Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Sådan fungerer Voyager

Time Life Pictures/NASA/Time Life Pictures/Getty Images

I dette øjeblik, to rumfartøjer, der blev opsendt fra jorden i 1977, slyngede sig gennem rummet med mere end 30, 000 mph (48, 280 km/t). De er begge flere milliarder miles væk, længere fra Jorden end noget andet menneskeskabt objekt. Den 25. august, 2012, en af ​​dem krydsede ind i det interstellare rum, gør det første rumfartøj til at forlade solsystemet

Voyager 1 og 2 bære kodede meddelelser til potentielle fremmede civilisationer. De har allerede lært forskere meget om helioskede , det yderste lag af solsystemet. Men intet af dette er engang det, de var designet til.

Voyager -rumfartøjer blev bygget til at flyve forbi de ydre planeter (Jupiter, Saturn, Neptun og Uranus) og studer dem tæt, første gang i menneskets historie var de blevet observeret på nært hold. Rumfartøjet lykkedes storslået, at fremme planetarisk videnskab med store spring. Det var først efter at de havde udført deres primære mission, at de fortsatte med at blive Jordens mest vidtgående opdagelsesrejsende.

Alligevel var det et spørgsmål om ekstremt held og timing, at missionerne overhovedet var mulige - og et lige stort uheld, der næsten ødelagde Voyager -projektet, før det nogensinde forlod jorden. Disse ambitiøse missioner var et resultat af nye fremskridt inden for videnskab og matematik i banebaner, men de blev næsten støbt af vejen til fordel for det dyre rumfærge -program. Stort set alle ubemandede rummissioner, der foretages i dag, er afhængige af viden og erfaring, som Voyagers har opnået.

Vi vil se nærmere på de ugudelige Voyager -rumsonder og alt det tekniske udstyr, de har om bord. Vi vil spore deres bane fra udviklingsstadierne til deres ultimative skæbne lysår væk fra Jorden. Der vil være stop ved de største planeter i vores solsystem undervejs. Og hvis du undrer dig over, hvad der står på de gyldne plader, sender hver Voyager som budskaber til fremmede livsformer, vi giver dem et spin. Vil nogen udlændinge nogensinde finde dem?

Indhold
  1. Voyager 1 og 2:The Grand Tour
  2. Voyager udstyr
  3. Til Neptun og videre
  4. Voyager Golden Record

Voyager 1 og 2:The Grand Tour

Voyager 1 under samling Hilsen NASA/JPL-Caltech

1970’erne var en overgangsperiode for den amerikanske rumindsats. Apollo -programmet var ved at være slut, og NASA forsøgte at finde ud af, hvilken form bemandet rumfart ville have. Mariner -missionerne udvidede vores viden om de indre planeter ved at sende rumsonder til at flyve forbi (og i nogle tilfælde i kredsløb) Mars, Venus og Merkur. Der var foreløbige planer om at sende en Mariner -mission for at besøge nogle af de ydre planeter, men ved hjælp af kemisk raketfremdrivning, sådan en rejse ville tage 15 år eller mere.

På samme tid, der blev gjort vigtige fremskridt inden for videnskaben om tyngdekraftsassisterede kredsløb . Selvom den involverede matematik og fysik er ret kompliceret, grundtanken er, at et rumfartøj kan bruge tyngdekraften på en nærliggende planet til at give det et stort boost i hastighed, så længe rumfartøjet følger den rigtige bane. Jo højere massen af ​​planeten, jo stærkere tyngdekraften er, og jo større boost. Det betød, at når en rumsonde nåede Jupiter (den mest massive planet i vores solsystem), den kunne bruge Jupiters tyngdekraft som et slynge og tage ud for at udforske de mere fjerne planeter.

I 1965, en ingeniør ved navn Gary Flandro bemærkede, at i midten af ​​1970'erne, de ydre planeter ville blive justeret på en sådan måde, at det gjorde det muligt for et rumfartøj at besøge dem alle ved hjælp af en række tyngdekraftsstyrede boosts [kilde:Evans]. Denne særlige justering var ikke bare en begivenhed engang i livet-den ville ikke forekomme igen i yderligere 176 år. Det var en fantastisk tilfældighed, at den tekniske evne til at udføre en sådan mission blev udviklet et par år før planeterne stod i kø for at tillade det.

