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按：迄今为止飞得最快的航天器、人类发射的第一个冥王星探测器“新视野号”，经过约9年的星际旅行，于1月15日抵达距地球约47亿千米的冥王星附近，开始探测冥王星、冥卫、以及它们所处的柯伊柏带其他天体。柯伊柏带是1992年才发现的太阳系新大陆，虽然现在冥王星已被降级为矮行星，却成为了数千颗冰冻小天体的“领头羊”。这些太阳系冷库中的冰冻天体可能有大量的水，不同于常见的八大行星和小行星，此次任务的发现将直接改变我们对太阳系的已有认识。
破解太阳系最初的秘密
柯伊伯带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星。其中，彗星主要由甲烷、氨和水等冰冻物质组成，也有石块和尘埃。柯伊柏带是短周期彗星的老家，著名的哈雷彗星就产于该带；小行星主要由岩石和金属组成，其成分可能非常不同于火星和木星之间小行星带中的小行星，有些小行星可能是彗星中的挥发物逃逸后形成的；矮行星是直径上千公里、成球体的行星，由于没有足够的小天体供其碰撞、吸积，成为一颗长不大的侏儒行星。除此之外，一些巨行星的卫星，如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九，可能最早也起源于柯伊柏带，后来受引力摄动才进入巨行星附近。柯伊伯带的天体是太阳系演化的遗迹，记录着太阳系形成之初的信息。
1992年，人类才艰难地首次观测到除冥王星外的第一个柯伊伯带天体——直径250千米的qb1，那时我们还不知道是否存在柯伊伯带。而现在，探测柯伊伯带的深空探测器新视野号已经飞抵那里亲临探测。那么，新视野号是如何设计的？怎样才能破解太阳系最初的秘密呢？
“新视野号”发射时的质量为453千克。探测器外形像一把短锹，其中锹把是它的核电站，锹身是探测器本体，锹身上顶着的大锅则是它的天线（图5）。探测器本体为三角形，长2.1米，最宽处约2.7米，高0.7米，大小相当于一架钢琴。

图1 “新视野号”的外形像一把短锹“新视野号”探测器的通信采用x频段，包括一副直径达2.1米的高增益碟型天线、一副中增益碟型天线和两副低增益宽波束天线。“新视野号”的天线比大多数深空探测器要大得多，这是由于距离遥远，信号微弱，所以需要一个很大的天线来接收和发送数据和信号。[/caption]
“新视野号”有两种姿态控制模式，在科学探测阶段采用三轴稳定和自旋稳定模式；在巡航阶段的休眠期和轨道修正机动时采用自旋稳定，额定转速为5次/秒。
“新视野号”的推进系统由16个单元肼推进器组成，其中4个推力为4.4牛的推进器主要用于修正飞行轨道，12个推力为0.8牛的推进器主要用于使探测器自旋加速或减速。“新视野号”共携带77千克推进剂，用于在航行过程中修正轨道或改变航向。在飞赴冥王星的过程中，它利用木星引力进行辅助加速；在抵达冥王星的时候，它采用飞越方式探测，因此在靠近冥王星时无需减速使之进入环绕轨道。这两个因素使得“新视野号”携带的燃料比较少。
“新视野号”为什么不环绕冥王星进行长时间观测呢？主要原因有两个，一是由于探测器的飞行速度必须非常快，这样才能确保在9.5年内到达距离地球50亿千米的冥王星。如果“新视野号”要进入冥王星轨道，必须将速度降低90%，这就需要多1000倍的燃料消耗，而“新视野号”携带的燃料不足以供减速和进入环冥王星轨道之用。二是“新视野号”一旦进入环绕冥王星的轨道，就无法将来脱离冥王星引力去探测其他的柯伊伯带天体。
2014年12月7日，在行星际飞行了48亿千米的“新视野号”被成功唤醒，此刻距离地球46.6亿千米、离抵达冥王星还有2.6亿千米。
2015年1月15日，当“新视野号”距离冥王星约100万千米时，探测器上的各种设备开始工作，对冥王星和卡戎进行全方位的探测并传回探测数据。以光速传输的探测数据传到地球需要4小时25分钟。当距冥王星16万千米时，探测器上的相机开始绘制第一批地图，并在随后的3个月里不断拍摄照片和测量光谱。如果那时冥王星的大气是冻结的，“新视野号”还能够观测到季节的变化。
“新视野号”与冥王星的最近距离将为9600千米；与卡戎的最近距离为2.7万千米，持续时间约为半小时。届时，探测器将用可见光和近红外相机拍摄最高分辨率为60米、迄今为止最清晰的冥王星和卡戎照片。图像质量远远超过哈勃空间望远镜拍摄的冥王星（图2）。如果幸运的话，“新视野号”有望拍摄到冥王星上的云层或喷发的冰火山。虽然科学家推测冥王星表面可能存在这些现象，却从未被证实过。当近距离飞过冥王星时，“新视野号”采集的数据量异常庞大，根本来不及向地球回传。因此只能暂时存储这些数据，并在随后的1年多时间里陆续发送。

