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旅行者 1 号飞出太阳系了,它是如何和地球联系的呢?

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旅行者 1 号飞出太阳系了,它是如何和地球联系的呢?

2024-06-24 13:39:51

旅行者一号已经飞出了太阳系,跑这么远了,是如何和地球进行联系的呢?

  1. 人类通过什么来控制它的运动方向?
  2. 拍摄的照片如何传输回来? 为什么在 36 年前的时候就有了这么高的技术水平?
  3. 现在可知旅行者一号距离我们 17 个小时,地球与旅行者号来回进行信息传输至少有 34 个小时的延迟,那么人类通过什么使旅行者号有效规避危险和改变运行轨迹呢?
  4. 太阳系真的有那么空旷?太空中所有星体的运动真的都如此有序?旅行者号真的不会遇到不可测的危险(比如宇宙尘埃)吗?

题主可以先看看wiki条目

旅行者1号

然后回答问题:

1.在行星探索阶段,事先计划好航向,通过微调+行星引力控制方向;现阶段,闷头飞就是了,不用管方向了。

2.它自身装备的天线,通过无线电波和地球联系。

中间的圆盘:High-Gain Antenna,高增益天线。

传回信号的时候,需要地面控制探测器姿态,让天线对准地球。其他杂七杂八的东西都是各种具体的探测器。


至于36年前的水平,一是因为着急,“幸运的是,这次任务刚巧碰上了176年一遇的行星几何排列……”;二是因为冷战特殊时期举国上下玩航天花钱不眨眼。技术也要有钱才能实现,后续发射的有些探测器的指标还不如旅行者1号,就是因为资金有限。

而且,在旅行者1号之前,二战结束后的50年代和60年代,美苏两国已经进行了大量太空探测器的实验,二战时期储备的理论纷纷运用到工程实践里,不是凭空冒出来的。

太陽系探測器列表

另外,不排除旅行者的主机一直在升级的可能。好奇号着陆之后第一件事不就是重启升级固件么……之前的伽利略号(好像是),飞到一半发现天线没有正确展开,大概意思就是本来设计的是100M的宽带瞬间变56k的拨号,也就是意味着拍的照片直到探测器报废了也传不回来,地球科学家只好让它先硬着头皮飞。这段时间里,地球上的宅男们为了看美女图,发明了jpg格式……NASA一看高兴了,不用传raw了,给探测器的主机写了个图片压缩的程序,用无线电biu给探测器升级安装,到时候拍照完了压缩一下再往地球传即可。信息论可不是70年代才发展出来的科学。

技术是一直在升级更新的。在旅行者之前,先驱号一度是飞离地球最远的人造物体,只不过后来先是和地球失去联系,再被旅行者赶超……后浪拍前浪啊。

现在的科技水平必然比70年代更先进,但不一定有资金支持这种“把钱往太空扔”的活动,而且目前的探测器更具功能性,研究目的和70年代不一样了。比如研究反物质的磁谱仪,这些团队的出来的成果也许远比把“人造飞行器biu出太阳系”意义更深远,但报道出来一般人不一定看得懂,也不感兴趣。

前面已经有人将飞行过程和路径介绍了,我这稍微说下其他的

照片及信号传输的问题

旅行者1号的天线直径是3.7米,对于一个探测器来说这是相当大的天线了,与之对应的,地球上使用的是直径37米的天线接收和发射信号,而且旅行者1号电台发射频率在8GHz波段,这是一个干扰相对较小的波段,所以即便旅行者1号的电台功率只有23瓦,但是地球上仍然可以接受得到信号(相比于接收,向旅行者1号发送信号的难度要大得多得多),只不过这个信号已经相当相当微弱了,在波形中只是一个小小的脉冲信号。

能源问题

旅行者1号使用的是放射性同位素电池,Pu-238的半衰期长达89.6年,所以在相当长的一段时间内,旅行者1号依然会继续向着地球孤独地发出那微弱的信号,直到电池用尽,当然即便电池耗尽,它依然会在太空中向前漫游

关于旅行者号有兴趣的可以看下BBC的纪录片

旅行者号:冲出太阳系 Voyager: To the Final Frontier

逐一回答楼主的问题:

0.没有飞出太阳系,广义的太阳系是指太阳能够影响到的区域,一般认为是Oort cloud 的边界,约50kAU(1AU是日地平均距离),在那个区域的途径的天体仍然能够受到太阳的摄动而被俘获。

1、人类通过什么来控制它的运动方向?

