行者1號第二個進入星際空間的探測器。

旅行者2號探測器于1977年8月20日在美國肯尼迪航天中心成功發射升空；1979年7月9日最接近木星，多發現了幾個環繞木星的環，并拍攝了木衛一的照片，顯示其火山活動；1981年8月25日最接近土星；1986年1月24日最接近天王星，并發現了10個之前未知的天然衛星；1989年8月25日最接近海王星；后于2018年12月10日進入星際空間；2023年7月21日，“旅行者2號”探測器天線從指向地球的方向偏離了2度，導致探測器失聯，后于8月4日恢復正常通信。

旅行者2號探測器由一個高47厘米、寬1.78米的十面棱柱體組成。探測器頂部安裝了直徑為3.66米的拋物面高增益天線，科學吊桿上安裝了科學儀器及可轉向的成像和光譜遙感儀器。通過使用三個放射性同位素熱電發電機（RTG）為探測器系統和儀器供電，其核電池放射源為钚-238，通過衰變釋放熱量提供電力。

截止2023年7月，旅行者2號探測器距地球約200億千米。旅行者2號探測器上攜有關于人類文明的聲音、圖片和影像，有望繼續長期在宇宙中傳遞人類文明的信息。

發展沿革

項目起源

旅行者號最初計劃屬于美國水手計劃里的水手11號太空船，20世紀60年代末期，美國噴氣推進實驗室的航天工程師加里·弗蘭德羅構思了一項名為“行星之旅”的計劃，設想在1970年代后期利用木星、土星、天王星、海王星和冥王星這五顆行星176年一遇的行星幾何排列，使用“引力助推”技術將太空探測器送到太陽系的外圍區域，以幫助科學家研究太陽系的邊界和星際空間。最初的計劃是外行星大巡游，包括1976-1977年對木星、土星和冥王星的兩次發射，以及1979年對木星、天王星和海王星的兩次發射，但由于預算限制，該項目被大幅調整為兩個航天器，每個航天器只對木星和土星進行探測。新的任務被稱為“水手木星/土星”，或MJS。在發射前六個月，美國航空航天局局長詹姆斯·C·弗萊徹（1919-1991）宣布它們將更名為旅行者號探測器，旅行者計劃由此誕生。亦拜這次機會所賜，兩艘太空船只需要用上12年的時間就能造訪四個行星，而非一般的30年時間。

研發歷程

自1959年開始設計探測器以來，噴氣推進實驗室（JPL）一直致力于三軸穩定航天器研究，利用姿態控制系統保持正確的指向。1972年，美國國家航空航天局航空航天技術辦公室資助了一項關于延長壽命姿態控制系統的研究，它被稱為“HYPACE”，是一個模擬和數字相結合的可編程姿態控制系統，是混合可編程姿態控制電子設備，是一個具有強大功能的字節串行處理器。該系統最終應用在旅行者號探測器上。

旅行者號的放射性同位素熱電發電機被安裝在一個吊桿上，以防止輻射泄漏到科學儀器上。磁力計安裝在吊桿上，以避免電機、致動器、電源總線和電子設備引起的航天器磁場干擾。此外，掃描平臺也安裝在吊桿上，以提供更好的視野。

旅行者號探測器采用三個冗余計算機系統，噴氣推進實驗室對其飛行硬件和軟件開發組建了一個團隊，配備有三名認知軟件工程師，由一名航天器軟件工程師管理。1974年初，肯特-弗因（H. Kent Frewing）擔任這一職務，并在當年上半年發出了一系列組織備忘錄，詳細列出了旅行者號探測器1977年夏季發射項目時間表。1974年至1977年，軟件開發人員的只有1-4名程序員。這個小團隊允許大部分工作以非正式的方式進行，從而簡化了溝通。1977年，肯特-弗因成立了機載軟件設計小組，成員包括他本人、飛行數據系統工程師唐納德-約翰遜、中央控制系統工程師斯坦利-林根以及一名姿態和關節控制系統代表。軟件開發過程的驗證工作由能力演示實驗室（CDL）負責。CDL是在初始軟件制作完成后組建的，在該實驗室中，可以對軟件和硬件的更改進行測試，看其是否能成功運行。在這一管理框架下，三個計算機系統逐漸成型。

