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探測器跨越幾億公裏抵達火星,茫茫太空中為什麽不會迷路?

在空曠的太空中,探測器為什麽不會迷路,而能準確降落到某個星球表面的指定地點呢?

以太陽系為例,太陽系雖然有太陽和八大行星,但其實它們的體積加起來其實只能占據太陽系的約2%,在太陽系以外更不用多說,“太空”二字,名副其實。

而且,和我們在地面上有“地圖”不同,在太空中飛行可是全三維的“空圖”,而且太空中的各種障礙物、衛星還在移動,跨越的難度恐怕都能做成壹款 遊戲 了。

那麽,那些探測器是如何做到如此“智能”,精準抵達幾億公裏以外目標的呢?人類究竟有什麽秘密武器?

世界上最早的無人外太陽系空間探測器是美國的旅行者1號,它背負著探測木星的任務,於1977年發射升空,並在1979年成功抵達木星中心349000公裏的最近點,獲得了關於木星的衛星、環、磁場、輻射帶等等重要情報。

在木星拜訪完以後,旅行者1號繼續出發,前往土星,並在成功抵達最近點後帶回了關於土星的情報,人們因此測得土星的自轉周期和星球構成。

目前,旅行者壹號仍然在距離太陽2.24 10^10公裏以外的位置繼續 探索 ,是迄今為止距離地球最遠的人造物體。

這之後,美國又派出了旅行者2號,蘇聯也發送了許多探測器到月球、金星、火星。這之後,日本、歐洲、中國、印度也陸續加入了遙遠天體探測的行列當中。

說到它們是怎麽找到路的,其實也離不開咱們地球上的導航方式。我們平時要去壹個地方,要麽依賴自己記憶當中的路線,要麽是依靠手機上的導航記錄,再不濟也以顯眼的建築物為標誌,甚至是問路。

而這些方式離不開這幾項: 當前位置、目的地、以及最優路徑計算。 太空導航也是這個道理,我們壹個壹個來說。

當前位置,也就是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得要原始很多,那就是航海和測繪中會用到的六分儀。

六分儀長成扇狀外形,包含壹個小望遠鏡,壹個地平鏡和壹個指標鏡,使用時緊貼眼眶,以太陽和其他顯眼星體為參照物。

通過轉動指標鏡,使得這個天梯和通海平面或地平面重合,再讀出指標鏡上的高度角,立即就能夠簡易得出自己當前所屬的經緯度。經過了多年的發展,它現在的誤差不會超過前不會超過0.2 ,後不會超過1 。

雖然現在已經有了各種無線電定位和衛星定位,但它依然是船員們最可靠的幫手。而太空的浩瀚和大海的廣闊其實非常相似,六分儀只需要稍加改造就可以在太空中同樣運用,這時候也只需要鎖定壹顆顯眼的星體作為參照物,就可以大致知曉自己的位置所在了。

除了六分儀,能了解自身位置的還有壹個東西叫作恒星敏感器,我國天問壹號上面也裝載了我們自主研發的光學敏感器,它分為光學導航和紅外導航兩種,能遠距離成像,並測定至少兩顆恒星的數據,從而在廣闊的太空中建立壹個三軸參照物,從而定下自身的位置。

那麽,自身所處的位置知道了,那下壹步就是目的地了。

我們在手機上使用地圖的時候,往往只需要輸入目的地,它就會自動跳出距離XX千米的字樣,並且為我們選出壹條最佳路線來。

在太空中也能這樣“輸入”目的地嗎?答案是可以的 。而這些工作,早在幾百年前的物理科學家當中就做出來了,方法也很多樣。

類似於蝙蝠在洞穴裏測定距離的方法,向天體發射雷達波,並記錄雷達波反射回來的時間,從而確定天體之間的距離。原理和操作都很簡單,精度最高可以達到厘米級,但只適用於太陽系內的天體;

造父變星是變形的壹種,它的另壹個稱呼我們比較熟悉——脈沖變星。

脈沖星和脈沖變星就像我們宇宙 探索 中免費的“燈塔”,不過和普通脈沖星不同的地方在於,它的亮度會隨時間發生周期性變化,通過測定它的亮度和變化周期,可以確定目的地的相對距離,從而鎖定位置,這種方法可以適用於幾百萬年光年以內的天體。

哈勃定律概括起來就是壹句話:星體在退行方向上的速度與它們和地球的距離成正比,也就是說只要測量該速度,就能立刻得出它們與地球的距離,這個方法在理論上是無敵的,可以適用於所有天體,唯壹美中不足的就是精準度比較低,是萬不得已時才會使用的方法。

現在,當前所在地和目的地的問題都解決了,就差壹條最優路徑了。這裏有個疑問:既然知道了線段的兩端,那麽按照直線前行不就好了嗎?

但迫於太空環境的復雜,我們其實是不能這樣做的。原因有二:

其次,太空中充斥著各種未知的小星體和障礙物,以直線全速前進很可能會發生不測,簡單來說,這些障礙物就相當於我們平時公路上的樹啊、建築物啊之類的,只不過它們甚至是運動的,比在地面上的環境還要嚴苛。

其次,地球和目的地的天體都有各自的運動規律,會導致飛行距離發生變化。以火星為例,它的公轉周期是地球的1.9倍,因此導致了地球和火星距離的不穩定,最近只有5400萬公裏,最遠卻可以達到4億公裏。

4億!如果真按這條路線走,恐怕還不等走到壹半,我們的探測器就要熄火了,因此,發射的時候要進行縝密的路線規劃,甚至還要挑個“良辰吉日”,否則下壹次發射的機會可能就在幾十、幾百年以後了。

所以,探測器不僅要走安全的路,還要走近路。在這壹點上,人類不僅要根據各個星球的情報規劃路線,還可以借助星體的引力,旅行者1號就曾經乘上了木星的引力,像壹個彈弓壹樣“彈射”到了土星的方向。之後土星的引力又使得它飛過了南極下方,離開黃道,前往更遠的宇宙。

在這裏,我們回顧完了現在所有的“秘密武器”,無非就是人類的智慧與 科技 ,那麽再來展望壹下未來—— 我們的北鬥是否有可能不僅作為地球上的導航,還能作為航天器的“燈塔”呢,如果不能,將來是否可能建立專門用於太空導航的衛星系統呢? 不論如何,人類腳下通向太空的路途,終會變得越來越堅實,通向人類對宇宙 探索 的最終之門。