【航天甲子年50讲】 14 深空探测器



文:晟宇(视频讲解)

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前言


关于深空探测一共有三次分享,上一次分享我们主要讲述了人类对于太阳系的探索历程。我们看到了人类对于探索宇宙源源不断的动力,大量的深空探测器被发射进入太空,前往太阳系的内部,飞向太阳系的边缘,甚至开始了星际旅行。那么在这一次分享中,我们来看看深空探测器到底什么样子,有怎样的特点。


开始之前大家可以回顾一下早先的一次分享:【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程。虽然卫星主要工作在近地轨道不会离开地球,但是同样作为航天器,很多方面在设计理念上接近。所以这次分享也会采用这样的思路来庖丁解牛。




要干啥决定能干啥





深空探测说到最根本的目的是去旅游观光嘛。我们想要了解宇宙,可是用再大的望远镜我们能看到东西也是非常有限的,最直接的方法就是飞过去看看嘛。可是这种旅行一般都是有去无回,所以不能派人去,只好派机器去了,这就是深空探测器。


第一件事情就是要进行行星间和星际旅行,来实现我们上一讲里说过的飞掠、环绕和着陆行为。这是一个空间上的需求也是一个时间上的需求,这个需求决定了我们的发射窗口(可以到达目的地的时间段),这是由于我们说过的重力助推,需要飞到行星处去借力。那么行星的运动分布是随时间变化,像旅行者那种一次可以观察多颗行星的窗口就要176年才有一次。当然未来人类解决了推进加速问题可能就不受到这个因素的限制了。


飞到了地方就要干正事了,就是探测和发现。例如旅行者1不但探测木星、土星,还拍了太阳系的全家福。还通过测量太阳风和宇宙射线判断出自己到达了太阳系边缘,开始了星际旅行。


那么要完成探测任务就需要科学仪器啊。







例如旅行者执行的都是飞掠型任务,到了探测目标。该拍照得拍照,该测量得测量。那么由于每个目标的特点不一样(木星、土星等不同的目标),所以相机什么当然不能只带一台咯。例如为了拍不同画面,全景啊,特写啊,可能就宽视场和窄视场的相机都要啊。


此外空间中的粒子、射线、磁场什么的也都要测量。这些东西都有才能得出比较详细的目标信息,这也是空间探测器的主要任务目标,就是去了解空间目标空间环境的特性。






简单地挑选几个旅行者号上的仪器来看看。其中成像科学设备为大家拍摄到了那些美丽的图像,红外干涉仪、分光计和辐射计测量星球的能量平衡和大气组成,偏振仪用来测量行星密度等等。为了光学设备参数准确,还带上了光学标定靶标。




旅行者LECP获取的数据





当然还可以带一些更有意思的东西了,旅行者号带了金唱盘,表达了人类在这个宇宙强类的孤独感,最贵的“漂流瓶”啊。这种没有经过全人类公投的行为应该吓到三体迷们了。低调点的如Juno带了伽利略大神的签名靓照。




金唱盘




当然真正发挥科学价值的还是这些科学仪器,那么这些科学仪器的工作就要得到有效的支持。这些支持体现在几个方面,第一是要有,所以得有能源系统;其次探测的数据要传回地球,所以要求强大的超远距离通信能力;最后由于遥远的距离和巨大的时间延迟,所以这些探测器的自主程度都很高,所以要计算机系统的支持。最后要完成观测任务需要将探测仪器瞄准目标,要传回数据要把天线瞄准地球,还要控制系统






这里在简单地让大家看一下朱诺木星探测器。和旅行者不同的是,朱诺Juno这种探测器是只有一个固定目标的,所以他的科学仪器都是围绕着观测木星来配备的。彩色摄像机拍摄图像,红外和微波设备测量木星内部大气深处热辐射源。单一目标的探测器的配套会更有针对性一些。


快照慢传


科学仪器进行任务会产生大量(其实未来应该是海量的)的数据,这些数据只有传回地球,送到科学家手上才能体现出其价值。


但是深空探测中数据通信的困难是显而易见的。都说了是深空探测,遥远的传输距离就是最大的障碍。百万公里几乎都是最小的度量单位,很多时候都要用天文单位来度量,所以信号的衰减也是惊人的。