飛行歷程

1977年8月20日，旅行者2號探測器在美國肯尼迪航天中心，借助泰坦3號E半人馬座火箭（Titan IIIE-Centaur）成功發射升空，受控飛往天王星和海王星進行探測任務。

1979年7月9日，旅行者2號探測器最接近木星，多發現了幾個環繞木星的環，并拍攝了木衛一的照片，顯示其火山活動。

1981年8月25日，旅行者2號探測器最接近土星。掠過土星后，船上的拍攝平臺有點卡住了，使前往天王星和海王星的任務產生變量。幸好，地面的工作人員最終把問題解決，那是因為過度使用而令潤滑油暫時耗盡。最終太空船仍是接到繼續前進的指令，前往天王星。

1986年1月24日，旅行者2號探測器最接近天王星，并發現了10個之前未知的天然衛星。

1986年2月14日，旅行者2號探測器進行了一次中途修正，這是旅行者2號有史以來最大的一次修正，以將它設定在前往海王星的精確路線上。

1989年8月25日，旅行者2號探測器最接近海王星，探測器上的許多儀器已關閉，但它仍在繼續探測太陽系的環境。

1998年11月，旅行者2號探測器在發射21年后，將不重要的儀器永久關閉，只剩下7臺儀器仍在運行。

2007年8月30日，旅行者2號通過了終止激波，然后進入了日鞘層。

2018年11月5日，旅行者2號探測器進入星際空間，其當時與地球的距離是地球和太陽距離的119倍。

2019年7月8日，旅行者2號成功啟動了軌跡校正機動推進器，并將在未來使用它們控制航天器的指向。

2023年7月21日，向“旅行者2號”發出的一系列指令無意間使該探測器天線從指向地球的方向偏離了2度，導致探測器既不能向地球發送信息也接收不到來自地球的指令。

2023年8月4日，美國航空航天局利用其“深空網絡”位于澳大利亞堪培拉的設施向“旅行者2號”發出相當于“星際呼喚”的指令，指示其調整自身方向并將天線指向地球。“旅行者2號”終于開始傳回科學和遙測數據，表明其運行正常并保持在預期軌道上。

任務規劃

旅行者2號是為探索外太陽系行星和星際環境而發射的航天器。旅行者2號主要的探測任務為：

（1）研究行星大氣層的環流、動力學、結構和組成。

（2）表征行星衛星的形態、地質和物理狀態。

（3）提供行星、衛星和環的質量、大小和形狀等經過修正的值。

（4）確定其磁場結構并表征其中的高能捕獲粒子和等離子體的組成和分布。

總體設計

旅行者2號探測器的結構和構造經過精心設計，以確保其在太空中的穩定性和性能。探測器由一個高47厘米、寬1.78米的十面棱柱體組成。探測器頂部安裝了直徑為3.66米的拋物面高增益天線，航天器伸出一個約2.5米的科學吊桿，其上安裝了部分科學儀器。科學吊桿的末端是一個可轉向的掃描平臺，上面安裝有成像和光譜遙感儀器。在科學吊桿的不同距離上還安裝有等離子體和帶電粒子探測器。磁力計安裝在科學吊桿對面一側13米長的單獨吊桿上。第三根吊桿向下延伸，遠離科學儀器，安裝著航天器的放射性同位素熱電發生器（RTG）。航天器上還伸出兩根10米長的鞭狀天線（用于等離子波和行星射電天文學研究），每根天線相互垂直。航天器采用三軸自旋穩定方式，并對安裝在掃描平臺上的儀器進行選擇性觀察。旅行者號探測器的遙感儀器功率大，機載計算機能力強，指向更精確。

為了在接近4年的土星之旅中保持功能，旅行者號子系統設計了高可靠性的部件和廣泛的冗余。此外，星載計算機提供選定的故障檢測和糾正措施，使航天器處于安全狀態，以便進行地面跟蹤。針對先鋒（Pioneer）10和11號飛船測量的惡劣木星輻射環境，采取了適當的抗輻射加固、部件選型、電路設計評估和屏蔽措施，加強了旅行者的抗輻射效應。

