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旅行者號探測器

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旅行者號探測器,1977年8月20日和9月5日, 美國先後發射了旅行者2號和1號探測器,這兩個姊妹探測器沿著兩條不同的軌道飛行,擔負探測太陽系外圍行星的任務,旅行者號探測器本身重816千克,攜帶有105千克科學探測儀器,它的主體是扁平的十面稜柱體,頂端裝有一直徑為3.7米的拋物面天線,左右兩側各伸出一根懸臂,較長的一根是磁強計支柱,短的一根是科學儀器支架。

1 旅行者號探測器 -簡介

旅行者號探測器旅行者號探測器

旅行者號探測器,1977年美國發射的2個行星探測器。它們巧妙地利用巨行星的引力作用,使它們適時改變軌道,從而達到同時探測多顆行星及其衛星的目的。兩探測器各重815千克,結構大體相同,帶有宇宙射線感測器、等離子體感測器、磁強計、廣角、窄角電視攝像儀、紅外干涉儀等11種科學儀器,耗資3.5億美元。1號發射前出現故障而延期,結果延至1977年9月5日發射,2號按預定計劃在1977年8月20日發射。

2 旅行者號探測器 -功能特點

旅行者號探測器旅行者號探測器
1號探測了木星和土星,2號則探測了木星、土星、天王星和海王星,取得了巨大的成功,發回約5億個數據。提供了有關木星磁場、磁層、大氣、內部結構的可靠資料,發現了木星極光、木星環和5顆新木衛,詳細考察了伽利略衛星;經過土星時,發現土星環的細節結構和眾多新的動力現象,22個土衛構成複雜的運動系統,證實了巨行星有自己的能源,表面是液態氫的海洋,導致人們對行星觀念發生深刻的改變。

2號還探明天王星的大氣、磁場情況,修訂了其自轉周期值,提出其獨特的內部結構模型,發現10顆新天衛和11條新天王環;有關海王星的重大發現有:探明其大氣組成及劇烈的大氣活動,發現表面上的黑斑和亮斑,探明其磁場、磁層和內部結構,確證了它的5條環帶和6顆新海衛,尤其海衛一的成果更有重大價值。

2顆探測器將從不同方向飛出太陽系。它們都攜帶有一張特殊的鍍金唱片「地球之音」,上面錄製了有關人類的各種音像信息:60個語種向「宇宙人」的問候語、35種自然界的聲音、27首古典名曲、115幀照片。預計唱片可在宇宙間保存10億年之久。

兩個探測器以完全相反的方向穿越太陽系邊緣時與太陽之間的距離存在顯著差異,這表明太陽系不像原先認為的那樣是一個簡單的對稱大圓球,而應該近似橢球體,「像個雞蛋」。 這個推動因素來自於包括太陽系在內的銀河系內眾多恆星系統之間的磁場作用。磁場對太陽系兩端的作用角度不同,使得太陽系呈不對稱形。「旅行者」探測器項目科學家埃德·斯通指出,磁場的這種差異作用可能是由於銀河系內恆星爆炸產生的星際間動蕩造成的。

3 旅行者號探測器 -主要結構

旅行者號探測器旅行者號探測器

旅行者號探測器本身重816千克,攜帶有105千克科學探測儀器。它的主體是扁平的十面稜柱體,頂端裝有一直徑為3.7米的拋物面天線,左右兩側各伸出一根懸臂, 較長的一根是磁強計支柱,短的一根是科學儀器支架。探測儀器有10種,主要是行星及其衛星的攝像設備和各種空間環境探測設備。旅行者號的土星探測之行,初步揭示了土星家族的面貌。

旅行者探測器都已飛出太陽系,飛向茫茫宇宙深處。在考察了木星和土星后,旅行者1號開始飛離太陽系,而旅行者2號」不僅要像「旅行者1號」那樣穿過火星軌道和危險的小行星帶,相繼與木星(1979年)和土星(1981年)交會,還要與天王星和海王星交會。這樣即大大提高了太空船的利用率,又豐富了科學探測的內容。要採用象「旅行者」1號和2號這樣的飛行路線,179年才有一次適當的機會。