1.1当然是火箭发动机了

1.2人们会预设大致的轨道和大的变轨区间

1.3在探测完土星系之后,旅行者1号被改变了任务,没有奔向天王星了

2、拍摄的照片如何传输回来? 为什么在36年前的时候,就有这么高的技术水平?

2.1通信原理的理论我真的不想赘述了,照片都有其格式,调制到发射机上,通过旅行者号的高增益天线(那口锅)或中增益天线(冗余备份)朝地球方向发射,地球方面有更大的天线阵(70m)来接受,再解调。

2.2航天技术使用的一般是成熟可靠的技术而不是所谓的未得到充分实践尖端技术,航天首要保证的可靠性而非指标,诸如目前航天所用的最先进的计算机民用都会不屑一顾。上述图片的传输速率是1.4kb/s,体会一下用这个速率传照片,这还不包括校验码之类的

2.3有些技术实际上是后补的,例如,与飞的距离地球越远的探测器通信需要更大的天线阵,因此后来NASA和ESA做了70m天线阵的深空探测网络(DSN)如下图


问题3呢,你这是要逼死处女座的节奏啊,还是剔除处女座答题的方式


4、现在可知旅行者一号距离我们17光小时,地球与旅行者号来回进行信息传输至少有34个小时的延迟,那么人类通过什么使旅行者号有效规避危险和改变运行轨迹呢?

4.1报废拉倒反正任务完成的差不多了,现在的能量也仅够维持少数设备了,用不了多久就该全部关闭了

4.2那么空旷的地方飞就是了,有危险也就算了,本来目前仅仅是用来多获得一些星际空间的资料,过不了几年想管都管不了,就关机了(因为采用核电池作为能源,而核电池所能提供的能量会越来越少,参考元素衰变的相关资料,当所能提供的能量不足以维持基本需求时只能关机)

4.3旅行者号携带的燃料也有限,用完就没了,想变轨都不成

5、太阳系真的有那么空旷?太空中所有星体的运动真的都如此有序?旅行者号真的不会遇到不可测的危险(比如宇宙尘埃)吗?

5.1太阳系真的很空旷,如下图,你能看到什么,那些点画的太大了,实际上早就被淹没了

5.2哪里哪里,世间唯一不变的就是在变化,当然这些变化从天文学的时间尺度才会很明显,比如月球离我们越来越远。太阳系有众多小天体,太阳系外层(指Oort cloud)又会有一些天体收到某些摄动,因此大行星的公转自转周期,轨道等一直在不短变化。

5.2.1人为原因也会造成改变,最明显的就是之前提到的行星引力加速Gravity assist就会改变探测器和行星的轨道和速度,不过由于动量守恒,即质量m和速度v的乘积的矢量和不变。而行星的质量远大于探测器的质量,因此探测器会得到加速或减速,而行星的变化不明显。值得一提的是地球也被用于作为行星引力加速的天体。

5.3一直在承受宇宙射线,尤其是太阳风。不过没关系,好的设备都关了,过不了几年就会因为能源匮乏而处于完全关闭状态了。

详情可以参考以下维基条目:

NASA Deep Space Network

Solar system

Voyage 1

高赞的回答已经说的很详细了。

我只想补充几句话:对于旅行者1号,离开土星系统时候,主要任务就完成了。剩下的每一点收获都是额外的“馈赠”。

也就是说,旅行者一号原本只被设计用来飞海王星,中途改变任务之后,飞离土星之后就算它立即报废,也无所谓了。

危险?控制?拍摄完 蓝色暗点 之后,旅行者一号处于能用一天是一天,可能明天就失联了也正常的情况。根本不控制也不能控制方向了。

2020年到2025年左右吧,旅行者一号核能电池消耗光之后,就会失联。

当然,那个时代的电脑比现代简单得多,元器件集成度也小得多,所以反而耐恶劣环境更厉害。真的是工程奇迹。

现在基本是今天早上对着旅行者一号喊一句在不在?第二天晚上回话 还活着! 的状态了。

不远的将来,这句回话也会永远消失。


2017.1.14补充:

忘了是JPL还是NASA,最近对旅行者一号上面4个辅助发动机进行了一次10ms的点火测试,居然全部成功!!厉害!

