[轉載]十年前?新視野號啟程?探索冥王星......

　　2006年1月19日，人類發射了首個冥王星探測器——「新視野號」（又譯「新地平線」號探測器）；2015年1月15日，經過9年長途跋涉的「新視野號」，到達距地球約47億千米遠的冥王星附近，開始觸手探及太陽系最後一塊未開墾的「處女地」，打開人類的新視野，探測太陽系邊緣的冥王星及其衛星，然後飛向柯伊伯帶（KuiperBelt），去尋找關於太陽系起源和地球生命起源的線索。

　　2016年1月19日，「新視野號」冥王星探測器發射十周年！多麼重要的日子。

　　想說愛你不容易

　　冥王星在太陽系的邊緣，要想專門探測它很困難，所以一直沒有探測器走近它。在20世紀90年代末，NASA曾制定了一個名為「冥王星-柯伊伯快車」的計劃，目的是探測冥王星和其衛星卡戎以及柯伊伯帶天體。它原計劃於2004年12月18日發射，但由於研製經費超支等多種原因被NASA下馬了。

　　不過，此舉遭到了很多天文學家的激烈反對，他們堅持要讓探測冥王星計劃再次上馬。美國行星學會還發動了「拯救冥王星計劃」運動，最後NASA終於改變策略，於2000年12月20日發表了聲明。他們將不採用原計劃，而是向全球徵集新方案，並提出了比較苛刻的要求：一是要在2015年前飛抵冥王星，另一個是花費金額不能超過5億美元。公開徵集截止日期為2001年3月19日。而這公開地由NASA以外的研究小組參與太空計劃的競標，在美國歷史上還是首次。評論家們認為此舉是為堵住批評者的嘴。

　　為這項任務，美國行星學會自掏400萬美元研製「宇宙」1號太陽帆，試圖用太陽光壓做動力來實現冥王星的探測。從理論上講，一個太陽帆式航天器在其飛行3年後能達到約16萬千米每小時，按此速度飛行，它能在5年內抵達冥王星。但「宇宙」1號太陽帆任務執行得並不順利，先後2次發射失敗。

　　最後，來自美國西南研究院和霍普金斯大學應用物理實驗室的一個聯合小組提出的「新視野」計劃被認可。該計劃總預算額為4.88億美元，它能發回比原來的「冥王星-柯伊伯快車」計劃多10倍的觀測數據，如果2006年2月以前發射，它能於2015年夏天抵達冥王星。於是，NASA於2001年12月宣布，重新啟動冥王星探測計劃。

　　2006年1月19日，美國終於發射了名為「新視野」的世界首個冥王星探測器。這個三角鋼琴般大小的探測器以5.79萬千米每小時的速度飛行，接近第3宇宙速度，因此成為人類有史以來發射的最高速飛行器。

　　「新視野」在發射後9小時內飛過月球，而當年美國發射的「阿波羅」系列飛船需要用2.5到3天的時間。即使這樣，它從地球到木星也需要13個月，然後藉助木星的巨大引力進一步提速，飛向遙遠的冥王星，行程總計48億千米，2015年7月將到達距冥王星最近的地方，對它及其衛星開展人類首次近距離探測活動，然後，去探測冥王星之外由一個彗星和其他宇宙碎片構成的中間環帶——柯伊伯帶。

　　「三明治」拓荒邊疆

　　「新視野」號主體形狀猶如一塊三角形三明治，其全名叫「新視野－拓荒邊疆」，也被譯成「新地平線」。

　　它有兩大主要任務：一是探測位於太陽系邊緣的冥王星及其衛星卡戎；二是探測位於柯伊柏帶的小行星群帶。

　　具體說來，「新視野」至少要完成3項工作：一，利用平均解析度達1千米的望遠鏡觀測並描繪冥王星和衛星卡戎的表面情況（現在解析度最高的「哈勃」望遠鏡的解析度為500千米左右）；二，測定冥王星和卡戎表面土壤的構成情況；三，測定冥王星大氣層的組成情況和流逸現象發生情況。

