奔向星辰大海:“新视野”号的百亿公里征途

2006年1月19日下午2点,我们的主角——“新视野”号(New Horizons,又译“新地平线”号)探测器由宇宙神-5火箭搭载,由美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。

奔向星辰大海:“新视野”号的百亿公里征途

新视野号发射升空

使命在身

新视野号的使命是探测冥王星(Pluto)及其卫星,以及其它柯依伯带天体,是本世纪初美国国家航空航天局(NASA)最具雄心的深空探测项目之一,耗资7亿美刀。在它之前,先后有先驱者10号、11号,旅行者1号、2号共四个探测器飞越了海王星轨道,新视野号将成为第五个。这是首次以冥王星和柯依伯带为目标而开展的太空任务,它将人类的视野拓展到了太阳系遥远的边缘,带来了不折不扣的”新视野“。

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新视野号搭载的科学载荷

新视野号的尺寸大约是2.7米*2.1米*0.7米,相当于一架钢琴大小,搭载了功能全面的科学载荷,主要包括远程高清勘测相机(LORRI),可见光和红外波段成像仪/光谱仪(Ralph),太阳风和等离子体分析仪(SWAP)等。这些仪器由一台二氧化钚核电池(RTG)供电,因为探测器飞得如此之远,阳光已经十分微弱,核电池成为唯一的选择。

征程漫漫

为了完成这次史无前例的远征,NASA为新视野号设计了最佳的飞行路径,如下图所示:

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新视野号飞行轨迹

新视野号发射47分32秒后,与火箭的第三级分离,此时它的速度已经达到16.26公里/秒,是子弹速度的50倍,成为有史以来人类发射的最快飞行器。在发射后9个小时,新视野号就飞越了月球轨道,相比之下,阿波罗登月飞船用了三天。

在此之后的13个月里,新视野号不断进行系统检查、仪器校准和轨迹修正,直至到达木星附近。为了更快的抵达冥王星,探测器需要利用木星的“引力弹弓”效应来加速,使其速度再增加约4公里/秒。这一过程中,新视野号与木星的最近距离为230.5万公里,正好位于木卫四的轨道半径之外,远远小于2000年路过木星前往土星的“卡西尼”号,因此获得了观测这颗巨大行星的绝佳机会。

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新视野号飞越木星(想象图)


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新视野号利用木星“引力弹弓”加速

2007年2月至3月,新视野号对木星开展了一系列观测活动,包括木星气象、极光研究,木星磁场采样,尘埃采样,对木卫一的星环的紫外成像,以及对木星各个卫星的表面测绘,成分测量和大气层研究。

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新视野号拍摄的木星以及木卫一在木星上的影子


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新视野号拍摄的木卫二正在升起

离开木星后,新视野号还需要经历8年的飞行,才能与冥王星相会。探测器上的仪器设备进入了休眠状态,以节省出宝贵的深空测控网络资源供其它航天器使用,还可以减少电子设备的损耗。在休眠期间,探测器以每秒五圈的速度旋转,并保证无线电天线始终对准地球。地面操纵人员每年会唤醒探测器一次,以确保天线朝向地球,并进行轨迹修正、系统检查和仪器校准。

在抵达冥王星之前约200天(2014年秋天),新视野号全面苏醒,开始为与冥王星的交会作准备。

约会冥王星

为了兑现与冥王星约会的承诺,新视野号在飞行了50亿公里后,其轨迹必须确保穿过一个直径不超过300公里的圆,才能实现既定的观测目标。为了完成这个看似不可能的任务,新视野号在接近冥王星的过程中,不断的拍摄冥王星及其卫星系统的详细照片并比对,以判断是否飞行在正确的轨迹上,称为“光学导航”。值得一提的是,新视野号的重量超过450公斤,而自带的推进器推力仅有4.4牛顿,好在实际飞行时只需要进行微小的修正。

