43年飞行223亿公里，“旅行者一号”的动力来自哪里？
怪奇菌2020-06-08 18:33
本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。
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。
下图能够看到旅行者二号利用了四次引力弹弓，速度一次比一次快。
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（RTG），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。
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