行星際超遠(yuǎn)距離飛行的“葵花寶典”——“新視野”冥王星探測任務(wù)分析

□ 鄭永春

迄今為止飛得最快的航天器、人類發(fā)射的第一個(gè)冥王星探測器“新視野”號，經(jīng)過約9年的星際旅行，于2015年1月15日抵達(dá)距地球約47億千米的冥王星附近，開始探測冥王星及其衛(wèi)星、以及它們所處的柯伊伯帶其他天體。雖然冥王星在2006年被開除出行星隊(duì)伍，降級成為矮行星。這一方面使長期以來對冥王星是否具有行星地位的爭議塵埃落定；另一方面，脫離了爭議地位的冥王星卻毫無爭議地成為了柯伊伯帶數(shù)千顆冰凍小天體的“領(lǐng)頭羊”。

探測秘訣：破解太陽系最初的秘密

柯伊伯帶位于太陽系的邊緣，距離地球30個(gè)～50個(gè)天文單位，那里十分寒冷、黑暗，探測難度很大。直到1992年，柯伊伯帶才首次被觀測事實(shí)證實(shí)，是名副其實(shí)的太陽系新大陸?？乱敛畮嵌讨芷阱缧堑摹鞍l(fā)源地”，著名的哈雷彗星、2014年“羅塞塔”號上的“菲萊”著陸器登陸的楚-格彗星都來自柯伊伯帶。彗星主要是由水冰、氨、甲烷、一氧化碳、少量的復(fù)雜有機(jī)物等物質(zhì)組成，人們形象地把彗星比喻為席卷了塵埃和冰塊的“臟雪球”。當(dāng)遠(yuǎn)離太陽時(shí)，彗星大多只是一個(gè)直徑為數(shù)千米的暗黑色冰球；當(dāng)運(yùn)行到太陽附近時(shí)，這些暗黑色冰球開始煥發(fā)出生命活力，彗星上的揮發(fā)物開始“熔化”，形成長長的彗發(fā)和彗尾，甚至延伸至10萬千米以遠(yuǎn)。每一次飛經(jīng)到太陽附近，彗星都會釋放出大量的揮發(fā)性物質(zhì)，并損失一些質(zhì)量。經(jīng)過多次消耗之后，彗星最終將喪失大部分質(zhì)量，消失在黑暗寒冷的太陽系邊緣。因此可以推測，在遙遠(yuǎn)的太陽系邊緣，一定有一個(gè)大型的彗星補(bǔ)給基地，老的彗星慢慢消失，新的彗星補(bǔ)充進(jìn)來。不然的話，經(jīng)過漫長的46億年的太陽系演化歷史，如今地球上的人類可能早就沒有機(jī)會看到彗星了。那么，哪里才是彗星的補(bǔ)給基地呢？

數(shù)十年天文觀測和深空探測的結(jié)果表明，在遠(yuǎn)離太陽的海王星以遠(yuǎn)，還有兩片太陽系的新大陸——柯伊伯帶和奧爾特云，它們分別是短周期彗星和長周期彗星的老家。

在“新視野”號之前，柯伊伯帶和奧爾特云這兩大區(qū)域還沒有被航天器探測過，我們對太陽系新大陸的廣闊空間仍知之甚少，對太陽系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識仍然不夠清晰?！靶乱曇啊碧柕闹饕繕?biāo)就是探測以冥王星及其衛(wèi)星為代表的柯伊伯帶天體，將這片區(qū)域的場景清晰地展現(xiàn)出來。這些珍藏在太陽系冷庫中的冰凍天體可能有大量的水，不同于常見的八大行星和小行星，此次任務(wù)的發(fā)現(xiàn)將直接改變我們對太陽系的已有認(rèn)識。

我們知道，太陽系起源于一個(gè)彌漫著氣體和塵埃的星云團(tuán)。由于快速旋轉(zhuǎn)，星云逐漸凝聚形成星子，星子之間相互碰撞、吸積增大而形成行星胚胎，進(jìn)一步彼此吸引增大形成數(shù)量較少、質(zhì)量較重的原始行星，即行星是由小的星子通過相互碰撞、吸引逐漸“長大”的。太陽系不僅有行星，還有數(shù)以億計(jì)的小天體，包括小行星、矮行星、彗星，主要存在于小行星帶、柯伊伯帶、離散盤、奧爾特云。冥王星是太陽系中一顆未長大的“侏儒”行星，而柯伊伯帶的其他小天體是形成行星的胚胎。“新視野”號的目的就是探測行星胚胎和“侏儒”行星，幫助我們理解從星子成長為行星的過程。