旅行者2號於1985年~1989年之間先後探測了天王星和海王星。天王星是於1781年3月13日被偶然發現的一顆神秘行星,距地球十分遙遠,用天文望遠鏡觀察它時,所看到的圖像很模糊。旅行者2號經過8年的時間,航行了48億千米之後,於1985年11月4日開始接近天王星。1986年1月24日,它從距天王星最近點飛過,然後仍繼續觀測到2月25日。在1988年1月24日17時59分,「旅行者」2號橫穿距天王星赤道10.707萬千米處,航行長達6個小時,仔細地觀察了天王星的真面貌,拍攝了大量珍貴的照片。在如此近的距離上考察一顆距地球30億千米遠的天體,這還是第一次。

1989年8月24日,美國西部時間20時56分,「旅行者」2號繼完成對天王星的探測任務之後,經過了12年的太空飛行,總航程達72億千米,按預定計劃飛臨海王星北極的4827千米上空。自從1846年海王星被人們首次發現以來,直到1989年,用高倍率望遠鏡看它也只是一個不大的光點。「旅行者」2號飛臨海王星上空一個月之前,它的攝像機鏡頭就開始對準海王星了,當它以每小時6萬多千米的速度向海王星直奔而去,並在距海王星北極4827千米處的最近點掠過的過程中,就不斷拍攝照片,並向地球發回了6000多張彩色照片,這些照片從離地球在 約45億千米外發出,要到達地球即使是無線電波傳輸,也要走4小時零6分鐘。在大屏幕前看到第一批海王星圖片的科學家驚訝得不知所措。因為這是人類第一次看清了遠在45億千米之外的海王星。

4 旅行者號探測器 -1號探測器

基本信息
旅行者號探測器旅行者號探測器

組織:美國太空總署

發射日期:1977年9月5日

運載火箭:泰坦三號E半人馬座火箭

NSSDC ID:1977-084A

網頁:美國太空總署「旅行者號」網站

質量:721.9 kg

能源:420 W

探測簡介

旅行者1號(Voyager 1)是一艘無人外太陽系太空探測器,重815千克,於1977年9月5日發射,截止到2006年仍然正常運作。它曾到訪過木星及土星,是第一艘太空船提供了其衛星的高解像清晰照片。現時,它是離地球最遠的人造飛行器。它的飛行速度比現時任何人造太空船都較快一點,使較它遲一個月發射的姊妹船旅行者2號永遠都不會超越它,即使在地球以比兩艘太空船要高的發射速度送上太空的新視野號也如是。它的一生里曾受惠於幾次的引力加速。旅行者1號現時已經進入太陽系最外層邊界,並即將飛出太陽系,目前處於太陽影響範圍與星際介質之間,距離太陽140億公里(90天文單位或87億英里)。

截至2007年4月4日為止,旅行者1號正處於離太陽15.18太米(即15.18×1012米或15.18×109 公里或101.4天文單位或90.4億英里),進入了日鞘,即介乎太陽系與星際物質之間的終端震波區域。如果旅行者1號最終在離開日球層頂后仍能有效運作,科學家們將有機會首次量度到星際物質的實際情況。依據現時的位置,太空船發出的訊號需要13個小時以上才能抵達它的控制中心,美國太空總署與位於加州帕薩蒂納的加州理工學院合作的噴氣推進實驗室。旅行者1號在沿雙曲線軌道軌道,並已經達到了第三宇宙速度。這意味著他的軌道再也不能引導太空船飛返太陽系,與沒法聯絡的先驅者10號、已停止操作的先驅者11號及其姊妹船旅行者2號一樣,成為了一艘星際太空船。

旅行者1號原先的主要目標,是探測木星與土星及其衛星與環。現在任務已變為探測太陽風頂,以及對太陽風進行粒子測量。兩艘旅行者號探測器,都是以三塊放射性同位素溫差發電機作為動力來源。這些發電機目前已經大大超出了起先的設計壽命,一般認為它們在大約2020年之前,仍然可提供足夠的電力令太空船能夠繼續與地球聯。