I første omgang, det ambitiøse projekt, kendt som Grand Tour, ville have sendt en række sonder for at besøge alle de ydre planeter. I 1972, imidlertid, budgetfremskrivninger til projektet nærmede sig $ 900 millioner, og NASA planlagde udviklingen af ​​rumfærgen [kilde:Evans]. Med de enorme shuttleudviklingsomkostninger truende, Grand Tour blev aflyst og erstattet med en mere beskeden missionsprofil. Dette ville være en forlængelse af Mariner -programmet, omtalt som Mariner Jupiter-Saturn mission (MJS) . Baseret på Mariner-platformen og forbedret med viden opnået fra Pioneer 10’s flyve-by af Jupiter fra 1973, de nye sonder tog til sidst navnet Voyager. Designet blev afsluttet i 1977. Optimistiske NASA-ingeniører troede, at de måske kunne bruge tyngdekraftsassisterede baner til at nå Uranus og Neptun, hvis den første mission for at besøge Jupiter og Saturn (og nogle af deres måner) blev gennemført med succes. Ideen om Grand Tour flimrede tilbage til livet.

Den endelige Voyager -missionsplan så sådan ud:To rumfartøjer (Voyager 1 og Voyager 2) ville blive lanceret med få ugers mellemrum. Voyager 1 ville flyve forbi Jupiter og flere af Jupiters måner på en relativt tæt afstand, scanne og tage fotos. Voyager 2 ville også flyve forbi Jupiter, men på en mere konservativ afstand. Hvis alt gik godt, begge sonder ville blive katapulteret mod Saturn af Jupiters tyngdekraft. Voyager 1 ville derefter undersøge Saturn, specifikt ringene, samt månen Titan. På det tidspunkt, Voyager 1's bane ville tage den ud af solsystemets ekliptik (planet for planeternes baner), væk fra alle andre planeter, og til sidst ud af selve solsystemet.

I mellemtiden, Voyager 2 ville besøge Saturn og flere af Saturns måner. Hvis det stadig fungerede korrekt, da det var afsluttet, det ville blive forstærket af Saturns tyngdekraft at besøge Uranus og Neptun før også forlade ekliptikken og forlade solsystemet. Dette blev betragtet som et langskud, men forbløffende, alt fungerede som planlagt.

Næste, hvilken slags hardware bar Voyagers ud i rummet?

Hvilken blev lanceret først?

Voyager 2 lanceret fra Cape Canaveral, Fla., ombord på en Titan-Centaur-raket den 20. august, 1977. Voyager 1 lanceret den 5. september, 1977. Hvorfor er nummereringen vendt? Når de var på vej til de ydre planeter, Voyager 1 passerede Voyager 2 og nåede Jupiter først. NASA troede, at offentligheden ville være forvirret, hvis Voyager 2 først begyndte at rapportere tilbage, så nummereringen ikke følger lanceringsordren.

Voyager udstyr

Voyager rumfartøj Time &Life Pictures/Getty Images

Begge Voyager -rumfartøjer er identiske. De har ikke en slank, aerodynamisk design, fordi der ikke er nogen aerodynamisk friktion i rummet at bekymre sig om. Vejer 1, 592 pund (722 kg), de består af en hovedbus, en antenne med høj forstærkning, tre bomme, der indeholdt videnskabelige instrumenter og strømforsyningen, og to andre antenner.

Hovedbussen er Voyagers krop. Det er en 10-sidet kasse på 1,8 meter på tværs, og den indeholder nogle videnskabelige instrumenter, elektronik og en brændstoftank til raketpropellerne. Thrustere bruges til at omlægge håndværket, når det bevæger sig gennem rummet.

Monteret oven på hovedbussen, højforstærkningsantennen er 3,7 meter på tværs og ligner en parabol. Denne antenne er, hvordan Voyagers modtager kommandoer fra Jorden og sender de data, de indsamler tilbage. Uanset hvor et Voyager -rumfartøj flyver, high-gain-antennen peger altid mod Jorden.

Et af bommene, der strækker sig ud af hovedbussen, fører Voyager's radioisotop termoelektrisk strømforsyning . Pellets af plutoniumdioxid afgiver varme gennem naturligt henfald. Denne varme omdannes til elektricitet ved hjælp af en række termoelementer. Selvom effektudgangen ikke er særlig stærk, det driver elektronikken og instrumenterne ombord på Voyagers i meget lang tid. Strøm forventes ikke at tømmes fuldstændigt før i 2020. Strømforsyningen blev placeret på en bom for at forhindre stråling i at forstyrre de andre videnskabelige instrumenter.

