新視野號“邂逅”冥王星200年才一次

金 煜

9年飛行，48億公里。2015年7月14日，比三角鋼琴沒大多少的“新視野”號探測器順利到達(dá)目的地——冥王星的附近，第一次真正揭開了冥王星的神秘面紗。

“新視野”號飛掠冥王星，打破了單次太空任務(wù)的多個(gè)歷史性紀(jì)錄：它造訪的，是傳統(tǒng)教科書中太陽系中最后一顆行星，也是人類所能靠近的最遠(yuǎn)一顆行星。接下來，“新視野”號將到訪柯伊伯帶，向人類揭開太陽系起源的秘密。

設(shè)計(jì)，被木星踢了一腳直奔冥王星

“我們從1989年就開始了這個(gè)項(xiàng)目，2001年向美國宇航局申請這個(gè)項(xiàng)目，2006年‘新視野’號發(fā)射，昨天，我們終于成功了！”7月15日，科學(xué)家弗蘭·巴吉納爾說。

弗蘭是科羅拉多大學(xué)博爾德分校大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室教授，全程參與“新視野”號任務(wù)的副研究員。她說：“我們有上千名科學(xué)家參與，一共付出了2百萬個(gè)工作小時(shí)，值得了！”

“新視野”號是目前為止速度最快的太空飛行器嗎？被問及此問題時(shí)，弗蘭想了想，給出了肯定的回答：“是的，從地球發(fā)射飛往外太空的飛行器中，‘新視野’號是最快的?！?/p>

冥王星與太陽的平均距離為59億公里，它接收的太陽輻射只有地球表面接收太陽輻射的千分之一。這意味著，安裝在過去那些探測器上的太陽能電池板不再適用，改由核動力發(fā)電機(jī)為“新視野”號提供能源。

為了在漫長的旅程中保持“體力”，“新視野”號的設(shè)計(jì)總功率只有200W。這些在地球上僅夠點(diǎn)亮幾個(gè)不太亮的燈泡的能量，要幫助“新視野”號完成變軌和姿態(tài)調(diào)整，還要為飛行器攜帶的儀器提供能源。

在太空中飛行時(shí)，采用核動力的“新視野”號每小時(shí)速度達(dá)到5.7萬公里，每秒時(shí)速16公里，它用了9年多就到達(dá)近48億公里之外的冥王星?！靶乱曇啊碧栐?個(gè)小時(shí)內(nèi)就越過月球軌道，到達(dá)木星只花了13個(gè)月，相比之下，當(dāng)年阿波羅號花了3天才到達(dá)月球。

弗蘭介紹說，“新視野”號所有的工程設(shè)計(jì)，都有最重要的一個(gè)目的：讓它盡快到達(dá)冥王星。比如，“新視野”號大小如一臺三角鋼琴那么大，重量不到500千克，但卻用了帶有5個(gè)固態(tài)火箭助推器的Altas V型火箭發(fā)射，以給予其最大推力。

45分鐘后，“新視野”號就脫離火箭，以時(shí)速5.7萬公里離開地球，這個(gè)速度超過了其他太空飛行器脫離地球引力時(shí)的速度，打破了1972年先鋒號離地時(shí)時(shí)速5.2萬公里的速度，這個(gè)飛行速度比噴氣式客機(jī)快幾十倍。

“新視野”號輕裝上陣，它飛行9年，穿越近50億公里，卻攜帶了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”號長達(dá)9年的旅程中，大部分時(shí)間不用助推劑。弗蘭介紹，路過木星后，木星引力幫了忙，“踢了一腳”，令“新視野”號往冥王星方向繼續(xù)前進(jìn)。引力助推，是令太空飛行器進(jìn)行星際旅行的好辦法。此前，“旅行者2”號就曾在上世紀(jì)七八十年代借用過木星、土星等行星的引力，“卡西尼”號也借助過金星的引力。如果不是因?yàn)槟拘牵靶乱曇啊碧栔辽僖嗷?年時(shí)間才能到達(dá)冥王星附近。

飛行，錯過這次良機(jī)要再等200年

“新視野”號為何非要用盡一切辦法趕時(shí)間到達(dá)冥王星附近？“我們必須要盡快到達(dá)，否則冥王星就會像地球半年中的極地一樣全是黑的，完全沒有日光。”弗蘭說。

冥王星距離太陽平均距離有39.4天文單位(1個(gè)天文單位約等于地球跟太陽的平均距離)，太陽光要5.5個(gè)小時(shí)才能到達(dá)冥王星。冥王星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期要248年，這意味著一旦錯過陽光普照下的冥王星，它很快就會長期被陰影包圍變成一個(gè)冰凍星球，下一次再在如此好的機(jī)會下見到冥王星，將是200年之后。