　　此外，美國還希望「新視野」能夠監測到冥王星的表面溫度波動情況以及將至少一個柯伊伯帶天體作為冥王星的對照天體，並對其進行與冥王星完全相同的研究，以獲得對照資料，從而進一步了解太陽系。

　　一年前，「新視野號」到達冥王星時，項目負責人斯特恩說：「此次抵達冥王星，感覺會像走進糖果店的小孩子一般興奮。因為，冥王星及其衛星以及太陽系中的這一區域存在如此多謎團。探索冥王星和柯伊伯帶就像是對太陽系外層進行考古挖掘工作。通過考察這片區域，我們可以一窺行星形成的古老時代。」

　　「新視野」裝有放射性同位素熱電發電機。這是由於冥王星距離太陽太過遙遠，太陽光要經過4個多小時長途跋涉才能來到冥王星，而且其亮度只是地球上所看到的太陽光亮度的千分之一，所以在其漫漫征途中，「新視野」所需的電力無法由太陽能電池提供。為此，它依靠所攜帶的10.9千克鈈丸提供穩定的電力。這個發電機位於探測器的尾部，內裝的鈈-238衰變時會釋放出熱量形成溫差從而發電。在此前的40多年裡，放射性同位素熱電發電機曾在25次太空探測中使用，其中包括6次「阿波羅」探月飛行任務，2次探測木星和探測土星的飛行，以及2次探測火星的飛行。

　　外表傾斜的「新視野」探測器發射時的質量為453千克，介於2位前輩之間：它重於「先驅者」探測器，卻比「旅行者」輕，與「卡西尼」或者「伽利略」相比，算是一個中等大小的行星探測器。這個看上去像一把短鍬和鐵鍋組合的傢伙一共攜帶了30千克的科學儀器和77千克的推進劑，後者用於在航行過程中修正軌道或改變航向。由於可利用木星引力進行輔助加速，並且在冥王星附近無需減速，所以「新視野」沒有攜帶過多的燃料。

　　「新視野」高0.7米，長2.1米，最寬處約2.7米。其推進系統包括16個單元肼推力器，其中4個4.4牛推力器用於軌道修正，另外12個0.8牛推力器用於對探測器的自旋進行加速或減速。通信採用X頻段，包括1副直徑2.1米的高增益碟型天線、1副中增益碟型天線和2副寬波束低增益天線。大部分情況下，探測器採用X頻段高增益天線與地面通信。當探測器到達冥王星時，即距離地球49億千米，數據率僅為700比特每秒，將整套數據傳回地球需要9個月。其上的放射性同位素熱電發電機在任務初期功率為240瓦，2015年功率降為200瓦。

　　它採用三軸穩定（科學探測階段）和自旋穩定（巡航階段）2種姿態控制模式。其中，自旋穩定控制模式用於軌道修正機動和巡航階段的休眠期，額定自旋速率為5轉/秒。它是世界上首個使用「深空網信標側音」（beacontone）系統的探測器，該系統曾在1998年的「深空」1號任務中進行了飛行驗證。

　　由於冥王星與太陽相距太遠，所以「新視野」有2個特點：探測器平台及所載遙感設備的壽命必須很長，至少為10年以上；其各分系統必須能耐得住低溫，並且不能用太陽能電池為探測器提供電力。

　　拓展視野7隻眼

　　「新視野」攜帶了7台科學探測儀器：3架照相機分別用於拍攝可見光、紅外線和紫外線照片；3台光譜儀用來研究冥王星大氣及地表物質的成分和溫度；還有一部塵埃計數器。它們將獲得25米解析度的圖像，1.6千米解析度的4色全球白天圖片，7千米解析度的超光譜近紅外全球圖像和對選擇區域0.6千米解析度的圖像，還可獲得大氣層的特徵。

