“新視野”大揭秘

□ 鄭永春

“新視野”探測器的外形像一把短鍬，其中鍬把是它的核電站，鍬身是探測器本體，鍬身上頂著的大鍋則是它的天線。探測器本體為三角形，長2.1米，最寬處約2.7米，高0.7米，大小相當(dāng)于一架鋼琴，發(fā)射時(shí)的質(zhì)量為453千克。

“新視野”探測器的通信采用X頻段，包括一副直徑達(dá)2.1米的高增益碟型天線、一副中增益碟型天線和兩副低增益寬波束天線?！靶乱曇啊钡奶炀€比大多數(shù)深空探測器要大得多，這是由于距離遙遠(yuǎn)，信號(hào)微弱，所以需要一個(gè)很大的天線來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)和信號(hào)。

“新視野”有兩種姿態(tài)控制模式，在科學(xué)探測階段采用三軸穩(wěn)定和自旋穩(wěn)定模式；在巡航階段的休眠期和軌道修正機(jī)動(dòng)時(shí)采用自旋穩(wěn)定，額定轉(zhuǎn)速為每秒5次。

“新視野”的推進(jìn)系統(tǒng)由16個(gè)單元肼推進(jìn)器組成，其中4個(gè)推力為4.4牛的推進(jìn)器主要用于修正飛行軌道，12個(gè)推力為0.8牛的推進(jìn)器主要用于使探測器自旋加速或減速?！靶乱曇啊惫矓y帶77千克推進(jìn)劑，用于在航行過程中修正軌道或改變航向。在飛赴冥王星的過程中，它利用木星引力進(jìn)行輔助加速；在抵達(dá)冥王星的時(shí)候，它采用飛越方式探測，因此在靠近冥王星時(shí)無需減速使之進(jìn)入環(huán)繞軌道。這兩個(gè)因素使得“新視野”攜帶的燃料比較少。

“新視野”為什么不環(huán)繞冥王星進(jìn)行長時(shí)間觀測呢？主要原因有兩個(gè)，一是由于探測器的飛行速度必須非?？?，這樣才能確保在9.5年內(nèi)到達(dá)距離地球50億千米的冥王星。如果“新視野”要進(jìn)入冥王星軌道，必須將速度降低90%，這就需要多1000倍的燃料消耗，而“新視野”攜帶的燃料不足以供減速和進(jìn)入環(huán)冥王星軌道之用。二是“新視野”一旦進(jìn)入環(huán)繞冥王星的軌道，就無法將來脫離冥王星引力去探測其他的柯伊伯帶天體。

為實(shí)現(xiàn)長壽命，“新視野”探測器上不僅幾乎所有的探測器系統(tǒng)都要有備用設(shè)備，以確保系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)啟用備份系統(tǒng)；還有一個(gè)重要的手段，就是讓探測器長期處于休眠狀態(tài)，為了避免由于長期不活動(dòng)，腿腳變得不利索，也為了避免探測器一睡不醒，地面控制人員需要每隔一段時(shí)間叫醒它，讓它鍛煉鍛煉筋骨。

自2006年1月20日發(fā)射升空后，除了用4個(gè)月探測木星及其衛(wèi)星，“新視野”上的絕大部分儀器處于休眠狀態(tài)，以節(jié)約能源，延緩設(shè)備老化，特別是降低地面維護(hù)和運(yùn)營人員的開支。不過地球上的控制人員密切關(guān)注“新視野”的運(yùn)行情況，每隔幾個(gè)月，探測器上的設(shè)備都會(huì)定期被喚醒以接受例行檢查，進(jìn)行軌道校正和儀器校準(zhǔn)，以保障航線正確和設(shè)備正常。此外，“新視野”還會(huì)每周發(fā)回一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被稱作“綠色信號(hào)燈”，目的是讓地面控制人員知道它仍然活著。

2014年8月，地面對“新視野”進(jìn)行了一次例行檢查，上傳指令要求它按計(jì)劃于12月7日蘇醒。

2014年12月7日，在行星際飛行了48億千米的“新視野”被成功喚醒，此刻距離地球46.6億千米、離抵達(dá)冥王星還有2.6億千米。

2015年1月15日，當(dāng)“新視野”距離冥王星約100萬千米時(shí)，探測器上的各種設(shè)備開始工作，對冥王星和卡戎進(jìn)行全方位的探測并傳回探測數(shù)據(jù)。以光速傳輸?shù)奶綔y數(shù)據(jù)傳到地球需要4小時(shí)25分鐘。當(dāng)距冥王星16萬千米時(shí)，探測器上的相機(jī)開始繪制第一批地圖，并在隨后的3個(gè)月里不斷拍攝照片和測量光譜。如果那時(shí)冥王星的大氣是凍結(jié)的，“新視野”還能夠觀測到季節(jié)的變化。

