行星际超远距离飞行的“葵花宝典”——“新视野”冥王星探测任务分析

□ 郑永春

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2015年1月15日抵达距地球约47亿千米的冥王星附近，开始探测冥王星及其卫星、以及它们所处的柯伊伯带其他天体。虽然冥王星在2006年被开除出行星队伍，降级成为矮行星。这一方面使长期以来对冥王星是否具有行星地位的争议尘埃落定；另一方面，脱离了争议地位的冥王星却毫无争议地成为了柯伊伯带数千颗冰冻小天体的“领头羊”。

探测秘诀：破解太阳系最初的秘密

柯伊伯带位于太阳系的边缘，距离地球30个～50个天文单位，那里十分寒冷、黑暗，探测难度很大。直到1992年，柯伊伯带才首次被观测事实证实，是名副其实的太阳系新大陆。柯伊伯带是短周期彗星的“发源地”，著名的哈雷彗星、2014年“罗塞塔”号上的“菲莱”着陆器登陆的楚-格彗星都来自柯伊伯带。彗星主要是由水冰、氨、甲烷、一氧化碳、少量的复杂有机物等物质组成，人们形象地把彗星比喻为席卷了尘埃和冰块的“脏雪球”。当远离太阳时，彗星大多只是一个直径为数千米的暗黑色冰球；当运行到太阳附近时，这些暗黑色冰球开始焕发出生命活力，彗星上的挥发物开始“熔化”，形成长长的彗发和彗尾，甚至延伸至10万千米以远。每一次飞经到太阳附近，彗星都会释放出大量的挥发性物质，并损失一些质量。经过多次消耗之后，彗星最终将丧失大部分质量，消失在黑暗寒冷的太阳系边缘。因此可以推测，在遥远的太阳系边缘，一定有一个大型的彗星补给基地，老的彗星慢慢消失，新的彗星补充进来。不然的话，经过漫长的46亿年的太阳系演化历史，如今地球上的人类可能早就没有机会看到彗星了。那么，哪里才是彗星的补给基地呢？

数十年天文观测和深空探测的结果表明，在远离太阳的海王星以远，还有两片太阳系的新大陆——柯伊伯带和奥尔特云，它们分别是短周期彗星和长周期彗星的老家。

在“新视野”号之前，柯伊伯带和奥尔特云这两大区域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。“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。这些珍藏在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。

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，即行星是由小的星子通过相互碰撞、吸引逐渐“长大”的。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。冥王星是太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星，而柯伊伯带的其他小天体是形成行星的胚胎。“新视野”号的目的就是探测行星胚胎和“侏儒”行星，帮助我们理解从星子成长为行星的过程。

发射秘诀：最佳发射窗口百年一遇

由于冥王星距离太阳和地球十分遥远，要探测它既要飞行很远的距离，又要克服寒冷而阴暗的困难，所以之前一直没有探测器探测过。

20世纪90年代末，美国航宇局（NASA）曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”探测计划，原计划2004年12月18日发射，主要目的是探测冥王星、卡戎以及其他柯伊伯带天体。由于研制经费超支等原因，NASA宣布取消该计划。

消息一公布，立即遭到很多天文学家的强烈抗议。他们四处游说，希望再次启动冥王星探测计划。美国行星学会甚至发动了“拯救冥王星计划”的运动。最后，NASA的官员们终于被说服，于2000年12月20日宣布重新论证冥王星计划。他们拒绝采用原先提出的探测方案，改而向全球公开征集新的探测方案。这也是NASA历史上首次向全球公开征集太空计划方案。

NASA对新方案提出了两项苛刻的要求：一是要求在2015年前抵达冥王星，二是经费必须低于5亿美元。这是因为冥王星的轨道为椭圆形，绕日运行的周期长达248年，2015年时正好是探测冥王星的绝佳时机。一旦错过，这种快速抵达冥王星的机会只有百年之后才有了。而且想必官员们认为，为一个太空探测计划等15年，已经是公众耐心的极限了。

从宣布重新论证到最迟的发射时间，留给科学家们只有4年～5年时间。2004－20 06年是发射冥王星探测器的最后机会。为了争分夺秒地研制探测器，NASA留给新的冥王星计划的方案设计时间只有3个月，截止到2001年3月19日。最终，由西南研究院和霍普金斯大学应用物理实验室联合团队的设计方案脱颖而出，在诸多方案中最终获胜，总预算为4.88亿美元。新方案能发回比原来的“冥王星-柯伊伯快车”计划多10倍的观测数据。如果赶在2006年2月以前发射，可以确保在2015年夏天抵达冥王星。2001年12月，NASA宣布重启冥王星计划，探测器名为“新视野”号。

2006年1月19日14时，人类第一个柯伊伯带探测器——“新视野”号在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地第41发射台发射。45分钟后三级火箭脱离，“新视野”号脱离地球引力，朝木星飞去。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，“新视野”号开始对冥王星及其卫星、以及其它柯伊伯带天体进行远距离观测。7月14日，“新视野”号探测器飞到距离冥王星最近的位置开展探测。

“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。

航天器对遥远天体经常会采用环绕探测的方式，目的是开展全球性的观测，但“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。

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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4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58,536万千米/小时，接近第三宇宙速度，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。“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”号顺便对木星和它的20多个卫星进行了为期4个多月的考察。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。

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。

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。

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，要么将他们统统纳入行星，要么排除他们。2006年，冥王星被开除出行星队伍。未来，根据深空探测的进展和获得的新发现，我们可能需要再次修改行星的定义。随着我们对太阳系的认识不断深化，太阳系的边界不断拓展。这些科学成果不仅改变了人类的知识边界，也将显著影响和改造我们的世界观。