旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?

兩個旅行者是1977年的任務,至今已飛行了42年還在工作(放射性同位素電機),是人類發射的距離地球最遠的探測器。

它們利用了太陽系內175年才有的一次機遇,各大行星位置允許探測器能夠一次性造訪所有的外圍行星(木星、土星、天王星、海王星)。


旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?


在執行具體任務方面,旅行者一號主要負責研究木星和土星,隨即被土星及其巨大衛星土衛六的引力攝動甩出太陽系黃道平面。

而旅行者二號則繼續前往天王星和海王星,這是人類唯一一次探訪這兩顆太陽系外圍行星。

這兩個任務給我們帶來了極美的照片,也揭示了大量從前未知的行星奧祕,例如木星大紅斑細節、各大行星豐富的衛星系統。

在設計、生產、製造旅行者的年代,日後徹底改變人類生活的CCD(Charge-coupled Device,感光耦合元件)雖然已經1971年在大名鼎鼎的貝爾實驗室研製出來,但還遠遠沒有到廣泛應用的地步。事實上,在80年代末,這種能將圖像信號高效數字化的集成電路處理技術才廣泛應用在天文學和航天觀測中。

但攝影拍照技術早就存在,一方面可以使用膠捲,但這個方案對於無法返回的航天器而言顯然不可行;另一方面就可以使用彼時已經很成熟的攝像管技術(Vidicon tube),在二戰前就已有研究。


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而與衛星應用相關的成熟光導攝像管技術早在1950年代就研製出來,核心原理是用被偏轉的陰極射線掃描受光輻射而成像的靶,最終將光信號轉變為與入射光強度相關的電信號。

這種技術早在水手系列任務中就已經非常成熟,水手系列共有10個,主要是太陽系內行星探測系列任務。從嚴格意義上講,旅行者一號和二號曾經也是這個系列的第11號和第12號,後來被改名。

甚至後來的伽利略(木星)、麥哲倫(金星)、卡西尼惠更斯(土星),也屬於水手項目的延續。


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而早在1965年水手四號抵達火星時,就已經拍下了最早的火星圖片。

所以,當時的攝像管技術用在這些任務中,已經非常成熟了。下面看旅行者,一號和二號完全一樣。


旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?


(最右邊的部分就是攝像機)


旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?


(放大之後給大家看看,也挺大了。。)

旅行者上的寬幅成像相機大概背了1024*1024陣列的攝像管傳感器,每個攝像管用8字節記錄信息,但是隻有黑白成像功能。為此攝像管還增加濾波器,每次拍照只允許一定波長進入,這樣多次拍照就可以合成為彩色(參見電視屏幕成像原理)。

但這樣每張圖依然很大,實際成像大概5M左右(並沒有用所有傳感器,只用了800*800),還要考慮多個頻段多張圖合成問題,於是還要進行壓縮,儲存起來(當時也沒有硬盤這一說,只能靠原始磁盤),通訊能力也有限,只能排隊傳回地球。

旅行者一號和二號在它們的偉大生命中,為我們貢獻出了太多的驚喜。


旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?


木星的巨大紅斑,那裡的風暴已經颳了400年 ©NASA


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這麼一個巨大的土星,如果扔到水裡甚至會漂浮起來,因為它的密度竟然比水低,就像一個游泳圈一般 ©NASA


旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?


壯觀無比的土星環近照配上顏色美麗無比 ©NASA


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美麗純粹的天王星,猶如天使的夢境一般純粹©NASA


旅行者號發射時還沒有 CCD,它靠什麼照相併傳回地球?


甲烷渲染的藍色天王星,雖然處在太陽系的邊緣,但它有巨大的風暴,數千公里寬的巨大雲層©NASA

不過隨著二者離開最後一顆星球后,高耗能的相機留著已經沒有意義,現在它們完全沒有攝像和拍照功能,現有電力也不夠重啟。

旅行者一號和二號為我們貢獻了大量的美圖,尤其是天王星和海王星,這是人類第一次也是唯一一次看到。。。而且50年內也基本不會有任務再去了。

當年的兩個任務,在任何方面看,都是不可思議的黑科技。

而且它們直到現在還在工作(2019年5月22日)!

旅行者一號距離我們218億千米!

旅行者二號距離我們181億千米!

偉大的人類使者,繼續加油!​​​​

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