發(fā)射秘訣：最佳發(fā)射窗口百年一遇

由于冥王星距離太陽和地球十分遙遠(yuǎn)，要探測它既要飛行很遠(yuǎn)的距離，又要克服寒冷而陰暗的困難，所以之前一直沒有探測器探測過。

20世紀(jì)90年代末，美國航宇局（NASA）曾制定了一個(gè)名為“冥王星-柯伊伯快車”探測計(jì)劃，原計(jì)劃2004年12月18日發(fā)射，主要目的是探測冥王星、卡戎以及其他柯伊伯帶天體。由于研制經(jīng)費(fèi)超支等原因，NASA宣布取消該計(jì)劃。

消息一公布，立即遭到很多天文學(xué)家的強(qiáng)烈抗議。他們四處游說，希望再次啟動冥王星探測計(jì)劃。美國行星學(xué)會甚至發(fā)動了“拯救冥王星計(jì)劃”的運(yùn)動。最后，NASA的官員們終于被說服，于2000年12月20日宣布重新論證冥王星計(jì)劃。他們拒絕采用原先提出的探測方案，改而向全球公開征集新的探測方案。這也是NASA歷史上首次向全球公開征集太空計(jì)劃方案。

NASA對新方案提出了兩項(xiàng)苛刻的要求：一是要求在2015年前抵達(dá)冥王星，二是經(jīng)費(fèi)必須低于5億美元。這是因?yàn)橼ね跣堑能壍罏闄E圓形，繞日運(yùn)行的周期長達(dá)248年，2015年時(shí)正好是探測冥王星的絕佳時(shí)機(jī)。一旦錯(cuò)過，這種快速抵達(dá)冥王星的機(jī)會只有百年之后才有了。而且想必官員們認(rèn)為，為一個(gè)太空探測計(jì)劃等15年，已經(jīng)是公眾耐心的極限了。

從宣布重新論證到最遲的發(fā)射時(shí)間，留給科學(xué)家們只有4年～5年時(shí)間。2004－20 06年是發(fā)射冥王星探測器的最后機(jī)會。為了爭分奪秒地研制探測器，NASA留給新的冥王星計(jì)劃的方案設(shè)計(jì)時(shí)間只有3個(gè)月，截止到2001年3月19日。最終，由西南研究院和霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)方案脫穎而出，在諸多方案中最終獲勝，總預(yù)算為4.88億美元。新方案能發(fā)回比原來的“冥王星-柯伊伯快車”計(jì)劃多10倍的觀測數(shù)據(jù)。如果趕在2006年2月以前發(fā)射，可以確保在2015年夏天抵達(dá)冥王星。2001年12月，NASA宣布重啟冥王星計(jì)劃，探測器名為“新視野”號。

2006年1月19日14時(shí)，人類第一個(gè)柯伊伯帶探測器——“新視野”號在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地第41發(fā)射臺發(fā)射。45分鐘后三級火箭脫離，“新視野”號脫離地球引力，朝木星飛去。2014年12月7日，在行星際飛行了48億千米的“新視野”號被成功喚醒，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，“新視野”號開始對冥王星及其衛(wèi)星、以及其它柯伊伯帶天體進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測。7月14日，“新視野”號探測器飛到距離冥王星最近的位置開展探測。

“新視野”號的推進(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?！靶乱曇啊碧柟矓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”號攜帶的燃料比較少。

航天器對遙遠(yuǎn)天體經(jīng)常會采用環(huán)繞探測的方式，目的是開展全球性的觀測，但“新視野”號為什么不環(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常快，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”號要進(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”號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”號一旦進(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。

全面實(shí)施流域綜合規(guī)劃 有效推進(jìn)綠色珠江建設(shè)——《珠江流域綜合規(guī)劃》解讀 ………………… 岳中明(13.55)

長壽秘訣：長期休眠為遠(yuǎn)征養(yǎng)精蓄銳

為實(shí)現(xiàn)長壽命，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，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)間叫醒他，讓他鍛煉鍛煉筋骨。

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”號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仍密切關(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”號還會每周發(fā)回一個(gè)信號，這個(gè)信號被稱作“綠色信號燈”，目的是讓控制人員知道它仍然活著。

2014年8月，地面對“新視野”號進(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。12月7日，地面收到了它從遙遠(yuǎn)的深空傳來的回復(fù)，確認(rèn)此指令已經(jīng)得到執(zhí)行。這次喚醒標(biāo)志著“新視野”號此行的主要目的——探測冥王星及其衛(wèi)星的任務(wù)正式開始了。從此，“新視野”號將一直保持“清醒”狀態(tài)，直到2015年7月14日，它在這一天抵達(dá)距離冥王星的最近位置。

