以當前技術水平向太陽系外行星發射探測器可以成功嗎?
撇開飛過去的時間不談,假設我們有足夠的耐心等待上百年甚至上千年,現有技術水平能不能保證探測器抵達太陽系外行星?
請從以下角度探討:
- 定位和航線。因為不知道太陽系外恆星和行星的準確坐標,所以無法事先設定航線。可不可以在探測器上裝一個類似於 Kepler 的望遠鏡,通過捕捉到的圖像位置來不斷調整航線。
- 能源。是不是尚沒有可以持續上百或上千年的能源?火星漫遊者上用的那種核電池可以持續這麼久嗎?太陽能電池板是不是飛得離太陽或其他恆星太遠了就不能工作了?另外就是探測器在航行過程中的某些時刻可能需要產生較大的推進力來調整航線,所以能源不但要持久,而卻瞬時功率要足夠才行。這些要求都能夠滿足嗎?
- 通訊。幾百甚至幾千光年外,還能與探測器進行雙向無線電通訊嗎?到了一定的距離,實時控制肯定是不行了,因為單向發送的指令都要很多年才能到達探測器。所以到了最後,主要就是要進行從探測器到地球的單向通訊來獲取數據。如此大的距離上,還能保證各種科學數據和圖像的準確傳輸嗎?目前已經實現的最長距離的無線電通訊是旅行者 1 號,但是這個距離比起太陽系外行星的距離還是短多了。
- 防輻射。電子原件暴露在宇宙射線下如此長的時間,能否保證不損壞?
不能,
不要總想弄個大問題,深空探測也是要按照基本法的,
無論是現在還是未來,MTBF「Mean Time Between Failure平均無故障時間」就超級不夠,以下每一點,最終都會無解的卡在MTBF上,畢竟MTTR「Mean Time To Repair平均修復時間」=+∞,剩下的只有扯淡了。
1.定位和航線。
這個問題不大,其實現有的深空探測器都裝備了測星的設備,體積不大,耗能不高,卻可以存儲數千顆天體的天經坐標,用於校正自己的軌道。
至於大的航線的校正么,可以通過星地通信來調整,反正也不需要是實時的。例如最近飛掠冥王星的「新視野號」,其下一個目標是地面通過分析「新視野號」上的儀器數據來確定下一個值得飛掠的天體的。
2.能源。
能源是不夠的,而且是遠遠不夠,目前唯一的解決方式是核能。只是,核電站是做不到那麼小的,目前採用的核電池技術效率低下。要飛那麼遠,半衰期短的一會就沒能量了,目前最普遍的Pu-238半衰期才88年,因此需要選用半衰期很長的原料,但是這樣同等摩爾數的原料,單位時間衰變的原子核變少了,因此釋放的能量也少,需要裝備大量的原料,對於航天器來說是個沉重的負擔。目前幾乎很少有人去考慮長半衰期做原料這個事情。
你說未來核電池的改進,我可以告訴你MTBF不夠;
你說小型核電站未來能實現,我可以告訴你MTBF不夠;
解決能源問題?看未來物理學的發展了。
3.通訊。
無線通信能夠被廣泛應用的一個基礎在於,無線通信相對於傳輸距離大體是對數衰減。相比之下有線通信的信號功率衰減和傳輸距離成正比例,這是難以忍受的,於是被迫隔一段距離中繼放大。因此,雖然傳輸距離要遠了好幾個量級,但信號並沒有衰減到這樣一個量級。因此,在一定距離範圍內,地球上需要做的就是造一口巨大無比的拋物面天線好了,至於你問我直徑700m的天線怎麼做,我覺得還是問結構工程師吧。
另一個需要了解的是通信最小接收功率有個理論上的最小值,基本上相當於白雜訊的功率值,低於或等於這個值的信號沒有任何意義,就是雜訊。
有人可能會說,你可以提高發射功率啊,是啊,反過來可是指數增長的。
4.防輻射。
實際上大多是那些對輻射敏感的元件,比如CMOS器件,在高能粒子擾動下可能發生單粒子翻轉效應或閂鎖效應。有可能單一的CMOS受變化不影響整個系統。因此輻射上通常考慮統計上的結果,因此主要考慮輻射總劑量和瞬時最大輻射劑量。但是,如此長時間的暴露在太陽風和宇宙射線中,輻射總劑量會大幅升高,即發生翻轉或閂鎖的CMOS數量和概率都會大幅提升。因此這些器件的MTBF並不變,但是我們的時間太長了。