De to andre bomme bærer en række instrumenter. Disse omfatter:

  • Magnetometer
  • Kosmisk stråledetektor
  • Plasmadetektor
  • Fotopolarimeter
  • Infrarødt interferometer
  • Spektrometer
  • Radiometer
  • Ultraviolet spektrometer
  • Lavenergiladet partikeldetektor
  • Plasmabølgedetektor

[kilde:Evans, Dethloff &Schorn]

Måske de mest betydningsfulde instrumenter ombord på Voyagers, hvad angår offentligheden, er kameraerne. Også monteret på instrumentbommen, kameraerne har en opløsning på 800x800, med både vidvinkel- og smalfeltversioner. Kameraerne returnerede hidtil usete fotos af de ydre planeter og gav os udsigt til vores solsystem, som vi aldrig før havde været vidne til (inklusive det berømte afgangsskud, der viser både Jorden og Jordens måne i samme ramme). Bommen med kameraerne kunne flyttes uafhængigt af resten af ​​fartøjet.

Voyagers computersystem var også meget imponerende. At kende håndværket ville være alene meget af tiden, med forsinkelsen mellem kommando og reaktion fra Jorden, der blev længere, jo længere håndværket gik ud i rummet, ingeniører udviklede en selvreparerende computersystem . Computeren har flere moduler, der sammenligner de data, de modtager, og de outputinstruktioner, de beslutter sig for. Hvis et modul adskiller sig fra de andre, det antages at være defekt og elimineres fra systemet, erstattet af et af backupmodulerne. Den blev testet kort efter lanceringen, når en forsinkelse i udbredelsen af ​​bom blev læst forkert som en funktionsfejl. Problemet blev rettet med succes.

I det næste afsnit, finder vi ud af, hvad vi har lært af Voyager -missionerne.

Jordkontrol

Mens Voyagers selv foretog al dataindsamling, der var også vigtige missionselementer på jorden. Voyagers signaler blev stadig sværere at opdage, da de fløj ud i det ydre solsystem, så NASA forbedrede et verdensomspændende netværk af radiomodtagestationer for bedre at opdage dem. En række 70 fods radioretter trækker Voyager-dataene ind og sender signaler ud til dem, vedligeholdelse af næsten kontinuerlig kommunikation [kilde:Evans].

Til Neptun og videre

Jupiters store røde plet, der strækker sig fra ækvator til de sydlige polære breddegrader, som set af rumsonde Voyager 2 i 1979. MPI/Hulton Archive/Getty Images

Selvom levetidsmissionens omkostninger for Voyager oversteg $ 750 millioner, i 1989 havde rumfartøjerne returneret nok videnskabelige data til at fylde 6, 000 udgaver af Encyclopedia Britannica [kilde:Evans]. Videnskabsmodulerne om bord blev valgt blandt forslag indsendt af forskerhold i hele USA. Oplysningerne om Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun (og mange af deres måner), som vi lærte af Voyager -missionerne, var ikke bare enorme i mængde, men også i indflydelse. Det formede videnskabslærebøger på skoler i hele USA, informerede offentlige opfattelser af solsystemet og lagde grunden til det moderne rumprogram. Meget af det, vi ved om de ydre planeter, stammer fra Voyager. For ikke at nævne de tusindvis af fotografier, der er taget fra udsigtspunkter, mennesker aldrig havde oplevet før. Disse strålende billeder af Jupiter og Saturn affyrede offentlighedens fantasi og nærede begejstring for fremtidig rumforskning.

Fra Voyager, vi lærte mere om vejret på Jupiter; ringene omkring Jupiter, Saturn og Uranus; vulkansk aktivitet på Jupiters måne Io; masserne og densiteterne af Saturns måner; atmosfærisk tryk på Titan, Saturns største måne; Uranus magnetfelt; og et vedvarende vejrsystem på Neptun så stort som Jorden, kendt som Fantastisk mørkt sted . Da Voyager 2 nåede Neptun, det var 1989. Mere end 10 år var gået siden lanceringen, og mange af forskerne, der arbejdede med den oprindelige mission, var kommet videre. Voyager var gået forbi Jupiter, Saturn og Uranus i 1979, 1981 og 1986, henholdsvis.