任務概要
旅行者號探測器旅行者號探測器探測照片

旅行者1號最初計劃屬於水手計劃里的水手11號太空船,它的設計利用了屬於當時的新技術引力加速。幸運的是,這次任務剛巧碰上了176年一遇的行星幾何排列。太空船隻需要少量燃料以作航道修正,其餘時間可以藉助各個行星的引力加速,以一艘太空船就能造訪太陽系裡的四顆氣體行星:木星、土星、天王星及海王星。兩艘姊妹船旅行者1號及2號就是為了這次機會而設計,它們的發射時間是被計算過以便盡量充分利用這次機會。亦拜這次機會所賜,兩艘太空船隻需要用上12年的時間就能造訪四個行星,而非一般的30年時間。

旅行者1號在1977年9月5日於佛羅里達州的卡納維爾角,被搭載在一枚泰坦3號E半人馬座火箭上發射升空。剛好於旅行者2號在同年8月20日的發射之後不久。雖然發射時間較2號為後,但它卻被發射進較快的軌道之中,讓它又比2號快一點到達木星及土星。最初,因為在泰坦3號E火箭燃燒過程的第二階段里出現了約一秒鐘的燃燒不足,使地面的工作人員曾擔心會使太空船因此而不能到達木星。後來幸好證實了在半人馬座的上層仍有足夠的燃炓燃燒。

拜訪木星
旅行者1號發射后,首次在1979年1月開始對木星進行拍攝。在同年的3月5日離木星最接近,只距離木星中心349,000公里。由於在如此近距離略過,太空船在48小時的近距離飛行時間中,得以對木星的衛星、環、磁場以及輻射環境作深入了解及高解像度拍攝。整個拍攝過程最終於四月完成。

兩艘太空船對木星及其衛星作出了不少重要發現,最令人驚訝的是在木衛一上發現了火山活動。這是當時並沒有在地球上觀察得到,就連先驅者10號及11號也未有觀察得到。

拜訪土星
在順利地藉助了木星的引力后,太空船朝土星的方向進發。旅行者1號於1980年11月略過土星,於11月12日最接近土星,距離土星最高雲層124,000公里(77,000英里)以內。太空船探測到土星環的複雜結構,並且對土衛六上的大氣層進行了觀測。由於發現了土衛六擁有濃密的大氣層,噴氣推進實驗室的控制人員最終決定了讓旅行者1號駛近一點土衛六進行研究,並隨之終止了它繼續探訪其餘兩顆行星。結果造訪天王星和海王星的任務只得交予旅行者2號。這次靠近土衛六的決定使太空船受到了額外的引力影響,最終使太空船離開了黃道,終止了它的探索行星任務。

星際搜索

在離開土星后,旅行者1號被美國太空總署形容為進行星際探索任務。估計兩艘旅行者太空船上的電池,均能夠提供足夠電力至2020年,供船上一部份的儀器操作。

2003 停止掃描平台及紫外線觀測

~2010 停止迴轉運作

~2010 停止資料終端就緒運作(只能以70米/34米天線陣來接收每秒1.4位元的資料)

~2016 終於儀器間共享電力

> 2020 沒有足夠電力起動任何單一儀器  

5 旅行者號探測器 -2號探測器

探測過程

拜訪土星

旅行者號探測器旅行者號探測器

旅行者2號在1981年8月25日最接近土星。當太空船處於土星後方時(相對地球而言),它以雷達對土星的大氣層上部進行探測,並量度了氣溫及密度等資料。旅行者2號發現高層位置(氣壓相當於7百帕時)的氣溫為70 K(−203°C),而在低層位置(氣壓相當於120百帕)則量度出143K(−130°C)。北極會多冷10K,但仍會出現季節性變化。

