旅行者1號41年飛了220億公里！NASA探測器為何如此長壽

在我們的印象中，NASA探測器似乎一個比一個「抗造」，壽命也格外長——1977年發射的旅行者1號探測器，已經飛到220億公里之外；同年發射的旅行者2號探測器，已和地球相距180億公里。兩兄弟遨遊太空41載，至今還在和NASA保持聯絡。

2004年登陸火星的機遇號漫遊車，探索紅色星球14年，長途跋涉45公里，到2018年6月才因沙塵暴失聯；和機遇號幾乎同一時間登陸的勇氣號也工作到2011年；2012年抵達火星的好奇號至今還在正常運行。

與之相比，2003年前往小行星絲川取樣的日本隼鳥號探測器遭遇太陽耀斑爆發，太陽能電池板損壞，部分電池失效，四台離子引擎僅有一台能正常運轉，最終經歷九死一生才返回地球。

2008年，印度月船一號搭載的恆星敏感器在繞月飛行幾個月後即宣告失效，導致後續兩年的任務中，航天器姿態只能通過機載陀螺儀和地面控制中心不斷修正。

2011年，俄羅斯的福布斯－土壤號火星探測器在升空數小時後入軌失敗，最終和搭乘的中國首個火星探測器「螢火一號」一起墜毀，經查事故有可能是星載計算機受宇宙輻射干擾失靈所致。

研究顯示，充斥外太空的宇宙射線會引起航天器的計算機晶元發生位翻轉現象（bit-flipping），造成內存丟失，代碼混亂和存儲器報錯；穿過元件晶體管的高能粒子會造成電路鬆動、閉鎖或短路——這些故障有的能通過重啟解決，有些則會造成設備永久性損壞。

為何NASA探測器在極端惡劣的太空環境中如此高壽呢？如果用一句話來總結，那就是古董級元件和超低配置，先進的抗強輻射技術，外加嚴苛的測試和認證，確保航天器電子元件的超高可靠性。

以航天器的大腦——主控計算機為例，為了保證系統長期穩定的運行，NASA工程師通常不會使用新型號和高性能CPU，而是採用古董級架構，有些CPU甚至能追溯到上世紀90年代。

例如好奇號RAD750型車載計算機基於10年前的IBM PowerPC 750架構設計，頻率132MHz，相當於Windows95的水準，內存僅有120M，還趕不上如今最低配置的智能手機，但它的CPU卻應用了獨特的ECC校驗技術，能自動糾錯並有效修複位翻轉現象。

除了電子設計應用多項抗輻射加固技術外，宇航級電子元件在工藝上還用固態或凝膠狀化合物灌封，防止火箭發射時的劇烈震動產生機械應力，造成設備損壞。整體再用鉛屏蔽層包覆，以最大限度降低輻射，延長元器件壽命。為了降低能耗，使航天器在進入低功率模式後能持續發送遙測數據，主控系統通常使用靜態而不是動態RAM。

迄今為止，RAD750系列CPU已經用於月球勘測軌道器、開普勒太空望遠鏡、太陽動力學天文台和朱諾號木星探測器等150多個太空任務。據悉，該系統造價高達20萬美元。

為了以防萬一，許多航天器還搭載多個CPU，以實現系統冗餘和更強大的功能。好奇號火星車就搭載了兩個RAD750，其中一個作為備份，在主系統快閃記憶體出問題後及時接手。

伽利略號木星探測器甚至配備了6個CPU，每個子系統都由單獨的CPU控制以實現容錯。每個CPU的頻率為1.6 MHz，加在一起處理能力和35年前的Apple II電腦差不多。

除此之外，為了確保航天器電子元器件在惡劣的太空環境中能可靠運行，美國國防部還要求進行機械應力、大溫差波動和強電離輻射等100多項測試，並且所有電子元器件必須單獨認證。

木星擁有太陽系除太陽耀斑外最強的磁場，強度超過地球磁場14倍。為了近距離探測木星，朱諾號配備了0.8厘米厚的金屬鈦殼，能將電子元件受到的輻射強度減弱800倍，而RAD750 CPU本身還能夠抵禦高達100萬拉德的輻射。即便如此，在多次深入木星磁場之後，朱諾號的主要元器件輻射累計將達到2000萬拉德，預計將於2021年壽終正寢。

航空航天是一個國家科技實力的綜合體現，一個比一個高壽的NASA探測器背後，折射的卻是其它國家和美國在特殊合金、電子設備和加工製造等領域的巨大差距，希望中國航天工業奮起直追，使國產航天器有朝一日也能在宇宙遨遊數十載！

宇宙往事-專註科學科普｜敬請關注

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！