“新视野号”远征冥王星（下）

3.飞越50亿公里柯伊伯带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星，它们是太阳系演化的遗迹，记录着太阳系形成之初的信息。

1992年，人类第一次观测到除冥王星以外的第一个柯伊伯带天体(直径为250公里)是非常困难的。当时，我们不知道柯伊伯带是否存在。现在，探索柯伊伯带的深空探测器“新视野”已经飞到那里进行个人探索。新视野是如何设计的？我们如何破解太阳系的原始秘密？

新视野号发射时的质量为453公斤。探测器看起来像一把短铲子，铲子的把手是它的核电站，铲子主体是探测器主体，铲子主体上的大锅是它的天线(图1)。探测器主体呈三角形，长2.1米，宽2.7米，高0.7米，有钢琴那么大。

图1“新地平线”看起来像一把短铲子。

“新视野”探测器采用X波段通信，包括一对直径为2.1米的高增益碟形天线、一对中增益碟形天线和两对低增益宽波束天线。“新视野”天线比大多数深空探测器大得多，因为它距离远，信号弱，它需要一个大天线来接收和传输数据和信号。

“新视野”在科学探索阶段有两种姿态控制模式，三轴稳定和自旋稳定。巡航阶段和轨道修正机动的静止期采用尾旋稳定，额定速度为5次/秒。

新视野号的推进系统由16个肼推进器组成，其中4个推力为4.4 N的推进器主要用于修正飞行轨迹，12个推力为0.8 N的推进器主要用于加速或减速探测器自旋。“新视野”号总共携带了77公斤推进剂，用于在航行中修正轨道或改变航向。在飞往冥王星的过程中，它利用木星的引力来加速。当它到达冥王星时，它使用一种飞越方法来探测，所以当它接近冥王星时，它不需要减速绕冥王星运行。这两个因素使得新视野携带的燃料更少。

为什么新视野号没有长时间环绕冥王星运行？有两个主要原因。一个是探测器必须飞得非常快才能在9.5年内到达离地球50亿公里的冥王星。如果新视野号要进入冥王星的轨道，它必须将速度降低90%，这需要1000倍的燃料消耗，而新视野号携带的燃料不足以减速进入冥王星的轨道。第二，一旦新视野进入围绕冥王星的轨道，它将无法在没有冥王星引力的情况下探索其他柯伊伯带天体。

2014年12月7日，在恒星间飞行48亿公里的新视野号被成功唤醒。此刻，它距离地球46.6亿公里，距离冥王星2.6亿公里。

2015年1月15日，当新视野距离冥王星约100万公里时，探测器上的各种设备开始工作，对冥王星和卡戎进行全面探测，并返回探测数据。探测数据以光速传输到地球需要4小时25分钟。当它距离冥王星160，000公里时，探测器上的照相机开始绘制第一张地图，并在接下来的3个月里连续拍摄照片和测量光谱。如果冥王星的大气在那时被冻结，新视野号也可以观察到季节变化。

新视野和冥王星之间的最近距离将是9600公里。离卡戎最近的距离是27000公里，持续大约半小时。届时，探测器将使用可见光和近红外相机拍摄迄今为止最清晰的冥王星和卡戎的照片，最高分辨率为60米。图像质量远远超过哈勃太空望远镜捕捉到的冥王星(图2)。如果幸运的话，“新视野”有望拍摄冥王星上的云或者喷发的冰和火山。尽管科学家推测这些现象可能存在于冥王星的表面，但它们从未被证实。当近距离飞越冥王星时，“新视野”收集的数据量如此之大，以至于来不及将它送回地球。因此，这些数据只能临时存储，并在接下来的一年中一个接一个地发送。

