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旅行者号技术(“旅行者一号”能够在43年飞行223亿公里)
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03-27
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摘要[db:Intro]
自人类有意识以来，就一直对浩瀚星空有着无限的好奇，幻想星河的对面有另一个广阔的世界。到了现代，先进的科学技术让幻想变成可现实，人类终于摆脱了地球的桎梏，第一次体会到了宇宙到来的震撼。
随着时间的不断推移，初入宇宙时的震撼慢慢转变成了对未知的好奇，各种探索宇宙的方法和发明相继出现，这其中就有著名的“旅行者一号”探测器。
截止2020年6月8日，1977年9月5日发射的旅行者一号已经在宇宙中默默飞行了快43年的时间。此时距离地球约223亿公里，和地球单程通讯需要20小时36分钟，飞行速度约为55000公里每小时。
如果不算占据天然优势的帕克太阳探测器（24.7万公里每小时），那么“旅行者一号”绝对是人类最快的飞行器，同时也是距离地球最远的飞行器。
那么“旅行者一号”凭什么能飞这么远呢？或者说它究竟使用了什么动力，以至于能够在宇宙中43年飞了223亿公里呢？我们都知道，火箭想要飞到宇宙中需要大量的燃料，所以随着火箭荷载的增加，所需要的燃料也在增加。
而化石燃料能量转化率很低，这也就意味着当火箭整体荷载到一定程度的时候，会出现即便将整个地球的化石能源都燃烧，也无法将它送出地球的情况。
为了跳出这个死循环，同时也为了让探测器能够飞得更远更快，科学家们想到了一个绝妙的方法，也就是飞船在进入宇宙之后，逐渐靠近某个引力稍大的星球，然后借助这个星球的引力将自己“抛”出去，就像人类扔链球一样。
采用这样的方法能够以极小的消耗，换取相当可观的加速度。更主要的是，如果抛一次不行，还可以继续换颗星球抛第二次、第三次。这种借力的方法被科学家们取了一个非常贴切的名字——引力弹弓。
20世纪70年代，科学家们发现太阳系外侧的四个行星——木星、土星、天王星以及海王星正在向太阳一侧靠拢，这种极为罕见的排列方式通常176年才会发生一次，而这个时候也是利用引力弹弓探索这四个行星绝好的机会。
为了不错过这次机会，NASA随即启动了“航海家计划”（Voyager program），旅行者一号和二号相继升空。
事实上，在最开始的时候科学家并未打算让旅行者一号和二号飞出太阳系，只是单纯的想让它们探测太阳系外侧四个行星，只是后来临发射的时候才想到将它们作为“地球名片”发射到宇宙深处，这才在它们身上放置了一些地球和人类的信息。
由于受到荷载的限制，将它们带入宇宙的泰坦Ⅲ型火箭并未给它们留很多的燃料，好在这两个探测器坚持飞到了木星，并利用木星的引力大大提高了飞行速度，以至于飞掠土星之后它们的速度已经达到了惊人的45公里/秒。
1980年11月，已经在宇宙中飞行了3年多的旅行者一号，在圆满完成了考察木星、土星等天体的科研任务之后，由于飞行轨迹的偏移，不得已结束了对太阳系外侧行星的勘探，转身朝着绚烂的宇宙深处飞去。
当然了，旅行者号们之所以能够飞得这么远和这么久，一方面得益于引力弹弓的帮助，另一方面在于使用了自身能量进行变轨和姿态修正。
而它们自身的能量都来自于一个使用了钚-238做燃料的同位素热电机，只要将钚-238衰变产生的热量转化为电能，那么就能够基本维持探测器的消耗。
值得一提的是，钚-238是一种有些奇特的放射性同位素，它的半衰期约为88年，不会对环境造成任何的污染，甚至具有极高的可回收性。正是因为具有这些特性，科学家们才最终选择了钚-238作为旅行者号的能源。
不过由于荷载极为严格，所以旅行者号们身上携带的钚-238大约只有几公斤。而根据NASA的推测，旅行者号目前剩余能量将会在2025年完全耗尽。
届时它身上携带的所有科学仪器将会全部关闭，并且彻底和地球失去联系，然后在孤独和寂寞中奔赴宇宙深处，成为人类文明在宇宙中存在过的证据之一。
旅行者1号是怎样向地球传递信息的呢？你可以讲讲吗？
旅行者1号已经飞行了43，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2017-11-28，工程师下达指令，修正了它的航线。
关于旅行者1号
旅行者1号是美国宇航局于1977发射的外太阳系探测器，目前已经朝着深空连续飞行了43。旅行者1号还有一个兄弟叫做旅行者2号，也是在1977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。不过，据科学家估计，旅行者1号的电力将在2020消耗殆尽。乐观估计，还能坚持到2025。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。
NASA的深空网络
截至2019-10，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。
极慢的通信速率
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。
结语
在2017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。
旅行者一号已经离开地球44年，至今距离我们有231.4亿公里，它是距离地球最远的人类造物，但却依然和我们保持着通讯。那么旅行者一号最远能够跑到哪里？又是怎么往地球传回数据的？
1977年，旅行者一号探测器发射升空，去探索太阳系内的宇宙空间，虽然已经过去了44年，但依然以每小时61000公里的速度在远离地球。而它之所以能够在231.4亿公里外接收和传递来自地球的数据，是因为地球会发出二十千瓦的无线电波信号传递到旅行者一号的位置。经过20多个小时的传递，这些信号会被旅行者上非常敏感的无线接收器接收，比如火星上的火星探测器，只需要大约15分钟就能将数据传回地球，而旅行者要想把自己拍摄的照片传回地球，更是一件麻烦的事情，发的无线电波经过长时间的传递到达地球后，信号的强度几乎无法检测。因此，虽然我们与旅行者之间的通讯非常的困难，但只要有足够敏感的接收器，还是可以接收到来自远方的信号。
为了接收来自太空的无线信号，在地球的三个方向都安装有专用的接收器，每个接收器都有一个高达70米的雷达，并且伴随着十几个30多米高的小型雷达，这些雷达组合起来就是一个非常强大的无线电波接收器，覆盖了整个地球，他们甚至能够接收到给我们常听的广播电台弱数千倍的信号。为了接收来自旅行者的信号，这些接收站每天都要花费好几个小时去监听太空信号。到目前为止，虽然联系断断续续，但是旅行者一号依然和我们之间存在着交流。
同时，40多年的不断航行，旅行者一号的核电池每天都在衰弱。在1990年，为了节省功率，科学家们关闭了旅行者一号的摄像功能，他在关闭前传回了最后一张照片，一张关于地球的照片。黑暗的宇宙空间里，红色像素中唯一的蓝色就是地球，渺小的就像是一个像素点。而他携带的11个科学仪器现在也只有四个在工作，用于收集太空中的电磁场、宇宙射线、太阳风暴等。
根据科学家们的计算，再过四到五年的时间，旅行者一号将会耗尽所有的能量，我们再也无法与他联系，也接收不到来自太空的信号，为人类探索宇宙，开拓视野的旅行者将彻底的淹没在浩瀚无垠的宇宙中。只是令人感到遗憾的是，即便飞了这么远的距离，旅行者一号也没有能够离开太阳系。
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