这些年来仍在工作：航海者等离子波子系统

NASA一直热衷于强调航天局的许多成功，而且正确的是-那些为这些昂贵的项目付款的人有权知道自己所获得的收益。因此，最近的新闻充斥着关于发现太阳爆发的故事，这些事件是由太阳的日冕质量抛射（CME）产生的冲击波反射并加速了星际等离子体中的电子而引起的，它位于太阳系边缘。这是一种新颖的机制，而且是一个令人兴奋的发现，它改变了关于太阳影响范围之外的孤独空间中发生的事情的许多假设。

最近的发现本身就令人印象深刻，但是当您深入了解它的制造细节时，它会更加令人惊叹：这是由拥有43年历史的Voyager航天器组成的，每艘探测器现在都距地球约17个光时，携带如此简单，高效的仪器，以至于这段时间之后它们仍然可以工作，而几乎没有在任务的科学有效载荷范围之内。

进行这项发现的仪器等离子波子系统（PWS）至少可以追溯到1958年。那时，爱荷华大学的电机工程系新生Donald Gurnett在Dr. Lab的实验室工作。詹姆斯·范·艾伦（James Van Allen）最近发现了围绕地球的辐射带，现在以他的名字命名。范·艾伦（Van Allen）和他的团队在美国第一架飞行器Explorer 1上使用了一个特殊的Geiger计数器，结果令人兴奋且令人生畏。显然，地球被高能带电粒子包围，这是一个真正的新发现，但是这也意味着在太空旅行可能是致命的。莫里茨（Moritz）最近发表了对该主题的更深入探讨。

需要更多信息，因此范艾伦（Van Allen）要求古纳特（Gurnett）致力于为未来的卫星探索近地环境的仪器。爱荷华大学的团队提出了创新的数字遥测系统，以取代Explorer 1和其他早期卫星所使用的简单模拟遥测链路。他们还设计了一系列空间无线电和等离子波实验，部分目的是探索自然的超低频（VLF）现象，即所谓的Sferics，如吹口哨和“黎明合唱”。实验于1962年在Injun-3卫星上进行，并回传了足够的数据供Gurnett建立他的博士学位。论文继续。

从这些早期实验中学到的经验教训促进了空间无线电和等离子波研究的兴起，并为更好的仪器的建造提供了信息，这些仪器在1960年代和1970年代初多次执行飞行任务。到那时，美国国家航空航天局（NASA）处于旅行者计划（Voyager）任务的计划阶段，旨在利用罕见的轨道对准优势，使探测器能够以最小的机动性探访以前未开发的太阳系外围。 Gurnett是一组物理学家，他们提出了对Voyager进行等离子体波实验的建议，其主要目的是希望了解有关木星周围强烈的辐射带的更多信息。

该小组提出的为Voyager等离子波实验的第一个建议被NASA拒绝。令人失望的是，但是等离子波社区一直在紧追NASA之后，加入了某种探索木星高能环境的仪器。 1973年，随着时钟的敲定，最终确定了Voyager的科学有效载荷设计，Gurnett提出了一项折衷方案，用于等离子波实验。该仪器实际上将搭载在一个已经被接受的实验上：行星射电天文学（PRA）实验。它可以共享PRA专用的“兔子耳朵”天线，并在装有PRA接收器的外壳上连接一个紧凑的频谱分析仪。美国航空航天局接受了这项提议，主要是出于Gurnett提议的优势，再加上等离子波实验仅使用旅行者1.6瓦特的有限功率，并且仅增加1.4千克质量。此后不久，完全由爱荷华大学建造的等离子波子系统正在向外行星及更远的地方前进。

PWS的设计如此简单，可能是其成功的关键，并且与为什么在发布后将近50年仍在两艘Voyager上运行它有关。这些天线是为PRA实验设计的，但足以测量等离子体波的电场（被拒绝的原始建议包括使用磁力计来研究等离子体波的磁性成分）。展开时，天线的每个元件长10米，相隔90°。对于PRA实验，天线充当一对单极子，但对于PWS，它们作为平衡偶极子连接。

在太空中存储和部署10米长的天线元件需要一些聪明的思考。 PRA / PWS天线使用的基本技术与IMP-6（70年代初期的人造卫星）所用的技术相同，该卫星需要最长45米的天线。可存放的管状可伸缩部件天线或STEM用于IMP-6，并且在Voyager上以大大缩短的形式使用。它由一块卷在卷轴上的铍铜，驱动电机和一个成型模具组成。在将铜片在卷轴上平整之前，先将其制成管形，然后将其延伸穿过模具，然后卡回到刚性管中。

PWS仪器在设计上也很简单。每个天线都连接到带有可选40 dB衰减器的前置放大器，以防止强烈的木星辐射淹没电子设备。每个前置放大器的输出馈入差分放大器，该放大器的输出与两个天线之间的电压差成比例。该信号经过陷波滤波器以消除Voyager的2.4 kHz开关电源中的噪声，然后再馈入覆盖10 Hz至56.2 kHz的16通道频谱分析仪。频谱分析仪中的16个滤波器产生0到3伏的输出信号，然后将其发送到航天器的飞行数据子系统进行编码。

在经过火星轨道并经过小行星带的漫长旅程之后，PWS终于有机会证明自己。在计算每个加油站的高速飞越时，PWS会每四秒对所有16个通道进行一次完整的扫描，以计算出对下一个航路点的重力辅助。生成的数据存储在Data Tape Recorder或DTR上，并排队等待流回地球。

旅行者双胞胎在1989年完成对外行星的测量后，旅行者星际任务就开始了。计划探索这两个航天器现在都陷入的孤独的黑洞已经有一段时间了，很明显，PWS将在未来的发现中扮演重要角色。设计用于主要在行星相遇期间收集数据的复杂且耗电的旋光仪，光谱仪和成像系统已基本关闭，为更简单的粒子检测器和磁力计以及PWS留下了更多功率，以继续探索空间的深度。

两个旅行者最终都通过了边界，在那里，从太阳或太阳风中流出的热的带电粒子被星际介质的低温等离子推回。 PWS数据记录了通过太阳系边缘稀有等离子体各层的过渡，以及每个航天器穿过更年期进入星际空间的过程，其特征是等离子体密度增加了40倍。 PWS也是最近电子爆炸发现的关键。

在最后一刻出现在“旅行者”号上的等离子波子系统在过去的43年中表现出色，为我们提供了太阳系边缘的详细情况。最终，不久之后，旅行者号双胞胎的放射性同位素热发生器中的decay将衰减到没有足够的功率来保持一切正常运行的地步，但运气好的话，等离子波子系统将是进入其长期运行状态的最后一种仪器星际睡眠。