图2是迄今为止冥王星最好的真彩色图像。图片中明亮和黑暗的结构可能意味着冥王星表面的成分变化。这张照片是由哈勃太空望远镜于2002年至2003年拍摄的。

冥王星和卡戎的“新视野”飞越观测将持续6个多月，并将在2015年7月后逐渐消失(图3)。当远离冥王星和卡戎飞行时，“新视野”号还将转动相机，利用低太阳角在表面创造明亮和黑暗的地形，以验证冥王星和卡戎是否有平坦的表面、彗星般的尾巴、无尽的腰带和未被发现的卫星。

图3新视野飞越冥王星和卡戎的示意图。

在完成对冥王星及其卫星的飞越后，“新视野”号将于2017年至2020年探索柯伊伯带的其他天体，其中两个天体直径为40至90公里，这一阶段可能持续5至10年。如果一切顺利，“新视野”的寿命将超过15年。

4.全民参与的科普活动“深空探测”的大部分目标都远离地球。进行深空探测一方面将促进空间技术的进步，另一方面将扩大人类的认知范围。与商业空间和应用空间不同，深空探测是用纳税人的钱进行的科学探索活动，是全人类的共同使命。因此，在执行深空探测任务时，应尽一切努力吸引公众的注意力，并应尽可能给予普通人个人参与的意识，以赢得公众的支持。在这个过程中，勇敢探索未知世界的科学精神悄悄地传递给每个人，从而提高公众的科学素养。

2005年，“新视野”任务小组向冥王星发出了问候的号召。他们建立了一个网页。全世界的天文学家都可以通过访问这个网页把他们的名字输入电子卡片。他们可以向“新视野”发出问候，然后一起飞往柯伊伯带。活动期间，收集了超过43万人的问候。这些问候被刻在光盘上并放入检测器。完成探索任务后，“新视野”上的计算机将被重置，以上传“来自同一个地球的来自新视野的问候”，它收集关于地球的各种信息，包括照片、声音、单词，甚至是来自世界各地人们的计算机程序。“新视野”将从地球上获取这些人类信息，并飞往遥远的星际空间。

(5)星际超远距离飞行宝藏由于冥王星远离太阳，探测器飞向这些遥远的天体需要具备一些基本条件:(1)长寿命；(2)行星必须靠力量飞行；(3)核能发电机的使用。

长寿秘诀:长期休眠以备探险和充实。为了实现长的使用寿命，不仅几乎所有的探测器系统都必须有备用设备，以确保当系统出现问题时备用系统能够及时启用；另一个重要措施是让探测器长时间处于休眠状态。为了防止腿和脚由于长期不活动而变得不顺畅，也为了防止探测器睡着，地面控制人员需要不时地叫醒探测器，以便它可以锻炼肌肉和骨骼。

自2006年1月20日发射以来，除了用四个月的时间探测木星及其卫星外，“新视野”号上的大多数仪器都处于休眠状态，以节约能源，延缓设备老化，特别是降低地面维护和操作人员的费用。然而，地球的控制者仍在密切关注新视野的运行。每隔几个月，探测器上的设备将被定期唤醒，进行例行检查、轨道修正和仪器校准，以确保路线正确和设备正常。此外，新视野号每周都会发回一个信号，这个信号被称为“绿色信号”，让控制人员知道它还活着。

2014年8月，地球对新视野进行了例行检查，并上传指令要求它按计划在12月7日醒来。12月7日，地面收到了来自遥远的外太空的回复，确认指令已经执行。这次醒来标志着探测冥王星及其卫星任务的正式开始，这也是“新视野”之旅的主要目的。从那时起，“新视野”将保持“清醒”，直到2015年7月14日，当它到达离冥王星最近的位置。

醒来后的几周内，地面小组彻底检查了探测器的物理状况，并测试了飞越冥王星所需的各种程序，以确保探测器系统的正常运行。结果显示，“新视野”现在非常健康，正在太空中平静地漫游。

2015年1月15日，“新视野”上的所有系统都被唤醒，并开始探测冥王星和卡戎。随着探测器的接近，冥王星和卡戎将显示出越来越多的细节，这些细节来自之前用望远镜观察到的小亮点。到那时，人类将第一次收到他们的标准照片。

