【原创文章】40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(上)

作者说

在SpaceX的马斯克雄心勃勃要在有生之年去火星的时候,又有人提出土卫六才是最合适的人类移居星球,我们究竟对太阳系了解多少?事实上40年前,就已经有一型探测器勇敢无畏的迈出了这一步!

20世纪60~70年代可以说是人类航天史上最为辉煌的黄金时代,两个超级大国集中精力办大事(1966年NASA的预算曾占到了整个联邦预算的近4.5%),在阿波罗登月计划、对水星、金星、火星、木星、土星等行星探测项目和载人空间站等方面都实现了突破,对未知空间的探索取得了巨大成就!

不仅如此,两个原本探索木星、土星及其卫星的探测器历经近40年的漫长岁月后依然在岗奋战,2013年9月12日,NASA正式公布,经过36年的飞行,旅行者1号已经离开太阳系,成为首个离开太阳系的人造物体,而至今旅行者号还在飞向深空并传回前所未知的星际物质的探测数据! 

截至2017年6月30日为止,旅行者1号正处于离太阳207.9亿公里(即20.79×10的14次方米/138.9天文单位/129.1亿英里),进入了日鞘,即介乎太阳系与星际物质之间的终端激波区域,航天器发出的讯号需要17个小时才能抵达它的控制中心。此时作为读者的你一定有很多疑问,比如这探测器一定用了成吨的推进剂、深空太阳光比较弱太阳能帆板一定很大很大、能够持续工作40年的计算机一定很先进,等等等等。那么本期就来聊聊,飞出太阳系的探测器—旅行者号(Voyager)。

一、旅行者号是一对双胞胎探测器

在1970年初的时候,NASA制定了旅行者计划,打算对木星和土星及其卫星进行探测,如果情况顺利则顺便对天王星和海王星也一同进行探测。由于深空探测在当时来说是一个未知的课题,为了提高项目的成功率,该计划在不同轨迹上发射一对两个无人探测器,从多个角度深入研究行星。因此Voyager 1和Voyager 2的结构相同,携带的设备在当时都是尖端技术,装载的是通用电气公司生产的计算机控制系统、飞行数据系统、姿态控制系统,含主备两套共6台计算机。合计“高达”68KB的存储空间,相当于一台苹果手机的千分之一的存储容量;主时钟的运行时间为4 MHz,CPU时钟的运行频率为250KHz,即每秒约8000条指令,而2017年顶级智能手机的运行速度已经到3GHz。

但设计寿命为五年的旅行者号实际上工作近40年目前依旧在岗,这绝对是一个奇迹,因为我实在有点担心各位的苹果手机40年之后是否还能开机,开机之后是否能够打电话……

旅行者号的姿态控制系统备用主板,在地面用于仿真空间运行情况

另外旅行者号还有配置了当时最新数字八轨记录器,用于记录和回放科学数据,要求磁头划过横跨美国那么长的磁带,而不出现磨损和损坏,一晃40年过去了,这个磁带机也没有出现过故障

二、给外星人带去人类文明—-这事不能让三体FANS知道

“宇宙就是一座黑暗森林,每个文明都是带枪的猎人…竭力不让脚步发出一点儿声音,连呼吸都必须小心翼翼,因为林中到处都有与他一样潜行的猎人…任何暴露自己存在的生命都将很快被消灭”。

读过科幻小说《三体》的读者对于向外太空发送地球和人类的信号会非常谨慎,但是太空探索黄金时代的科学家是无畏的:

(一)人类已经在比旅行者号更早发射的美国宇航局先驱者10号和11号飞船上都搭载了标明其出发地以及发射时间,以及未来可以在何处找到它们的金属铭牌。

(二)NASA决定在旅行者1号和2号飞船上安放更加雄心勃勃的“时间胶囊”,借此希望与茫茫宇宙中它可能遭遇的外星文明进行交流。

1、货真价实“金唱片”

旅行者号飞船搭载的金唱片是一种12英寸规格的镀金铜质唱片,并配有唱针,每分钟转动16-2/3圈,并描述了这张唱片的播放方式,如果没有意外这张光盘可以存在十亿年。在唱片的封面上,设计了符号语言,它利用宇宙中数颗稳定的脉冲星的位置来标注了地球的坐标(按三体的思想是一件很危险的事情,估计以后科技发达了会有金唱片争夺战( ^_^ ))。

主页君注:在三体迷看来,这简直就是找死啊。。。

2、这张金唱片刻录了来自地球的声音和图像资料

这些声音和图像都经过精心选择,目的是准确地反映我们地球上生命的多样性以及地球上的文明。内容选择是由著名天文科学家卡尔•萨根(Carl•Sagan)领衔的美国宇航局小组负责的,这个小组挑选了115张图像以及很多地球自然界录制的长达90分钟的声音,其中有中国古曲《高山流水》、莫扎特的《魔笛》和日本的尺八曲等,也包括海浪拍岸,风,闪电,鸟,鲸以及其他动物发出的声音。除此之外,卡尔•萨根的小组还精心选择了尽可能代表全世界各个地区各种文化社会中,在历史上不同时期诞生的经典音乐作品,超过55个地球上不同民族的问候语,包括四种中国的方言(普通话、闽南语、粤语、吴语),甚至还收录了当时的美国总统卡特以及时任联合国秘书长瓦尔德海姆代表人类向外星人的问候致辞。

115张图片中包含了中国的长城!