　　這7台科學探測儀器，猶如「新視野」的7隻眼，其具體結構和效能如下：

　　1、可見光－紅外成像光譜儀，代號拉爾夫（Ralph）。它由多光譜可見光成像儀（MVIC）和線性標準成像光譜陣列（LEISA）組成，前者工作在可見光範圍內，並擁有4個不同的濾光鏡以拍攝彩色地圖，後者工作在紅外波段。該儀器用於繪製冥王星和卡戎表面的高解析度黑白和彩色地圖，收集其表面物質成分和溫度圖，以及柯伊伯帶深處的天體圖像。這台儀器是鮑爾宇航技術公司研製的，是「新視野」號任務的核心載荷，有望改變人類對冥王星、卡戎和柯伊伯帶天體的了解。由於冥王星距離太陽十分遙遠，拉爾夫的數字成像能力被設計成在比地球上日光弱1000倍的光亮級別上獲得數據。它重約10.9千克，雖小但結實，運行時耗電量不足7瓦。

　　2、遠程勘測成像儀，代號LORRI。它是探測器上解析度最高的成像儀器，由一台光學望遠鏡組成。該儀器用於拍攝冥王星和卡戎表面某些特定地區的最高解析度圖片。

　　3、冥王星周圍太陽風分析儀，代號SWAP。該儀器用於探測冥王星附近的太陽風帶電粒子，以確定冥王星是否具有磁場和它的大氣逃逸率。

　　4、紫外成像光譜儀，代號Alice。它不僅能像分光計那樣把不同波長的光分離，還可以拍攝到在不同波長的光照射下的目標照片。該儀器用於探測冥王星大氣組成成分。

　　5、冥王星高能粒子光譜儀，代號PEPSSI。該儀器用於探測從冥王星大氣中逃離出的中子，這些中子最終會在太陽風的作用下帶上電荷。

　　6、無線電科學設備，代號REX。該儀器用於探測冥王星大氣層的溫度和密度。

　　7、學生塵埃計數器，代號SDC。它是在科學家的指導下由美國科羅拉多大學的學生研製的，將在探測器的整個旅程中，沿途統計宇宙塵埃的數量並測量它們的大小。這些塵埃主要是彗星的脫落物及柯伊伯帶天體的相互碰撞形成的物質。

　　我們期待著「新視野」帶來冥王星以及柯伊伯帶的大量信息，為我們打開一個新的視野。

　　「神探」千里走單騎

　　「新視野」航行的頭13個月的任務主要是通過遙測來檢測探測器、校準儀器和修正航線。它於2007年2月底接近木星，飛到離木星最近處約227萬千米的位置，即比「卡西尼」土星探測器還要接近的距離飛過木星，以藉助木星的引力為自身加速到7萬到7.5萬千米每小時，然後再直飛冥王星。此外，利用飛越木星的機會，探測器對這顆行星和其衛星進行了考察。

　　在此後從木星飛往冥王星的8年時間裡，「新視野」上的絕大部分儀器將處於電子休眠狀態。以便節約電力，延緩設備老化並降低運營開支。不過，每隔幾個月，其上的設備都會定期被喚醒以便接受例行檢查及軌道校正和儀器校準，或是執行一些特定的任務，如2007年路過木星附近時，「新視野」對木星進行了考察。此外，「新視野」每周還會發回一個信號，被稱作「綠色信號燈」，其目的是讓控制人員知道它還活著，沒有死，只是睡著了。

　　在接近冥王星時，所有系統都會被喚醒，並開始探測。剛開始，冥王星和卡戎是不能分辨的亮點，但隨著探測器逐漸靠近，就能看到越來越多的細節。

　　當「新視野」距離冥王星約100萬千米時，其上的各種設備會開始工作，對冥王星和其衛星進行全方位的探測，並向地球傳回圖片。當「新視野」距冥王星還有16萬千米時，其上的相機就可開始繪製第一批地圖。以後的3個月里，它將不斷地拍攝照片，進行光譜測量。如果那時冥王星的大氣是凍結的，「新視野」還能觀測到季節的變化。

