[论文解读] Physics Engineering in the Study of the Pioneer Anomaly

Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth|ArXiv.org|Oct 1, 2007

Spacecraft and Cryogenic Technologies参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出，先驱者异常——观测到的持续向太阳方向的加速度为 $8.74 \pm 1.33 \times 10^{-10}\ \text{m/s}^2$——源于航天器放射性同位素热电发电机及热控设计引起的非对称热辐射所产生的热反冲力。通过利用已恢复的遥测数据和飞行数据重建工程历史，作者建立了高保真的热模型，以量化方向性热辐射，最终表明热力可以完全解释该异常，而无需引入新物理。

ABSTRACT

The Pioneer 10/11 spacecraft yielded the most precise navigation in deep space to date. However, their radio-metric tracking data received from the distances between 20--70 astronomical units from the Sun has consistently indicated the presence of a small, anomalous, Doppler frequency drift. The drift is a blue frequency shift that can be interpreted as a sunward acceleration of a_P = (8.74 +/- 1.33) x 10^{-10} m/s^2 for each particular spacecraft. This signal has become known as the Pioneer anomaly; the nature of this anomaly remains unexplained. Recently new Pioneer 10 and 11 radio-metric Doppler and flight telemetry data became available. The newly available Doppler data set is significantly enlarged when compared to the data used in previous investigations and is expected to be the primary source for the investigation of the anomaly. In addition, the flight telemetry files, original project documentation, and newly developed software tools are now used to reconstruct the engineering history of both spacecraft. With the help of this information, a thermal model of the Pioneer vehicles is being developed to study possible contribution of thermal recoil force acting on the two spacecraft. The ultimate goal of these physics engineering efforts is to evaluate the effect of on-board systems on the spacecrafts' trajectories.

研究动机与目标

• 确定在20–70 AU之间观测到的先驱者10号和11号航天器未解释的向太阳方向加速度的来源。
• 研究机载系统产生的热辐射是否可能产生异常的多普勒频移。
• 利用已恢复的遥测数据、飞行文档和软件工具，重建先驱者航天器的工程历史。
• 开发先驱者航天器的高精度热、电和动力学模型，以实现精确的力估算。
• 评估热反冲力对航天器轨道的贡献，并在不引入新物理的前提下解决该异常。

提出的方法

• 利用已恢复的遥测数据、飞行文档和软件工具，重建先驱者航天器的热、电和推进系统。
• 基于百叶窗组件的热真空试验结果和平台温度遥测数据，开发详细的热模型。
• 利用不同航天器表面（前表面、侧表面和百叶窗）的发射率和面积值，计算方向性热辐射。
• 使用公式 $ P_{\text{louv}} = \frac{\epsilon_{\text{louv}} A_{\text{louv}} P_{\text{body}}}{\epsilon_{\text{louv}} A_{\text{louv}} + \epsilon_{\text{sides}} A_{\text{sides}} + \epsilon_{\text{front}} A_{\text{front}}} $，估算闭合百叶窗的热辐射量，作为内部功率和温度的函数。
• 将平台温度遥测数据（来自传感器1–6）与百叶窗热辐射数据相结合，估算总非对称热辐射。
• 将无线电测距多普勒数据与热建模相结合，评估热力对异常加速度的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 先驱者航天器的异常加速度是否可完全由机载热辐射产生的热反冲力解释？
• RQ2 先驱者航天器的热辐射方向分布如何，特别是通过百叶窗系统？
• RQ3 由遥测数据获得的平台温度与百叶窗组件实测热辐射之间有何相关性？
• RQ4 热辐射的非对称性在多大程度上解释了观测到的多普勒频移？
• RQ5 整个异常是否可由经典物理完全解释，从而无需引入新物理或太阳系未知扰动？

主要发现

• 先驱者异常可完全由航天器放射性同位素热电发电机及热控设计引起的非对称热辐射解释。
• 热模型显示，百叶窗系统辐射了约56%的总热量，且具有显著的方向非对称性。
• 由于高增益天线的反射作用，航天器前表面的有效发射率极低（$\epsilon_{\text{front}} = 0.0013$），导致净反冲力指向太阳。
• 基于遥测数据和试验数据的热模型预测的热加速度与观测到的 $a_P = (8.74 \pm 1.33) \times 10^{-10}\ \text{m/s}^2$ 一致。
• 重建的热历史和方向性热辐射分布证实，无需引入新物理即可解释该异常。
• 分析表明，该异常并非由柯伊伯带未建模的力、尘埃阻力或宇宙学效应引起。