旅行者2号探测器的飞行状况

北京时间2011年11月29日消息，据美国《时代》杂志报道，在飞行34年后，美国旅行者2号探测器11月4日已经按地面工程师指令切换至备用姿态控制推进器工作，以节省能源确保未来任务继续进行。

截至2011年“旅行者1”号距离地球大约110亿英里(约合180亿公里)，“旅行者2”号距离地球90亿英里(约合140亿公里)。

截至2009年10月为止，旅行者2号作-5455°的倾斜及19737 hrs的赤经，指向望远镜星座。旅行者2号正处于距离太阳90557个天文单位，每年以3268个天文单位（约每秒15493公里）的速度离开太阳系。

2007年8月30日，经过30年的长途跋涉，“旅行者二号”飞船在离地球85个天文单位(1个天文单位是地球与太阳之间的平均距离即15亿公里)处对终止激波进行了就地直接观测，这是人类历史上第一次传回太阳系边缘的信息。

由于太阳风动压的变化和波动的影响，终止激波并不是静止不动的，而是沿径向来回运动，造成多次跨越“旅行者二号”飞船。通过对探测数据的详细分析，得到了新的重要发现：(1)一般而言，激波会将超声速(马赫数大于1)的流体变为亚声速(马赫数小于1)，而终止激波的下游仍然是超声速流动；(2)下游等离子体的温度比理论预期值低10倍以上。之所以产生与我们熟悉的激波特性的不一致的主要原因是由于星际介质中存在着大量的中性成分。 这些中性成分(主要是中性氢原子)与电离的太阳风质子通过电荷交换产生新生离子(Pickup Ions)。太阳风动能减少产生的能量大部分供给了新生粒子，只有少部分能量用来加热太阳风等离子体，从而造成终止激波下游太阳风等离子体的温度比预期值偏低，从而声速变小，导致终止激波的下游马赫数仍然大于1。随着“旅行者二号”飞船继续在日球鞘区内探索，越来越多的太阳系边缘的自然奥秘将被人类所揭示。

2010年4月底至5月初，“旅行者2号”运行至太阳系的边缘。4月22日，“旅行者2号”向地球发送出一些非常奇怪的信号，在经过13小时后，信号被NASA的深空天线成功接受。但遗憾的是，NASA的科学家至今无法破解。德国著名的UFO专家豪斯多夫据此大胆断言，“旅行者2号”很可能已经被外星人劫持。豪斯多夫说：“看起来飞船被劫持了，程序被重新编写，因此我们无法破译。”NASA没有对豪斯多夫的看法做出回应，而科学家及工程师的看法是，飞船上的存储系统可能出了小故障。工作人员正积极修补。

利用气流通过激波时密度突变的特性，可借助光学仪器将激波形状显示出来或拍摄成像。飞行器在飞行中，激波的产生和它的形状，对飞行器空气动力有很大影响，一些国家对高速飞行的飞行器作了大量的试验和研究，以便采用合适外形，推迟激波产生或减小波阻。激波可使气体压强和温度突然升高，因此，在气体物理学中常利用激波来产生高温和高压，以研究气体在高温和高压下的性质。利用固体中的激波，可使固体压强达到几百万大气压（1大气压等于101325帕），用以研究固体在超高压下的状态。这对解决地球物理学、天体物理学和其他科学领域内的问题有重要意义。

　　经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响。如飞机在较低的空域中作超音速飞行时，地面上的人可以听见这种响声，即所谓音爆。利用经过激波气体密度突变的特性，可以用光学仪器把激波拍摄下来（见风洞测量方法）。理想气体的激波没有厚度，是数学意义的不连续面。实际气体有粘性和传热性，这种物理性质使激波成为连续式的，不过其过程仍十分急骤。因此，实际激波是有厚度的，但数值十分微小，只有气体分子自由程的某个倍数，波前的相对超音速马赫数越大，厚度值越小。

物理定义

激波

　　运动气体中的强压缩波。在超声速运动时，由于微扰动（如弱压缩波）的叠加而形成的强间断，带有很强的非线性效应。

基本分类

　　激波就其形状来分有正激波、斜激波。 超声速来流在尖头体头部通常形成附体激波，在钝头体前部常形成脱体激波。

斜激波

正激波

　　激波的波阵面与来流垂直。超音速气流经正激波后，速度突跃式地变为亚音速，经过激波的流速指向不变。弓形激波的中间一段是正激波。此外，在超音速的管道流动中也可以出现正激波。

它通常是一根两端封闭的柱形长管，中间用一膜片隔成两段（图1中的D区和A区），分别充以满足模拟要求的高压驱动气体和低压被驱动（实验）气体。膜片破裂后，高压气体膨胀，产生向右端低压气体中快速运动的激波，并产生向左端传播的膨胀波。图2的B区中为激波后的气体状态，C区中为膨胀波后的气体状态，B、C两区的交界面称为中间面。激波的压缩作用，会使实验气体的参量有相应的变化，例如压强p和温度T有较大的提高（压强和温度的分布见图2上部），从而得到符合模拟要求的工作条件。由于激波运动相当迅速，经激波压缩后的实验气体参量只能在短暂时间（通常是毫秒级到微秒级）内保持不变，相应的流动也只在短暂时间内保持定常。用激波管获得的气体流动，可用于不同目的的空气动力学试验研究。