图2 迄今最好的冥王星真实色彩图像。图中的明暗结构可能意味着冥王星表面的成分变化，该图由哈勃空间望远镜于2002～2003年间拍摄。“新视野号”对冥王星和卡戎的飞越观测将持续6个多月，2015年7月之后将逐渐远离（图3）。在飞离冥王星和卡戎时，“新视野号”还将调转镜头回望，利用低太阳照射角造成表面地形明暗的优势，证实冥王星和卡戎表面是否平坦，是否拥有类似彗星那样的“尾巴”，是否拥有环带，是否有未被发现的卫星。

图3 “新视野号”飞越冥王星和卡戎示意图

在完成对冥王星及其卫星的飞越考察后，“新视野号”将在2017～2020年探测柯伊伯带的其它天体，其中至少2个直径为40～90千米，这一阶段可能持续5～10年。如果一切顺利，“新视野号”的寿命将在15年以上。
全民参与的科普盛事
深空探测的目标大多远离地球，开展深空探测一方面将牵引航天技术的提升，另一方面将扩大人类的认知边界。与商业航天和应用航天不同，深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动，是全人类的共同使命。因此，在深空探测的任务实施中，应想方设法吸引公众的关注，尽可能让普通人获得亲身参与感，以争取民众支持。在这一过程中，勇敢探索未知世界的科学精神被润物细无声地传递到每一个人身边，从而提升公众的科学素养。
2005年，“新视野号”任务团队发起了一个问候冥王星的征集活动，他们设立了一个网页，全世界天文爱好者只需要通过访问这个网页，就可以将自己的名字输入电子卡片内，让自己的问候搭载在“新视野号”，一起飞向柯伊伯带。活动期间共征集到了超过43万人的问候，这些问候被刻在光盘上，放入探测器内。在完成探测任务后，“新视野号”上的计算机将会被重置，上传“同一个地球，来自‘新视野号’的问候”，上面收集了有关地球的各种信息，包括世界各地的人们发来的照片、声音、文字，甚至是计算机程序。“新视野号”将带着这些来自地球的人类信息飞向遥远的星际空间。
行星际超远距离飞行的“葵花宝典”
由于冥王星远离太阳，飞往这些遥远天体的探测器需要具备一些基本条件：（1）寿命长；（2）必须采用行星借力飞行；（3）采用核能发电机。接下来，我们分析一下“新视野号”是如何实现这些关键技术的。
长寿秘诀：长期休眠为远征养精蓄锐
为实现长寿命，不仅几乎所有的探测器系统都要有备用设备，以确保系统出现问题时及时启用备份系统；还有一个重要的手段，就是让探测器长期处于休眠状态，为了避免由于长期不活动，腿脚变得不利索，也为了避免探测器一睡不醒，地面控制人员需要每隔一段时间叫醒他，让他锻炼锻炼筋骨。
自2006年1月20日发射升空后，除了用四个月探测木星及其卫星，“新视野号”上的绝大部分仪器处于休眠状态，以节约能源，延缓设备老化，特别是降低地面维护和运营人员的开支。不过地球上的控制人员仍密切关注新视野的运行情况，每隔几个月，探测器上的设备都会定期被唤醒以接受例行检查，进行轨道校正和仪器校准，以保障航线正确和设备正常。此外，“新视野号”还会每周发回一个信号，这个信号被称作“绿色信号灯”，目的是让控制人员知道它仍然活着。
2014年8月，地面对“新视野号”进行了一次例行检查，上传指令要求它按计划于12月7日苏醒。12月7日，地面收到了它从遥远的深空传来的回复，确认此指令已经得到执行。这次唤醒标志着“新视野号”此行的主要目的——探测冥王星及其卫星的任务正式开始了。从此，“新视野号”将一直保持“清醒”状态，直到2015年7月14日，它在这一天抵达距离冥王星的最近位置。
唤醒后的数周内，地面团队全面检查了探测器的身体状况，测试了在飞越冥王星时需要用到的各种程序，确保探测器各系统正常工作。结果表明，“新视野号”现在很健康，正安静地在深空漫游。
2015年1月15日，“新视野号”上的所有系统将被唤醒，开始对冥王星和卡戎进行探测。随着探测器的逐渐靠近，冥王星和卡戎将从望远镜观测中的小亮点，展现出越来越多的细节。届时，人类将首次获得他们的标准照。
高速秘诀：木星借力成就迄今最快的航天器
发射以后，“新视野号”直接进入了地球和太阳的逃逸轨道，在最后完成加速关闭引擎时相对于地球的速度是16.26千米/秒，相当于每小时58,536万千米/小时，接近第3宇宙速度，成为人类有史以来以最快发射速度离开地球的高速飞行器。
由于超高速飞行，“新视野号”在发射后9小时就飞过了月球。而阿波罗载人飞船飞往月球用了3天，嫦娥一号奔月飞行用了13天半，嫦娥二号奔月用了5天。
13个月后的2007年2月底，“新视野号”抵达了木星，而探测木星的伽利略探测器飞抵木星用了6年4个月。
离木星最近处约227万千米的位置。“新视野号”飞抵木星的目的也是为了加速。目的是借助木星的巨大引力进一步提速到7万～7.5万千米/小时，加速飞向遥远的冥王星。
利用飞越木星的机会，“新视野号”顺便木星和它的20多个卫星进行了为期4个多月的进行考察。主要探测了木星的大气结构及风暴、木星及其卫星的环带结构，通过带电粒子流和极光遥感测量探测研究木星磁层。探测器还收集了木星主要卫星的大气层、物质组成、表面结构等信息。

