鄭永春，胡國(guó)平

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2. 澳門科技大學(xué)月球與行星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室伙伴實(shí)驗(yàn)室，澳門）

“新視野號(hào)”探測(cè)冥王星及柯伊伯帶綜述*

鄭永春1，2，胡國(guó)平2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2. 澳門科技大學(xué)月球與行星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室伙伴實(shí)驗(yàn)室，澳門）

0　引言

太陽(yáng)系包含三個(gè)主要區(qū)域。一區(qū)為內(nèi)太陽(yáng)系，包括水星、金星、地球和火星，稱為類地行星，均為巖石質(zhì)天體。二區(qū)為外太陽(yáng)系，包括木星、土星、天王星和海王星，稱為類木行星，均為氣液態(tài)巨行星。其中天王星和海王星比較相像，又稱為冰巨星。一區(qū)和二區(qū)以距離太陽(yáng)2.3～3.3天文單位的小行星帶為界。三區(qū)為海王星軌道以遠(yuǎn)的區(qū)域，包括柯伊柏帶（Kuiper Belt）、離散盤（Scattered Disc）和奧爾特云（Oort Cloud）。其中，柯伊伯帶距離太陽(yáng)約30～50個(gè)天文單位，是位于海王星軌道以遠(yuǎn)黃道面附近、散布著大量冰凍小天體的環(huán)形區(qū)域，是太陽(yáng)系里的“冷庫(kù)”；離散盤零星散布著主要由冰組成的小行星，其內(nèi)側(cè)與柯伊伯帶重疊，外側(cè)伸展到黃道的上下方；奧爾特云距離太陽(yáng)5～10萬(wàn)天文單位，由千億顆冰冷天體組成。1930年，羅威爾天文臺(tái)的觀測(cè)助理湯博，經(jīng)過(guò)8個(gè)月艱苦的巡天式觀測(cè)和仔細(xì)比對(duì)后，首次發(fā)現(xiàn)了冥王星。1978年，科學(xué)家在冥王星的附近發(fā)現(xiàn)了冥衛(wèi)一（卡戎，Charon）。而冥王星和卡戎所處的太陽(yáng)系外緣一直被認(rèn)為是空空蕩蕩的，沒(méi)有其他大型天體。麻省理工學(xué)院的大衛(wèi)·朱維在1992年8月30日發(fā)現(xiàn)除冥王星和卡戎外的第一個(gè)柯伊伯帶天體——直徑250 km的小行星15760，半年后又發(fā)現(xiàn)第二個(gè)天體（181708）1993FW［1］，從而證實(shí)柯伊伯帶的存在。

由于冥王星距離太陽(yáng)和地球十分遙遠(yuǎn)，要探測(cè)它既要飛行很遠(yuǎn)的距離，又要克服寒冷而陰暗的困難，所以對(duì)它的探測(cè)起步很晚。20世紀(jì)90年代末，NASA曾制定了一個(gè)名為“冥王星-柯伊伯快車”探測(cè)計(jì)劃，但是由于研制經(jīng)費(fèi)超支等原因，后來(lái)取消了該計(jì)劃［2］。經(jīng)過(guò)天文學(xué)家們長(zhǎng)期的各方面努力，NASA于2000年12月20日宣布重新論證冥王星計(jì)劃。但這次NASA提出了兩項(xiàng)苛刻的要求：一是探測(cè)器在須2015年前抵達(dá)冥王星，二是研制經(jīng)費(fèi)必須低于5億美元。2001年12月，NASA宣布重啟冥王星計(jì)劃，探測(cè)器名為“新視野號(hào)”［3］。2006年1月19日14：00，“新視野號(hào)”在卡納維拉爾角成功發(fā)射，2007年2—3月飛越木星系統(tǒng)并借助木星引力加速，2007—2015年6月為行星際飛行，2015年7月近距離飛越冥王星和冥衛(wèi)——卡戎；2016年離開(kāi)冥王星及其衛(wèi)星，探測(cè)柯伊柏帶其他天體，預(yù)計(jì)至少工作至2020年。它的飛行軌道和任務(wù)執(zhí)行時(shí)間見(jiàn)圖1［4，5］。

1　科學(xué)目標(biāo)與有效載荷分析

1.1科學(xué)目標(biāo)

隨著天文學(xué)家在柯伊伯帶不斷獲得新的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，“新視野號(hào)”的主要任務(wù)從冥王星擴(kuò)展到整個(gè)柯伊伯帶［3，6］。

1）近距離飛越冥王星及其已知的5個(gè)衛(wèi)星。雖然，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡此前的觀測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)冥王星有新的衛(wèi)星或環(huán)帶系統(tǒng)，但如果它們太過(guò)暗弱，從遙遠(yuǎn)的距離上是很難發(fā)現(xiàn)的。因此，“新視野號(hào)”將探測(cè)冥王星是否存在未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星，調(diào)查冥王星是否擁有環(huán)帶系統(tǒng)，觀察冥王星表面是否存在撞擊坑或撞擊坑的多少，判斷柯伊伯帶天體相互碰撞的幾率。

