2017-08-08
星際探索/外星人/宇宙
作者說(shuō)
在SpaceX的馬斯克雄心勃勃要在有生之年去火星的時(shí)候，又有人提出土衛六才是最合適的人類(lèi)移居星球，我們究竟對太陽(yáng)系了解多少？事實(shí)上40年前，就已經(jīng)有一型探測器勇敢無(wú)畏的邁出了這一步！
20世紀60～70年代可以說(shuō)是人類(lèi)航天史上最為輝煌的黃金時(shí)代，兩個(gè)超級大國集中精力辦大事（1966年NASA的預算曾占到了整個(gè)聯(lián)邦預算的近4.5%），在阿波羅登月計劃、對水星、金星、火星、木星、土星等行星探測項目和載人空間站等方面都實(shí)現了突破，對未知空間的探索取得了巨大成就！
不僅如此，兩個(gè)原本探索木星、土星及其衛星的探測器歷經(jīng)近40年的漫長(cháng)歲月后依然在崗奮戰，2013年9月12日，NASA正式公布，經(jīng)過(guò)36年的飛行，旅行者1號已經(jīng)離開(kāi)太陽(yáng)系，成為首個(gè)離開(kāi)太陽(yáng)系的人造物體，而至今旅行者號還在飛向深空并傳回前所未知的星際物質(zhì)的探測數據！
截至2017年6月30日為止，旅行者1號正處于離太陽(yáng)207.9億公里（即20.79×10的14次方米/138.9天文單位/129.1億英里），進(jìn)入了日鞘，即介乎太陽(yáng)系與星際物質(zhì)之間的終端激波區域，航天器發(fā)出的訊號需要17個(gè)小時(shí)才能抵達它的控制中心。此時(shí)作為讀者的你一定有很多疑問(wèn)，比如這探測器一定用了成噸的推進(jìn)劑、深空太陽(yáng)光比較弱太陽(yáng)能帆板一定很大很大、能夠持續工作40年的計算機一定很先進(jìn)，等等等等。那么本期就來(lái)聊聊，飛出太陽(yáng)系的探測器---旅行者號（Voyager）。
一、旅行者號是一對雙胞胎探測器
在1970年初的時(shí)候，NASA制定了旅行者計劃，打算對木星和土星及其衛星進(jìn)行探測，如果情況順利則順便對天王星和海王星也一同進(jìn)行探測。由于深空探測在當時(shí)來(lái)說(shuō)是一個(gè)未知的課題，為了提高項目的成功率，該計劃在不同軌跡上發(fā)射一對兩個(gè)無(wú)人探測器，從多個(gè)角度深入研究行星。因此Voyager 1和Voyager 2的結構相同，攜帶的設備在當時(shí)都是尖端技術(shù)，裝載的是通用電氣公司生產(chǎn)的計算機控制系統、飛行數據系統、姿態(tài)控制系統，含主備兩套共6臺計算機。合計“高達”68KB的存儲空間，相當于一臺蘋(píng)果手機的千分之一的存儲容量；主時(shí)鐘的運行時(shí)間為4 MHz，CPU時(shí)鐘的運行頻率為250KHz，即每秒約8000條指令，而2017年頂級智能手機的運行速度已經(jīng)到3GHz。
但設計壽命為五年的旅行者號實(shí)際上工作近40年目前依舊在崗，這絕對是一個(gè)奇跡，因為我實(shí)在有點(diǎn)擔心各位的蘋(píng)果手機40年之后是否還能開(kāi)機，開(kāi)機之后是否能夠打電話(huà)……
旅行者號的姿態(tài)控制系統備用主板，在地面用于仿真空間運行情況
另外旅行者號還有配置了當時(shí)最新數字八軌記錄器，用于記錄和回放科學(xué)數據，要求磁頭劃過(guò)橫跨美國那么長(cháng)的磁帶，而不出現磨損和損壞，一晃40年過(guò)去了，這個(gè)磁帶機也沒(méi)有出現過(guò)故障。
二、給外星人帶去人類(lèi)文明----這事不能讓三體FANS知道
“宇宙就是一座黑暗森林，每個(gè)文明都是帶槍的獵人…竭力不讓腳步發(fā)出一點(diǎn)兒聲音，連呼吸都必須小心翼翼，因為林中到處都有與他一樣潛行的獵人…任何暴露自己存在的生命都將很快被消滅”。
