以太陽系為例。雖然太陽系有太陽和八大行星,但實際上它們的體積加起來只能占據太陽系的2%左右。不用說,“太空”二字名副其實。
而且不像我們在地面上的“地圖”,在太空飛行是壹個全三維的“空地圖”,太空中的各種障礙物和衛星都還在運動,穿越的難度恐怕可以做成遊戲。
那麽,那些探測器是如何實現這樣的“智能”,準確到達數億公裏外的目標的呢?人類有哪些秘密武器?
世界上最早的外太陽系無人太空探測器是美國的航海家1。它於1977年發射,並於1979年成功到達木星中心最近點,獲得了木星衛星、環、磁場、輻射帶等重要信息。
在木星訪問後,旅行者1繼續向土星出發,並在成功到達最近點後帶回了有關土星的信息,因此人們測量了土星的自轉周期和行星組成。
目前,旅行者1號仍在距離太陽2.24 10 10公裏處進行探測,是迄今為止距離地球最遠的人造物體。
之後,美國發射了旅行者2號,蘇聯也向月球、金星和火星發射了許多探測器。之後,日本、歐洲、中國和印度也加入了遙遠天體的行列。
說到他們是怎麽找到路的,其實離不開我們地球上的導航方式。我們壹般去壹個地方,要麽靠記憶中的路線,要麽靠手機上的導航記錄。最壞的情況是以顯眼的建築為標誌,甚至問路。
這些方法都離不開這幾項:當前位置、目的地、最優路徑計算。太空航行也是如此。壹個壹個說吧。
當前位置,即太空中的探測器如何確認自己的位置。在這壹點上,最實用的方法比大家想象的要原始得多,那就是航海和測繪用的六分儀。
六分儀長成扇形,包括壹個小望遠鏡、壹面地平鏡和壹面指示鏡。使用時緊貼眼眶,以太陽等顯眼的星星為參照物。
通過旋轉指標鏡,使梯子與海平面或地平面重合,然後讀取指標鏡上的高度角度,就可以輕松得到妳當前的經緯度。經過多年的發展,其誤差在之前不會超過0.2,在之後不會超過1。
雖然現在有各種無線電定位和衛星定位,但它仍然是劇組最可靠的幫手。太空的浩瀚和大海的浩瀚其實很像。只需稍加修改,六分儀就可以在太空中使用。這時候妳只需要鎖定壹顆顯眼的星星作為參照物,就可以大致知道自己的位置了。
除了六分儀,還有壹種可以知道自己位置的東西叫星敏感器。中國的田文壹號也裝載了我們自己的光學傳感器,分為光學導航和紅外導航。它可以遠距離成像,測量至少兩顆恒星的數據,從而在茫茫太空中建立壹個三軸參照物,確定自己的位置。
然後,知道自己在哪裏,下壹步就是目的地。
我們在手機上使用地圖時,往往只需要輸入目的地,它就會自動跳出“XX公裏外”的字樣,為我們選擇最佳路線。
在太空中可以這樣“輸入”目的地嗎?答案是肯定的。這些工作是幾百年前的物理學家做的,方法很多。
類似於在洞穴中測量蝙蝠距離的方法,向天體發射雷達波,記錄雷達波反射的時間,從而確定天體之間的距離。原理和操作都很簡單,精度可以達到厘米級,但只適用於太陽系的天體;
造父變星是變形的壹種,它的另壹個名字是我們熟悉的——脈沖變星。
脈沖星和脈沖變星就像是我們太空探索中的免費“燈塔”,但與普通脈沖星不同的是,它們的亮度是隨時間周期性變化的。通過測量它們的亮度和變化周期,可以確定目的地的相對距離,從而鎖定位置。這種方法可以應用於數百萬光年內的天體。
哈勃定律用壹句話來概括就是:恒星在逆行方向上的速度與它們離地球的距離成正比,也就是說只要測量速度,就可以立刻得到它們離地球的距離。這種方法在理論上是不可戰勝的,可以適用於所有天體。唯壹美中不足的是準確率低,這是壹種只會在萬不得已的情況下才會使用的方法。
現在,當前位置和目的地的問題已經解決,只需要壹條最優路徑。這裏有壹個問題:既然知道了線段的兩端,那麽沿著直線走不是很好嗎?
然而,由於空間環境的復雜性,我們實際上無法做到這壹點。有兩個原因:
其次,太空中充滿了各種未知的小星星和障礙物,直線全速前進很可能會發生意外。簡單來說,這些障礙物相當於我們道路上的樹木和建築,但它們甚至是在移動的,比地面上的環境還要惡劣。
其次,地球和目的地的天體都有自己的運動規律,會導致飛行距離的變化。以火星為例,其公轉周期是地球的1.9倍,這就導致了地球與火星距離的不穩定。最近只有5400萬公裏,但最遠的距離可以達到4億公裏。
4億!如果我們真的沿著這條路線走,恐怕我們的探測器會在半路前熄火。所以發射時要做好周密的路線規劃,甚至要選擇壹個“好日子”,否則下壹次發射的機會可能是幾十年、幾百年後。
所以探測器不僅要走安全的路,還要走捷徑。在這壹點上,人類不僅要根據各個星球的信息來規劃路線,還要依靠恒星的引力。旅行者1曾經帶著木星的引力,像彈弓壹樣“彈射”向土星方向。然後土星的引力使它飛到南極下方,離開黃道,奔向更遠的宇宙。
在這裏,我們回顧了現在所有的“秘密武器”,不外乎人類的智慧和技術,那麽讓我們展望未來——我們的北鬥有沒有可能不僅在地球上用作導航,還可以用作航天器的“燈塔”?如果不能,未來有沒有可能建立壹個專門用於太空導航的衛星系統?無論如何,人類腳下的太空之路終將越走越堅實,通向人類探索宇宙的終極之門。