在陽光下對冥王星進(jìn)行拍攝至關(guān)重要。弗蘭說，雖然有些儀器可以在黑暗的星球表面探測，如探測星球表面化學(xué)成分，但探測冥王星的主要目的之一還是借助陽光，用高清晰度照相機(jī)拍照。從1989年之后冥王星就過了太陽直射，接收的熱量一年比一年少，科學(xué)家預(yù)計(jì)，它的大氣也會越來越冷，所以要在它尚有著厚實(shí)大氣的時(shí)候造訪。

“如果去晚了，會帶來一系列問題?！薄秶H太空》雜志執(zhí)行副主編、航天專家龐之浩說，屆時(shí)冥王星可能會有大片陰影，或者儀器被稀薄的大氣凍住難以探測，其衛(wèi)星也可能長時(shí)間被陰影包圍，這對地圖繪制會帶來極大困難。

“時(shí)間掌握非常重要，如果推遲發(fā)射，木星對地球和冥王星的位置發(fā)生變化，就沒法借助木星引力加速了。下次再借助木星引力要等到2018年，那時(shí)冥王星遠(yuǎn)離太陽，就很難探測了?！饼嬛普f，“現(xiàn)在‘新視野’號的速度是空前的，基本上達(dá)到第三宇宙速度了?！?/p>

同樣沒有選擇的是探測方式。盡可能快地到達(dá)冥王星，就意味著放棄著陸或進(jìn)入軌道的可能性，只能采用“飛掠”的方式，邊經(jīng)過邊探測。弗蘭說，冥王星的引力很小，如果要進(jìn)入軌道，就需要相當(dāng)多的燃料來減速，“你或者帶大量燃料選擇著陸，或者用很輕的飛行器，帶少量科學(xué)儀器，盡快到達(dá)，拍下照片發(fā)回來?！?/p>

龐之浩也表示，“新視野”號的速度太快了，如果要“剎車”的話，就需要消耗比現(xiàn)在多1000倍的燃料來減速。根據(jù)美國宇航局對其2006年前發(fā)射，2015年到，以及費(fèi)用不能超過5億美元的要求，“新視野”號不得不選擇高速、低成本的方案。

意外，飛掠冥王星前夕打了一個(gè)“嗝”

長達(dá)十幾年時(shí)間里，因?yàn)轭A(yù)算問題，探索冥王星的計(jì)劃反復(fù)地提交、否決、提交、否決。

“如果探索冥王星任務(wù)是一只貓的話，它早死了，因?yàn)樨堃仓挥?條命?！薄靶乱曇啊碧柺紫{(diào)查員艾倫·斯特恩在“新視野”號的相關(guān)紀(jì)錄片中打趣地說。

“新視野”號飛行了9年，但最漫長的等待確是在確認(rèn)“新視野”號成功飛掠冥王星的那幾個(gè)小時(shí)內(nèi)?！翱傮w非常順利，完全按照我們的計(jì)劃走?！备ヌm說，但靠近冥王星時(shí)，差一點(diǎn)就出了大問題。

靠近冥王星時(shí)，“新視野”號上的所有設(shè)備都處于工作狀態(tài)，全力以赴地開始準(zhǔn)備各種探測，這時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)也增加了。地面控制人員始終在持續(xù)聯(lián)系“新視野”號，但7月11日它突然沒了聲音，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。

“一下子變得忙碌了，就像你的電腦一樣，用太多的程序時(shí)就會負(fù)載過重?！备ヌm說，因?yàn)樨?fù)擔(dān)過重，飛行器上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行了“重啟”。第二天，“新視野”號重啟所有正常的探測。

NASA深空探測網(wǎng)絡(luò)蒂德賓比拉太空跟蹤站發(fā)言人格蘭·納吉爾對媒體表示，幸好這樣的故障發(fā)生在11日，因?yàn)橐坏┌l(fā)生在13日，即“新視野”號最接近冥王星，最需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，那損失可能就更大。

這一故障，被一些媒體稱之為“新視野”號“打了一個(gè)嗝”，但卻并未影響到任何重要的科學(xué)探測。

飛掠冥王星時(shí)，為了讓“新視野”號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)，直到當(dāng)天晚上才開始傳輸信號。地面向飛行器發(fā)出信號，9個(gè)小時(shí)后才返回一次，但它帶來了好消息：“新視野”號確認(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。

“冥王星是柯伊伯帶中最典型的天體，這些天體是太陽系形成的重要原因，”弗蘭說，“最終，我們可以通過‘新視野’號挖掘冥王星的秘密，可以去了解太陽系是怎么形成的。”