距離地球242億公里,旅行者1號飛了46年,為什麼還能和地球通訊?

2023-10-27     魅力科學君

原標題:距離地球242億公里,旅行者1號飛了46年,為什麼還能和地球通訊?

旅行者1號(Voyager 1)是迄今為止飛得最遠的探測器,該探測器於1977年9月5日發射升空,在接下來的時間裡,它連續利用了木星、土星等巨行星的引力助推,進而獲得了足以擺脫太陽引力束縛的速度,在此之後,它就一直在向宇宙深空前進,如果不出意外的話,在遙遠的未來,它就可以飛出太陽系。

就目前的情況來看,旅行者1號已經飛了46年的時間,它當前的位置距離地球大約242億公里,這大概相當於日地平均距離的162倍,對於我們人類來講,這樣的距離可以說是非常遙遠了。令人驚訝的是,這個探測器仍然與地球保持著聯繫,那麼問題就來了,在這麼遠的位置上,它為什麼還能和地球通訊呢?

是使用了什麼「黑科技」嗎?其實並不是。實際上,旅行者1號使用的其實就是常見的無線電通訊技術,它的通訊系統包括數據機、編碼器、解碼器、數據處理器以及發射、接收裝置,為了儘量增加有效通訊距離以及保證無線電信號傳輸的成功率,它配備一個直徑高達3.7米的高增益天線,並使用了無線電干擾很小的8GHz發射頻段。

旅行者1號的導航系統主要由慣性測量單元(IMU)、恆星追蹤器(star sensor)和飛行數據子系統(FDS)組成。

其中慣性測量單元配有高精度的陀螺儀和加速度計,可以實時感知旅行者1號的姿態和加速度,恆星追蹤器可以通過觀測一些位置和亮度相對固定的恆星,進而確定旅行者1號的方向,飛行數據子系統則可以根據前兩者的數據來控制旅行者1號的姿態,進而保證高增益天線在與地球通訊時一直對準地球。

儘管旅行者1號採用了當時最先進的無線電通訊設備,但它發射的無線電信號的強度卻是有限的,隨著與地球距離的不斷增加,它發射的信號也會變得越來越微弱,就目前的情況來看,當旅行者1號發出的信號經過242億公里的傳播抵達地球時,其強度已經低至大約500萬億億分1瓦。

如此微弱的無線電信號是用什麼接收的呢?答案就是「深空網絡」(Deep Space Network, 簡稱DSN)。

「深空網絡」是由NASA建立的全球性太空通訊地面站網絡系統,它主要用於與遠離地球的太空探測器進行通訊和數據傳輸,該系統由三個站點組成,它們分別是位於美國加利福尼亞州的「戈爾德斯通深空站」(Goldstone View)、位於西班牙馬德里附近的「馬德里深空站」(Madrid View)、位於澳大利亞坎培拉附近的「坎培拉深空站」(Canberra View)。

這三個站點在地球上的位置大約相隔120度(經度),這樣就可以保證在地球自轉的過程中,總有一個站點可以與太空探測器保持聯繫,它們都配備了多個大型拋物面天線(其中最大的直徑可達70米左右),可以接收極為微弱的無線電信號,也能夠向宇宙深空發射功率超過1萬瓦的無線電信號,這樣就可以確保那些遙遠的太空探測器可以接收到,其中當然也包括旅行者1號。

正是有了「深空網絡」的支持,旅行者1號才能在距離地球242億公里的位置上和地球通訊,當然了,這樣的情況也只是暫時,可以想像的是,隨著時間的流逝,旅行者1號與地球的距離還會不斷增加,其發出的無線電信號也會繼續減弱,在這樣的情況下,它遲早會與地球失聯。

另一方面來講,旅行者1號的能源也是有限的,它使用的是3塊「核電池」,其原理是利用鈽-238的自然衰變產生的熱量,通過熱電效應產生電能。根據NASA的估算,在2025年的時候,旅行者1號的能源就會消耗殆盡,在此之後,它就會永遠地與地球失去聯繫,從此孤單地在茫茫的宇宙空間中漂泊。

值得一提的是,旅行者1號還攜帶了一張銅質鍍金雷射唱片,上面記錄著很多有關地球的信息,從理論來講,這些信息可以保存上億年的時間,或許在很久很久之後,有一個外星文明會發現它,進而知道我們人類文明的存在。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/8882b25d577d056507c459769247004f.html