2）考察柯伊伯帶的其他天體?？乱敛畮У奶祗w自從太陽(yáng)系形成之初已存在，是太陽(yáng)系各大行星形成后的殘?jiān)涗浿?yáng)系最初形成時(shí)的歷史，有助于理解太陽(yáng)系和地球生命的起源。如果不了解柯伊伯帶，就較難完整理解太陽(yáng)系的起源。對(duì)于這片太陽(yáng)系里的新大陸，“新視野號(hào)”首席科學(xué)家艾倫·斯特恩指出：“太陽(yáng)系中的這一區(qū)域存在諸多謎團(tuán)。探索冥王星和柯伊伯帶就像是在太陽(yáng)系新大陸進(jìn)行的考古發(fā)掘工作。通過(guò)考察可以窺探到太陽(yáng)系行星形成的最初狀態(tài)?！?/p>

最新的進(jìn)展是，巴西天文學(xué)家Gomes（2012）［7］注意到柯伊柏帶6顆天體（包括賽德娜，Sedna）都具有非常奇怪的高偏心率軌道，他分析了92顆柯伊伯帶天體的軌道，只有當(dāng)存在未知天體的攝動(dòng)時(shí)，才能使這6顆天體的觀測(cè)軌道與計(jì)算軌道吻合。這個(gè)未知天體可能是距離太陽(yáng)1500AU、體積約為地球4倍（大小與海王星相似）的行星，也可能是軌道橢率極大的火星大小的天體（直徑約為地球的1/2）。根據(jù)西班牙和英國(guó)天文學(xué)家的軌道計(jì)算結(jié)果［8，9］，推測(cè)在冥王星之外至少存在兩顆比地球還大的行星。當(dāng)然，這種計(jì)算由于用于計(jì)算的天體樣本數(shù)有限、且未知天體的位置和大小等參數(shù)都是不可預(yù)知的，因此計(jì)算結(jié)果可能存在很大的不確定性。人類發(fā)現(xiàn)海王星的過(guò)程就是通過(guò)計(jì)算得到大致位置然后被觀測(cè)所證實(shí)的，因此在柯伊柏帶或更遠(yuǎn)的太陽(yáng)系空間存在未知行星是可預(yù)期的。由于這些天體非常暗弱而寒冷，距離十分遙遠(yuǎn)，很難從地球上觀測(cè)到，“新視野號(hào)”很可能是發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系未知行星的重要機(jī)會(huì)。

1.2有效載荷

“新視野號(hào)”攜帶了7臺(tái)套共重30 kg的科學(xué)儀器［6］。其中光學(xué)設(shè)備有3臺(tái)。分別是：遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀（LORRI）、可見(jiàn)－紅外成像光譜儀（RALPH）、紫外成像光譜儀（ALICE），分別拍攝可見(jiàn)光、紅外和紫外圖片。另外4臺(tái)儀器分別是：太陽(yáng)風(fēng)測(cè)量?jī)x（SWAP）、無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀（REX）、能量粒子譜儀（PEPSSI）、學(xué)生塵埃計(jì)數(shù)器（SDC），分別用于測(cè)量冥王星附近和表面的太陽(yáng)風(fēng)、大氣、能量粒子和塵埃，各個(gè)科學(xué)儀器具體的性能參數(shù)見(jiàn)圖2。

1）可見(jiàn)-紅外成像光譜儀（RALPH）：拍攝冥王星及卡戎的表面地形，提供高清晰影像照片，分析表面物理現(xiàn)象和物質(zhì)組成，繪制地形圖，了解冥王星及卡戎的歷史。儀器分為兩部分，一為多光譜可見(jiàn)光相機(jī)（MVIC），另一為紅外光譜儀（LEISA），兩者共同使用一個(gè)6 cm鏡頭，用以調(diào)校焦距，收集影像。

可見(jiàn)光相機(jī)使用電荷藕合裝置（CCD），是近年所有外太空探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。天體目標(biāo)的影像通過(guò)鏡頭后，再經(jīng)過(guò)四層濾鏡，在電荷藕合器成像。濾鏡分別包括一般用途的藍(lán)、綠、及近紅外濾鏡，以及專用于觀測(cè)甲烷的濾鏡。

紅外光譜儀測(cè)量熱輻射光譜，獲得物質(zhì)組成信息。根據(jù)哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果，冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰為主，而卡戎則主要由冰組成。當(dāng)探測(cè)器接近它們時(shí)，透過(guò)紅外光譜儀觀察，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的其他物質(zhì)。

2）遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀（LORRI）：有一個(gè)直徑20.8 cm的鏡頭，同樣以CCD成像，但沒(méi)有濾鏡和活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)比RALPH簡(jiǎn)單得多。目的是為探測(cè)器提供詳細(xì)的空間信息，即探測(cè)器在飛行途中的精確位置。通過(guò)觀測(cè)特定星體，比較觀測(cè)資料，得出探測(cè)器在途中某一點(diǎn)的精確位置及相位，從而控制探測(cè)器進(jìn)行相應(yīng)的軌道調(diào)整。當(dāng)飛臨冥王星時(shí)，遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀同時(shí)拍攝冥王星表面影像，分辨率大致相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)面積。