電源系統

旅行者2號探測器的電源系統是確保探測器在長期太空飛行中獲得足夠電能以維持其運行和科學儀器操作的關鍵組件。旅行者2號通過使用三個放射性同位素熱電發電機（RTG）為航天器系統和儀器供電。這些RTG串聯組裝在一個可展開的吊桿上，吊桿鉸接在連接到基本結構的支桿上。每個RTG單元都裝在一個鈹外殼中，直徑40.6厘米，長50.8厘米，重39千克。RTG使用放射源為钚-238，當钚衰變時會釋放熱量。雙金屬熱電裝置將熱量轉化為電能，供航天器使用。隨著放射性物質的消耗，RTG的總輸出量會隨時間慢慢減少。因此，雖然旅行者2號探測器上的RTG在發射時的初始輸出功率約為470W，直流電壓為30V，但到1997年初（發射后約19.5年）已降至約335W。隨著功率的不斷降低，航天器上的功率負荷也必須隨之降低。

為了讓航天器盡可能長時間地運行，工程師們已經關閉了加熱器以及其他非必要的系統，使得功率降低。旅行者2號的電源問題主要在于電涌對航天器儀器的損壞。為了解決這一問題，需要取消通常可用的保護裝置，使用穩壓器來觸發一個備用電路，該電路在出現問題時從RTG獲取額外的功率作為浪涌保護。

通信系統

旅行者2號探測器的通信系統是確保其能夠與地球保持聯系、傳輸科學數據和接收指令的重要組成部分。旅行者2號探測器裝備了兩種不同類型的通信天線，分別是高增益和低增益天線。通信由高增益天線提供，低增益天線作為備份。高增益天線支持X波段和S波段下行鏈路遙測，飛行器通常使用2.3GHz（S波段）或8.4GHz（X波段）的頻率向地球傳輸數據，而從地球使用2.1GHz的頻率向旅行者2號發送信號。旅行者號是第一個使用X波段作為主要遙測鏈路頻率的航天器。上行通信采用2115MHz的S波段鏈路，可通過航天器LGA或HGA接收。下行通信可以在2295MHz的S頻段上通過LGA或HGA，也可以在8415MHz的X頻段上通過HGA。遙測數據由飛行數據子系統（FDS）收集、格式化，并路由到調制解調子系統（MDS），以便在射頻載波上顯示，或傳輸到數字盒式錄音磁帶記錄器（DTR），以便后期回放。四種基本類型的遙測數據包括僅工程、巡航科學+工程、遭遇一般科學+工程（GS&E）和成像+工程（GS&E）。一般情況下，S波段頻率返回2560bps以下的數據速率，X波段頻率返回7.2~115.2Kbps的數據速率?？茖W數據在每個儀器子系統內進行數字化，并呈現給FDS進行格式化。

通過使用機載數字磁帶錄音機，可以存儲數據，以便日后傳輸到地球。同時，為了接收從旅行者2號傳回地球的信號，美國航空航天局設置了一系列地面站，分布在全球不同地點。這些地面站接收探測器傳回的信號，并與探測器建立通信聯系。地面站的位置選擇在地球上能夠覆蓋探測器的飛行軌跡。

導航和控制系統

旅行者2號探測器的導航和控制系統是確保探測器按照既定軌道和任務計劃進行飛行的關鍵組成部分。旅行者號由于距離地球較遠，指揮時間滯后，因此設計成高度自主的方式運行。為了做到這一點并執行復雜的航天器運動和儀器操作序列，探測器使用了三臺相互連接的器載計算機。計算機指令子系統（CCS）負責為其他兩臺計算機存儲指令，并在設定的時間發出指令。探測器的飛行姿態和節點控制子系統（AACS）負責控制航天器的姿態和掃描平臺的運動。飛行數據子系統（FDS）控制儀器，包括改變配置（狀態）或遙測速率。所有三臺計算機都有冗余組件，以確保持續運行。AACS還包括冗余的恒星跟蹤器和太陽傳感器。