虽然几乎一点燃料没有,只是测试一下发动机。。

旅行者1号已经飞行了43年,但是还没有飞出太阳系。由于距离遥远,目前没有技术能够监视它的飞行画面,只能通过无线电波与它保持联系。人类与它最后一次互动,是在2017年11月28日,工程师下达指令,修正了它的航线。



旅行者1号是美国宇航局于1977年发射的外太阳系探测器,目前已经朝着深空连续飞行了43年。旅行者1号还有一个兄弟叫做旅行者2号,也是在1977年升空的。旅行者1号利用引力弹弓效应成功加速至第三宇宙速度(16.7千米每秒),比旅行者2号快10%,成为人类历史上飞行速度最快的探测器之一。它于2014年穿越了太阳风层顶,但还在太阳引力的控制范围之内。即使这样,它仍然是人类有史以来飞得最远的探测器。



旅行者1号利用钚的放射性能量来发电,简单来说就是核电池,可以用好几十年。不过,据科学家估计,旅行者1号的电力将在2020年消耗殆尽。乐观估计,还能坚持到2025年。旅行者1号在这漫长的旅途中,为人类传回了大量的科研数据。还携带了一枚镀金铝质碟片,充当地球人的信使。

如下图所示,为了节约宝贵的能源,旅行者1号进行了一系列省电操作。正是工程师的这些操作,使得旅行者1号在发射升空40年后仍然能够与地球保持联系。



为了能够与地球保持联系,旅行者1号在设计之初,就建造了一个口径3.7米的大锅,那口大锅就是接收和发送信号的高增益天线。并且携带了精度非常高的陀螺仪,可以用来修正天线的方向,即使在非常遥远的距离也能对准地球。



上图为旅行者1号的主要结构概况。

截至2019年10月,旅行者1号距离太阳大约211亿公里。光在真空中每秒大约传播30万千米,无线电波也是这个速度。光从太阳表面到达地球大约需要8分钟,而人类与旅行者1号的距离已经十分遥远,目前信号往返一次大约需要40多个小时。这种由于空间距离遥远而产生的延迟,目前是无法解决的。



旅行者1号的信号功率有限,仅有20瓦,随着距离变得越来越远,地球上能够接收到的信号也越来越弱。好在,美国宇航局(NASA)从上世纪60年代就建造了一个极其强大的信号接收系统,叫做深空网络,主要用于星际通信。该信号接收系统隶属于美国宇航局所属的喷气推进实验室。

深空网络(DSN)是一个支持星际无线电通信和射电天文学观测的全球性天线网络,它是世界上最大和最敏感的通信系统,由一系列天线阵列组成,单个天线的直径可达70米,比在地面接收卫星电视信号的室外天线(卫星锅)大的多。



目前,深空网络由三处呈120度分布的通信设施组成,分别位于美国加州、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉,这种安排可以避开地球自转的影响。



因为距离太遥远,地球上发出的信号要经过20个小时才能被旅行者1号接收到,旅行者1号收到信号后,回复也要经过20个小时才能被地球上的人接收到。即使到现在,也没有任何技术可以改善这个问题。



信号在传输的过程中会发生衰减,传输距离越远,衰减越厉害,因此旅行者1号采用了2.3GHz~8.4GHz的高频信号与人类通信,深空网络使用的则是2.1GHz信号。旅行者1号采用的是模拟信号,相比于数字信号,信号在传输过程中还会受到很大干扰。为了保证数据传输的准确性,旅行者1号使用了大量纠错技术。

因此,旅行者1号每秒钟只能传输几个字节的有效数据,一张1MB(1024千字节)的照片就需要传输近半个月时间。旅行者1号携带了一个64KB的磁带存储器,当数据无法及时传回地球时,就会将数据记录下来。总体上来说,旅行者1号的数据传输速率极慢。



在2017年人类最后一次与旅行者1号互动后,目前人类与旅行者1号基本上处于半失联状态,很久才能收到旅行者1号发来的信息,在2025年后就彻底失去联系了。之后,旅行者1号将孤独地向银河系中心飞去,成为宇宙中的漂流瓶。以当前的速度,旅行者1号到达距离地球最近的恒星系统,就需要4万多年的时间。

我国如果要发射这样的探测器,也需要这样一个深空通信系统。即使到了现在,星际通信的数据传输速率依旧较慢,普通人要是用这么慢的速率上网会抓狂的。

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