小注解:天文单位是太阳和地球之间的距离。




上面这张表格我们就可以看到太阳系的主要行星和我们之间的通信距离,感受一下。这张表要感谢莫总在科室分享中的数据。





像旅行者号这样离开地球非常远的探测器,通信系统尤其重要。旅行者号采用了一个非常巨大的高增益天线,直径达到3.7m,同时采用低增益天线进行备份。当然现在低增益天线是完全没法用了。



旅行者号通信系统的设计框图




高增益天线采用了非常窄的波束,S波段的高增益波束2.3度,X波段高增益波束0.5度。所以还需要对准地球。


对于一个一吨不到的飞行器来说100多公斤,包含3.7米天线的通信系统实属非常巨大了。然而面对如此遥远的传输距离,通信速率随着距离拉大逐步下降不说(VIM Cruise阶段速率只有160b),误码和丢包还非常严重。


所以深空通信中编码和对数据的压缩也扮演着非常重要的作用。





当然深空中的网络基础设施也随着深空任务的越来越多而逐步建设,慢慢地形成一个网络,这部分内容我们下一次分享中专门进行讨论。


有多大能量干多少事


电能是深空探测器的动力之源。电能不但可以提供探测设备所需要的电力,还可以作为推进的动力。朱诺木星探测器就是通过太阳能进行行星际飞行的。马上要前往水星的BeipiColompo也配备了非常先进的电推系统。探索美丽水星的BepiColombo卫星已经完成测试整装待发



现在最为主要的能源系统是太阳能系统和放射性系统。朱诺木星探测器就是使用太阳能系统的代表。



朱诺木星探测器



朱诺有着鸟儿翅膀一样的巨大太阳帆板。以太阳能为主要能源的深空探测器主要工作在距离太阳不是十分遥遥的太阳系内部。而像旅行者这样的探测器使用太阳能的意义就不大了。



旅行者携带的3台RTG



所以旅行者号采用了3台反射性的同位素热发电机(RTG)。很多深空探测器采用了RTG,优点是可以提供持续的电能,缺点是电力逐步衰退和其危险性。



采用了RTG的空间任务





阿波罗12号任务中的RTG




出门在外自己要懂事也要游必有方


孔老夫子说父母在不远游,游必有方。我们的深空探测器离开地球就好象游子离开了家。要知道它在哪里就需要进行遥测。游子要知道家在哪里也要靠遥测,游子还要去不同目的地还需要自主的导航。


很多大事要做都是有时间节点的,和家里通信的周期有很长,所以每每要在信中时间落款,在约定做事的时刻,身边的表也要很准,所以还要带个很准的原子钟






出门在外很多时候得不到父母亲朋的教导和帮助,很多事情都得靠自己。所以深空探测器的自主化程度很高。以旅行者为例,旅行者的“大脑”包括了指令计算机系统来安排什么时候干什么,做什么任务。




CCS系统框图




姿态和控制系统包括了探测器整体的姿态调整和铰链的调整来控制探测看准目标,或者瞄准地球通信等等;还有一个飞行数据系统来控制数据的传输和存储。


下一次,我们来专门分享一下深空网,也是我们人类未来开发宇宙的基础设施。


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参考文献


  1. THE VOYAGER MISSION PHOTOPOLARIMETER EXPERIMENT
  2. U.S. space missions using radioisotope power systems
  3. Voyager Mission Support
  4. Modeling the Image-Processing Behavior of the NASA Voyager Mission with ASSL
  5. ULTRAVIOLET SPECTROMETER EXPERIMENT FOR THE VOYAGER MISSION
  6. The Voyager Mission Through the Jupiter Encounters
  7. The Voyager Mission: Encounters With Saturn
  8. Space Mission Analysis.Dr. Andrew Ketsdever MAE 5595
  9. THE VOYAGER PROGRAM AT APL
  10. Voyager 1
  11. wiki百科
  12. 百度百科




[航天甲子年五十讲] 往期回顾


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晟宇将在2018年的1月21日,星期天的晚上19:00在知乎和Live和大家分享地球自拍历-遥感卫星。欢迎参加~


Live链接:

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编辑于 2018-01-10