旅行者1号已经飞到了太阳系边缘，它为何还能与地球通讯？

作者 / Dunkirk

旅行者号上装有一面直径 3.7 米的抛物面天线，这就是所谓的高增益天线。抛物面的形状有一个物理特性，它能把来自焦点的信号反射成一束高度平行的波束，集中朝一个方向发射出去，而不是像普通天线那样向四面八方散射。

这至关重要，同样的发射功率，如果向四面八方均匀散射，信号到达 240 亿公里外的时候，强度会弱到不可探测，但如果把能量压缩进一个极窄的波束集中打向地球，情况就完全不同了。

道理就像手电筒和灯泡，灯泡的光向四周发散，手电筒的抛物面把同样的光聚成一束，就能照到远处。

但即便如此，这束信号抵达地球时，已经衰减到了极其微弱的程度。旅行者 1 号的信号到达地球时，功率大约只有 0.0000000000000002 瓦。这比一颗普通灯泡暗上万亿倍，比人眼能感知到的最弱光线还要微弱许多个量级。

为了接收这样一个信号，NASA 建设了一套叫做深空网络的设施，在全球三个地点各布置了一组巨型天线：美国加利福尼亚州的戈德斯通、西班牙首都马德里附近，以及澳大利亚堪培拉附近。

三个站点在地球上均匀分布，目的是确保无论旅行者号处于什么位置，地球自转到哪个角度，至少有一个站点能够对准它。

这些天线的口径达到 70 米，它们的接收面积极大，能够捕捉到极其微弱的信号，再加上低温冷却的高灵敏度接收机，才能从背景噪声中把旅行者号那条无比微弱的信号分辨出来。

旅行者 1 号目前的数据传输速率大约只有每秒 160 比特，大概相当于你家宽带速度的百万分之一。发回一张低分辨率的图片，可能需要几个小时。但在这个距离上，能有任何数据传回来，本身已经是一件不可思议的事。

想要与地球取得联系，还有一个问题，它在太空中飞了这么久，它怎么知道自己朝向哪个方向？

怎么保证天线始终对准地球？

旅行者号用的是恒星跟踪器。它以半人马座阿尔法星作为姿态参考基准，持续锁定这颗亮星，再配合太阳传感器，就能在宇宙空间里建立起一个稳定的坐标系。

一旦姿态出现偏差，飞船上的小型肼燃料推进器就会自动点火修正。几十年间，这样微小的修正已经进行了上千次。

2017 年，旅行者 1 号的主姿态控制推进器经过长期使用，已经明显老化，NASA 决定启用多年未用的备用推进器来替代。

这批备用推进器已经整整沉睡了 37 年，时隔 37 重新激活一台深空探测器上的推进器，这件事在航天工程史上大概也找不出先例。

当然，光靠飞船自己还不够。地球上的工程师也会定期发送指令，根据精确计算的轨道和星图数据，主动帮飞船校正天线指向。

旅行者号靠什么供能？

旅行者号已经飞得太远了，太阳光到达那里已经极其微弱，完全无法用来供电，所以它从一开始就没有安装太阳能电池板。

它依靠的是一种叫放射性同位素热电发生器的装置，简称 RTG，里面封装着钚 -238。钚会自然衰变，衰变的过程中释放热量，而热量又通过温差发电机转化为电能。

钚的衰变不会停止，但产生的功率却会越来越低。旅行者 1 号刚发射的时候，RTG 能提供约 470 瓦的电力，到今天这个数字已经降到了大约 250 瓦。

为了在有限的电力下继续维持运转，工程师这些年来陆陆续续关闭了旅行者号上一些的设备，把电力集中在最关键的仪器和通信系统上。

几十年前的代码还能跑吗？

旅行者号上的计算机是 1970 年代的产物，它的内存只有 68K，还不如我们手机里随便一张图片大，运行频率极低，但就是这么一个计算机，在远离地球的星际空间里稳定运行了快 50 年。

和我们的想象可能不太一样。现代芯片的晶体管极其微小、密集，在太空环境下反而非常脆弱，因为一个太空高能粒子打进去，就可能翻转一个比特，造成数据错误甚至硬件损坏。旅行者号的晶体管很大、很稀疏，电路也很简单，反而有了相当强的抵抗力。

