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NASA:旅行者2號或可能失聯!人類最遠的宇宙探測器要終結了嗎?
2023/08/03

想象一下,有一天女友突然給你甩臉子,聯系幾個小時信息不回電話不接,你會焦慮萬分嗎?

這不,迄今為止距離人類最遠的「女友」旅行者2號,「離家出走」不但超過了199億公里,而且近期似乎又在「賭氣」,連一點音訊都沒有了。

「終極舔狗」NASA,最近幾天用盡一切辦法,想要跟旅行者2號重新恢復聯系,但高冷無比的「女神」就是不搭理舔狗的呼喚。為此NASA只能靜靜等待。

那麼,地球和旅行者2號是否能重新恢復聯系?旅行者2號已經持續了46年之久的離家出走,又是從哪里獲取源源不斷地動力?女神離家越來越遠,為何能始終和地球保持聯系呢?

旅行者2號經常失聯,但問題不嚴重

這次和旅行者2號失去聯系,其實是NASA手欠造成的。

上個月的21日,地面監控人員像往常一樣跟旅行者2號聯系的時候, 不小心發出了一串錯誤的指令。

本來旅行者2號跟地球保持通訊,靠的是自身天線始終指向地球,無奈控制人員的指令,導致它的天線偏離指向2度。于是乎,接下來不管地面人員如何呼喚,旅行者2號都杳無音訊了。

焦急的不光是地球上的人,旅行者2號也著急,因為它現在發出的任何信息,地球上的人同樣也接收不到。

雖然現在失聯了,但NASA還遠沒有焦慮到失控的地步,因為通訊會重新恢復。原來在旅行者2號離家之前,它就具備自動校準功能,可以確定自己的方位,還可以將偏離的天線再次指向地球,就好比是一種重置機制。

根據旅行者2號每次自動校準時間推算,最快要到10月15日,它才能再次將天線對準地球,到那個時候,NASA才能恢復和女神的通信,想必前者到時候一定會因為自己手欠的行為而向女神道歉的。

這次失聯其實不算事兒,以往很多次失聯,情況要比現在嚴重的多,遠不是校準一下方向就能解決問題的。

比如2020年,因為用電過度,旅行者2號曾與地球失聯整整8個月。上面的一個故障,導致兩個系統耗電運行,旅行者2號上有預編程序,它檢測出了風險并在隨后開啟了自我保護模式。

隨后,地面上的工作人員想盡辦法關掉了耗電的程序,并最終重啟了旅行者2號的其他儀器。彼時,旅行者2號距離地球已經達到了187億公里,與地球上每進行一次成功的聯絡都要超17小時,這是因為距離太遠,信息存在延遲。

為了能盡快恢復聯系,NASA當年升級了與旅行者2號保持聯絡的深空探測站。最終在2020年的10月30日,經過了34小時48分鐘的等待后,地面的監控人員終于收到了旅行者2號發來的「你好」問候,這表明和它的通信重新恢復,旅行者2號運行一切良好。

如此之遠的距離,人們可能回想,在四十多年的時間里,是什麼在給旅行者2號提供源源不斷地動能?是太陽能?亦或是行星恒星的引力?其實,這些都不是旅行者2號真正的動力源。

旅行者2號的動力是核衰變

在不少人的想象中,太陽作為恒星,或許能夠為旅行者2號提供動能。但這僅僅是想象,事實上根本做不到。

截至到2018年的時候,旅行者2號發回地球信息所需的時長達到了16.5小時,而同樣的信號傳輸,從地球傳送到太陽只需要8分鐘。試想在如此之遠的距離下,太陽光又如何給旅行者2號提供動能呢。

除了恒星光能之外,不少人把星球的引力也想象的過于大了。在太陽系內的時候,旅行者2號接近某個行星,確實會因為引力的作用使其產生運動力,但這種作用極其有限,同樣會隨著旅行者2號進入星際空間而不存在。

說來說去,旅行者2號能進行長達幾十年的星際旅行,還是需要自身具備動力。它的動力,就是自身攜帶的核電池提供的。這種核電池被稱為放射性同位素熱電機,是一種利用核衰變來產生熱能的發電裝置。

日常生活中大眾理解的核能,通常都是核裂變反應而產生的巨大能量,比如原子彈爆炸,核電站發電。但實際上,核衰變的過程,也可以持續產生能量。

核裂變的能量釋放十分劇烈,相比之下核衰變產生的能量則持續而穩定。钚238衰變時,其表面的溫度能夠達到600攝氏度。福島核電站發生事故后,之所以要想盡一切辦法重建冷卻系統,就是為了防備核燃料衰變產生的熱能。

