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43年过去了,美国宇航局(NASA)的旅行者1号和旅行者2号还在太空中飞行,前者离地球222亿公里,相对于太阳的速度为17公里/秒;后者离地球185亿公里,相对于太阳的速度为15.3公里/秒。
这么多年过去了,为什么两艘旅行者号太空飞船还能继续飞行呢?它们的动力来自于哪里?它们不会撞上太空中的小行星吗?
事实上,旅行者号飞船早已消耗完燃料,它们现在是无动力在太空中飞行。而且太阳的引力已经无法把它们吸引回来,这两艘飞船的轨道是开放的双曲线,它们将会依靠惯性飞向遥远的星际空间。那么,为什么无动力的旅行者1号和2号还能飞出太阳系呢?
关于这个问题,就要涉及到第三宇宙速度。通过计算可知,从地球出发的太空飞船,只要初速度加速到16.7公里/秒(相对于地球),也就是第三宇宙速度,它们就能依靠惯性飞出太阳系。
在太阳系的不同位置,受到的太阳引力不同,所以对应的太阳系逃逸速度也是不一样的。越靠近太阳,受到的太阳引力作用越强,对应的太阳系逃逸速度越高,反之亦然。
旅行者1号和2号在离开地球时,火箭并没有能力把它们加速到第三宇宙速度,而只是让它们达到第二宇宙速度,使它们可以摆脱地球引力束缚,飞向地球轨道外侧的太阳系。旅行者号飞船最终能够飞出太阳系,还要得益于四大巨行星的引力加速。
旅行者号遇上了一百多年一遇的天象。木星、土星、天王星、海王星,这四大巨行星的排列方式很特别,它们运动到了太阳的同一侧,旅行者号在理论上可以一次性飞越四颗行星。
由于旅行者1号的探测任务在中途发生变化,因为拥有浓厚大气层的土卫六引起了天文学家的强烈关注,所以旅行者1号只相继造访了木星和土星。旅行者2号则相继造访了四大巨行星,这是人类至今唯一一次近距离探测天王星和海王星。
在几大巨行星的强大引力加速作用下,旅行者1号和2号都超过了它们各自所在位置的太阳系逃逸速度。因此,尽管它们已经耗尽用于加速的燃料,但仍然可以离开太阳系。
为什么旅行者号飞了几十年都没有撞上太空中的小行星?
在太阳系中,火星与木星之间存在小行星带,其中直径大于1公里的小行星数量至少有110万颗,而尺寸更小的小行星数量更多。尽管如此,旅行者号穿越小行星带时,也没有与其中的小行星发生碰撞,这是因为太空极其空旷。再加上小行星和旅行者号都很小,引力很弱,所以旅行者号与小行星相撞的可能性极低。
只要避免正面撞上几大行星,旅行者号就能安全地在太空中飞行。未来,当旅行者号进入更为浩渺的星际空间之后,它们更大可能不会撞上太空中的天体,这两艘无人太空飞船将会像太阳一样环绕银河系中心运动。
旅行者1号经过运载火箭从地球发射而产生的速度,以及内太阳系行星的引力弹弓加速,达到逃离地球引力束缚的速度。
在经过土星的引力加速后,其速度完全超过了逃出太阳引力束缚的第三宇宙速度,并以高于第三宇宙速度的速度向太阳系黄道面上方飞去。旅行者1号是人类发射的探测器中飞行距离最远、飞行速度最快的探测器,目前认为旅行者1号距离太阳约200亿公里,速度约为17.8公里每秒。
为什么旅行者1号越靠近太阳系边缘速度越慢。
然而,随着太阳系外层空间几乎不再有可以提供引力加速的天体,旅行者1号的飞行速度将不再会提高,反而持续降低。主要原因是太阳引力的减速,旅行者1号距地球约198亿公里,受到的地球的引力束缚已经微乎其微,可以忽略不计,但太阳产生的引力要比地球产生的引力大的多。
尽管探测器距离太阳越远,受到的太阳引力的束缚作用越小,但这种束缚的作用不会间断而长期存在,其积累作用对旅行者1号的速度会带来很大的损失;
为什么旅行者1号越靠近太阳系边缘速度越慢?看完你就知道了
另一方面,旅行者1号已经不再可能通过任何手段提高速度,所以它的速度只会减小不会增大或者维持稳定。其次,由于星际空间并不是完全的真空,有大量的原子、分子、尘埃颗粒等星际物质,尽管它们的密度非常低,仅在局部区域具有较高的密度,但是它们对探测器的碰撞摩擦减速作用就像引力束缚作用一样,是持续存在的,因而旅行者1号将更进一步受到微小的减速作用。
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