旅行者1號是幾十年前的產物了,為什麼不再用當代最新技術再發射一個?

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事實上2006年人類已經發射了更先進的探測器,它就是新視野號,飛過冥王星時給人類帶來了更加詳細的資料。

但本質上來講,新視野號與旅行者一號飛船並沒有太大區別,旅行者一號在2025年左右將徹底與人類失去聯繫,之後自由自在地漫遊在宇宙星際空間,而新視野號在2038年左右也很難與人類有聯繫了。

的確,過去幾十年,人類科技一直在進步,這點我們都深有體會。但說到航空領域,其實進步並不是很明顯,起碼沒有質的飛躍。最主要的原因就是動力推進系統仍舊是火箭推進,而燃料仍舊是傳統化學能源。

事實上傳統化學能源與古人類使用的火本質上是一樣的,這意味著我們的能源使用有多麼地落後!

傳統化學能源效率相對非常低,巨大的火箭推進系統的絕大部分重量都被燃料佔據,能夠有效使用的部分太少了,這也造成了火箭的動力系統很難實現大的飛躍,因為想要推進系統更強,就必須使用更多的燃料,而更多的燃料意味著更大的質量,更多的“沒有用”的質量!

目前旅行者一號飛船已經飛行了40多年,飛行距離達220以光年,但也只有20光時左右!

除非人類在動力推進系統上有重大的突破(比如使用核動力推進等),否認發射再多的探測器意義也不大!


宇宙探索


因為176年才會出現的一次發射時機,比當代的技術更重要。

上世紀70年代,科學家敏銳地注意到九大行星(冥王星還未降級)中,木星、土星、天王星和海王星正在向太陽系同一側靠攏,這種罕見的行星排布176年才會出現一次。

這意味著可以發射一次探測器,把太陽系中的所有行星大佬們一併訪問了,同時利用行星引力作為跳板,借各位大佬的力量真正地衝出太陽系,出航宇宙。

於是1977年NASA推出了“偉大航道(The Grand Tour)”計劃,還為此上了雙保險,旅行者二號和旅行者一號相繼升空,如今藉助“引力彈弓效應”旅行者們已越飛越遠。

引力彈弓效應

“引力彈弓效應”就相當於在宇宙中“借風出行”。這就好比15-17世紀人類開始橫渡大洋,單靠划槳肯定是不行的,但藉助風力就可以辦到,而引力就是宇宙汪洋中肆虐的風。

一個飛行器從一顆行星附近掠過時,會受到行星引力的作用,沿雙曲線軌道改變方向。如上圖一般這種情況下,V0=V1。

但行星不是靜止不動的,如果給行星一個移動速度V',最終V1>V0。但如果V'的速度方向相反,則V1<V0,所以引力彈弓不僅能加速,也能減速,就看科學家們怎麼玩。

科學家通過計算八大行星的運行軌道,利用天體的重力場來給旅行者們加速,才能一次又一次將它們彈入更深的宇宙。也就是說,在旅行者號的太空中飛行的主要動力都是來源於引力,飛行器自帶的推進器只需用來改變方向與調整角度,保證在利用引力加速的過程中不被“引力鎖定”就好了。

目前兩個旅行者號是人類利用“引力彈弓效應”最成功的一次宇宙探險,不僅傳回了大量行星與其衛星的資料,還讓我們對太陽系有個更清晰的認知。

2008年7月3日,《自然》雜誌上就曾發表了一篇論文說,兩個探測器以完全相反的方向穿越太陽系邊緣時與太陽之間的距離存在顯著差異,這表明太陽系不像原先認為的那樣是一個簡單的對稱大圓球,而應該近似橢球體,“像個雞蛋”。

旅行者號的裝備

“旅行者1號”和“旅行者2號”兩個探測器原本應該叫“水手計劃”的“水手11號”和“水手12號”。最後由於有了深入探索宇宙的機會,才更名旅行者。

兩個機體大致相同,由幾百萬個獨立部分組成,部分零件損壞可替換,重0.9噸。由於它們的目標是遠離太陽,因此並不能像其他探測器一樣以太陽能為動力源。它們擁有一個小型核反應堆,一小團鈈元素的放射性衰變就能為它們提供上千瓦的能量。

大部分輔助設備都位於中部,攜帶了宇宙射線傳感器、等離子體傳感器、磁強計、廣角、窄角電視攝像儀、紅外干涉儀等11種科學儀器,最重要的是一個直徑3.7米的大型無線電天線可以與地球指令部通信,飛向外太陽系的旅行者號完全由地面控制,控制點是NASA的噴氣推進實驗室(JPL)。