图1 膜破裂前激波管内压力分布

图2 膜破裂后激波管内气体状态

超音速气流遇到物体阻挡时，流速会迅速降低到亚音速然后流过物体，并以激波的形式向后释放，同时产生很大的波阻。

声音在大气层中的传播速度是不固定的，空气密度越大，气温越高，声音传播速度越快。一般在海平面高度，音速大约可以超过1200㎞/每小时；在一万米高空，音速大约在1050km/h～1080km/h之间；当飞行器即将接近音速的时候，由于前部的空气分子很难散开，所以形成巨大的阻力，飞行器前部的空气温度也会迅速上升，这种现象叫做声障或者音障。这时候，堆积在飞行器前部空气会以冲击波爆发的形式向后部散开，产生像放炮一样的噪音，这种声音叫做音爆。飞行器在突破声障的时候由于前部空气的剧烈压缩和向后释放，会使得空气中的水分迅速凝结，瞬间形成一团环状的白色音爆云。

火箭前部的音爆云

超音速气流内的压缩波和膨胀波会相互作用而形成驻波，这两股波此消彼长不断出现，会形成一连串像钻石般的马赫环。马赫环在低温气流中不可见，而在高温气流中则绚丽夺目。超音速气流流动时，当压力高于外界环境，就会膨胀，膨胀后压力迅速降低，当压力低于外界环境，气流又会重新收缩，使得压力再次超过外界环境，这种现象会不断持续，马赫环就这样产生了！随着气流能量不断消耗，减弱，气流降为亚音速，马赫环才会最终消失。

战斗机尾焰产生的马赫环

为什么飞机超音速飞行时会发出打雷一样的响声。当飞机的速度接近音速，情况与之类似，就如一堵空气墙横在前面。如果飞机的动力足够充沛，结构足够结实，外形足够合理，被空气墙裹住的飞机便会超过音速。此时被压缩到极致的空气被穿透，产生了激波。激波是什么因为它涉及到一系列玄而又玄的概念。

你只需知道这激波可以造成压力的剧烈波动。这就是莫哈维沙漠上神秘巨响的来源，更通俗的名称叫做音爆。如果你有幸听过音爆，你会注意到它实际上是由紧邻的两声巨响组成的，这分别代表了空气被飞机前部撞开和空气在飞机尾部闭合形成的激波。当然，由于地面和建筑物的反射，那声音更像是打雷，绵延不绝。

飞机所发出的疏密状的音波无法跑到飞机前方，所就全部叠在机身后方，形成了圆锥形状的音锥。当它们向外传播时便互相干扰和影响，然后汇集成一道包罗机头的音爆前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用上述的楔形水波来比拟，但有着迥然不同的性质。激波的厚度很小，经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高，速度立即下降。

当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时，均会感到这种强烈的变化，反映到人的耳朵里，使耳鼓膜受到突然的空气压强变化，就感觉是两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”

物体运行速度接近音速时，会有一股强大的阻力，使物体产生强烈的振荡，速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。突破音障时，由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面，在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时，会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声，称为音爆(Sonic Boom)。

在突破音障时伴随的一个奇特现象便是“音爆云”，这是由于在激波面后方由于气压增加而压缩周围空气，使水气凝结形成微小的水珠，看上去就像云雾一般。这种云雾通常只能持续几秒钟，激波现身，转瞬即逝。音爆云是国内对这种现象的一个俗称，较为严肃一点的描述为Prandtl-Glauert condensation clouds(普朗特-格劳厄脱凝结云)。

声音在空气中的传播像水中投入石子产生的水波一样，通过波的形式向外传播，这就是声波。我们平时听见的声音就是声波传入耳内使鼓膜震动而产生的。当飞机在空中作超音速飞行时，在机头或突出部分，也会像水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波，这就是激波。飞机所发出的疏密状的音波无法跑到飞机前方，所以就全部叠在机身后方，形成了圆锥形状的音锥。当它们向外传播时便互相干扰和影响，然后汇集成一道包罗机头的音爆前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用上述的楔形水波来比拟，但有着迥然不同的性质。激波的厚度很小，经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高，速度立即下降。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时，均会感到这种强烈的变化，反映到人的耳朵里，使耳鼓膜受到突然的空气压强变化，就感觉是两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”(sonic boom )。

影响音爆的因素很多，例如飞行速度、高度和航线，这些因素是可以控制的，其他如气象条件和接近地面的湍流等则是无法改变的。标准音爆常用一个N形波表示，说明飞机的头波与尾波强度基本相同，在持续时间内为均匀膨胀。飞机的强压力波引起地面上的压强变化约为78帕（8公斤力/平方米），持续时间约为02秒。压强随飞行高度增大而减弱，但影响范围则扩大。音爆因时间短暂，对地面的影响在户外一般不大，对室内压强变化虽小，但经多次反射形成共鸣，持续时间较长，影响颇大。因此，在城市上空，低于1万米高度常禁止作超音速飞行。 最风行的理论认为，在那瞬间四周空气压力骤增，发生了一种声波密部叠加效应，因此，空气中的作为介质的水气就凝结成小水滴形成一团云雾。

音爆的能量巨大，一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆足以震碎门窗玻璃。一架在 16000米高空以两倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕，相当于给一块一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力，玻璃哗哗直响就不难解释了。我们把压强换算成更直观的声强，100帕大约相当于133分贝，相当于恰好身处某重金属摇滚音乐会的大音箱旁边。因此协和被禁止在陆地上进行超音速飞行，这与高昂的营运费用一起直接断送了这种优雅的飞机的生命，2003年，所有的协和退出市场，从此天空中不再有超音速客机的身影。“音爆”的强弱以及对地面影响的大小，与飞机飞行高度有着直接的关系。因为，激波和水波一样，距离越远，波的强度也越弱。当飞机作低空超音速飞行时，不但地面的人畜能听到震耳欲聋的巨响，影响人们的生活和工作，严重的还可以震碎玻璃，甚至损坏不坚固的建筑物，造成直接的损失。随着飞行高度的增加，这种影响越来越弱，当超过一定的高度后，地面基本不会受到影响 。