雖然從事航天工程和空間物理研究,但軌道和衛星通信並不是我的研究領域,只能嘗試以以往工作中了解到的情況解答。
飛出太陽系完全可以,NASA已經實現了。
定位和導航太陽系內可以靠星敏感器,飛出太陽系應該可以靠脈衝星導航之類新技術,也是目前的研究熱點。題主提到的因為不知道系外行星位置需要不斷尋找這個問題比較複雜,一是能夠在茫茫宇宙中尋找行星的望遠鏡必然需要大的視場角和高的解析度,這就要求望遠鏡的體積和重量較大,衛星的負荷就會很大,這對於深空探測是很不利的;二,一般深空探測時需要利用行星的引力來加速,其餘時間就慢慢飄,需要的能源並不多,但如果要根據尋找到的目標主動調整軌道就需要額外的能源了,這就牽扯了第二個問題。而且我不清楚現在能不能實現根據發現的目標實時計算軌道並進行調整,這個應該很複雜,還可能牽扯到減速剎車的問題,這就更難了,主要是需要的能量很多,對衛星資源和結構的要求更高。
能源問題,飛出太陽系後靠太陽能電池陣是不太現實的,接收不到陽光不說,電池陣的效率也會逐年下降。目前研究的光壓驅動、太陽風驅動等新技術也需要太陽提供輸入。核動力還是相對可行的技術。
通訊問題,前面答案已經提到,接收信號還可以實現,遙控很難。時延是其中一個關鍵問題,還得靠飛行器自身的自動控制。
輻射問題相對容易解決。深空中飛行的飛行器比近地軌道的飛行器受到的輻射更少。近地軌道主要是因為地球磁場約束形成的內外輻射帶帶來的高能輻射使得衛星壽命不能太長,反而像SOHO衛星這種遠離地球磁場的衛星可以輕鬆工作20年。旅行者號也是一樣的。星際旅行的飛行器只要做好屏蔽,輻射不是問題。反而惡劣的溫度是一個嚴峻的考驗。沒有陽光溫度會急劇下降,利用核動力提供熱源可能是一個解決途徑。
基於傳統技術是不可行的,但是基於激光光帆的話目前有可能實現。
1.能源
激光光帆可利用地面激光的能量,也可以自帶核動力,前面的回答對此描述不夠好。同位素電池,熱電偶形式的空間堆,液態金屬迴路堆,還有我國正在發展的熱離子堆,效率要提升到70%,可靠性更好。關鍵是,光帆能達到0.1c的速度,1400光年去不了,臨近的沒問題。
2.輻射
這是沒有問題的,光帆前往比鄰星,40年時間,宇宙輻射還不至於造成徹底損傷。
3.導航與軌道控制
對於激光光帆這恰恰是技術難點,大型光帆怎麼展開,怎麼控制激光發散角,對著遙遠光帆發射激光還需要複雜的瞄準系統(動對動)。對於激光光帆而言加速容易減速難,現在的想法是同時搞次傘與主傘,一開始一起被加速,到了其他星系主次傘分離,主傘要把光反射到次傘上使其減速,與此同時自己加速逃逸,這何其困難(ofweek上的人只想賣激光器嗎說得那麼簡單)
4.通訊
星際通信是極其困難的,不僅慢,而且越遠天線越大。自由空間激光通信可以緩解這個問題,而且別忘了,激光光帆本身就可以當做巨型天線。當然長遠的看,實現自動控制才是治本之策。
總之,想到其他太陽旁邊放衛星,光帆是目前最有可能的辦法。
多有錯漏,新手求指正求勾搭
飛出去沒問題,旅行者1、2號,新視野號都是奔著太陽系外部的。抵達就要兩種說法了:硬著陸的話,運氣好應該可以;軟著陸就不靠譜了,太陽系內尚且做不到每個探測器都能「軟著陸」,外星系就基本沒有可能了。
被半人馬a捕獲有希望,變軌至行星就難了…
你從海王星基地、第9大行星基地發射還有希望,地球上恐怕連建造它的環境都沒有,本身就需要直接在空間建造。
導航瞄準,軌道設計,自控設計都是問題啊…壽命、可靠性很難搞,到地方了,剎車肯定是燃料不足的…
最重要的是:以現有的科技,要飛多少年才能到?估計真的是科幻小說里的,第一代還沒飛到,第N代探測器就已經折越過去了…
飛出太陽系並不難——「旅行者」已經做到了。
定位問題,操作的延遲就非常大。但是對軌跡進行校正的時候時間尺度可以放的很大,考慮好延遲帶來的影響發送修正軌道的指令,還是可以比較精準地飛向其他某個星系的。