3、带上了时间印记

在唱片封面上有一个2厘米区域,镀了一层超纯铀-238,质量为0.00026微克。铀238会稳定衰变为铅206,半衰期为44亿5千万年,分析这个直径为2厘米的区域铀铅比例可以确定时间。因此外星人可以通过这个方式计算旅行者号飞越的时间(NASA充分信任外星人的智商的( ^_^ )。

在旅行者号上安装金唱片的COVER,封面上有符号和图示说明如何操作这张唱片和详细指示地球所在的位置

4、何等壮志豪情

旅行者1号一段发给外星人的电文是这么说的:这是一个来自遥远的小小星球的礼物,它是我们的声音、科学、形象、音乐、思想和感情的缩影,这个地球之音是为了在这个辽阔而令人敬畏的宇宙中给予我们的希望,我们的决心和我们对遥远世界的良好祝愿。

正如卡尔•萨根说的:“要是宇宙里有先进的太空文明,探测器才将会被遇上及被播放。但是发射这个“瓶子”到宇宙“海洋”里是诉说著这颗星球上生命的愿望。”

向地外传递人类文明信号的四艘飞船

 

三、一路化缘、行星助力—旅行者借176年一遇的重力助推(gravity assist,也称Slingshot引力弹弓)

从地球起飞的航天器飞行速度达到16.7千米/秒时,请注意这是对地相对速度,相对太阳系的速度为42.2 km/s,无需后续加速就可以摆脱太阳引力,脱离太阳系进入更广袤的宇宙空间。这个从地球起飞脱离太阳系的最低飞行初速度就是第三宇宙速度(Third Cosmic Velocity )。

但路途遥远,到木星的航程即长达8亿公里,同时向外行星飞行受到太阳引力作用而减速,如果使用霍曼转移轨道法前往外行星(木星、土星和天王星等),途中可能就要消耗掉数十年的时间,或要求携带大量的推进剂,但当时世界上最大的火箭—土星5号已经在1973年5月14日最后一次发射后退役。这个时候“重力助推”,或称“引力弹弓”提供了一个无需附加燃料即可为飞行器加速的方法。

(一)什么是重力助推

19世纪末对彗星的研究表明,在其近距离接近木星之后,会明显的发生能量转移,轨道发生变动。苏联科学家的尤里•康德拉图克和弗里德里希•詹德分别在1919年和1925年提出飞船可以使用两行星卫星的引力实现轨道初段的加速和轨道末段的减速。

但提出飞行器通过沿行星轨道施加的引力助推,从而减少飞行器星际间飞行的燃料消耗,却是由一名加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究生迈克尔•米诺维奇(Michael Minovitch)在1961年提出的,当时他在美国加州帕萨迪纳的NASA的喷气推进实验室暑期实践,他提出飞行器靠近太阳行星时获得加速,他在1962年进行模拟并提交出自己的解决方案。

第一个使用重力助推加速的是先驱者10号,它从1973年12月木星通过的速度从52000公里/小时提高到132,000公里/小时。

(二)怎么用好这个弹弓? 

1、主动“求”俘获

以木星为例,轨道充分靠近木星,飞行器就会被木星捕获,获得与木星一致的向左方向的矢量速度VB,下图红圈内可以发现飞行器在原有切线速度V出B上,已经被叠加了一个和木星一致的速度VB,根据力学平行四边形法则,V出A明显大于原有的V入B。

2、借力后迅速走人

只要轨迹设计合理,速度超过木星第二速度,飞行器会减速摆脱木星,整个过程动量守恒、能量守恒,木星把对他来说极小份的能量给了飞行器加速。

 

(三)抓住176年一遇的机遇

在实际操作中,使用重力助推法的主要局限是行星和其他大质量天体并不总是在助推的理想位置上但无疑旅行者号是幸运儿,因为这次任务抓住了176年一遇的行星几何排列,木星、土星、天王星和海王星都将运行至助推的理想地点,形成了一个队列。类似的队列将要到22世纪中期才会再次出现。

旅行者号探测器只需要少量燃料以作轨迹修正,就可以借助各个行星的引力加速,亦拜这次机会所赐,两艘航天器只需要用上12年的时间就能造访造访太阳系里的四颗未知行星:木星、土星、天王星及海王星,而非一般的30年时间。

从下图旅行者2号的蓝色速度曲线上可以看到,路过三个行星的时候每次速度都上了一个台阶。

那么为什么在海王星会减速呢?海王星是旅行者2号最后一站,已经完成任务,因此科学家对海王星和他的卫星—-海卫一,特里同(Triton)做了一次深度探测,特里同被推测有大气,表面有氮雪雨,为了观测他,选取的轨迹进行了重力反助推,因此速度上下降了2公里

 

(未完待续)


 

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