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旅行者1号41年飞了220亿公里!NASA探测器为何一个比一个长寿?

2019-11-18来源:小王聊社会

在我们的印象中,NASA探测器似乎一个比一个“抗造”,寿命也格外长——1977年发射的旅行者1号探测器,已经飞到220亿公里之外;同年发射的旅行者2号探测器,已和地球相距180亿公里。两兄弟遨游太空41载,至今还在和NASA保持联络。

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2004年登陆火星的机遇号漫游车,探索红色星球14年,长途跋涉45公里,到2018年6月才因沙尘暴失联;和机遇号几乎同一时间登陆的勇气号也工作到2011年;2012年抵达火星的好奇号至今还在正常运行。

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与之相比,2003年前往小行星丝川取样的日本隼鸟号探测器遭遇太阳耀斑爆发,太阳能电池板损坏,部分电池失效,四台离子引擎仅有一台能正常运转,最终经历九死一生才返回地球。

2008年,印度月船一号搭载的恒星敏感器在绕月飞行几个月后即宣告失效,导致后续两年的任务中,航天器姿态只能通过机载陀螺仪和地面控制中心不断修正。

2011年,俄罗斯的福布斯-土壤号火星探测器在升空数小时后入轨失败,最终和搭乘的中国首个火星探测器“萤火一号”一起坠毁,经查事故有可能是星载计算机受宇宙辐射干扰失灵所致。

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研究显示,充斥外太空的宇宙射线会引起航天器的计算机芯片发生位翻转现象(bit-flipping),造成内存丢失,代码混乱和存储器报错;穿过元件晶体管的高能粒子会造成电路松动、闭锁或短路——这些故障有的能通过重启解决,有些则会造成设备永久性损坏。

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为何NASA探测器在极端恶劣的太空环境中如此高寿呢?如果用一句话来总结,那就是古董级元件和超低配置,先进的抗强辐射技术,外加严苛的测试和认证,确保航天器电子元件的超高可靠性。

以航天器的大脑——主控计算机为例,为了保证系统长期稳定的运行,NASA工程师通常不会使用新型号和高性能CPU,而是采用古董级架构,有些CPU甚至能追溯到上世纪90年代。

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例如好奇号RAD750型车载计算机基于10年前的IBM PowerPC 750架构设计,频率132MHz,相当于Windows95的水准,内存仅有120M,还赶不上如今最低配置的智能手机,但它的CPU却应用了独特的ECC校验技术,能自动纠错并有效修复位翻转现象。

除了电子设计应用多项抗辐射加固技术外,宇航级电子元件在工艺上还用固态或凝胶状化合物灌封,防止火箭发射时的剧烈震动产生机械应力,造成设备损坏。整体再用铅屏蔽层包覆,以最大限度降低辐射,延长元器件寿命。为了降低能耗,使航天器在进入低功率模式后能持续发送遥测数据,主控系统通常使用静态而不是动态RAM。

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迄今为止,RAD750系列CPU已经用于月球勘测轨道器、开普勒太空望远镜、太阳动力学天文台和朱诺号木星探测器等150多个太空任务。据悉,该系统造价高达20万美元。

为了以防万一,许多航天器还搭载多个CPU,以实现系统冗余和更强大的功能。好奇号火星车就搭载了两个RAD750,其中一个作为备份,在主系统闪存出问题后及时接手。

伽利略号木星探测器甚至配备了6个CPU,每个子系统都由单独的CPU控制以实现容错。每个CPU的频率为1.6 MHz,加在一起处理能力和35年前的Apple II电脑差不多。

除此之外,为了确保航天器电子元器件在恶劣的太空环境中能可靠运行,美国国防部还要求进行机械应力、大温差波动和强电离辐射等100多项测试,并且所有电子元器件必须单独认证。

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木星拥有太阳系除太阳耀斑外最强的磁场,强度超过地球磁场14倍。为了近距离探测木星,朱诺号配备了0.8厘米厚的金属钛壳,能将电子元件受到的辐射强度减弱800倍,而RAD750 CPU本身还能够抵御高达100万拉德的辐射。即便如此,在多次深入木星磁场之后,朱诺号的主要元器件辐射累计将达到2000万拉德,预计将于2021年寿终正寝。

旅行者1号41年飞了220亿公里!NASA探测器为何一个比一个长寿?

航空航天是一个国家科技实力的综合体现,一个比一个高寿的NASA探测器背后,折射的却是其它国家和美国在特殊合金、电子设备和加工制造等领域的巨大差距,希望中国航天工业奋起直追,使国产航天器有朝一日也能在宇宙遨游数十载!

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