2015年7月15日，“新視野”近距離飛越冥王星，與冥王星的最近距離為9600千米，與卡戎的最近距離為2.7萬千米，持續(xù)時(shí)間約為半小時(shí)。探測器用可見光和近紅外相機(jī)拍攝最高分辨率為60米、迄今為止最清晰的冥王星和卡戎照片。圖像質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的冥王星?！靶乱曇啊辈杉臄?shù)據(jù)量異常龐大，根本來不及向地球回傳。因此只能暫時(shí)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并在隨后的1年多時(shí)間里陸續(xù)發(fā)送。

“新視野”對冥王星和卡戎的飛越觀測將持續(xù)6個(gè)多月，2015年7月之后逐漸遠(yuǎn)離。在飛離冥王星和卡戎時(shí)，“新視野”還將調(diào)轉(zhuǎn)鏡頭回望，利用低太陽照射角造成表面地形明暗的優(yōu)勢，證實(shí)冥王星和卡戎表面是否平坦，是否擁有類似彗星那樣的“尾巴”，是否擁有環(huán)帶，是否有未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星。

在完成對冥王星及其衛(wèi)星的飛越考察后，“新視野”將在2017至2020年探測柯伊伯帶的其它天體，其中至少2個(gè)直徑為40千米～90千米，這一階段可能持續(xù)5年至10年。如果一切順利，“新視野”的壽命將在15年以上。

對于從事太陽系探測的科技工作者而言，最幸運(yùn)的科學(xué)家一輩子能從事兩個(gè)半的探測項(xiàng)目，從科學(xué)思想醞釀、探測計(jì)劃獲得批準(zhǔn)到具體實(shí)施，能完整參與一項(xiàng)太陽系探測計(jì)劃已經(jīng)非常不易。假設(shè)一位科學(xué)家從30歲入職到60歲退休，他只有30年的工作經(jīng)歷。而冥王星探測計(jì)劃歷經(jīng)5年醞釀，“新視野”探測器歷經(jīng)6年研制、9年飛行、15年運(yùn)營，時(shí)間跨度已經(jīng)超過了很多科學(xué)家的整個(gè)科研生涯?？茖W(xué)家們這種前赴后繼的不懈探索，恰恰是推動(dòng)人類文明進(jìn)步的不竭動(dòng)力。

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木星借力成就迄今最快的航天器

雖然歷經(jīng)9年的行星際飛行，但考慮到冥王星距離地球數(shù)十億千米，“新視野”探測器已經(jīng)當(dāng)之無愧地成為太陽系飛行冠軍，是迄今為止飛得最快的航天器。那么，高速冠軍有何秘訣呢？

2006年發(fā)射以后，“新視野”探測器直接進(jìn)入了地球和太陽的逃逸軌道，在最后完成加速關(guān)閉引擎時(shí)相對于地球的速度是每秒16.26千米，接近第3宇宙速度，成為人類有史以來以最快發(fā)射速度離開地球的高速飛行器。

由于超高速飛行，“新視野”在發(fā)射后9小時(shí)就飛過了月球。而“阿波羅”載人探測器飛往月球用了3天，嫦娥一號(hào)奔月飛行用了13天半，嫦娥二號(hào)奔月用了5天。

13個(gè)月后的2007年2月底，“新視野”抵達(dá)了木星，而探測木星的“伽利略”探測器飛抵木星用了6年4個(gè)月。木星的質(zhì)量是太陽系其他七大行星總和的2.5倍還多，是地球質(zhì)量的317.89倍，具有強(qiáng)大的引力場。“新視野”探測器離木星最近處約227萬千米，借助木星引力進(jìn)行加速，使探測器飛行速度提升到每小時(shí)7萬～7.5萬千米，加速飛向遙遠(yuǎn)的冥王星。

利用飛越木星的機(jī)會(huì)，“新視野”順便對木星和它的20多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行了為期4個(gè)多月的考察。主要探測了木星的大氣結(jié)構(gòu)及風(fēng)暴、木星及其衛(wèi)星的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，通過帶電粒子流和極光遙感測量探測研究木星磁層。探測器還收集了木星主要衛(wèi)星的大氣層、物質(zhì)組成、表面結(jié)構(gòu)等信息。