　　「新視野」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。它處於最近距離的時間約為半個小時。此間，探測器將用可見光和近紅外相機拍攝最為清晰的冥王星和卡戎「特寫」，最清晰時能分辨冥王星上達60米的地貌！

　　2015年7月，「新視野」飛越冥王星和卡戎，時間約為1地球日。其間，它將探測冥王星大氣層發出的紫外線輻射，並分別在綠、藍、紅和對甲烷霜敏感的特殊波段繪製冥王星和卡戎清晰的地圖。它還將在近紅外波長上獲取光譜圖，以了解冥王星及卡戎表面成分和這些物質的分布及溫度。當探測器飛過冥王星到達其陰面時，探測器將藉助卡戎反射過來的光線繼續對冥王星陰面地表情況進行探測。此外，科研人員將從地球向冥王星發射無線電波，那些穿過冥王星大氣層的無線電波被探測器上的巨型天線接收後，其上的儀器會根據無線電波的折射情況推算出冥王星大氣層的溫度和密度。

　　隨著與冥王星的距離逐漸減小，「新視野」拍攝的冥王星圖像會越來越清晰。到2015年5月份，「新視野」拍攝的冥王星圖像質量將超過「哈勃」太空望遠鏡；而到7月份，這顆探測器或許將拍攝到冥王星上漂浮的雲層或冰火山噴發（科學家們認為這類現象可能存在於冥王星表面）。

　　更遠的使命

　　其實，讓「新視野」按計劃於2014年12月7日蘇醒的指令，早在2014年8月地面對它進行一次例行檢查期間就上傳了。但這次喚醒是一次分水嶺事件，標誌著「新視野」此行的主要目的——2015年探索冥王星及其衛星的活動正式開始了。從此，「新視野」將一直保持「清醒」狀態，直到2015年7月14日，「新視野」在這一天抵達距離冥王星的最近位置。

　　喚醒後的數周里，「新視野」的地麵糰隊全面檢查了這個探測器。其上的科學探測設備都由放射性同位素熱電式發電機供電，這一核電源提供的電力僅能供一對100瓦燈泡使用，卻可支撐近6個月的探測任務。

　　由於冥王星自身的獨特性，在考察過程中「新視野」可能存在著諸多不確定性——或許那裡還有更多衛星尚未被發現，甚至或許冥王星擁有光環。當它近距離掠過冥王星時，觀測採集的數據量將會異常龐大，探測器根本來不及向地球回傳。因此它將會暫時存儲這些數據，然後陸續向地球回傳。

　　那麼,為什麼「新視野」不進入冥王星軌道進行長時間觀測呢？其原因有兩個：一是，其飛行速度必須非常快，這樣才能用9.5年時間到達距離地球50億千米的冥王星，因此，如果「新視野」要進入冥王星軌道，它必須將速度降低90%，這就要求多攜帶1000倍的燃料，而「新視野」所攜燃料又不足以供減速和進入環冥王星軌道之用；二是，如果進入冥王星軌道，「新視野」將無法繼續前行，探測柯伊伯帶。它將在與冥王星及其衛星「親密接觸」後，繼續前行並一去不返。

　　當飛離冥王星和卡戎後，「新視野」還將回視冥王星和卡戎最為陰暗的部分，這是觀察冥王星大氣中的霧及辨認冥王星和卡戎表面是否平坦的最好方法。

　　2015年7月14日，在完成對冥王星的考察工作後，「新視野」將於2017到2020年進入柯伊伯帶，探測至少2個直徑為40到90千米的柯伊伯帶天體，這一階段可能會持續5到10年。

　　在那之後，「新視野」上的計算機將會被重置，上傳由「一個地球新視野信件」項目(One Earth：NewHorizonsMessage)收集的有關地球的各種信息（由全世界各地的人們提交的各種材料，包括照片，聲音，文字，甚至是計算機程序），「新視野」將帶著這些來自地球上人們的各種信息一直飛向遙遠的恆星際空間！

[責任編輯:宋雅娟]

文/杭田園（微信公眾號：太空夢想）

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