Det store mørke sted på overfladen af ​​Neptun, som observeret af rumfartøjet Voyager 2 i 1989. Stedet, menes at være en hvirvlende masse af gasser, var forsvundet i 1994, at blive erstattet af et lignende sted et andet sted. Space Frontiers/Hulton Archive/Getty Images

Så hvor er de nu? De to Voyagers er ikke sammen. Voyager 1 bevæger sig nordpå (i forhold til Jordens orientering ud af solsystemet), mens Voyager 2 bevæger sig sydpå. I 2007, de gik begge ind i helioskeden, den yderste del af solsystemet. Der, solvinden møder interstellare magnetfelter og danner en grænse med en stødbølge. Voyagers krydsede chokbølgen og sendte data tilbage, giver astronomer deres første idé om helioskedeens form og placering. Den 21. september, 2013, Voyager -forskere rapporterede, at Voyager 1 forlod solsystemet den 25. august, 2012.

Selvom nogle instrumenter på Voyagers ikke længere fungerer, de sender fortsat vigtige oplysninger tilbage. Forestil dig en bil, der har været på vej kontinuerligt siden 1977, og du får en ide om, hvor fantastiske disse rumfartøjer er. På deres nuværende afstand, det tager radiosignaler, der kører med lysets hastighed mere end 14 timer for at nå Jorden. Fartøjet er ved at løbe tør for brændstof til deres orienterende thrustere og bliver nødt til at slukke for nogle instrumenter i de kommende år, da deres plutonium også løber tør. I 2020, de vil være mørke og tavse.

Alligevel vil de fortsætte på deres nuværende bane, bevæger sig over 30, 000 mph (48, 280 km/t), bukker ud i Mælkevejen i titusinder af år. Uden atmosfære i rummet, de vil aldrig tære, og der er lidt for dem at ramme ind i det interstellare rum. Det vil tage dem omkring 40, 000 år, før de overhovedet kommer inden for lysår efter en anden stjerne. Voyagers rejser muligvis i hundredtusinder eller endda millioner af år.

Hvad hvis Voyagers en dag møder en intelligent fremmed civilisation? Vi har efterladt en besked til dem.

Voyager Golden Record

"Sounds of Earth" forgyldt plade og amerikansk flag forberedt til opbevaring ombord på Voyager 2 rumfartøjer, med projektleder John Cassini (til venstre), på Kennedy Space Center. Time &Life Pictures/Getty Images

Da NASA indså, at Voyagers i sidste ende ville rejse ud over kanten af ​​vores solsystem, de besluttede, at det kunne være en god idé at inkludere en slags besked til intelligente udlændinge, der måske en dag finder dem. Et udvalg ledet af astronom Carl Sagan læg disse beskeder sammen. De findes på forgyldte kobberskiver, som er indgraveret meget gerne et vinylplade -album. En del af disken indeholder lydinformation, herunder forskellige former for musik, hilsener talt på 55 forskellige sprog (herunder nogle der er meget uklare eller for længst uddøde) og et udvalg af naturlyde. Diskene indeholder også 122 billeder, kodet som vibrationer på disken med instruktioner til afkodning.

På hver plades dækplade er der flere symboler, der viser metoden til afspilning af pladen (en stylus og monteringsfad er også inkluderet). Billeddekodningsinstruktionerne afsløres, beskriver "billedstart" -signalet, billedernes billedformat, og en gengivelse af det første billede, så udlændinge ville vide, hvis de fik det rigtigt. Et starmap, der tydeligt viser placeringen af ​​Jorden, fuldender billedet.

Hvis udlændinge undrer sig over, hvor længe Voyager de finder har rejst, de kan undersøge det stykke uran-238, der er knyttet til hovedbussen nær pladen. Undersøgelse af isotopforholdene (forudsat at de kender halveringstiden for uran-238), de kunne derefter udlede, hvor lang tid prøven havde været i rummet.

Hvilken musik vil rumvæsenerne høre, når de spiller pladen? Mest traditionel musik fra en række forskellige kulturer, såsom indfødte amerikanere, Skotske sækkepiber og afrikansk ritualmusik. Det er også noget af en "største hits" -samling af klassisk musik. De mest nutidige sange er "Johnny B. Goode" af Chuck Berry og et jazznummer af Louis Armstrong.

