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哪个航天器飞得最快?

我们是中科院主管、科学出版社主办,与日本知名科普杂志Newton版权合作的一本综合性科普月刊。



前两天(812日)发射的的帕克号(Parker)太阳探测器,被许多报道称为是历史上最快的航天器。不过,如果仔细分析的话,最快航天器的桂冠目前还不能戴到帕克号身上。

 

所谓帕克号最快,说的是它在飞抵距太阳约600万千米(约4倍太阳直径)的日冕区域时,速度将达到200000米/秒(相对太阳速度)。不过,帕克号首次飞掠近日点将会在今年11月初。而在目前,帕克号离冠军宝座还有不短的距离。


以“接触太阳”为目标的帕克号

 

到今天为止,人类最快的航天器是1974年发射的太阳神1号探测器(Helios-1),它在198012月时达到96200/秒的相对地球速度。不过,它的姊妹探测器太阳神2号(Helios-2)在19891月曾经达到过98900/秒的相对地球速度,但那时它已经停止运行10年,不再能称为航天器了。


太阳神号是最早尝试接近太阳的航天器之一

 

但是,这样的比较对于很多航天器而言并不公平。因为在太阳系中,所有物体都要受到强大的太阳引力的作用。如果向地球轨道以内发射,则航天器能借助太阳引力加速。如果向地球轨道以外发射,则需要克服太阳引力的拖拽。在人类向外发射的航天器中,速度最快的是朱诺号(Juno)木星探测器。在201674日进入木星轨道时,朱诺号相对于地球的最高速度达到了75000/秒。


朱诺号是使用太阳能作为能源的航天器中距离太阳最远的

 

然而,朱诺号的高速得益于进入轨道时木星引力对其的加速。换句话说,它在宇宙中飞行的速度远远没有那么高。由于太阳的吸引,所有飞往地球轨道以外的航天器在宇宙中的速度都在不断衰减,并非是一个定值。


新视野号由宇宙神5型运载火箭于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空,它史上最快的发射速度得益于5颗固态助推器和额外增加的第三级火箭,以及仅有478千克的发射质量。相比之下,朱诺号的起飞质量为3625千克。

 

那么,如果只考虑从地球发射时的速度,最快航天器的桂冠当属志在探索冥王星和柯伊伯带天体的新视野号(New Horizons)探测器,它在2006119日发射时的速度高达16260/秒,与能脱离太阳引力的逃逸速度或者说第三宇宙速度(16700/秒)非常接近。在途中借助木星引力加速后,新视野号最终将离开太阳系而飞往群星。

 

到目前为止,人类发射的航天器中超过太阳逃逸速度的只有5艘,分别是旅行者1号、2号,先驱者10号、11号以及新视野号,它们最终将前往星际空间。

 

不过,在赶往宇宙的速度上,新视野号还需让位给旅行者1号(Voyager 1)探测器。这位197795日离开地球的老兵在途中借助木星和土星的引力弹弓效应,目前相对太阳的速度为16991/秒,它的姊妹探测器旅行者2号(Voyager 1)以15361/秒的速度位列第二,14252/秒的新视野号位居第三。旅行者2号经过了木星、土星、天王星的三次加速,但为观测海卫一而损失了一些速度。目前,仍在正常运行的旅行者1号已经离开地球19.1光时(207亿千米)。在2012年时,它突破了太阳风的边界,进入了星际空间。


为什么新视野号的发射速度更快,但却赶不上旅行者呢?这是因为新视野只利用了木星的引力加速,而旅行者号得益于1751遇的“伟大航路”,得以同时借助了木星、土星与天王星(仅2号)的引力来加速。



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《科学世界》2018年08期 霍金的宇宙学 

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