年度深空探測大戲揭幕：「新視野號」遠征冥王星（下）

鄭永春（首屆香江學者，國家天文台青年創新促進會負責人）

1星際飛越50億千米

柯伊伯帶的天體主要包括冰凍的小行星、彗星和矮行星，它們是太陽系演化的遺蹟，記錄著太陽系形成之初的信息。

1992年，人類才艱難地首次觀測到除冥王星外的第一個柯伊伯帶天體——直徑250千米的QB1，那時我們還不知道是否存在柯伊伯帶。

而現在，探測柯伊伯帶的深空探測器新視野號已經飛抵那裡親臨探測。

那麼，新視野號是如何設計的？怎樣才能破解太陽系最初的秘密呢？

「新視野號」發射時的質量為453千克。

探測器外形像一把短鍬，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（圖1）。

探測器本體為三角形，長2.1米，最寬處約2.7米，高0.7米，大小相當於一架鋼琴。

圖1 「新視野號」的外形像一把短鍬。

「新視野號」探測器的通信採用X頻段，包括一副直徑達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。

「新視野號」的天線比大多數深空探測器要大得多，這是由於距離遙遠，信號微弱，所以需要一個很大的天線來接收和發送數據和信號。

「新視野號」有兩種姿態控制模式，在科學探測階段採用三軸穩定和自旋穩定模式；在巡航階段的休眠期和軌道修正機動時採用自旋穩定，額定轉速為5次/秒。

「新視野號」的推進系統由16個單元肼推進器組成，其中4個推力為4.4牛的推進器主要用於修正飛行軌道，12個推力為0.8牛的推進器主要用於使探測器自旋加速或減速。

「新視野號」共攜帶77千克推進劑，用於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，它利用木星引力進行輔助加速；在抵達冥王星的時候，它採用飛越方式探測，因此在靠近冥王星時無需減速使之進入環繞軌道。

這兩個因素使得「新視野號」攜帶的燃料比較少。

「新視野號」為什麼不環繞冥王星進行長時間觀測呢？主要原因有兩個，一是由於探測器的飛行速度必須非常快，這樣才能確保在9.5年內到達距離地球50億千米的冥王星。

如果「新視野號」要進入冥王星軌道，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入環冥王星軌道之用。

二是「新視野號」一旦進入環繞冥王星的軌道，就無法將來脫離冥王星引力去探測其他的柯伊伯帶天體。

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、離抵達冥王星還有2.6億千米。

2015年1月15日，當「新視野號」距離冥王星約100萬千米時，探測器上的各種設備開始工作，對冥王星和卡戎進行全方位的探測並傳回探測數據。

以光速傳輸的探測數據傳到地球需要4小時25分鐘。

當距冥王星16萬千米時，探測器上的相機開始繪製第一批地圖，並在隨後的3個月裡不斷拍攝照片和測量光譜。

如果那時冥王星的大氣是凍結的，「新視野號」還能夠觀測到季節的變化。

「新視野號」與冥王星的最近距離將為9600千米；與卡戎的最近距離為2.7萬千米，持續時間約為半小時。

屆時，探測器將用可見光和近紅外相機拍攝最高解析度為60米、迄今為止最清晰的冥王星和卡戎照片。

圖像質量遠遠超過哈勃空間望遠鏡拍攝的冥王星（圖2）。

如果幸運的話，「新視野號」有望拍攝到冥王星上的雲層或噴發的冰火山。

雖然科學家推測冥王星表面可能存在這些現象，卻從未被證實過。

當近距離飛過冥王星時，「新視野號」採集的數據量異常龐大，根本來不及向地球回傳。

因此只能暫時存儲這些數據，並在隨後的1年多時間裡陸續發送。

圖2 迄今最好的冥王星真實色彩圖像。

圖中的明暗結構可能意味著冥王星表面的成分變化，該圖由哈勃空間望遠鏡於2002～2003年間拍攝。

「新視野號」對冥王星和卡戎的飛越觀測將持續6個多月，2015年7月之後將逐漸遠離（圖3）。

在飛離冥王星和卡戎時，「新視野號」還將調轉鏡頭回望，利用低太陽照射角造成表面地形明暗的優勢，求證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」，是否擁有環帶，是否有未被發現的衛星。