但是到了其他星系以後這個時間的尺度就變成以年計,在指令和信號來回的時候就已經發生了非常大的偏差了。這就需要探測器有自主校正軌道的能力。尋找到行星並不是很難,有合適的探測器再做分析。然後分析推出一個合適的修正軌道的方案。
所以大概就是我們瞄準一個大致方向丟出去,然後探測器自己找到準確方向。
能源問題,運行幾百年的電池應該已經有了;變軌的時候需要的功率,可以通過有預見性的安排變軌方案降低,盡量早而精確的變軌可以用更小的功率完成——反正只要能掠過行星就能完成探測任務了,不需要在短時間之內使軌道發生很大變動(減速圓軌什麼的)。
通訊問題,從其他星系發送的信號也是可以接受得到的;實時性的問題上面講過了,主要靠探測器自主行動。
防輻射問題不是最需要擔心的,需要擔心的是,探測器的各個器件的工作壽命。而且探測器的軟體如果有bug,有百年、千年的時間來給bug爆發的機會。
我不是專業人士,感覺是如果現在人類不計代價,爆發一下技術能力應該是能做到的。——————
仔細想想3000年飛3光年都需要千分之一光速,這速度太大了,且不說加速需要多少時間多少燃料,這麼快能不能來得及做點探測,要能瞄準行星都有點難啊
不現實啊!
現代社會做什麼都是需要計算成本的
單單因為情懷發射一件太空垃圾出去有意義嗎
離我們最近的恆星都是光年級別的
現在我們最快的飛行器是70km/s,
光速的0.2333%
單單飛過去被最近的恆星俘獲也需要上千年
實際現在最快的速度是17km/s
光速的0.05%,呵呵……
橫渡太平洋不會撐著個獨木舟的,
等大船造出來再想啦
╮(╯_╰)╭
謝邀,個人外行,但是覺得可以。回答第二點,星際旅行其實靠的應該是慣性(不知道是不是這麼說)意思就是利用引力把自身甩出去,想像一下繩子系著石頭,然後轉這鬆手,石頭是不是飛出去了。動力只在轉向呀,變軌的時候用。
非相關的外行,來念叨一下能源方面。
能源方面應該是會向空間核動力方向發展。空間核動力目前做出來的主要就是衰變電池和小型的反應堆類。
衰變電池已經大規模應用了,技術成熟,小探測器用的很多。
小型反應堆也有,美蘇都做出來了。外形類似圓錐形的羽毛球,羽毛球的尖上是堆芯,大概二三十公分的大小,然後羽毛球長一米左右,後面連著衛星。羽毛上是散熱的,目前有熱管,肋片這種常規的。還有一種噴冷卻劑來回循環的蘇聯的謎之黑科技,說是效率很高技術相當先進但是成熟度不太行。羽毛球的尾部會連著發動機發電。
聚變想必是離我們還太遙遠,不知道這輩子能不能用上聚變發的電。
空間核動力裝置發出來的電是保持儀器溫度以及靠近大行星時變軌加速用,現在的衛星還是一站一站地往前沖的飛法,不是靠自帶的發動機一直往前走的。速度幾十千米每秒,我記得應該是這個數量級。
============分割線:答主核專業本科學渣,不專業============
接下來扯一些不太懂和意淫的東西。
能源上來看目前這種方式還是不太適應長途星際旅行,太慢了。。。也許聚變能應用後會有更新穎的解決方案。
人工智慧會變得極其重要,目前的通訊手段基本表明這衛星飛出去之後就只能靠自己了。目前通信是陣列天線接收衛星越來越遠越來越虛弱的信號,確實有點堪憂。
假設再過三十年我們做出了人工智慧,核聚變能應用在這種高精尖的東西上,人類發射了一個準備用一千年去四光年的比鄰星逛一圈的東西A,而且是還能全程和地球保持聯繫的東西A,目前來看這個東西A還是太有可能三十年後做出來的。
我猜很可能的結果是又過了一百年人類學會了現在還沒意淫出來的技術然後做了十年就能到比鄰星的東西B,然後把一百年前發射的現在剛到太陽系邊緣的東西A又給拿回來了。。。畢竟我們的征途是。。。
謝邀。
依次來看題主的四個問題:
