200年走一回

2006年1月19日，“新視野”號(hào)帶著人類(lèi)對(duì)宇宙秘密的探求渴望，飛向太空。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)9年的飛行，在跨越了48億公里的“千山萬(wàn)水”之后，2015年7月14日，它順利地到達(dá)了目的地——冥王星的附近。

“新視野”號(hào)飛掠冥王星，打破了單次太空任務(wù)的多個(gè)歷史性紀(jì)錄：它造訪的是太陽(yáng)系中的最后一顆行星，也是人類(lèi)所能靠近的最遠(yuǎn)一顆行星。這個(gè)太空探測(cè)項(xiàng)目從1989年啟動(dòng)開(kāi)始，凝聚了上千名科學(xué)家的心血，花費(fèi)了200萬(wàn)個(gè)工作小時(shí)，終于圓滿成功。

★路線：被木星“踢了一腳”★

“新視野”號(hào)是目前為止，從地球發(fā)射飛往外太空的所有飛行器中，飛行速度最快的一架。在太空中飛行時(shí)，采用核動(dòng)力的“新視野”號(hào)的每秒時(shí)速達(dá)到了16公里。它在起飛后9個(gè)小時(shí)內(nèi)，就越過(guò)了月球軌道，到達(dá)木星只花了13個(gè)月。而當(dāng)年的“阿波羅11”號(hào)花了3天才到達(dá)月球。

“新視野”號(hào)所有的設(shè)計(jì)，都圍繞著最重要的一個(gè)目的：盡快到達(dá)冥王星！它的大小像一臺(tái)三角鋼琴，重量不到500千克，但發(fā)射時(shí)卻使用了帶有5個(gè)固態(tài)火箭助推器的Altas V型火箭，以給予其最大推力。

發(fā)射升空45分鐘后，“新視野”號(hào)就脫離火箭，以時(shí)速5.7萬(wàn)公里離開(kāi)地球。這個(gè)速度超過(guò)了其他太空飛行器脫離地球引力時(shí)的速度，比噴氣式客機(jī)快了幾十倍！

為了不給飛行添負(fù)擔(dān)，“新視野”號(hào)可謂輕裝上陣，它只攜帶了77千克的助推劑。這些燃料只在必要的軌道調(diào)整和旋轉(zhuǎn)操作時(shí)使用。事實(shí)上，在“新視野”號(hào)長(zhǎng)達(dá)9年的旅程中，大部分時(shí)間都無(wú)需啟用這些儲(chǔ)備。這是因?yàn)楫?dāng)它路過(guò)木星時(shí)，木星的引力幫了忙。經(jīng)過(guò)精密的計(jì)算，“新視野”號(hào)被這顆巨大的行星“踢了一腳”，令它可以往冥王星方向加速前進(jìn)。

這種叫做引力助推的技術(shù)，是太空飛行器進(jìn)行星際旅行的好辦法。此前，“旅行者2”號(hào)就曾在上世紀(jì)七八十年代借用過(guò)木星、土星等行星的引力。而土星探測(cè)器“卡西尼”號(hào)也曾借助過(guò)金星的引力。如果不是這樣的話，“新視野”號(hào)至少要多花3年時(shí)間才能到達(dá)冥王星附近?？磥?lái)要成功地進(jìn)行一次太空探測(cè)，這些地球“隊(duì)友”的“神助攻”必不可少??！

★機(jī)會(huì)：200年一次的日出★

48億公里，好長(zhǎng)的一段路呀！咱慢慢走不行嗎？當(dāng)然不行！要是不趕緊的話，天就要黑了，太陽(yáng)就要落山啦！

你先別笑，地球上的“太陽(yáng)落山”確實(shí)沒(méi)啥大不了，可是，冥王星跟太陽(yáng)的平均距離，是地球跟太陽(yáng)的平均距離的40倍！這意味著太陽(yáng)光要經(jīng)過(guò)5.5個(gè)小時(shí)才能到達(dá)冥王星。而冥王星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期要248年。也就是說(shuō)，一旦錯(cuò)過(guò)陽(yáng)光普照下的冥王星，它很快就會(huì)被“黑夜”長(zhǎng)期包圍，變成一個(gè)冰凍星球。下一次在冥王星上看到“日出”，將是200年之后的事了！

雖然有些儀器可以在黑暗的星球表面探測(cè)土壤和巖石中的化學(xué)成分，但此次探測(cè)冥王星的主要目的之一就是借助陽(yáng)光，用高清晰照相機(jī)為它拍照，以讓人類(lèi)看到這顆星球的“真面目”。而且，自從1989年之后，冥王星就錯(cuò)過(guò)了太陽(yáng)的直射，接收到的熱量一年比一年少，它的大氣也會(huì)越來(lái)越冷。如果“新視野”號(hào)到達(dá)得太晚，它所攜帶的儀器就可能被稀薄的大氣凍住，難以繼續(xù)執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。它的衛(wèi)星也可能長(zhǎng)時(shí)間被陰影包圍，這會(huì)給地圖繪制帶來(lái)極大困難。

所以，在探測(cè)冥王星時(shí)必須抓緊每分每秒，可不能像你做作業(yè)時(shí)那樣磨磨蹭蹭……于是，此次“新視野”號(hào)放棄了在冥王星上著陸，采用“飛掠”的方式，只在它的上空進(jìn)行探測(cè)。另外，冥王星的引力很小，如果要進(jìn)入它的軌道，必須緊急“減速”。而“新視野”號(hào)的速度太快了。如果要“踩剎車(chē)”的話，就需要消耗比現(xiàn)在多1000倍的燃料。這種“奢侈”的方案只能被否決了。