高速的秘密:木星凭借力量成为最快的宇宙飞船。发射后，“新视野”号直接进入了地球和太阳的逃逸轨道。当它最终完成加速并关闭引擎时，它相对于地球的速度为16.26公里/秒，相当于每小时5.8536亿公里/小时，接近第三宇宙速度，成为有史以来离开地球最快的高速飞行器。

由于它的超高速飞行，“新视野”在发射后9小时飞越了月球。阿波罗载人飞船花了3天时间飞向月球，嫦娥一号花了13.5天时间飞向月球，嫦娥二号花了5天时间飞向月球。

十三个月后，“新视野”号于2007年2月底抵达木星，而探测木星的伽利略号探测器花了六年零四个月才抵达木星。“新视野”离木星最近约227万公里，它到达木星的目的也是为了加速。目标是通过木星巨大的引力进一步加速到70，000-75，000公里/小时，以加速其向遥远的冥王星的飞行。

利用飞越木星的机会，“新视野”号对木星及其20多颗卫星进行了4个多月的检查。主要探测木星的大气结构和风暴以及木星及其卫星的环状结构，通过带电粒子流和极光遥感探测研究木星磁层。探测器还收集了木星主要卫星的大气、物质组成和表面结构的信息。

图4新视野号飞越木星时拍摄的木星和木卫一的照片。

防冻秘密:太空中的核能确保航天器在冷藏中生存。由于冥王星和柯伊伯带远离太阳，太阳辐射的强度只有地球的千分之一。阳光需要4个多小时才能长距离到达冥王星。新视野所需的能量不能由太阳能电池产生。为此，“新视野”号探测器搭载了放射性同位素热电发电机。

图5黑圆柱体是放射性同位素温差发生器。

许多人一提到核能就脸色苍白。事实上，40多年来，核能发电机已被用于25个太空探测器，包括6次阿波罗载人登月，2次木星和土星探测器，以及2次火星探测器。核动力发电机位于“新视野”的尾部，含有10.9千克二氧化钚，其中钚238在衰变时会释放热量，通过温差提供稳定的动力。所有的探测设备都将由这台核能发电机供电，它产生的电能相当于一对100瓦的灯泡。由于担心太空核污染，在“新视野”发射前夕，数十名*者组织起来进行*。然而，科学家解释说，“新视野”号探测器的燃料箱非常坚固。用于核能发电机的燃料被封装在一种特殊的球形防火陶瓷中。这种陶瓷具有抗分解的能力，不容易与其他物质反应。此外，外部的密封罐可以完全承受落地或空气爆炸的冲击。意外灾难的概率非常小。即使发生事故，核燃料泄漏的可能性也很小。为了应对可能的风险，美国国家航空航天局和美国能源部制定了详细的计划，组建了16个移动跟踪小组，并部署了33个空气取样装置和监测器来探测可能的核辐射。

6.柯伊伯带是太阳系的第一个秘密，位于太阳系的边缘。天气又冷又暗，很难察觉。这些遥远的冰冻天体的吸引力是什么，值得我们长期等待和艰苦探索？

首先，柯伊伯带是太阳系的新大陆。新视野的发现将极大地改变我们对太阳系结构的理解。柯伊伯带是短周期彗星的“故乡”，而奥尔特云是长周期彗星的“故乡”。由于彗星的质量在靠近太阳时会被消耗掉，如果没有两个彗星巢穴的不断补充和太阳系演化的漫长历史，我们可能不会在很久以前看到彗星。迄今为止，宇宙飞船还没有探索过柯伊伯带和奥尔特云。我们对太阳系新世界的广阔空间仍然知之甚少，我们对太阳系结构的理解也仍然不清楚。我们一直认为冥王星是太阳系中一颗不成熟的矮行星，但现在我们知道冥王星是通向新的柯伊伯带大陆的大门。“新视野”的主要目标是探索以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体，并清楚地展示这一地区的景象。