讀過(guò)科幻小說(shuō)《三體》的讀者對于向外太空發(fā)送地球和人類(lèi)的信號會(huì )非常謹慎，但是太空探索黃金時(shí)代的科學(xué)家是無(wú)畏的：
（一）人類(lèi)已經(jīng)在比旅行者號更早發(fā)射的美國宇航局先驅者10號和11號飛船上都搭載了標明其出發(fā)地以及發(fā)射時(shí)間，以及未來(lái)可以在何處找到它們的金屬銘牌。
（二）NASA決定在旅行者1號和2號飛船上安放更加雄心勃勃的“時(shí)間膠囊”，借此希望與茫茫宇宙中它可能遭遇的外星文明進(jìn)行交流。
1、貨真價(jià)實(shí)“金唱片”
旅行者號飛船搭載的金唱片是一種12英寸規格的鍍金銅質(zhì)唱片，并配有唱針，每分鐘轉動(dòng)16-2/3圈，并描述了這張唱片的播放方式，如果沒(méi)有意外這張光盤(pán)可以存在十億年。在唱片的封面上，設計了符號語(yǔ)言，它利用宇宙中數顆穩定的脈沖星的位置來(lái)標注了地球的坐標。
2、這張金唱片刻錄了來(lái)自地球的聲音和圖像資料
這些聲音和圖像都經(jīng)過(guò)精心選擇，目的是準確地反映我們地球上生命的多樣性以及地球上的文明。內容選擇是由著(zhù)名天文科學(xué)家卡爾·薩根(Carl·Sagan)領(lǐng)銜的美國宇航局小組負責的，這個(gè)小組挑選了115張圖像以及很多地球自然界錄制的長(cháng)達90分鐘的聲音，其中有中國古曲《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，風(fēng)，閃電，鳥(niǎo)，鯨以及其他動(dòng)物發(fā)出的聲音。除此之外，卡爾·薩根的小組還精心選擇了盡可能代表全世界各個(gè)地區各種文化社會(huì )中，在歷史上不同時(shí)期誕生的經(jīng)典音樂(lè )作品，超過(guò)55個(gè)地球上不同民族的問(wèn)候語(yǔ)，包括四種中國的方言（普通話(huà)、閩南語(yǔ)、粵語(yǔ)、吳語(yǔ)），甚至還收錄了當時(shí)的美國總統卡特以及時(shí)任聯(lián)合國秘書(shū)長(cháng)瓦爾德海姆代表人類(lèi)向外星人的問(wèn)候致辭。
3、帶上了時(shí)間印記
在唱片封面上有一個(gè)2厘米區域，鍍了一層超純鈾-238，質(zhì)量為0.00026微克。鈾238會(huì )穩定衰變?yōu)殂U206，半衰期為44億5千萬(wàn)年，分析這個(gè)直徑為2厘米的區域鈾鉛比例可以確定時(shí)間。因此外星人可以通過(guò)這個(gè)方式計算旅行者號飛越的時(shí)間（NASA充分信任外星人的智商的( ^_^ )。
在旅行者號上安裝金唱片的COVER，封面上有符號和圖示說(shuō)明如何操作這張唱片和詳細指示地球所在的位置
4、何等壯志豪情
旅行者1號一段發(fā)給外星人的電文是這么說(shuō)的：這是一個(gè)來(lái)自遙遠的小小星球的禮物，它是我們的聲音、科學(xué)、形象、音樂(lè )、思想和感情的縮影，這個(gè)地球之音是為了在這個(gè)遼闊而令人敬畏的宇宙中給予我們的希望，我們的決心和我們對遙遠世界的良好祝愿。
正如卡爾·薩根說(shuō)的：“要是宇宙里有先進(jìn)的太空文明，探測器才將會(huì )被遇上及被播放。但是發(fā)射這個(gè)“瓶子”到宇宙“海洋”里是訴說(shuō)著(zhù)這顆星球上生命的愿望?！?/div>
三、一路化緣、行星助力---旅行者借176年一遇的重力助推（gravity assist，也稱(chēng)Slingshot引力彈弓）
從地球起飛的航天器飛行速度達到16.7千米/秒時(shí)，請注意這是對地相對速度，相對太陽(yáng)系的速度為42.2 km/s，無(wú)需后續加速就可以擺脫太陽(yáng)引力，脫離太陽(yáng)系進(jìn)入更廣袤的宇宙空間。這個(gè)從地球起飛脫離太陽(yáng)系的最低飛行初速度就是第三宇宙速度（Third Cosmic Velocity ）。
