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41年飞了217亿公里!旅行者一号究竟用什么做动力?

1977年发射的旅行者一号探测器已经和地球相距217亿公里,相当于地球和太阳距离的145倍,NASA深空网络(DSN)和它通讯一次的时间超过40个小时。旅行者一号的飞行速度达到每小时55,000公里,如果不算离太阳最近,占据先天优势的帕克号(时速24.7万公里),它是迄今为止人类制造的飞得最远,速度最快的飞行器。

那么旅行者一号究竟用什么做动力,才能跨越如此遥远的距离呢?

我们都知道火箭上天需要消耗大量的燃料,随着载荷的增加,所需燃料也成指数级增长,这就是航天领域人人闻之色变的“火箭方程暴政”。为了对抗大自然的“残暴统治”,科学家想出了一个巧妙的法子——飞船在进入太空之后,逐渐靠近某个星球,借助它的引力将自己像链球一样远远地抛出去,这样不花一分钱就获得了相当可观的加速度。如果一次借力速度还不够,那就再借第二次、第三次——这被称为引力弹弓效应。

上世纪70年代,科学家敏锐地注意到九大行星中的气体巨人——木星,土星,天王星和海王星正在向太阳系同一侧靠拢,这种罕见的行星排布176年才会出现一次,是利用行星引力做跳板,依次拜访四位太阳系老大哥的绝佳机会。NASA于是推出“壮丽旅程(Grand Tour)”计划,旅行者二号和旅行者一号相继升空。

当时科学家并没有打算让两个探测器飞出太阳系,只制定了探索土星和木星的“小目标”。受载荷限制,执行发射任务的泰坦Ⅲ型火箭给它们留的燃料只够飞到木星。好在两位旅行者不负众望,成功飞掠木星,借助木星的引力,它们的速度由10公里/秒提升至25公里/秒,远远超过第三宇宙速度,飞掠土星之后速度更是达到惊人的45公里/秒。

从下面这张图片我们可以看到旅行者二号先后四次利用引力弹弓效应,每次都和运动员磕了药一样速度暴增。

1980年11月,旅行者一号在相继考察木星、土星和土卫六之后,飞行轨迹已经偏离太阳系黄道面,无奈之下只好结束自己的外太阳系之旅,留下旅行者二号孤身一人完成探索四颗气态巨行星的壮举。

当然,除了借助引力弹弓之外,探测器本身还得有能量进行变轨和姿态调整。旅行者一号和二号都配备了用钚-238做燃料的同位素热电机。这是一种神奇的放射性同位素,半衰期长达88年,以氧化钚状态存在时极为坚固,熔点高达2700℃,对环境没有任何污染,甚至经历航天事故还能再次回收利用。飞行器只需携带几公斤氧化钚,将它自然衰变产生的热量转化为电能,就能在漫长的太空之旅获得源源不绝的能量。NASA科学家估计,旅行者探测器的能量在2025年左右才会完全耗尽,到那时它们还没失灵的仪器将逐一关闭,在一片寂静之中继续自己的航程。

接近半个世纪过去了,两位旅行者的孤独探索还在继续,它们的经历早已超越了人们最狂野的想象,甚至比很多科幻小说的情节还要匪夷所思。在地球文明化为一片废墟之后,它们作为人类在宇宙中曾经存在的唯一证明,或许还将漂泊数亿年。

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