新视野:边疆探路者

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新视野号(New Horizons)这个名字总让我想起那首The Pioneers of Mars:In every generation, there grows a special breed. Who seeks out new horizons, to fulfill an ancient need. To climb atop the highest hills, to see what lies afar……虽然这架探测器的目标是冥王星及柯伊伯带。</>新视野:边疆探路者艺术家笔下的新视野号冥王星—柯伊伯带天体探测器。(图片提供:JHU/APL)再过两个多月,也就是明年的1月,新视野号的发射窗就到了。发射窗是从2006年1月11日到2月14日,期间的2月4日正好是冥王星发现者克莱德·汤博的百年诞辰。不过新视野号抵达冥王星至少要等到2015年,探测柯伊伯带则是2016年以后的事情了。众所周知,冥王星是九大行星中唯一没有被人类的探测器访问过的。由于距离遥远、体积微小,哪怕使用凯克、昴星团这样庞大而先进的设备都无法获取其详细信息,因此谜团甚多;而近日大型柯伊伯带天体2003 UB313的发现更是动摇了冥王星的大行星身份。为详细研究冥王星及其卫星卡戎的特征、组成、结构、归属和起源,近距离探测尤显重要。新视野:边疆探路者分别由8.2米甚大望远镜(上左)、10米凯克望远镜(上中)、8.3米昴星团望远镜(上右)、哈勃空间望远镜(下左、下中)和北欧光学望远镜(下右)拍摄的冥王星照片,表面细节都难以分辨。至于柯伊伯带,那里众多的零碎冰质小天体被认为是太阳系诞生之初的残余,对了解整个太阳系的形成和早期演化意义非凡。但也是由于距离遥远,已有的望远镜能发现其中较大的几个已经甚为不易,仔细的勘察更是近乎妄想。而近来的研究认为,冥王星、冥卫、海卫一、海卫二和土卫九很可能都属于柯伊伯带天体之列。由此,研究柯伊伯带亦是大有助于研究外行星的演化。NASA原来有过探测冥王星和柯伊伯带天体的计划,即冥王星—柯伊伯快车(Pluto Kuiper Express)和更早的冥王星快速飞掠(Pluto Fast Flyby)。前者希望能在2001年前后派遣两架探测器飞往冥王星,而探测器的原形已在1994年由喷气推进实验室制成。但由于预算不足,2000年,冥王星—柯伊伯快车计划中途夭折了。新视野:边疆探路者当年计划的冥王星—柯伊伯快车概念图。但考虑冥王星稀薄的大气层仅仅在接近太阳时才会出现,南北极区域也有与地球类似的极夜现象,如要进行探测,必须要抓紧时间。如果错过最近二、三十年的机会,再次探测冥王星大气和极地就不得不再等上三百年,当代人也就白白失去了近距离考察太阳系边疆的机会。因此行星学会发动大批空间探索的拥护者进行了一次次努力,使NASA重拾探测冥王星的念头。在经历了一波三折之后,由来自约翰·霍普金斯大学的Alan Stern领导的新视野计划终于中标立项。新视野并不是环绕冥王星的轨道器(原先提出的冥王星—柯伊伯也不是),只是做一次flyby而已。这一来是因为冥王星质量太小,高速航天器进入环绕冥王星的轨道要消耗大量燃料且颇有难度;二来也是为了方便进一步的柯伊伯带天体探测。飞行路线取决于具体发射时间。如果新视野号在发射窗的前23天内升空,它就可以在2007年2月底与木星相遇并获得很大的加速度,之后以7万千米的时速快速前进,同时进行一系列变轨、仪器校准工作,并一年进行一次全面检查,最终于2015年夏季抵达冥王星。新视野号与木星的最小距离远小于当年的卡西尼土星探测器,行星科学家大可借此良机研究一番木星的大气、卫星和磁场,顺便测试仪器的性能。但倘若由于种种原因,探测器不得不在发射窗的后12天乃至2007年初发射,那它只好直接飞向冥王星,所需时间是12年。新视野:边疆探路者新视野号的飞行轨迹示意图。(图片提供:JHU/APL)不过哪怕能借助木星的引力场加速,此次飞行也是考验多多,挑战重重。首先就是旅途的长久,这要求所有设备必须经久耐用,至少能维持10年以上。其次是能源问题,在如此遥远的太阳系边疆区域,阳光极度微弱,太阳能电池板几无用武之地,因此核电是不二之选。新视野号选择了由美国能源部提供的放射性同位素热核发电装置为其供电系统,寿命长、适用范围广是其优点。再次,与地球的通信也是个老大难问题。信号微弱是一方面,还有时间延迟的影响。灵敏的大口径天线固是必不可少,NASA的深空网是该计划的主力通信系统,探测器本身则载有2.1米口径的通信天线。即使如此,在冥王星附近,信号传输速率也只有300-600 bps,如要传输完探测器获取的冥王星数据,足足要等上1个多月。除此之外,探测器的自重又受到很大限制:就算使用NASA现有运载能力最强的Atlas V型火箭,新视野号探测器连同推进剂的总质量也必须轻于465千克,这样方能保证顺利抵达目标。最后一个挑战似乎与科学探测十分矛盾。不过新视野号最终还是按计划搭载了7台仪器,这一数目比早先计划的冥王星—柯伊伯快车还要多。仪器的选用原则除去满足探测任务的需要和重量要求外,还考虑了互为备份的问题,万一其中一台出现问题,尽量保证能有其他仪器完成类似的任务,不致有太大的损失。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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