[论文解读] Support for a prosaic explanation for the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11

Louis K. Scheffer|ArXiv.org|Jun 4, 2001

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出，先驱10号和11号探测器所观测到的异常加速度，是由于航天器主舱非球对称热辐射所致，其中大部分热量通过背阳面（前部）辐射出去，这是由于热绝缘和结构设计所致。计算表明，该效应可解释绝大部分甚至全部观测到的 $8 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 加速度，无需引入新物理即可解决该异常现象。

ABSTRACT

Anderson, et al., find the measured trajectories of Pioneer 10 and 11 spacecraft deviate from the trajectories computed from known forces acting on them. This unmodelled acceleration can be accounted for by non-isotropic radiation of spacecraft heat. This explanation was first proposed by Murphy, but Anderson, et al. felt it could not explain the observed effect. This paper includes new calculations on the expected magnitude of this effect, based on the relative emissivities of the different sides of the spacecraft, as estimated from the known spacecraft construction. The calculations indicate the proposed effect can account for most, if not all, of the unmodelled acceleration.

研究动机与目标

• 解决先驱10号和11号探测器的异常加速度问题，该加速度偏离了基于已知作用力的预测值。
• 检验非球对称热辐射来自航天器主舱是未建模加速度来源的假设。
• 反驳安德森等人提出的观点，即关闭的百叶窗会使辐射趋于各向同性，从而失效。
• 基于实际航天器结构和热性能，提供热辐射力的定量估计。
• 证明尽管功率下降，加速度仍保持稳定，这是由于中心设备舱内持续稳定的热量耗散所致。

提出的方法

• 利用已知的航天器结构细节（包括六边形中心舱、多层隔热层和百叶窗机构）对先驱号航天器的热辐射进行建模。
• 基于表面积和有效发射率，计算每个表面（前、后、侧）的辐射功率，假设内部温度均匀。
• 将前表面（背阳面）的有效发射率估计为0.27，该值与复杂表面特征和材料表面处理一致。
• 通过使用8瓦和36 dBm（3.98瓦）两个值，评估射电波束功率对净力的贡献，以检验其敏感性。
• 评估热辐射力作为辐射方向图的函数——无论是各向同性还是准直——以限定可能的加速度范围。
• 通过追踪关键系统（如发射机、指令系统）的功率耗散情况，分析异常加速度随时间的稳定性，这些系统功率耗散相对恒定。

实验结果

研究问题

• RQ1 先驱号航天器主舱的非球对称热辐射能否解释观测到的异常加速度？
• RQ2 尽管航天器总功率显著下降，为何异常加速度仍几乎保持恒定？
• RQ3 关闭百叶窗的构型如何影响热辐射的方向性和大小？
• RQ4 射电波束及其他组件对净非引力力的贡献是什么？
• RQ5 对航天器进行详细的热模型能否解释观测到的加速度的全部量级？

主要发现

• 尽管百叶窗处于关闭状态，先驱号航天器的前表面（背阳面）仍是主要的热辐射源，原因在于其高热绝缘性以及后部和侧部的低发射率。
• 前表面复合发射率为0.27是合理且一致的，与观测到的表面复杂性和材料表面处理相符。
• 仅前表面的热辐射即可解释观测到的 $7.84 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 加速度中的约 $5.2 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$。
• 若辐射为准直，则力可达 $7.8 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$，接近观测值，表明真实值介于各向同性和准直模型之间。
• 异常加速度随时间保持稳定，原因在于中心舱内关键系统（如发射机、指令系统）持续耗散几乎恒定的功率。
• 该假设具有鲁棒性且与观测一致：类似效应在其他航天器中可预期，但在行星或大质量天体中不会出现。