拜訪天王星
旅行者2號在1986年1月24日最接近天王星,並旋即發現了10個之前未知的天然衛星。另外太空船亦探測了天王星由其自轉軸傾斜97.77°原故而獨特的大氣層,並觀察了他的行星環系統。在這首次的略過之中,最接近天王星時只距離天王星的雲層頂部81,500公里(50,600英里)而已。

天王星是太陽系裡最三大的行星,它於距離太陽約28億公里(17億英里)的距離圍繞太陽公轉。其公轉周期是84年,自轉周期則是17小時14分鐘。天王星的自轉獨特在於它實際上是傾倒在其軌道滾動,一般認為這個不尋常的位置是由於在太陽系的形成早期曾與一顆行星大小的星體碰撞過的原故。由於它的奇怪定位,使它的兩極會分別接受長達42年的白晝或晚上,所以科學家們都不知道會在天王星上發現到些什麼。

旅行者號探測器旅行者號探測器探索照片

拜訪海王星
旅行者2號在1989年8月25日最接近天王星。由於這是旅行者2號最後一顆能夠造訪的行星,所以決定將它的航道調校至靠近一點海衛一,不再理會飛行軌跡,就像旅行者1號完成造訪土星后不理飛行軌跡靠近一點土衛六進行研究一樣。

太空船發現了海王星的大暗斑,後來在哈勃空間望遠鏡於1994年再次觀測時卻消失了。最初被認為是一片大的雲,但後來卻被認為是雲層上一個空洞。

經過旅行者2號造訪海王星后,冥王星是當時唯一一個仍然未被任何從地球飛來的太空船造訪過的行星。但後來在國際天文學會重新定義行星后,冥王星被降級為一顆矮行星。因此,旅行者2號在1989年的略過,使太陽系中所有行星都至少被人造太空船探訪過一次。

離開太陽系
由於旅行者2號的探訪行星任務已經完結,旅行者1號被美國國家航空航天局形容為進行星際探索任務,用以查找在太陽圈外的太陽系究竟是怎樣的。一般相信旅行者1號已經2004年12月飛越了終端震波區域,現時正身處在日鞘之中。與1號不同的是,一般認為2號現時仍然未飛越終端震波。每一艘旅行者太空船均攜帶著一片旅行者金唱片,以備當太空船被外太空智慧生物捕獲時可與他們溝通。唱片中載有地球上的映像及各種生物、一些科學資料和一首串燒曲「地球之聲」。曲中收錄了諸如鯨魚、嬰兒哭聲、海浪拍打聲及不同種類的音樂。

在2006年9月5日,旅行者2號正處於距離太陽80.5個天文單位(太約相等於12太米)左右,深入於黃道離散天體之中,並正以每年3.3天文單位的速度前進。在這個距離是太陽與冥王星之間的距離兩倍,並比塞德娜的近日點較遠,但仍未超越厄里斯的軌道最遠處。旅行者2號將會繼續傳送訊號直至2020年代為止。

探索意義
旅行者號探測器旅行者號探測器

天王星是太陽系的第7顆行星,距太陽的平均距離有29億米。1986年1月24日旅行者2號在距天王星 8萬千米的地方掠過,對它作了46天的考察,第1次精確地測得天王星的公轉和自轉周期,天王星繞太陽公轉1周大約相當於84個地球年,自轉周期是16.82小時。這次探測超過了自天王星發現以來205年積累的成果。

從旅行者2號探測器發回的照片上,科學家發現天王星大氣中氦的含量約為10%-15%,其餘為氫,還有少量其他氣體。大氣中有風暴雲,南極上空有棕色霧靄,南極高層大氣受太陽照射的溫度為1800℃,而處在黑夜中的北極高層大氣溫度更高,達2400℃,這與地球上的溫度變化正好相反。天王星有扭曲的磁場,有輻射強度與地球相當的輻射帶,新發現了10顆直徑約數十千米大小的小衛星,使天王星衛星總數增至15顆;天王星至少有20條光環,而在地面上只能看見9條,這些光環很暗,主要由冰和石塊組成。 

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