图4“新视野号”飞越木星时拍摄的木星和木卫一的合影

抗冻秘诀：太空核能确保航天器在冷库中生存
由于冥王星和柯伊伯带远离太阳，太阳辐射强度只是地球上的千分之一，太阳光要经过4个多小时长途跋涉才能来到冥王星。“新视野号”所需的电力无法通过太阳能电池发电提供。为此，“新视野号”探测器携带了一台放射性同位素温差发电机。

图5 黑色圆柱体为放射性同位素温差发电机[/caption]

许多人谈核色变，其实40多年来，核能发电机已经在25次太空探测中使用，其中包括6次阿波罗载人登月，2次探测木星和土星的飞行，2次探测火星的飞行。
核能发电机位于“新视野号”的尾部，内装10.9千克二氧化钚，其中的钚－238衰变时会释放出热量，通过温差发电提供稳定的电力。所有的探测设备都将依赖这台核能发电机供电，其产生的电力相当于一对100瓦灯泡。
由于担心太空遭受核污染，在“新视野号”发射前夕，曾有数十名抗议者自发组织起来进行抗议。但科学家们解释，“新视野号”探测器的燃料箱非常坚固，核能发电机所用的燃料被封装在特制的球形防火陶瓷中，这种陶瓷有抗分解能力，不易与其他物质发生化学反应，而且外面的密封箱完全能经受住坠地撞击或空中爆炸的冲击，发生意外灾难的几率很小，即使发生意外，核燃料外泄的可能性微乎其微。为了应该可能的风险，nasa和能源部做了详细的预案，组建了16个移动跟踪小组，部署了33个空气取样装置和监控器，以检测可能的核辐射。
破解太阳系最初的秘密
柯伊伯带位于太阳系的边缘，寒冷而阴暗，探测难度很大。这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力，值得我们长期守候并努力探索呢？
首先，柯伊伯带作为太阳系的新大陆，“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。柯伊伯带是短周期彗星的“老家”，而奥尔特云是长周期彗星的“老家”。由于彗星经过太阳附近时质量会消耗掉，若没有这两个彗星老巢的不断补充，经过漫长的太阳系演化历史，我们可能早就看不到彗星了。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过，我们对太阳系新大陆的广阔空间仍知之甚少，对太阳系结构的认识仍然不够清晰。我们一直把冥王星视为太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星，但现在我们知道冥王星是通往柯伊伯带这片全新大陆的大门。“新视野号”的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体，将这片区域的场景清晰地展现出来。
其次，冥王星及其卫星作为行星胚胎，对研究行星的形成具有重要价值。太阳系不仅有行星，还有数以亿计的小天体，包括小行星、矮行星、彗星，主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散盘、奥尔特云。从科学角度而言，深空探测就是探测太阳系的各种天体类型和主要区域，如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌，所有的深空探测任务的终极科学目标都是为了回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。
