無人空間探測器是如何在太空中導航的?

2020-12-06 天文在線

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你可能已經知道,旅行者1號是在太空中走得最遠的人造物體,由美國宇航局於1977年發射,於2012年穿越太陽頂,成為第一個進入星際介質的太空探測器。截至2017年10月6日,它已經運行了40年零1個月。1977年,另一艘太空探測器「旅行者2號」也發射升空,至今仍是唯一一艘訪問過兩顆冰巨星的宇宙飛船。

圖解:在1977年8月20日,由泰坦三E運載火箭/半人馬座火箭發射升空的旅行者2號。

圖解:繪圖顯示旅行者2號針對其離太陽的距離的日心速度,說明利用木星,土星和天王星的重力協助,以加速飛船。為了觀察海衛一(TRITON),「旅行者2號」越過海王星北極導致增加在出黃道平面的速度和減少遠離太陽的速度。

還有一些其他的太空探測器已經到達或即將到達太陽系的「邊界」,這段距離正如你能想像到的遙遠。太空探測器是機器的太空飛行器,這意味著船上並沒有人類。因此,這類太空探測器自然是由地面上受過訓練的「太空」人員組成的專門單位來指導的。

太空中的旅行者1號

與遠距離空間探測器的通信

正如前面所提到的,這些空間探測器一直在遠離地球飛行,現在已距離地球數百萬英裡。即便如此,我們也能夠通過無線電波與這些空間探測器通信,無線電波是一種電磁輻射,因此可以以光速傳播。

也就是說,就像太陽的光需要8分鐘到達地球一樣,來自太空探測器的無線電信號也需要一定的時間。例如,截至今天,來自旅行者1號的信號大約需要20個小時才能到達地球!

圖解:NASA噴氣推進實驗室前主任,愛德華·C·斯通,站在旅行者1號模型前

現在,我們知道空間探測器是由地球上的地面系統控制的,我們也知道,我們發送的信號幾乎需要一天才能到達這些探測器。考慮到這一點,如果存在如此巨大的輸入滯後,空間探測器是如何引導或校正的?

圖解:從1號航海家發出的信號到達地球需要將近一天的時間

太空大部分是空的

電影和電視節目經常會讓人覺得,宇宙飛船需要避開密集的小行星網絡和其他危險的、擁擠的天體群,但事實上,大部分的太空都是空的。

太空探測器並不需要在相鄰天體之間的緊密空間中航行,也從不與任何天體距離太近,避免受到天體引力的影響。

圖解:先驅者H號空間探測器

太空探測器的路線是可預測的

天文學家和太空人員投入大量精力(數月甚至數年)來設計太空探測器大致的路程。因為他們知道我們太陽系許多天體的相對位置,所以他們使用大量的計算來確定太空探測器的路線,以及可能會遇到的意外。

天文學家準確地知道他們的太空探測器所遵循的路徑,這樣他們就可以提前預測探測器與其他物體的相遇。假設天文學家觀察到一顆彗星正在接近他們的探測器。由於這種彗星和其他天體通常是在離探測器數千英裡遠的地方就被探測到了,所以地面人員有足夠的時間來調整探測器的航向,保證探測器不會受到其他物體的影響飛行。

圖解:NASA的工作人員在卡納維拉爾角市的發射控制中心工作,有一個專門小組不斷監控探測器的「健康狀況」和路程。

這就是為什麼20小時的輸入延遲對於引導像旅行者1號和旅行者2號這樣的太空探測器來說不是一個問題。然而,如果一個太空探測器確實遇到了一個突然出現在稀薄空氣中的物體,那麼輸入延遲20小時肯定會引起關注!

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.sciabc-董美慧

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