在旅行者2號探測器柱體中央裝有燃料貯箱，在箱體上側旁邊不同方向裝有16臺小型液態火箭發動機，以供探測器改變飛行方向和調整姿態使用。

導航和控制系統的精確性和可靠性對于確保探測器能夠準確執行飛行任務至關重要。這些系統的設計和操作是太空探測任務成功的關鍵之一，它們使旅行者2號能夠安全地飛越木星、土星和進入星際空間，以收集寶貴的科學數據。

載荷信息

科學儀器

旅行者號探測器飛船上搭載了支持十一項科學考察的儀器?？茖W有效載荷質量約為105kg，電子學消耗90W，加熱消耗10W。其中包括用于大氣和其他分析的中高分辨率電視攝像機、光譜儀和光度儀，用于測量行星比排放和等離子波的無線電接收器，用于測量場和電荷粒子的大量傳感器，以及用于通信、導航和科學目的的高精度地球/航天器無線電鏈路。將對可能的電離層和大氣進行視覺測量、光譜掃描、溫度測量、質量和尺寸測定以及無線電探測。窄角電視相機還將用于行星進近期間的極精密導航(達克斯伯里,1974)，允許根據行星衛星在恒星背景下的圖片計算航天器軌跡。

黃金唱片

與旅行者1號探測器一樣，旅行者2號也攜帶有一批“地球名片”，其中包括各種幾何圖案的鍍金銅片，以及記錄有地球上各種聲音的唱盤，旨在向可能存在的外星智慧生物描繪地球上生命和文化的多樣性。每張磁盤都裝在一個鋁制保護套中，里面還有一個盒式錄音磁帶盒和一根針。護套上還刻有說明，解釋了飛船的起源和如何播放磁盤。在封套上2厘米的區域還電鍍了一個超純鈾-238源（放射性約為0.26納居里，半衰期為45.1億年）。通過測量剩余鈾-238的子元素數量，可以確定自發射以來所經過的時間。磁盤上的115幅圖像以模擬形式編碼。聲音選集（包括55種語言的問候語、35種自然和人造聲音以及27首樂曲的部分內容）設計為16又2/3轉每分鐘（約16.67rpm）的播放速度。旅行者號探測器并不是第一艘設計有這種向未來傳遞信息的航天器。先驅者10號和11號以及阿波羅著陸器上也有類似的設計。

任務經歷

木星之旅

旅行者2號在1979年7月9日最接近木星，在距離木星云頂570,000千米（350,000英里）處掠過。木星作為太陽系里最大的行星，主要由氫氣和氦氣、以及少量的甲烷、氨氣、水蒸氣和其他合成物組成，中央則是一個由硅酸鹽巖石和鐵組成的核。木星上多彩的云層顯示了其大氣層下變幻莫測的天氣。同時，木星還擁有迄今為止最多的天然衛星共67個。雖然天文學家透過望遠鏡研究了這個行星好幾個世紀，但旅行者2號的發現仍然為科學家們帶來了驚喜。根據旅行者2號探索的結果，科學家發現木星大氣層上著名的大紅斑風暴是一個以逆時針方向轉動的復雜風暴系統，同時其中還存在一些細小的風暴和旋渦。此外，由旅行者2號所拍攝的木衛一影像資料顯示，其上存在活火山，在旅行者2號的探測期間，共有九座火山爆發，火山爆發造成的煙霧被噴射至離開木衛一表面300千米（190英里）以上的高空。而從火山爆發噴射出的物質速度更高達每秒一千米。

在木星旅程中，旅行者2號比之前的先驅者航天器更詳細地探索了這顆巨大的行星，它的磁層和衛星。旅行者2號也使用重力輔助技術將其用作通往土星的跳板。旅行者2號在所有方面都取得了成功。它返回了整個木星系統的壯觀照片，從木星圖像拍攝的延時電影顯示了自旅行者1號探測器訪問以來這顆行星的變化。航天器將旅行者1號在木衛二上顯示的條紋分解為厚而非常光滑的冰殼中的裂縫集合。它還發現了第14顆衛星，并揭示了行星環的第三個組成部分。