但软件就没那么省心了，旅行者号的原始代码用 Fortran 和汇编语言写成。当年参与设计的工程师，很多已经退休，有些已经不在了。NASA 不得不寻找那些还记得这套系统的老工程师，让他们帮忙解读几十年前留下的注释和逻辑。

2023 年底，旅行者 1 号突然开始向地球发送毫无意义的重复信号。工程师们花了数月时间逐行排查代码，最终发现是飞行数据系统里大约 3%的内存区域损坏了。修复方案是把原本存储在这块损坏区域的代码，拆分重新分配到飞船上其他完好的内存空间里。这个补丁写好之后，发送出去，等待 22 小时，确认收到，再等 22 小时，才能知道执行结果。

2024 年 4 月，受损将近 5 个月的旅行者 1 号重新发回了正常数据。当那条信号出现在深空网络的接收屏幕上时，整个团队激动喜悦的心情不难想象。

想要维护一艘远离地球的探测器，面对的问题就是这样。你不能重启它，也没法去替换硬件，更不可能让工程师坐在旁边随时调试。每一个决定都必须提前在地面上反复验证，每一条指令发出去之后，就只有等待，要接近两天后才能知道结果。

旅行者号传回了什么？

旅行者号传回地球的信息，大致可以分成两个阶段。

第一个阶段是行星探测阶段，从 1979 年持续到 1989 年。这十年是旅行者系列探测成就最密集、最耀眼的时期。

旅行者 1 号在 1979 年飞掠木星，发现了木卫一上有正在喷发的活火山。这是人类第一次在地球以外发现活跃的火山活动。随后它飞过土星，传回了清晰的土星环图像，揭示了那些环内部远比人们想象中更加复杂的结构，同时确认土卫六的大气层比地球大气还要厚实。

与旅行者 1 号几乎同时发射的旅行者 2 号，走了一条不同的轨道，先后飞掠了天王星和海王星，成为迄今为止唯一近距离探访过这两颗行星的探测器。在海王星，它发现了一个类似木星大红斑的巨型风暴，还拍摄到了海卫一上喷发氮气的间歇泉。

那十年的时间，太阳系外围那几颗遥远的大行星，以一种前所未有的清晰度呈现在人类面前。

第二个阶段从进入星际空间开始，一直持续到今天。2012 年，旅行者 1 号正式穿越了日球层顶，进入星际空间，成为有史以来第一个离开太阳圈的人造物体。

判断它进入星际空间的依据，正是传回来的等离子体密度数据。跨越那道边界时，数据出现了突变，那是太阳风与星际介质交界处最直接的物理证据。

在那之后，旅行者号传回的数据变得更加稀少，也更加珍贵。它测量了真正意义上的星际磁场方向和强度，记录了宇宙射线在日球层内外的种类和强度变化，对人类理解太阳系边界的物理特性提供了第一手也是唯一一手的现场数据。

旅行者号还好吗？

旅行者号最近这几年不太顺利。

2023 年底的那场通信危机前面已经说过。2024 年 10 月的时候，又遭遇了一次危机。NASA 工程师在发送一条普通的加热指令时，意外地触发了飞船的自动故障保护机制，主通信发射器就这样被意外关闭了。

通信再次中断，工程师不得不重新去寻找一个微弱得多的备用信号，折腾了将近一个月，才在 11 月成功让飞船切回主发射器，恢复了通信。

同年 9 月，NASA 主动关闭了旅行者 1 号上的等离子体科学仪器，但这不是因为它出了故障，而是为了省电，让剩余的电力集中供给其他更关键的设备。

什么时候彻底沉默？

按照钚 -238 目前的衰减速度，NASA 预计在 2025 年到 2030 年之间，飞船上最后一台科学仪器会因为供电不足而停止工作。

维持基本通信的电力大概还能再撑一段时间，但到 2036 年前后，连通信系统也将无法维持。那之后，旅行者号会继续飞行，但永远沉默。

沉默无声的旅行者号，会以每秒约 17 公里的速度，在幽寂漆黑的太空中继续它的旅程。大约 300 年后，它将飞出奥尔特云的内缘，大约 4 万年后，它会飞到距离另一个恒星系相对较近的地方。

飞船上有一张镀金的铜质唱片，人类在 1977 年把它放进去的时候，大概既抱着希望，又深知这希望渺茫。

那是一封写给未知收件人的信，没有地址，不知道会不会有人拆开，也不知道要漂流多少年才能真正抵达。

在抵达之前，它会一直飞下去。

来源：知乎日报