2014年8月，罗塞塔号刚刚探访了同样来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚-格彗星，搭载的菲莱着陆器还实现人类首次登陆慧核表面，大大加深了对彗星的认识。除彗星外，柯伊伯带还有数十颗直径200～2000千米不等、由岩石和冰块组成的天体，其中以冥王星及其卫星最为典型代表。我们知道，太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转，星云逐渐凝聚形成星子，星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎，进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后，太阳星云的残留物形成了数量众多的小天体。而矮行星就是没有长大成行星的“侏儒”行星。由于远离太阳系的柯伊伯带天体稀疏，受到的撞击、太阳辐射等太空风化较弱，可以保存更为原始的状态。因此，柯伊伯带的天体相当于在太阳系的“冷库”中保存了46亿年，保留着太阳系形成时的原始状态，对了解太阳系的起源具有极大的作用。通过“新视野号”对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测，将有助于揭示行星形成的关键环节。
我们已经对岩石行星（地球、金星、水星和火星）和气液态巨行星（木星、土星、天王星和海王星）进行过多次探测，但在“新视野号”之前还没有探测器对柯伊伯带的冰态矮行星进行过探测。因此我们对矮行星这一新的天体分类的认识是严重不完整的。而“新视野号”的探测将填补这一重要的空白，完善了我们对于太阳系天体类型的知识。
再次，随着深空探测的进展，我们对太阳系的认识不断深化，太阳系的边界不断拓展。这些科学成果改变了人类的知识边界，进而影响和改造着我们的世界观。在古希腊时代，我们认为地球是宇宙的中心、太阳、月球都是绕着地球运转的行星；在哥白尼之后，人类逐渐接受太阳是太阳系的中心，认为行星就是围绕太阳运转的天体，因此地球是行星而月球不是。后来大量小行星的发现迫使人们修改了行星的定义，认为行星必须质量足够大，大到能通过自转成球体。再后来，发现了许多与月球大小相近的谷神星、智神星、阋神星、妊神星、婚神星等，天文界面临着再次选择，要么将他们统统被纳入行星，要么排除他们。必须承认的是，我们对柯伊伯带的小天体（除了矮行星以外，还包括彗星和小行星）还了解的很少，甚至是才处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测获得的新发现，我们将不得不再次修改行星的定义。
最后，远征太阳系边缘的深空探测将显著牵引航天技术实现新突破。“新视野号”奔赴柯伊伯带的旅途长达9年，为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用，探测器有2/3的时间是在休眠中度过的；为实现早日抵达冥王星，“新视野号”先飞抵木星开展飞越探测，并借助木星引力进行加速；由于距离遥远，地面发出的指令要4.5小时之后才能被探测器接收到，数据传输链路和测控精度要求均大大提高；柯伊伯带寒冷而黑暗，太阳辐射强度仅为地球上的千分之一，冥王星表面温度低至零下212～234摄氏度，因此必须研发高效核能系统以提供飞行动力和保温。“新视野号”在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核动力和能源供应等关键技术，将是中国航天努力突破的重要领域。
说明：本文图片全部来自网络，仅供示意！
原文登载于《科学世界》2015年第一期
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