土星之旅

掠過木星之后，旅行者2號于1981年8月25日到達了距離土星最高云層12萬千米處，并使用雷達針對土星的大氣層上部進行了探測。旅行者2號發現高層位置（氣壓相當于7百帕時）的氣溫為70K（-203°C），而在低層位置（氣壓相當于120百帕）則量度出143K（-130°C）。北極會多冷10K，但仍會出現季節性變化。

作為第三艘訪問土星的航天器，旅行者2號再次近距離觀察土星及其衛星。它使用在旅行者1號探測器上失敗的光電偏振儀，能夠以更高的分辨率觀察行星的環，并發現更多的小環。它還提供了環輻條和扭結以及F環及其牧羊衛星的更詳細的圖像。最后，旅行者2號以一個有些不同的軌跡接近土星，通過接近土衛六（土衛六）的引力產生的引力彈弓（重力輔助機動），探測完土星后，它又繼續飛向天王星和海王星。

天王星之旅

1986年1月，“旅行者”2號探測器在距天王星赤道10.7萬公里處飛過，在長達6個小時的觀察窗口里，第一次揭開了天王星的神秘面紗。

在飛越木星和土星之后，旅行者2號成為第一個訪問天王星的航天器。旅行者2號仍然是唯一由天王星飛行的航天器。來自“旅行者”2號的影像資料顯示，天王星實際上是一顆平平無奇的行星，在其可見光的影像中沒有出現類似其他氣態巨行星所擁有的云彩或風暴。然而，近年來，隨著天王星接近晝夜平分點，觀測發現天王星有季節變化的跡象和漸增的天氣活動。天王星內部的自轉周期是17小時14分鐘，但和所有巨行星一樣，其上部的大氣層朝自轉的方向可以產生非常強勁的風，風速可達每秒250米。此外，旅行者2號在其云頂下方約500英里（800千米）處發現了沸水海洋的證據，同時發現天王星面向太陽的極點的平均溫度與赤道相同。旅行者2號發現了10顆新衛星，兩個新環，以及一個比土星更強的奇怪傾斜磁場。旅行者2號在天王星的重力輔助下飛往了下一個目的地海王星。

海王星之旅

1989年8月，“旅行者”2號在距海王星北極4827千米處的最近點掠過，拍攝了6000多張彩色照片。在“哈勃空間望遠鏡”太空望遠鏡升空之前，人類對天王星和海王星的了解主要來自于“旅行者”。此外，它們還發現或修正了16顆木星衛星、24顆土星衛星、15顆天王星衛星和8顆海王星衛星的各種數據。

旅行者2號是第一個飛越海王星的人造物體。在飛越過程中，航天器離行星云頂上方不到3,100英里（5,000千米）。它發現了五個衛星，四個環和一個“大黑斑”，但五年后用哈勃太空望遠鏡拍攝海王星時，發現大黑斑已經消失。大黑斑起初被認為是一大塊云，據后來推斷，它應該是可見云層上的一個孔洞。海王星有太陽系最強烈的風，測量到的時速高達2100千米，而地球上的12級大風時速不過才118千米。海王星云頂的溫度是－218°C，是太陽系最冷的地區之一。因為軌道距離太陽很遠，海王星從太陽得到的熱量很少，僅相當于地球得到的千分之一，但海王星釋放的能量比它從太陽得到的還多，其內部熱量的來源仍然是未知的。加熱機制的一個解釋是行星磁場與離子的交互作用；另一個解釋是來自內部的重力波在大氣層中的消耗。

海王星最大的衛星海衛一被發現是太陽系中最冷的行星體?！奥眯姓?2 號”對海衛一進行了深度觀測，海衛一的表面溫度甚至低于冥王星的表面溫度（-229℃）。海衛一地質活動活躍，其表面非常年輕，很少有撞擊坑?！奥眯姓?2 號”觀測到了多個冰火山或正在噴發著液氮、灰塵或甲烷混合物的噴泉，這些噴泉可以達到 8 千米的高度。因為軌道距離太陽很遠，海王星從太陽得到的熱量很少，僅相當于地球得到的千分之一，但海王星釋放的能量比它從太陽得到的還多，其內部熱量的來源仍然是未知的。加熱機制的一個解釋是行星磁場與離子的交互作用；另一個解釋是來自內部的重力波在大氣層中的消耗。