利用核衰變的特性,以美國和蘇聯為主的科學家,從上世紀五十年代開始,逐步掌握了核電池制造技術。

上世紀六七十年代,美國發射的包括旅行者2號在內的一系列衛星和探測器,上面都搭載了核電池作為電源。這就是四十多年來,旅行者2號能持續飛行的根本原因。

在此之后,科學家持續對核電池進行完善和改造。密蘇里大學的一個科研團隊,曾成功將核電池的體積進一步縮小。他們研發出來的核電池,直徑為1.95厘米,厚度只有1.55毫米,別看這玩意兒很小,但是它輸出的電能,是普通蓄電池的100萬倍之多。

人們可能會想,有折麼好的技術,為何不運用到民用領域呢,比如核電池手機,一輩子不用充電。想法不錯,可一旦發生核泄漏,其造成的危害比它提供的那點能量要大多了。

1964年,美國發射「子午儀」導航衛星,過程中核電池燒毀,钚238從大氣層擴散到了全球。同樣是美國,在1968年發射一顆氣象衛星,核電池更是直接掉到了地球上。好在掉落的地點是一處人跡罕至的海峽,軍方隨后又將核電池打撈回收了。

我國自上世紀七十年代起,也在自主研發核電池。以釙210為燃料的核電池,于1971年3月研制成功。钚238為燃料的核電池,在2006年研制成功。後來發射的嫦娥3號探測器,提供動力的正是核電池,我國由此成為第三個能將核動力應用于太空探測的國家。

在核電池研制領域,各國依舊沒有停止探索的步伐。2019年,英國的一個科研團隊,利用稀有元素镅成功發電。未來若能應用到太空探測領域,其提供的動能可以使探測器持續飛行400年。

核電池的持續推動下,旅行者2號在2018年飛出了日光層,也就是俗稱的太陽氣泡。如今它距離地球已達到了199億公里。另一個探測器旅行者1號相對較遠,距離已達到了240億公里。

雖然距離如此之遠,而且與地球單次聯系所需時間也已達到了17小時以上,但只要系統運轉正常,地面人員還是能和旅行者2號保持聯系,這就是核動能之外的另一項技術了。

與旅行者2號保持聯絡靠無線電技術

目前,地球上與太空衛星以及探測器聯系的方式,靠的是無線電技術。簡單來說,利用可跟蹤方向的拋物面雷達,而后在同一個信號頻段內,與所處太空的探測器進行信息交流。由于太空中的探測器位置在變化,地面上接受和發送信號的探測站點,也不能僅僅只有一個。

以美國為例,他們的深空探測站點遍布全球,已經形成了一個完整的深空探測網絡。NASA負責運用維護的深空探測站點,北端在挪威的斯瓦爾巴站,南端在南極洲的麥克默多站。其中負責跟旅行者2號保持常規聯絡的,則是位于澳大利亞的DSS-43號深空探測站。

這處站點在1972年就已建成,比旅行者2號的發射還要早5年。該站點的測控天線,直徑達到了76米,在遍布全球的深空測控站點中,它是最大的無線電天線之一。

目前,該類型探測站的無線電傳輸距離,可以達到260億公里。而隨著技術的不斷更新,比如升級雷達的功率,使用500口徑的球面射電望遠鏡,或者使用列陣射電望遠鏡,其通訊距離可以達到1000億公里。

2018年,43號深空探測站就進行過升級改造,所以目前和旅行者2號的無線電聯絡,在距離上還不成問題。

不過距離越遠,無線電信號會越發衰減,而且還會受到星際空間各種等離子體的干擾。所以多年來科學家也一直在設想新的對策。目前技術主要作用的方向,還是以增大發射功率、增強信號接收能力、保持電磁波信號穩定為主。

隨著我國的空間探測不斷向縱深發展,地面上的深空探測站點也在持續布網中。

2007年,深空探測站點在喀什和青島分別建成,并在隨后投入運行。2012年底,喀什以及國內最東端的佳木斯,再次建立新的深空探測站點。2014年,我國在阿根廷的拉斯拉哈斯市建設第一個海外深空探測站,該探測站點于2017年建成投入使用。目前,我國的深空探測網絡初步形成規模,對各類航天器的測控覆蓋率達到了90%以上。

從本質上來看,發射像旅行者2號這樣的深空探測器,需要解決的問題其實就兩點:第一是靠什麼動力飛行,第二就是如何跟地面保持聯系。目前來看,美國所掌握的技術,我國亦基本掌握,綜合水平在世界上處于前列。

回到旅行者2號與地面失聯這件事上,這只是探測器在持續飛行中的一個常規現象。只要不發生其他意外,兩個多月后校準天線方向,與地面的聯系就能重新恢復了。

旅行者2號持續向宇宙深處飛去,正好促進了各類技術的不斷升級。因此,這也算是科技發展的良性循環。

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