圖3 「新視野號」飛越冥王星和卡戎示意圖。

在完成對冥王星及其衛星的飛越考察後，「新視野號」將在2017～2020年探測柯伊伯帶的其它天體，其中的2個直徑為40～90千米，這一階段可能持續5～10年。

如果一切順利，「新視野號」的壽命將在15年以上。

2全民參與的科普盛事

深空探測的目標大多遠離地球，開展深空探測一方面將牽引航天技術的提升，另一方面將擴大人類的認知邊界。

與商業航天和應用航天不同，深空探測是用納稅人的錢開展的科學探測活動，是全人類的共同使命。

因此，在深空探測的任務實施中，應想方設法吸引公眾的關注，儘可能讓普通人獲得親身參與感，以爭取民眾支持。

在這一過程中，勇敢探索未知世界的科學精神被潤物無聲地傳遞到每一個人，從而提升公眾的科學素養。

2005年，「新視野號」任務團隊發起了一個問候冥王星的徵集活動，他們設立了一個網頁，全世界天文愛好者只需要通過訪問這個網頁，就可以將自己的名字輸入電子卡片內，讓自己的問候搭載在「新視野號」，一起飛向柯伊伯帶。

活動期間共徵集到了超過43萬人的問候，這些問候被刻在光碟上，放入探測器內。

在完成探測任務後，「新視野號」上的計算機將會被重置，上傳「同一個地球，來自『新視野號』的問候」，上面收集了有關地球的各種信息，包括世界各地的人們發來的照片、聲音、文字，甚至是電腦程式。

「新視野號」將帶著這些來自地球的人類信息飛向遙遠的星際空間。

3行星際超遠距離飛行寶典

由於冥王星遠離太陽，飛往這些遙遠天體的探測器需要具備一些基本條件：（1）壽命長；（2）必須借力行星飛行；（3）採用核能發電機。

長壽秘訣：長期休眠為遠征養精蓄銳。

為實現長壽命，不僅幾乎所有的探測器系統都要有備用設備，以確保系統出現問題時及時啟用備份系統；還有一個重要的手段，就是讓探測器長期處於休眠狀態，為了避免由於長期不活動，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間叫醒它，讓它鍛鍊鍛鍊筋骨。

自2006年1月20日發射升空後，除了用4個月探測木星及其衛星，「新視野號」上的絕大部分儀器處於休眠狀態，以節約能源，延緩設備老化，特別是降低地面維護和運營人員的開支。

不過地球上的控制人員仍密切關注新視野的運行情況，每隔幾個月，探測器上的設備都會定期被喚醒以接受例行檢查，進行軌道校正和儀器校準，以保障航線正確和設備正常。

此外，「新視野號」還會每周發回一個信號，這個信號被稱作「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」進行了一次例行檢查，上傳指令要求它按計劃於12月7日甦醒。

12月7日，地面收到了它從遙遠的深空傳來的回覆，確認此指令已經得到執行。

這次喚醒標誌著「新視野號」此行的主要目的——探測冥王星及其衛星的任務正式開始了。

從此，「新視野號」將一直保持「清醒」狀態，直到2015年7月14日，它抵達距離冥王星最近的位置。

喚醒後的數周內，地麵糰隊全面檢查了探測器的身體狀況，測試了在飛越冥王星時需要用到的各種程序，確保探測器各系統正常工作。

結果表明，「新視野號」現在很健康，正安靜地在深空漫遊。

2015年1月15日，「新視野號」上的所有系統被喚醒，開始對冥王星和卡戎進行探測。

隨著探測器的逐漸靠近，冥王星和卡戎將從此前由望遠鏡中觀測的小亮點，展現出越來越多的細節。

屆時，人類將首次獲得它們的標準照。

高速秘訣：木星借力成就迄今最快的太空飛行器。

發射以後，「新視野號」直接進入了地球和太陽的逃逸軌道，在最後完成加速關閉引擎時相對於地球的速度是16.26千米/秒，相當於每小時58,536萬千米/小時，接近第3宇宙速度，成為人類有史以來以最快發射速度離開地球的高速飛行器。

