旅行者号飞船即将凋零于太阳系边际？那些关于它飞行的问题丨Calling太空
本文转自：中科院之声
编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
1977年8月20日和9月5日，美国国家航空航天局（NASA）先后发射了两枚名为“旅行者”（Voyager）的探测器。45年过去了，它们仍在宇宙拓展着人类的认知。它们是人类最著名的外层星系空间探测器，两个姊妹探测器沿着两条不同的轨道，向着太阳系外飞行。
虽然旅行者1号仍在正常运行，但据报道称，科学家最近注意到探测器姿态关节和控制系统（AACS）的数据并不能反映飞船的实际情况，“所有迹象都表明AACS仍在工作，但它返回的遥测数据无效，比如看上去像是随机数，或者不是设定好对应某种状态的数据范围”。旅行者2号探测器目前倒是运转正常。不得不说，它们都已经老了，能源也在不断衰减，尽管任务团队已经关闭了一些组件来节省能量，但目前估计也只能让探测器继续工作到2025年。
旅行者号的外观（图片来源：NASA）
旅行者号飞船无疑是人类最尖端的探索最神秘宇宙区域的人造物体之一。大家可能都见过一张名叫“暗淡蓝点”（The Pale Blue Dot）的地球经典画像，它由旅行者1号飞船于1990年2月在离地球60亿公里的地方拍摄。
虽然地球只是“悬挂于阳光中的一粒微尘”（a mote of dust suspended in a sunbeam），但“那是家，那是我们”（That's home. That's us）。
旅行者1号拍摄的“暗淡蓝点”（The Pale Blue Dot）(图片来源：NASA)
在旅行者号飞船或将凋零的今天，我们来盘点一些与旅行者号飞船相关的科学问题，致敬人类太空探索的先行者，也被认为是有史以来最伟大的太空任务之一。
太空中飞行45年超过200亿千米，旅行者号用的什么能源，是太阳能吗？
虽然对于飞行在太阳系中的探测器而言，太阳的能量是能近乎无穷无尽的，但当旅行者号飞行到距离太阳较远的太阳系边际区域时，太阳的光照强度已经非常弱了，难以用来发电，所以旅行者号飞船的供能主要依靠内置的核电池。
旅行者号的放射性同位素的温差发电机外观（图片来源：NASA）
我们常说的核电池，与核电站当然是不同的，通常指的是放射性同位素的温差发电机。旅行者号中的“核”原料是钚-238放射性同位素，由于钚-238的半衰期是87.7年，它被设计为可以供能到2025年，功率大约会从400瓦下降到200瓦。
凭借这几百瓦的电能就足以让它飞200亿千米了吗？当然也不是。人造探测器能够离开地球进入太空，主要靠带它摆脱地心引力的庞大火箭的动力。进入太空之后，阻力近乎为0，探测器可以靠惯性飞行。虽然，探测器受到了地球和太阳这样巨型天体的引力制约，但巨型天体的引力也给了探测器“借力”的机会，利用“引力弹弓”的效应加速，不断达到更高的速度。
什么是“引力弹弓”？就好比高速飞过来的足球，用力踢回去，球可能飞得会比来时更快。迎面飞向太阳系中星球的旅行者号，在引力作用下被扭转了飞行方向，飞回去的时候又附加了星球自身的飞行速度。如下图所示，旅行者号在经过几次引力弹弓加速后，每次速度都能大幅提高。
旅行者号的几次引力弹弓加速，Earth为地球，Jupiter为木星，Saturn为土星，Uranus为天王星，Neptune为海王星（图片来源：NASA）
旅行者号携带了一定的燃料，用于不断对飞行姿态和轨道进行“微调”，进行多次引力弹弓作用之后，在45年间才能飞到如此之远的深空。
行者号飞出太阳系了吗，或者有机会飞出去吗？
经常有媒体报道说旅行者号已经飞到太阳系之外，这实际上大错而特错——再给它1万年也飞不出去。NASA曾宣布的旅行者号飞出了“边界层”，也就是“日球层”（Heliosphere）。这究竟是一个什么样的层？
其实，看似空无一物的太阳系空间，充满了太阳大气放出的等离子体带电粒子流，被称为太阳风，73%是氢（质子），25%是氦（α粒子）。太阳风离开太阳后还会加速到超声速，平均可达每秒300-700千米，但在远离太阳处与星际物质碰撞，达到平衡并减速，甚至停止。一个简单的比喻，日球层就好像太阳风吹进星际空间物质中的气泡，气泡的边界就是旅行者号穿越过的边界，距离地球大约180亿千米，这比冥王星的距离（约74亿公里）要远得多。