進入星際空間

在海王星的重力輔助下，旅行者2號在行星圍繞太陽運行的平面下飛出太陽系。美國航空航天局于2018年12月宣布，航行了41年的旅行者2號開啟了生命的下一個征程——飛出日光層開始探索星際空間，成為繼旅行者1號探測器之后又一個進入星際空間的人造物體。截至2019年7月，旅行者2號在穿越星際空間時，繼續從五種儀器傳回數據。最終，將沒有足夠的電力來驅動一臺儀器。然后，旅行者2號將默默地繼續它在星際間永恒的旅程。

未來規劃

2023年8月4日，NASA噴氣推進實驗室表示，他們已經成功發出了指令并糾正了旅行者2號的姿態，據悉，這種被稱為“星際問候”的指令需要以光速行進18.5個小時才能到達旅行者2號，二指令控制中心則一共需要37個小時才能確認指令是否成功。現在，兩個旅行者號探測器離地球非常遙遠，而每天它們都會再飛行3~4光秒的距離。“旅行者”號與地球的唯一聯系是NASA的深空探測網（DeepSpace Network），這是由分布在全球的三個跟蹤綜合體構成的網絡，能夠在地球旋轉時與航天器進行不間斷的通信。隨著“旅行者”號在空間和時間上離我們越來越遠，它們的信號也越來越微弱。目前，NASA宣稱旅行者2號將在未來三年內繼續進行星際科學任務，傳回科學數據。之后，它們將繼續在銀河系中漫游，并可能永遠保持沉默。

科學成就

意義評價

作為人類飛得最遠的兩個航天器，旅行者探測器在人類宇宙探索的歷史中無疑是兩座里程碑。首次對木星成像、首次觀測到天王星和海王星的環、首次發現地球以外的活火山、首次觀測到地外行星上的閃電等，這些成就都由旅行者探測器達成。航天科工集團二院研究員、國際宇航聯合會空間運輸委員會副主席楊宇光說：“旅行者計劃對人類意義非常重大。尤其是旅行者2號，直到現在人類還沒有重訪過天王星和海王星，我們對于這兩顆行星最深入的了解都來自它?！?/p>

在初期的探測中，它們一共發現了木星的3顆、土星的4顆衛星，天王星的11顆和海王星的5顆新衛星。旅行者號探測器的探索，也為后來的很多航天任務鋪平了道路。美國宇航局行星科學部主任詹姆斯·格林說，伽利略、木星探測器對木星的探測、卡西尼探測器對土星的探測，都起源于旅行者的探索，“旅行者的探測數據曾顯示了木星動蕩的大氣。由于旅行者號的事先探測，我們的朱諾號在極近距離范圍內觀測到木星的風暴，并在極地兩側發現了幾乎是地球大小的旋風?！?/p>

旅行者探測器的“旅行”故事不僅影響了幾代科學家和工程師，也影響了地球的文化，包括電影、藝術和音樂。

參考資料 >

Voyager 2.NASA.2023-11-12

美國與失聯數周的“旅行者2號”恢復通信.人民網.2023-09-17

旅行者2號飛行數十年傳回首批數據：揭示星際邊界新特征.百家號.2023-11-12

美國航天局嘗試聯系旅行者2號，距地球約200億公里.百家號.2023-11-12

Voyager 2.National Aeronauticsand Space Administration.2023-11-12

美國與失聯數周的“旅行者2號”恢復通信 .新華網.2023-11-12

旅行者1號——人類歷史上運行時間最長的宇宙飛船.百家號.2023-09-17

Computers in Spaceflight: The NASA Experience.NASA.2023-09-18

旅行者2號：我飛出太陽系了嗎？.百家號.2023-11-12

旅行者2號航天器將其星際科學任務再延長3年.澎湃新聞.2023-09-18