今日必看|43年飞行223亿公里,“旅行者一号”的动力来自哪里?



今日必看|43年飞行223亿公里,“旅行者一号”的动力来自哪里?
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【今日必看|43年飞行223亿公里,“旅行者一号”的动力来自哪里?】本文参加*** #科学了不起# 系列征文赛 。
自人类有意识以来 , 就一直对浩瀚星空有着无穷的好奇 , 幻想星河的对面有另一个广阔的世界 。

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到了现代 , 进步前辈的科学技术让幻想变成可现实 , 人类终于挣脱了地球的枷锁束缚 , 第一次体会到了宇宙到来的震撼 。
跟着时间的不断推移 , 初入宇宙时的震撼慢慢转变成了对未知的好奇 , 各种探索宇宙的方法和发明接踵泛起 , 这其中就有闻名的“旅行者一号”探测器 。

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截止2020年6月8日 , 1977年9月5日发射的旅行者一号已经在宇宙中默默飞行了快43年的时间 , 此时间隔地球约223亿公里 , 和地球单程通信需要20小时36分钟 , 飞行速度约为55000公里每小时 。
假如不算占据自然上风的帕克太阳探测器(24.7万公里每小时) , 那么“旅行者一号”绝对是人类最快的飞行器 , 同时也是间隔地球最远的飞行器 。

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那么“旅行者一号”凭什么能飞这么远呢?或者说它毕竟使用了什么动力 , 以至于能够在宇宙中43年飞了223亿公里呢?
我们都知道 , 火箭想要飞到宇宙中需要大量的燃料 , 所以跟着火箭荷载的增加 , 所需要的燃料也在增加 。

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而化石燃料能量转化率很低 , 这也就意味着当火箭整体荷载到一定程度的时候 , 会泛起即便将整个地球的化石能源都燃烧 , 也无法将它送出地球的情况 。
为了跳出这个死循环 , 同时也为了让探测器能够飞得更远更快 , 科学家们想到了一个绝妙的方法 , 也就是飞船在进入宇宙之后 , 逐渐靠近某个引力稍大的星球 , 然后借助这个星球的引力将自己“抛”出去 , 就像人类扔链球一样 。

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采用这样的方法能够以极小的消耗 , 换取相当可观的加速度 。 更主要的是 , 假如抛一次不行 , 还可以继承换颗星球抛第二次、第三次 。 这种借力的方法被科学家们取了一个非常贴切的名字——引力弹弓 。
20世纪70年代 , 科学家们发现太阳系外侧的四个行星——木星、土星、天王星以及海王星正在向太阳一侧靠拢 , 这种极为罕见的排列方式通常176年才会发生一次 , 而这个时候也是利用引力弹弓探索这四个行星绝好的机会 。

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为了不错过这次机会 , NASA随即启动了“航海家计划”(Voyager program) , 旅行者一号和二号接踵升空 。
事实上 , 在最开始的时候科学家并未打算让旅行者一号和二号飞出太阳系 , 只是单纯的想让它们探测太阳系外侧四个行星 , 只是后来临发射的时候才想到将它们作为“地球咭片”发射到宇宙深处 , 这才在它们身上放置了一些地球和人类的信息 。

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因为受到荷载的限制 , 将它们带入宇宙的泰坦Ⅲ型火箭并未给它们留许多的燃料 , 好在这两个探测器坚持飞到了木星 , 并利用木星的引力大大提高了飞行速度 , 以至于飞掠土星之后它们的速度已经达到了惊人的45公里/秒 。分页标题
下图能够看到旅行者二号利用了四次引力弹弓 , 速度一次比一次快 。

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1980年11月 , 已经在宇宙中飞行了3年多的旅行者一号 , 在圆满完成了考察木星、土星等天体的科研任务之后 , 因为飞行轨迹的偏移 , 不得已结束了对太阳系外侧行星的勘探 , 回身朝着绚烂的宇宙深处飞去 。
当然了 , 旅行者号们之所以能够飞得这么远和这么久 , 一方面得益于引力弹弓的匡助 , 另一方面在于使用了自身能量进行变轨和姿态修正 。

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而它们自身的能量都来自于一个使用了钚-238做燃料的同位素热电机(RTG) , 只要将钚-238衰变产生的热量转化为电能 , 那么就能够基本维持探测器的消耗 。

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值得一提的是 , 钚-238是一种有些奇异的放射性同位素 , 它的半衰期约为88年 , 不会对环境造成任何的污染 , 甚至具有极高的可回收性 。 恰是由于具有这些特性 , 科学家们才终极选择了钚-238作为旅行者号的能源 。
不外因为荷载极为严格 , 所以旅行者号们身上携带的钚-238大约只有几公斤 。 而根据NASA的推测 , 旅行者号目前剩余能量将会在2025年完全耗尽 。

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届时它身上携带的所有科学仪器将会全部封闭 , 并且彻底和地球失去联系 , 然后在孤傲和寂寞中奔赴宇宙深处 , 成为人类文明在宇宙中存在过的证据之一 。