日球层（蓝色）示意图（图片来源：NASA）
旅行者号为什么不垂直飞出“圆盘”一样的太阳系？
了解了前两个问题，大家可能会提出一个新的问题——既然太阳系的行星们一圈一圈绕着太阳飞行，好像一个圆盘（“圆盘”的面称为黄道面），旅行者号干嘛不垂直着飞，竖着不就不需要经过海王星、冥王星，很快就飞出太阳系了？
其实，以太阳为中心，被太阳引力吸住的“太阳系”，由于引力向各个方向是相同的，太阳系也是一个球形，想要飞出太阳系，向哪里飞都是一样遥远。只不过，我们地球所处的太阳系内层，行星们跟随太阳的自转也在围绕太阳转，构成了一个“圆盘”形。下图是距离太阳较远的“奥尔特云”（Oort Cloud），在距离太阳上千亿千米之外，由数以亿计的围绕太阳飞行的小天体组成。
太阳系的奥尔特云（Oort Cloud）（图片来源：https://space-facts.com/oort-cloud/）
我们前面讲过，旅行者号的飞行经过了几次“引力弹弓”的加速，因此，它们在太阳系黄道面附近飞，从一颗颗大行星旁边飞过是非常有意义的，自然不能“垂直圆盘”去飞行。
实际上，旅行者号也有探索遥远行星的任务，咱们看到的高清的土星、天王星、海王星、冥王星照片，都是由它拍摄和发送回地球的。
距离那么远，旅行者号能跟地球联络上吗？
既然旅行者号把遥远行星的照片从上百亿千米外发送回来，那说明它们与地球是可以通信的。其实，它的通信方法一点也不神秘，就是用的无线电通信，跟手机通讯是同一个原理。我们看到旅行者号的外观整体就像一个锅，直径达3.7米，这就是它庞大的天线，主要为了能跟地球之间收发无线电。
旅行者号原型机，上方的“锅”是天线（图片来源：NASA）
不过，我们去爬山的时候就很容易因为附近没有基站而找不到手机信号，想想下茫茫宇宙中的旅行者号，信号是何等微弱？旅行者号的天线再大也有极限，这就需要地球上有非常强大的天线，来接收旅行者号从宇宙深处发回的信号。NASA于20世纪60年代开始建造深空网络（Deep Space Network, 简称DSN），由直径达70米的巨大天线组成。后来用于旅行者号信号接收的3个主要站点，分别为“戈尔德斯通深空站”（Goldstone View）、“马德里深空站”（Madrid View）以及“堪培拉深空站”（Canberra View）。如上图所示，这3个站点在经度方面分布均匀，可以避免因地球自转而产生的“通信盲区”，从而实现与旅行者号全天24小时的不间断通信。
深空网络3个天线站位置（图片来源：NASA）
旅行者号之后，还有新的继任者吗？
绝大多数卫星计划都是集中于几个AU（天文单位，等于1个日地距离）以内的内日球层探测，少数飞船在圆满完成既定的行星探索任务之后，会踏上了星际探索的征程。例如2006年1月，新视野号（New Horizons）发射升空，科学目标是对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体进行探测，预计将于2038年飞临日球层边缘。然而，这些都不是专门针对太阳边际探测的科学卫星计划，其轨道设计、载荷配置在进行拓展任务时都有很大的局限性。
近年来，中国科学家正在论证太阳边际探测的重要性和可行性，欧洲最近也提案了新的太阳边际探测器计划。今年3月，全国政协常委、中国探月工程总设计师吴伟仁在接受中新社记者采访时表示，中国正在组织专家深化论证太阳系边际探测方案，计划于2049年实现100个AU，也就是150亿千米远的深空探测。
“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”自古以来，仰望星空，人类对于宇宙的好奇心是代代相传、无穷无尽的。通过回顾飞行时间超过45年、飞行距离超过200亿千米的旅行者号飞船，我们再一次体会到了人类探索太空的初心和决心，空间科学和空间技术的完美结合。展望明天，人类注定将走出地球母亲的怀抱，望向更深更远的宇宙空间，发现越来越多的星辰奥秘。
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