喚醒后的數(shù)周內(nèi)，地面團(tuán)隊(duì)全面檢查了探測器的身體狀況，測試了在飛越冥王星時(shí)需要用到的各種程序，確保探測器各系統(tǒng)正常工作。結(jié)果表明，“新視野”號現(xiàn)在很健康，正安靜地在深空漫游。

2015年1月15日，“新視野”號上的所有系統(tǒng)被喚醒，開始對冥王星和卡戎進(jìn)行探測。隨著探測器的逐漸靠近，冥王星和卡戎將從望遠(yuǎn)鏡觀測中的小亮點(diǎn)，展現(xiàn)出越來越多的細(xì)節(jié)。屆時(shí)，人類將首次獲得他們的標(biāo)準(zhǔn)照。

高速秘訣：木星借力成就迄今最快的航天器

發(fā)射以后，“新視野”號直接進(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16.26千米/秒，相當(dāng)于58,536萬千米/小時(shí)，接近第三宇宙速度，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”號在發(fā)射后9小時(shí)就飛過了月球。而阿波羅載人飛船飛往月球用了3天，嫦娥一號奔月飛行用了13天半，嫦娥二號奔月用了5天。

13個(gè)月后的2007年2月底，“新視野”號抵達(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。“新視野”號飛抵木星的目的也是為了加速。目的是借助木星的巨大引力進(jìn)一步提速到7萬～7.5萬千米/小時(shí)，加速飛向遙遠(yuǎn)的冥王星。

利用飛越木星的機(jī)會，“新視野”號順便對木星和它的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。

抗凍秘訣：太空核能確保航天器在冷庫中生存

由于冥王星和柯伊伯帶遠(yuǎn)離太陽，太陽輻射強(qiáng)度只是地球上的千分之一，太陽光要經(jīng)過4個(gè)多小時(shí)長途跋涉才能來到冥王星?！靶乱曇啊碧査璧碾娏o法通過太陽能電池發(fā)電提供。為此，“新視野”號探測器攜帶了一臺放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)。

許多人談核色變，其實(shí)40多年來，核能發(fā)電機(jī)已經(jīng)在25次太空探測中使用，其中包括6次阿波羅載人登月，2次探測木星和土星的飛行，2次探測火星的飛行。

核能發(fā)電機(jī)位于“新視野”號的尾部，內(nèi)裝10.9千克二氧化钚，其中的钚－238衰變時(shí)會釋放出熱量，通過溫差發(fā)電提供穩(wěn)定的電力。所有的探測設(shè)備都將依賴這臺核能發(fā)電機(jī)供電，其產(chǎn)生的電力相當(dāng)于一對100瓦燈泡。

由于擔(dān)心太空遭受核污染，在“新視野”號發(fā)射前夕，曾有數(shù)十名抗議者自發(fā)組織起來進(jìn)行抗議。但科學(xué)家們解釋，“新視野”號探測器的燃料箱非常堅(jiān)固，核能發(fā)電機(jī)所用的燃料被封裝在特制的球形防火陶瓷中，這種陶瓷有抗分解能力，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且外面的密封箱完全能經(jīng)受住墜地撞擊或空中爆炸的沖擊，發(fā)生意外災(zāi)難的幾率很小，即使發(fā)生意外，核燃料外泄的可能性微乎其微。為了應(yīng)該可能的風(fēng)險(xiǎn)，NASA和能源部做了詳細(xì)的預(yù)案，組建了16個(gè)移動跟蹤小組，部署了33個(gè)空氣取樣裝置和監(jiān)控器，以檢測可能的核輻射。

在古希臘時(shí)代，我們認(rèn)為地球是宇宙的中心、太陽、月球都是繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)的行星；在哥白尼之后，人類逐漸接受太陽是太陽系的中心，認(rèn)為行星就是圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的天體，因此地球是行星而月球不是。后來大量小行星的發(fā)現(xiàn)迫使人們修改了行星的定義，認(rèn)為行星必須質(zhì)量足夠大，大到能通過自轉(zhuǎn)成球體。再后來，發(fā)現(xiàn)了許多與月球大小相近的谷神星、智神星、鬩神星、妊神星、婚神星等，天文界面臨著再次選擇，要么將他們統(tǒng)統(tǒng)納入行星，要么排除他們。2006年，冥王星被開除出行星隊(duì)伍。未來，根據(jù)深空探測的進(jìn)展和獲得的新發(fā)現(xiàn)，我們可能需要再次修改行星的定義。隨著我們對太陽系的認(rèn)識不斷深化，太陽系的邊界不斷拓展。這些科學(xué)成果不僅改變了人類的知識邊界，也將顯著影響和改造我們的世界觀。