历经9年的飞行之后,新视野号距离与冥王星交会还有5个月,此时远程勘测相机和谱仪开始拍摄。冥王星和它最大的卫星卡戎最初仅能拍到小小的亮点,随着距离的不断拉近,它们变得越来越大。

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新视野号捕捉到冥王星和卡戎

交会的时刻终于到来了。2015年7月14日11点49分(协调世界时),新视野号到达与冥王星的最近点,此时距离冥王星仅13695公里。这是人类有史以来最接近冥王星的一次,这一纪录将保持相当长的时间。11分钟后,到达与卡戎的最近点,距离29473公里。

交会前后的24个小时是新视野号任务中最繁忙的阶段。探测器上的科学仪器火力全开,获得了大量观测数据,包括使用多个波长拍摄的冥王星及其卫星的全景地图,采用近红外波段获得的可提示星体表面成分的光谱图像,以及对冥王星大气层的观测和采样等,同时精确的测得冥王星的直径为2370公里。最受人关注的成果当属冥王星高清全清地图,分辨率达到了100米,为我们展现了大量的地形地貌细节,我们清楚的看到了冥王星上寒冷的平原,崎岖的山峰甚至冰冻的湖泊(氮冰),这在之前是不可想像的。

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冥王星全景图,注意右下方的“冥王之心”

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冥王星和卡戎

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冥王星的地貌

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平原上耸立的山峰

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冥王星的大气分层

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冥卫一:卡戎

这是人类第一次有幸在这么近的距离上观察冥王星系统,对冥王星有了全新的认识,新视野号居功至伟!由于相关图片太多,这里不再一一展示,有兴趣可到NASA网站查阅。

天涯海角

与冥王星分手后,新视野号并未停下它的脚步,它继续穿行于寒冷荒凉的柯依伯带,并发现多个柯依伯带天体。

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柯依伯带天体

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柯依伯带天体

但它们并不是新视野号的下一个观测目标,这个神秘的二号目标是编号为 2014 MU69的小天体,距离冥王星16亿公里,体积只有冥王星的1%。在此之前,人类的对这个天体的形状一无所知,据哈勃望远镜的观察,它的表面有可能是红色的。。。经过向公众征集名称后,NASA选择了“Ultima Thule”作为2014 MU69的昵称,Thule是古代传说中的“极北之地”,而Ultima Thule意为“终极远境”,但我们中国人翻译的名字显然更为贴切——天涯海角。虽然后来官方正式命名为Arrokoth(印第安语“天空),但天涯海角这个美丽的名字已经永远被中国网民接受。

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较远距离拍摄的”天涯海角“及其3D想象图

最初,根据在比较远的距离上拍摄的天涯海角的照片,科学家认为它的形状像花生,由两个稍显球形的部分连接在一起。而在2019年1月,新视野号追上它之后,才看了个真切,原来不是”花生“,而是两块粘在一起的煎饼!而且,确实是偏红色的。

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“天涯海角”高清照片

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“天涯海角”3D动图

像其它柯依伯带天体一样,这颗冰冻的天体封存了太阳系早期的奥秘,新视野号对它的考察将大大有助于我们解开这些秘密。

奔向星辰大海

探寻”天涯海角“时,新视野号已经孤独的旅行了65亿公里,时至今日,按照速度大致估算,它已经飞行了70多亿公里。NASA的研究团队计划在今年夏天,通过地面和哈勃望远镜为新视野号选择下一个拜访对象,届时,我们对柯依伯带的认识将更上一层楼。

虽然不情愿,但新视野号也在逐渐老去,搭载的核电池功率每年都在下降,也许在未来的某天,它会突然寿终正寝,但我相信,作为人类现存的最远的“慧眼”,一定能像旅行者1号、2号那样超出人们的期望!用不了几年,新视野号的行程就将突破百亿公里,这是一次无与伦比的远征,代表了人类航天事业的最高成就。承载着人类梦想的新视野号将继续前进,直至飞出太阳系,奔向远方的星辰大海!


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