★意外：打了一個(gè)“嗝”★

在“新視野”號(hào)長(zhǎng)達(dá)9年的飛行中，最漫長(zhǎng)的等待就要數(shù)它靠近冥王星的那幾個(gè)小時(shí)了。

地面控制人員始終保持著與“新視野”號(hào)的聯(lián)系。但在7月11日，它突然沒(méi)了“聲音”。頓時(shí)，每個(gè)工作人員的心都懸了起來(lái)。在焦急地等待了一個(gè)多小時(shí)后，地面再次聯(lián)系上了飛行器。此時(shí)它已進(jìn)入安全模式，停止數(shù)據(jù)采集。

原來(lái)，當(dāng)靠近冥王星時(shí)，“新視野”號(hào)上的所有設(shè)備都處于工作狀態(tài)，全力以赴地開(kāi)始準(zhǔn)備各種探測(cè)。這時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)也增加了。就像你的電腦一樣，用太多的程序時(shí)就會(huì)負(fù)載過(guò)重。結(jié)果，飛行器上的計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行了“重啟”。幸好，這樣的故障發(fā)生在11日。如果是發(fā)生在13日，即“新視野”號(hào)最接近冥王星，最需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，那損失可能就更大。這一故障，被科學(xué)家們開(kāi)玩笑地形容為“新視野”號(hào)“打了一個(gè)嗝”，但并未影響到任何重要的科學(xué)探測(cè)。

13日當(dāng)天，為了讓“新視野”號(hào)所有的精力都集中在采集數(shù)據(jù)上，科學(xué)家暫時(shí)關(guān)閉了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，直到晚上才重新開(kāi)始傳輸信號(hào)。地面向飛行器發(fā)出信號(hào)，需要9個(gè)小時(shí)才返回一次，但它帶來(lái)了好消息：“新視野”號(hào)確認(rèn)飛掠了冥王星?？刂剖依锉l(fā)出熱烈的掌聲，有人流下了眼淚。這是人類(lèi)在探索太陽(yáng)系的道路上邁出的“最遠(yuǎn)一步”。

★跨越48億公里的“來(lái)信”★

目前，“新視野”號(hào)探測(cè)器距離地球已有將近50億公里。那么，該如何從這么遙遠(yuǎn)的地方把它收集到的數(shù)據(jù)傳輸回地球呢？

你可以做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，平時(shí)兩個(gè)人說(shuō)話，當(dāng)他們相距只有1米的時(shí)候，不用太大聲說(shuō)話，對(duì)方就能聽(tīng)清。而如果他們之間的距離達(dá)到100米的時(shí)候，即使拼命大聲說(shuō)話，對(duì)方也不一定聽(tīng)得清。這是因?yàn)?，隨著距離的增加，大量的聲波都被發(fā)散到周?chē)目臻g里去了，很難清晰地傳到目的地。

同樣的道理，當(dāng)探測(cè)器和地球之間的距離達(dá)到48億公里的時(shí)候，地球所能接收到的探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度非常有限。除非使用超高靈敏度的接收天線，否則這一信號(hào)很難被檢測(cè)出來(lái)。

而且，在我們的宇宙中，包括恒星在內(nèi)的許多星體都會(huì)發(fā)出各種頻率的電磁信號(hào)。太陽(yáng)所發(fā)出的電磁波更是一個(gè)最巨大的噪聲源。探測(cè)器的傳輸信號(hào)很容易淹沒(méi)在這些雜亂的“宇宙噪聲”中，更加難以被檢測(cè)出來(lái)。另外，信號(hào)在穿越上億公里的“漫漫長(zhǎng)路”上還會(huì)因?yàn)檫@些干擾而出現(xiàn)失真。

因此，向地球“發(fā)信”時(shí)，探測(cè)器的發(fā)射天線必須對(duì)準(zhǔn)地球。只有將發(fā)射的能量盡可能地集中，地球才有可能接受到48億公里之外的探測(cè)器信號(hào)。而為了克服“宇宙噪聲”的影響，探測(cè)器將原始信號(hào)通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)變成頻率較寬的新信號(hào)。在信號(hào)功率遠(yuǎn)低于噪聲功率的情況下，通過(guò)擴(kuò)展信號(hào)的傳輸可以最大程度地保持信號(hào)的穩(wěn)定性。

除此之外，就像我們?cè)谶\(yùn)送易碎的玻璃杯時(shí)，需要用泡沫海綿之類(lèi)的緩沖物把它們包裹起來(lái)，以防在路上因?yàn)轭嶔け淮蛩橐粯?。探測(cè)器也會(huì)給它發(fā)回地球的信號(hào)增加一個(gè)“保護(hù)層”。這就是特定的糾錯(cuò)編碼。這樣，信號(hào)即使在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)，也可以在地面接收后及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和糾正。只是，這樣的做法會(huì)使信號(hào)的傳輸速率下降。據(jù)測(cè)算，每傳輸100bit的數(shù)據(jù)，里面的90%都是糾錯(cuò)碼，真正有用的數(shù)據(jù)僅有十分之一。

按照這個(gè)速度，要把“新視野”號(hào)收集到的所有資料傳回地球，還需要一年左右的時(shí)間！在此之前，我們只有耐心等待，冥王星的秘密終將有被揭曉的那一天！