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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[What if]第38期——回收“旅行者”号   

2013-07-07 08:42:31|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

原作:http://what-if.xkcd.com/38/

译者:猪的米

What if 系列:http://songshuhui.net/archives/tag/what-if

如果往下水道里倒玉米淀粉的话,倒多少之后就会发生某些令人不愉快的事情呢?

以当今的科技水平,可不可能派出一艘无人飞船来把处于太阳系边缘的“旅行者一号”探测器回收回来?

—— Elliott Bennett

回答

“旅行者一号”探测器与地球之间的距离比其他任何人造物体都要遥远。在受到木星和土星的引力加速之后,它正以极高的速度冲出太阳系,而没有一个人造物体的速度能够达到如此之快。

不过说来也奇怪,就在我写这篇文章的那天,“旅行者”号与我们之间的距离实际上在缩短,这是因为地球此时的轨道速度比“旅行者”号的逃逸速度要快。但过几个月后,等我们继续绕着太阳转到另一个方向之后“旅行者”号又要离我们而去了。

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【地球的轨道速度比“旅行者”号的速度快,但地球一直在打转】

“旅行者”号探测器已经默默地飞行了35年,因而想追上它非常困难,但也不是不可能。

目前正路过冥王星的“新地平线号”太空飞船是永远赶不上“旅行者”号了——它的速度不够快,前进的方向也不对。但它原本是可以追上的。

“旅行者”号探测器为什么能跑这么快呢?因为它受到了木星和土星两者的引力加速作用,而“新地平线号”只受到了木星的加速作用。

26225528_21445

 【“旅行者”号得到了木星的加速,而乒乓球得到了卡车的加速】

引力加速其实不那么高深,这就像一辆路过的大卡车弹走一个乒乓球一样。倒是陀螺仪的原理不那么好搞懂。

如果“新地平线号”没有投入冥王星的怀抱,而是耐心等待各大行星排成正确的位置(203X年很有前途),那么它就能得到木星和土星的一臂之力,然后至少在一两百年后追上“旅行者”号!(假设我们能够在这么远的距离撞上“旅行者”号。但我打赌能够做到,我们的火箭科学家可不是吃白饭的。)

当然了,俗话说“上山容易下山难”,要赶上“旅行者”号还算简单,但要回来可就不那么容易了。

“旅行者”号重一吨不到,速度高达每秒17千米(如果是在大气层里,那可是50马赫啊)。而它又是在星际空间中,又没法靠土星借力,想要让“旅行者”号停下来可要消耗不少燃料。

这也正是工程师口中的火箭方程的残暴之处所在:随着速度的变化量的增大,所需要的燃油呈指数级数增长。从方程中我们可知要想让720千克的“旅行者”号掉头,我们至少得准备30吨燃料。

但是想把这些燃料运到那边,我们需要更多的燃料,而为了这些燃料,我们会需要更多更多的燃料。(这就是火箭方程中指数项出现的原因)事实上,为了救回“旅行者”号,我们至少得发射60艘体积和“新地平线”号相当的飞船,并且它们只搭载燃料而不搭载其他东西。

我们能做到么?妥妥的!而且可行的方案还不少。如果我们不用60~120艘“泰坦三号”火箭的话,10~15艘的“土星五号”火箭也行,而且发射次数还少了呢。但不管我们怎么做,这个项目将无比庞大并且耗资巨大,可以与当年的“阿波罗”计划相提并论。

如果我们只是发射一个玩意儿并让它追上“旅行者”号,那么只需下图左边这么个小火箭,而如果你还想看到它们回来……那么你就需要下图右边那么多火箭,很震撼吧!

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不过话说回来,要想摆脱火箭方程的残暴之处的方法还是有的:那就是别用火箭。

离子引擎——这种引擎使用电场来加速排出的气体以达到极高的速度——比化学火箭的效率高得多,也使达到更高的速度更加可行。

那我们为什么不都用离子引擎呢?因为它产生的推力实在是太小了,要想达到很高的速度需要极长的时间。这就相当于一辆只有一马力的车子跑到了惊人的公里数一样。(你确定这不是一匹马?哈哈)离子引擎是不错,但以现在的型号的能力要让你动起来得花一辈子时间……

但既然追上“旅行者”号本来就要话很长时间,用离子引擎没啥不好的。我们可以发射一个飞行器(比如这个),让它追上“旅行者”号并抓稳,然后调好方向,然后泡杯咖啡等上几十年把“旅行者”号的速度降下来。

一旦“旅行者”号的速度降到足够低的程度,那么太阳的引力就会把它拉回来,探测器将会慢慢飞向内太阳系。在经过200年左右的漫漫历程,再加上几次极为精准的轻推之后,我们能确保它的轨道和地球轨道相交。

两个世纪之后“旅行者”号终于重返地球,但因为没法减速,它会烧毁在地球大气层中,因为我们压根就没想过派出一艘带启动减速外壳的救援飞船。于是几个世纪的艰苦卓越的努力以及大把大把的银子就这么被浪费了!!!

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【返回的“旅行者”号变成了一个昂贵的烟花】

所以我觉得我们应该租借一艘救援船,把它开到澳大利亚新南威尔士海边的杰尔维斯湾,澳大利亚皇家海军船只“旅行者”号在1964年一次意外碰撞后沉没于此。

这次应该很容易就能把它捞上来了吧……

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