關(guān)于作者
鄭永春，博士，中國科學院國家天文臺月球與深空探測研究部、中國科學院月球與深空探測重點實驗室副研究員。2000年起參與探月工程、深空探測等國家重大科技任務。主要研究領(lǐng)域為行星地質(zhì)與遙感。
首批香江學者計劃入選者，中國科學院青年創(chuàng)新促進會首批入選者，中國青年科技工作者協(xié)會代表。先后獲中國科學院院長獎、我國首次月球探測工程有功人員獎、探月工程嫦娥二號任務突出貢獻者獎、香江學者獎、中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員等。
“新視野”號大揭秘
鄭永春
2015年07月17日
短鍬狀的“新視野號”飛船
“新視野號”發(fā)射時的質(zhì)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。探測器本體為三角形，長2.1米，最寬處約2.7米，高0.7米，大小相當于一架鋼琴。
“新視野號”探測器的通信采用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(shù)深空探測器要大得多，這是由于距離遙遠，信號微弱，所以需要一個很大的天線來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)和信號。
“新視野號”有兩種姿態(tài)控制模式，在科學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動時采用自旋穩(wěn)定，額定轉(zhuǎn)速為5次/秒。
“新視野號”的推進系統(tǒng)由16個單元肼推進器組成，其中4個推力為4.4牛的推進器主要用于修正飛行軌道，12個推力為0.8牛的推進器主要用于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，它利用木星引力進行輔助加速；在抵達冥王星的時候，它采用飛越方式探測，因此在靠近冥王星時無需減速使之進入環(huán)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”為什么不環(huán)繞冥王星進行長時間觀測呢？主要原因有兩個，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(huán)冥王星軌道之用。二是“新視野號”一旦進入環(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。
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(shè)備開始工作，對冥王星和卡戎進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25分鐘。當距冥王星16萬千米時，探測器上的相機開始繪制第一批地圖，并在隨后的3個月里不斷拍攝照片和測量光譜。如果那時冥王星的大氣是凍結(jié)的，“新視野號”還能夠觀測到季節(jié)的變化。
2015年7月15日，“新視野號”將近距離飛越冥王星，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)量遠遠超過哈勃空間望遠鏡拍攝的冥王星。如果幸運的話，“新視野號”有望拍攝到冥王星上的云層或噴發(fā)的冰火山。雖然科學家推測冥王星表面可能存在這些現(xiàn)象，卻從未被證實過。當近距離飛過冥王星時，“新視野號”采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并在隨后的1年多時間里陸續(xù)發(fā)送。
“新視野號”對冥王星和卡戎的飛越觀測將持續(xù)6個多月，2015年7月之后將逐漸遠離（圖1）。在飛離冥王星和卡戎時，“新視野號”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。
“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(wèi)星的飛越考察后，“新視野號”將在2017～2020年探測柯伊伯帶的其它天體，其中至少2個直徑為40～90千米，這一階段可能持續(xù)5～10年。如果一切順利，“新視野號”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，最幸運的科學家一輩子能從事兩個半的探測項目，從科學思想醞釀、探測計劃獲得批準、到具體實施，能完整參與一項太陽系探測計劃已經(jīng)非常不易。假設(shè)一位科學家從三十歲入職到六十歲退休，他只有三十年的工作經(jīng)歷。而冥王星探測計劃歷經(jīng)五年醞釀，新視野號飛船歷經(jīng)六年研制、九年飛行、十五年運營，時間跨度已經(jīng)超過了很多科學家的整個科研生涯?？茖W家們這種前赴后繼的不懈探索，恰恰是推動人類文明進步的不竭動力。