但路途遙遠，到木星的航程即長(cháng)達8億公里，同時(shí)向外行星飛行受到太陽(yáng)引力作用而減速，如果使用霍曼轉移軌道法前往外行星（木星、土星和天王星等），途中可能就要消耗掉數十年的時(shí)間，或要求攜帶大量的推進(jìn)劑，但當時(shí)世界上最大的火箭—土星5號已經(jīng)在1973年5月14日最后一次發(fā)射后退役。這個(gè)時(shí)候“重力助推”，或稱(chēng)“引力彈弓”提供了一個(gè)無(wú)需附加燃料即可為飛行器加速的方法。
（一）什么是重力助推
19世紀末對彗星的研究表明，在其近距離接近木星之后，會(huì )明顯的發(fā)生能量轉移，軌道發(fā)生變動(dòng)。蘇聯(lián)科學(xué)家的尤里·康德拉圖克和弗里德里?！ふ驳路謩e在1919年和1925年提出飛船可以使用兩行星衛星的引力實(shí)現軌道初段的加速和軌道末段的減速。
但提出飛行器通過(guò)沿行星軌道施加的引力助推，從而減少飛行器星際間飛行的燃料消耗，卻是由一名加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究生邁克爾·米諾維奇(Michael Minovitch）在1961年提出的，當時(shí)他在美國加州帕薩迪納的NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗室暑期實(shí)踐，他提出飛行器靠近太陽(yáng)行星時(shí)獲得加速，他在1962年進(jìn)行模擬并提交出自己的解決方案。
第一個(gè)使用重力助推加速的是先驅者10號，它從1973年12月木星通過(guò)的速度從52000公里/小時(shí)提高到132,000公里/小時(shí)。
（二）怎么用好這個(gè)彈弓？
1、主動(dòng)“求”俘獲
以木星為例，軌道充分靠近木星，飛行器就會(huì )被木星捕獲，獲得與木星一致的向左方向的矢量速度VB，下圖紅圈內可以發(fā)現飛行器在原有切線(xiàn)速度V出B上，已經(jīng)被疊加了一個(gè)和木星一致的速度VB，根據力學(xué)平行四邊形法則，V出A明顯大于原有的V入B。
2、借力后迅速走人
只要軌跡設計合理，速度超過(guò)木星第二速度，飛行器會(huì )減速擺脫木星，整個(gè)過(guò)程動(dòng)量守恒、能量守恒，木星把對他來(lái)說(shuō)極小份的能量給了飛行器加速。
（三）抓住176年一遇的機遇
在實(shí)際操作中，使用重力助推法的主要局限是行星和其他大質(zhì)量天體并不總是在助推的理想位置上。但無(wú)疑旅行者號是幸運兒，因為這次任務(wù)抓住了176年一遇的行星幾何排列，木星、土星、天王星和海王星都將運行至助推的理想地點(diǎn)，形成了一個(gè)隊列。類(lèi)似的隊列將要到22世紀中期才會(huì )再次出現。
旅行者號探測器只需要少量燃料以作軌跡修正，就可以借助各個(gè)行星的引力加速，亦拜這次機會(huì )所賜，兩艘航天器只需要用上12年的時(shí)間就能造訪(fǎng)造訪(fǎng)太陽(yáng)系里的四顆未知行星：木星、土星、天王星及海王星，而非一般的30年時(shí)間。
從下圖旅行者2號的藍色速度曲線(xiàn)上可以看到，路過(guò)三個(gè)行星的時(shí)候每次速度都上了一個(gè)臺階。
那么為什么在海王星會(huì )減速呢？海王星是旅行者2號最后一站，已經(jīng)完成任務(wù)，因此科學(xué)家對海王星和他的衛星----海衛一，特里同（Triton）做了一次深度探測，特里同被推測有大氣，表面有氮雪雨，為了觀(guān)測他，選取的軌跡進(jìn)行了重力反助推，因此速度上下降了2公里。
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