1)定位和航線。題主認為因為不知道太陽系外恆星和行星的準確坐標,所以無法事先設定航線。人類的觀測範圍已經達到河外星系,因此可以獲取太陽系外部分恆星和行星的準確坐標的,也必須事先設定航線,因為後面會說到實時遙控根本不靠譜。
2)能源。最靠譜的還是太陽能電池板,因為宇宙中除了太陽還有大量的恆星,離太陽遠了離其他恆星就近了。核反應堆或者叫核電池也能夠長時間使用,但恐怕還持續不了上百或上千年。所以航線設計非常重要,必須儘可能避免需要產生較大的推進力來調整航線的情況,否則就會中道崩殂,出師未捷身先死。
3)通訊。目前只能依靠無線電信號,速度是光速。到了一定的距離,實時控制確實是不行了,我們要收到從探測器到地球的單向通訊數據也是要很久以後,只能是前人栽樹後人乘涼。
4)防輻射。目前的航天器外表會包覆防輻射材料,可以保護內部電子原件不至於損壞。
結論,在現有條件下飛出太陽系是可能的,到達太陽系外但不是太遙遠的行星也是可能的,但距離越遠難度越大。回答第三點通訊,雙向通迅的難點在於建立通迅並解碼,也就是解算出編碼指令,但其實並不需要真正意義上的實時通訊。所以真正難以解決的問題是,那麼長距離傳輸過來的信號太微弱了,完全被淹沒在雜訊裡面,從雜訊裡面提取出有用信號是目前通訊應答機正在攻克的技術難點。以中國目前技術水平,原理樣機可以做到接近美國技術指標,但實現工程化其實還有很長一段路要走。特別要說的是,這樣的項目沒有太多的經濟效益,如果能產生一定的經濟效益或者是政治影響也得是投入大量人力物力後的一二十年後,所以完全只能靠國家經費,國家也在以觀望的態度因為投很多個億最後也可能會打水漂,所以我們工程化的進展速度還是比較慢的。
謝邀。 定位和航線方面,表面上看來應該可以解決,如今太陽系內的探測已經較為完善了,藉助計算機得出的航線相當可靠。太陽系外呢,歐空局的蓋亞天文衛星正在繪製一幅完善的銀河系地圖,我們可以期待。但是,飛行過程中可能會遇到某些未知因素影響,太陽系內探測就遇到過該情況,探測器甚至臨時改道過。也是經過很多次嘗試後才能得到完善航線,該方面尚待更多探索。
能源,這就悲劇了!太陽能板飛遠了就不管用了。而核電池,現用壽命也只達幾十年而已,還有功率衰減的問題。期待可控核聚變早日實現吧。
通訊,這應該和定位一同考慮。要接收來自遙遠探測器的電磁波,就要提高天線性能。即將建成的射電望遠鏡干涉陣甚至可以直接拍到幾萬光年外黑洞的X射線波段照片。所以地面天線技術再經過一些發展應該可以解決單方面接收探測器信號的問題。不過,向探測器發送就沒那麼簡單了。探測器天線的性能有限,只能提高地面發射端功率及大小。現在測控火星探測器的天線有好幾個籃球場大小,如要測控太陽系外目標,不知道天線要做多大!這一點還得等技術發展。
防輻射,這一點也悲劇。如今星載計算機在高輻射環境內挺上一個多月已經不錯了。太陽系內的探測器都頻出毛病,地面人員花好大的功夫試圖修身勇氣號火星車,這已經是舊聞了。更別提飛行幾千年。我只能告訴你,現有技術連能源那一條都搞不定。至少在掌握可控核聚變之前不可能。
現有技術當然不可能,遙不可及。
想太多
目前沒有這種可能性,樓主知道距離太陽最近的恆星離太陽有多遠嗎?4.25光年!
現在是2016年7月,三個月前霍金髮布了名為「突破攝星計劃」,相關信息自行百度吧,這裡有知友的討論http://www.zhihu.com/question/42967701#answer-33474977
如果不計時間,不記成本,還得加上大量天馬行空的技術方案,只考慮科技水平,應該是可行的。
首先發射一個能自己建造基地的機器人,這個基地的功能就是製造更多的這種機器人並且發射到鄰近的星繫上。新一代機器人再造新的基地。子子孫孫無窮匱也。
看起來很美,可是~整個人類文明這麼大的基地都造不出一個能發射到比鄰星的機器人呢~
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