由於超高速飛行，「新視野號」在發射後9小時就飛過了月球。

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個月後，「新視野號」於2007年2月底抵達木星，而探測木星的伽利略探測器飛抵木星用了6年4個月。

「新視野號」離木星最近處約227萬千米的位置，其飛抵木星的目的也是為了加速。

目的是藉助木星的巨大引力進一步提速到7萬～7.5萬千米/小時，加速飛向遙遠的冥王星。

利用飛越木星的機會，「新視野號」順便對木星和它的20多個衛星進行了為期4個多月的考察。

主要探測了木星的大氣結構及風暴、木星及其衛星的環帶結構，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星的大氣層、物質組成、表面結構等信息。

圖4「新視野號」飛越木星時拍攝的木星和木衛一的合影。

抗凍秘訣：太空核能確保太空飛行器在冷庫中生存。

由於冥王星和柯伊伯帶遠離太陽，太陽輻射強度只是地球上的千分之一，太陽光要經過4個多小時長途跋涉才能來到冥王星。

「新視野號」所需的電力無法通過太陽能電池發電提供。

為此，「新視野號」探測器攜帶了一台放射性同位素溫差發電機。

圖5 黑色圓柱體為放射性同位素溫差發電機。

許多人談核色變，其實40多年來，核能發電機已經在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。

核能發電機位於「新視野號」的尾部，內裝10.9千克二氧化鈽，其中的鈽－238衰變時會釋放出熱量，通過溫差發電提供穩定的電力。

所有的探測設備都將依賴這台核能發電機供電，其產生的電力相當於一對100瓦燈泡。

由於擔心太空遭受核污染，在「新視野號」發射前夕，曾有數十名抗議者自發組織起來進行抗議。

但科學家們解釋，「新視野號」探測器的燃料箱非常堅固，核能發電機所用的燃料被封裝在特製的球形防火陶瓷中，這種陶瓷有抗分解能力，不易與其他物質發生化學反應，而且外面的密封箱完全能經受住墜地撞擊或空中爆炸的衝擊，發生意外災難的幾率很小，即使發生意外，核燃料外泄的可能性微乎其微。

為了應對可能的風險，NASA和美國能源部做了詳細的預案，組建了16個移動跟蹤小組，部署了33個空氣取樣裝置和監控器，以檢測可能的核輻射。

4破解太陽系最初的秘密

柯伊伯帶位於太陽系的邊緣，寒冷而陰暗，探測難度很大。

這些遙遠的冰凍天體究竟有何吸引力，值得我們長期守候並努力探索呢？

首先，柯伊伯帶作為太陽系的新大陸，「新視野號」的發現將極大地改變我們對太陽繫結構的認識。

柯伊伯帶是短周期彗星的「老家」，而奧爾特雲是長周期彗星的「老家」。

由於彗星經過太陽附近時質量會消耗掉，若沒有這兩個彗星老巢的不斷補充，經過漫長的太陽系演化歷史，我們可能早就看不到彗星了。

柯伊伯帶和奧爾特雲這兩大區域至今還沒有被太空飛行器探測過，我們對太陽系新大陸的廣闊空間仍知之甚少，對太陽繫結構的認識仍然不夠清晰。

我們一直把冥王星視為太陽系中一顆未長大的「侏儒」行星，但現在知道冥王星是通往柯伊伯帶這片全新大陸的大門。

「新視野號」的主要目標就是探測以冥王星及其衛星為代表的柯伊伯帶天體，將這片區域的場景清晰地展現出來。

其次，冥王星及其衛星作為行星胚胎，對研究行星的形成具有重要價值。

太陽系不僅有行星，還有數以億計的小天體，包括小行星、矮行星、彗星，主要存在於小行星帶、柯伊伯帶、離散盤、奧爾特雲。

從科學角度而言，深空探測就是探測太陽系的各種天體類型和主要區域，如同盲人摸象般逐漸了解太陽系的全貌，所有的深空探測任務的終極科學目標都是為了回答太陽系起源、行星的起源這些關鍵問題。