旅行者號,還攜帶了一張名為“地球之音”的銅質鍍金激光唱片,由美國著名天文學家法蘭克·德雷克(德雷克方程提出者)和卡爾·薩根(科普大咖)設計,講述了地球的情況幷包含了我們這顆行星上各種聲音。

這曾使一些人害怕,害怕在宇宙的“黑森林法則”中洩漏了我們的位置,會讓更先進的文明向我們瞄準。然而有這種想法的人一定忘記了宇宙有多麼的浩瀚,也不瞭解旅行者號可能被發現的幾率是多麼微乎其微。

總結

當代宇宙遠洋出航技術,實際上並沒有什麼重大性的突破。我們還無法做到僅靠飛行器自身的動力系統出航宇宙深空。沒有天時、地利、人和的條件,我是無法把探測器送出太陽系的。

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目前,美國宇航局(NASA)發射的旅行者1號仍然是飛得最遠的星際探測器,它現在與我們的距離達到了220億公里,即147天文單位,或者20光時。

42年過去了,宇航科技又有了長足的進步,為什麼人類現在不用最新的科技再發射一個新的星際探測器去探索宇宙呢?

旅行者1號的時代背景

雖然旅行者1號當年發射時,太空競賽已經結束了5年,但這次探測任務源自於上世紀60年代的行星之旅計劃,那時正值太空競賽的白熱化階段。當時,NASA希望能夠發射無人太空飛船一次性探測四大巨行星——木星、土星、天王星與海王星。因為在70年代,趕上了百年一遇的行星排列方式,太空飛船可以藉助行星的引力進行加速,以較少的燃料在較短時間內一次性飛越四大巨行星。

在此之前,已經有先驅者10號和11號先行探路,所以旅行者1號和2號的性能設計有了更進一步提高。旅行者1號在探測土星時,對土衛六進行了計劃外的探測,由於飛行軌跡受到土衛六引力的影響,無法進行後續的探測,只有旅行者2號完成了四大巨行星的探測。

此後,旅行者1號開始了星際探測任務。它還在不斷髮回數據,讓我們能夠進一步瞭解太陽系。旅行者1號仍會不斷髮現新的事物,因為它正在飛入未知領域,前往此前從未去過的地方。

旅行者1號之後的星際探測器

2006年,也就是在旅行者1號離開地球29年之後,NASA再次發射了一個能夠飛出太陽系的探測器——新地平線號。這艘無人太空飛船的首要任務是探測冥王星,它於2015年飛掠冥王星,完成探測任務。此後,新地平線號深入柯伊伯帶,開展新的探測任務。

不過,無論是先驅者號,或者旅行者號,還是新地平線號,都不是真正意義上的星際探測器。雖然它們都能飛出太陽系,但它們並沒有確切的目的地,而是像恆星那樣繞著銀河系中心旋轉。並且隨著電力的耗盡,這些探測器在未來數十年都會與地球失聯,那時它們還遠未飛出太陽系。

真正的星際探測器

上個世紀90年代初,人類首次發現了太陽系外的行星。自那之後,我們已經找到了4000多個地外世界。我們一直渴望對那些系外行星進行探測,以期發現外星生命。但由於距離十分遙遠,系外行星太小,目前地球上最強大的天文望遠鏡都無法對那些遙遠世界進行有效觀測。

唯一有效的方法是發射星際探測器,對系外行星開展直接探測。那麼,哪個目標才是最佳首選者呢?

在2016年,歐洲南天天文臺(ESO)的天文學家發現,在距離太陽最近的恆星比鄰星周圍就有一顆行星——比鄰星b,而且它可能還是一顆運行在宜居帶中的巖質行星,這意味著它有可能孕育出了生命。因此,比鄰星b將會是星際探測任務的首選目標。

目前,針對比鄰星b的星際探測計劃有兩個。一個是霍金作為發起人之一的“突破攝星計劃”,還有一個是NASA將在阿波羅11號登月100年(2069年)時啟動的星際探測任務。

星際探測任務的最大難點在於距離。雖然比鄰星是我們的近鄰,距離我們只有4.2光年,但這個距離對於我們來說仍然非常遙遠。如果以旅行者1號的速度(17公里/秒),飛抵比鄰星需要大約7.4萬年。因此,為了實現星際探測,需要接近亞光速的飛船。

根據設想,“突破攝星計劃”的超輕納米飛船的速度可以達到光速的20%,NASA的星際飛船的速度可以達到光速的10%。如果以這種速度飛向比鄰星b,仍然至少需要二三十年的時間。


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