其次，冥王星及其卫星作为行星的胚胎，在研究行星的形成方面有很大的价值。太阳系中不仅有行星，还有上亿个小天体，包括小行星、矮行星和彗星，它们主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散圆盘和奥尔特云中。从科学的角度来看，深空探测就是探索太阳系中各种类型的天体和主要区域，逐步了解太阳系的全貌，就像盲人摸象一样。所有深空探测任务的最终科学目标是回答诸如太阳系和行星起源等关键问题。

2014年8月，罗塞塔刚刚拜访了也来自柯伊伯带并飞往太阳附近的朱格彗星。“菲莱”号登陆器也实现了人类在彗星核表面的首次着陆，大大加深了对彗星的理解。除了彗星，柯伊伯带还有几十个天体，直径从200公里到2000公里不等，由岩石和冰块组成，其中冥王星及其卫星是最典型的。我们知道太阳系起源于一团气体和尘埃。由于快速旋转，星云逐渐凝聚形成小行星，小行星相互碰撞，吸积增加，形成行星胚胎，进一步相互吸引，增加，形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后，太阳星云的残余形成了无数小天体。矮行星是没有长成行星的矮行星。远离太阳系的柯伊伯带人口稀少，受撞击、太阳辐射和其他空间事件的影响较小，因此保持了更原始的状态。因此，柯伊伯带天体在太阳系的“冷库”中保存了46亿年，保持了太阳系形成时的原始状态，这对理解太阳系的起源具有重要意义。新视野对柯伊伯带天体如冥王星、冥王星和冥河的探索将有助于揭示行星形成的关键环节。

人类已经对岩石行星(地球、金星、水星和火星)和气液巨行星(木星、土星、天王星和海王星)进行了许多探索，但是在“新视野”之前，还没有探测器在柯伊伯带探测到冰矮行星。因此，我们对矮行星这一天体新分类的理解严重不完整。新视野的探索将填补这一重要空白，并增进我们对太阳系天体类型的了解。

第三，随着深空探测的发展，我们对太阳系的了解不断加深，太阳系的边界不断扩大。这些科学成就改变了人类知识的界限，从而影响和改变了我们的世界观。在古希腊时代，我们认为地球是宇宙的中心，太阳和月亮是绕地球运行的行星。哥白尼之后，人类逐渐接受了太阳是太阳系的中心，行星是围绕太阳运行的天体，所以地球是行星，而月球不是。后来，大量小行星的发现迫使人们修改行星的定义，认为行星的质量必须大到足以将自己变成球体。后来，发现了许多谷神星、雅典娜女神、波塞冬、盖世太保和大麻，它们的大小与月亮相似。天文学家面临着另一个选择，要么把它们都包括在内，要么把它们排除在外。必须承认，我们对柯伊伯带中的小天体(包括除矮行星之外的彗星和小行星)仍然知之甚少，即使是在伟大发现的开始。我们不知道柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测的新发现，我们将不得不再次修改行星的定义。

最后，太阳系边缘的深空探测将极大地促进空间技术的新突破。新视野号到柯伊伯带的旅程持续了9年。为了延长探头的寿命，降低地面维护的成本，探头休眠的时间占总时间的2/3。为了尽快到达冥王星，“新视野”号首先飞到木星进行飞越探索，并借助木星的引力加速。由于距离太远，探测器在4.5小时后才会收到地面发出的指令。数据传输环节和测控精度要求都得到了极大的提高。柯伊伯带又冷又暗。太阳辐射的强度只有地球的千分之一。冥王星的表面温度低至零下212 ~ 234摄氏度。因此，有必要开发一种高效的核能系统来提供飞行动力和隔热。新视野的太阳系探索所涉及的关键技术，如超长寿命航天器的设计、行星动力飞行、超长距离TT&C通信和数据传输、空间核动力和能源供应等，将是中国航天努力突破的重要领域。