2014年8月，羅塞塔號剛剛探訪了同樣來自柯伊伯帶、飛越到太陽附近的楚—格彗星，搭載的菲萊著陸器還實現人類首次登陸慧核表面，大大加深了對彗星的認識。

除彗星外，柯伊伯帶還有數十顆直徑200～2000千米不等、由岩石和冰塊組成的天體，其中以冥王星及其衛星最為典型。

我們知道，太陽系起源於一個瀰漫著氣體和塵埃的星雲團。

由於快速旋轉，星雲逐漸凝聚形成星子，星子之間相互碰撞、吸積增大而形成行星胚胎，進一步彼此吸引增大形成數量較少、質量較重的原始行星。

行星形成後，太陽星雲的殘留物形成了數量眾多的小天體。

而矮行星就是沒有長大成行星的「侏儒」行星。

由於遠離太陽系的柯伊伯帶天體稀疏，受到的撞擊、太陽輻射等太空風化較弱，可以保存更為原始的狀態。

因此，柯伊伯帶的天體相當於在太陽系的「冷庫」中保存了46億年，保留著太陽系形成時的原始狀態，對了解太陽系的起源具有極大的作用。

通過「新視野號」對冥王星、冥衛一等柯伊伯帶天體的探測，將有助於揭示行星形成的關鍵環節。

人類已經對岩石行星（地球、金星、水星和火星）和氣液態巨行星（木星、土星、天王星和海王星）進行過多次探測，但在「新視野號」之前還沒有探測器對柯伊伯帶的冰態矮行星進行過探測。

因此我們對矮行星這一新的天體分類的認識是嚴重不完整的。

而「新視野號」的探測將填補這一重要的空白，完善了我們對於太陽系天體類型的知識。

再次，隨著深空探測的進展，我們對太陽系的認識不斷深化，太陽系的邊界不斷拓展。

這些科學成果改變了人類的知識邊界，進而影響和改造著我們的世界觀。

在古希臘時代，我們認為地球是宇宙的中心、太陽、月球都是繞著地球運轉的行星；在哥白尼之後，人類逐漸接受太陽是太陽系的中心，認為行星就是圍繞太陽運轉的天體，因此地球是行星而月球不是。

後來大量小行星的發現迫使人們修改了行星的定義，認為行星必須質量足夠大，大到能通過自轉成球體。

再後來，發現了許多與月球大小相近的穀神星、智神星、鬩神星、妊神星、婚神星等，天文介面臨著再次選擇，要麼將它們統統納入行星，要麼排除它們。

必須承認的是，我們對柯伊伯帶的小天體（除了矮行星以外，還包括彗星和小行星）還了解得很少，甚至是才處於大發現的初期。

我們不清楚柯伊伯帶的小行星與火星和木星之間的小行星有何不同。

隨著深空探測獲得的新發現，我們將不得不再次修改行星的定義。

最後，遠征太陽系邊緣的深空探測將顯著牽引航天技術實現新突破。

「新視野號」奔赴柯伊伯帶的旅途長達9年，為延長探測器的壽命和減少地面維護的費用，探測器有2/3的時間是在休眠中度過的；為實現早日抵達冥王星，「新視野號」先飛抵木星開展飛越探測，並藉助木星引力進行加速；由於距離遙遠，地面發出的指令要4.5小時之後才能被探測器接收到，數據傳輸鏈路和測控精度要求均大大提高；柯伊伯帶寒冷而黑暗，太陽輻射強度僅為地球上的千分之一，冥王星表面溫度低至零下212～234攝氏度，因此必須研發高效核能系統以提供飛行動力和保溫。

「新視野號」在太陽系遠征中涉及的超長壽命太空飛行器設計、行星借力飛行、超遠距離測控通信和數據傳輸、太空核動力和能源供應等關鍵技術，將是中國航天努力突破的重要領域。

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223——年度深空探測大戲揭幕：「新視野號」遠征冥王星（上）

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