Afkodningsinstruktionerne og kortet på forsiden af ​​den gyldne plade Hilsen NASA/JPL-Caltech

Billederne på pladen er varierede, og inkludere kort over Jorden, billeder af de andre planeter i vores solsystem, billeder af forskellige dyr og flere billeder af mennesker. Carl Sagan skrev en bog om pladen, kaldet "Murmurs of Earth." En ledsager-cd-rom blev udgivet årtier senere.

Voyager -skiverne ligner en plak, der blev anbragt ombord på Pioneer 10 og Pioneer 11, selvom skaberne af Voyager -diske brugte meget tid på at sikre, at udlændinge kunne afkode det. Mange jordforskere kunne ikke afkode oplysningerne på Pioneer -pladen. På det tidspunkt, nogle udtrykte bekymring for, at enhver fjendtlig udlænding, der fandt Voyager -skiven, ville have et kort, der fører dem direkte til Jorden. Imidlertid, Voyagers vil tilbringe titusinder af år i interstellar rum, før de er i nærheden af ​​en anden stjerne, så sagen er egentlig ikke en umiddelbar bekymring. Hvis diske nogensinde findes, det kan være så langt i fremtiden, at mennesker ikke længere eksisterer.

For flere interessante artikler om rumforskning, prøv den næste side.

V'Ger

I "Star Trek:The Motion Picture" (den første Star Trek -film), meget af handlingen kredsede om en mærkelig elektronisk livsform kendt som V’Ger. Ved slutningen af ​​filmen, det afsløres, at V’Ger er en af ​​Voyager -rumsonderne (Voyager 6, som aldrig eksisterede i den virkelige verden), der enten har fået følelse alene eller fået en følelse af en fremmed race. Det ønsker at udrydde hele menneskeheden, men udvikler sig i stedet til endnu en form for liv.

Inden for det fiktive Star Trek -univers, der er en vis uenighed om V’Gers sted i Trek -historien. Nogle antyder, at V’Ger skabte Borg, en kold, logisk fremmede race, der ville blive de primære skurke i "Star Trek:The Next Generation." Andre tror, ​​at Borg stødte på V’Ger, men at cyborg -udlændinge eksisterede før det tilfældige møde.

Læs mere

Ofte stillede spørgsmål om Voyager Space

Hvad er temperaturen i det interstellare rum?
Interstellar rum - rummet mellem stjernerne i en galakse - er omtrent lige så koldt som det bliver. Sciencing.com rapporterer, at temperaturen er 3 kelvin, som ikke er meget over det absolutte nul, det koldeste, man kan få.
Hvor langt væk er Voyager 2?
Ifølge sin NASA -missionslog, januar 2021 var Voyager 2 11,8 milliarder miles fra Jorden.
Hvor langt væk er Voyager 1?
Ifølge sin NASA -missionslog, januar 2021 var Voyager 1 14,1 milliarder miles fra Jorden.
Har Voyagers et kamera?
Ja, de er måske de mest betydningsfulde instrumenter ombord på Voyagers, hvad angår offentligheden. Kameraerne har taget hidtil usete fotos af de ydre planeter med både vidvinkel- og smalfeltlinser.
Hvad er forskellen mellem Voyager 1 og 2?
Begge Voyager -rumfartøjer er identiske, selvom de blev lanceret på forskellige datoer. Voyager 1 var den første, der nåede det interstellare rum, men Voyager 2 er det eneste rumfartøj, der har undersøgt alle fire af solsystemets kæmpe planeter på nært hold.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

  • Er vi ikke den eneste jord derude?
  • Sådan fungerer månelandinger
  • NASAs 10 største præstationer
  • Hvordan kommer rumfartøjer ind på jorden igen?
  • Sådan fungerer reparation af Hubble -rumfartøjet
  • Hvordan Project Mercury fungerede
  • Sådan fungerer rumhavne
  • Sådan fungerer udlændinge

Flere store links

  • Voyager websted

Kilder

  • Evans, Ben. "NASAs Voyager -missioner:Udforskning af det ydre solsystem og videre." Springer; 1. udgave 2004. 2. trykudgave (15. april, 2008).
  • Dethloff, Henry C &Schorn, Ronald A. "Voyagers store tur:Til de ydre planeter og videre." Smithsonian (17. marts kl. 2003).
  • NASA. "Voyager 2 beviser, at solsystemet er klemt." http://voyager.jpl.nasa.gov/