3）紫外成像光譜儀（ALICE）：測(cè)量由冥王星及卡戎輻射或反射的紫外線，獲得不同波長(zhǎng)的圖像，研究它們的大氣成分、表面物質(zhì)組成和溫度。紫外成像光譜儀有兩種工作模式：（1）氣體輝光探測(cè)模式，當(dāng)探測(cè)器接近及離開(kāi)冥王星時(shí)采用這種模式，目的是直接測(cè)量由冥王星及卡戎的大氣輻射或反射的紫外線，大多數(shù)時(shí)間采用這種工作模式。（2）掩星測(cè)量模式，當(dāng)探測(cè)器飛越冥王星之后，進(jìn)入冥王星日蝕陰影區(qū)時(shí)，即被冥王星星體遮掩太陽(yáng)光的地方，通過(guò)測(cè)量透過(guò)冥王星大氣的太陽(yáng)光，獲得冥王星大氣的成分、濃度和溫度分布。

4）太陽(yáng)風(fēng)測(cè)量?jī)x（SWAP）：主要用于測(cè)量冥王星附近的太陽(yáng)風(fēng)特性，分析從冥王星大氣中逃逸出來(lái)的物質(zhì)和逃逸速率，尋找冥王星周圍的磁層。儀器內(nèi)部有一個(gè)低能等離子體探測(cè)器，測(cè)量范圍為30～7700 eV。

5）無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀（REX）：當(dāng)“新視野號(hào)”位于冥王星的背面時(shí)，地球上的控制人員開(kāi)始向冥王星發(fā)射無(wú)線電波。由于無(wú)線電信號(hào)在穿越冥王星大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的折射、畸變和時(shí)延，那些穿過(guò)冥王星大氣層的無(wú)線電波被飛船上的2.1 m直徑高增益天線接收后，無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀就會(huì)比較穿越冥王星大氣前后的信號(hào)特征，分析出大氣中氣體分子的成分、密度、溫度及大氣結(jié)構(gòu)，繪制冥王星大氣層從高空到表面的溫度和密度曲線。

當(dāng)探測(cè)器近距離飛掠冥王星時(shí)，無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀可以切換到輻射探測(cè)模式，直接測(cè)量冥王星發(fā)射的微弱的微波輻射，精確測(cè)量冥王星向陽(yáng)面和背陰面之間的溫度變化。

6）能量粒子譜儀（PEPSSI）：該儀器由帶電粒子探測(cè)器組成，可以測(cè)量質(zhì)子、離子、電子等帶電粒子的成分和密度等特性。通過(guò)探測(cè)大氣層頂部的中性粒子被太陽(yáng)風(fēng)激活而逃離大氣層的現(xiàn)象，推算大氣化學(xué)成分。

7）學(xué)生塵埃計(jì)數(shù)器（SDC）：由科羅拉多大學(xué)的學(xué)生在專業(yè)航天人員的指導(dǎo)下制造的，主要用于測(cè)量整個(gè)飛行過(guò)程中行星際塵埃粒子對(duì)“新視野號(hào)”的撞擊情況，包括粒子的大小、數(shù)量、撞擊飛船時(shí)的方向和飛行軌跡等。這些塵埃粒子主要來(lái)自從彗星逃逸的物質(zhì)和柯伊伯帶天體相互碰撞產(chǎn)生的殘片。

2　探測(cè)器方案與關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1探測(cè)器方案

“新視野號(hào)”發(fā)射時(shí)的質(zhì)量為453 kg。探測(cè)器外形像一把短鍬，其中鍬把是它的核電站，鍬身是探測(cè)器本體，鍬身上頂著的大鍋則是它的天線（圖3）。探測(cè)器本體為三角形，長(zhǎng)2.1 m，最寬處約2.7 m，高0.7 m，大小相當(dāng)于一架鋼琴。

“新視野號(hào)”探測(cè)器的通信采用X頻段，包括一副直徑達(dá)2.1 m的高增益碟型天線、一副中增益碟型天線和兩副低增益寬波束天線［4］?！靶乱曇疤?hào)”的天線比大多數(shù)深空探測(cè)器要大得多，這是由于距離遙遠(yuǎn)，信號(hào)微弱，所以需要一個(gè)很大的天線來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)和信號(hào)。

“新視野號(hào)”有兩種姿態(tài)控制模式，在科學(xué)探測(cè)階段采用三軸穩(wěn)定和自旋穩(wěn)定模式；在巡航階段的休眠期和軌道修正機(jī)動(dòng)時(shí)采用自旋穩(wěn)定，額定轉(zhuǎn)速為5次/s。

“新視野號(hào)”的推進(jìn)系統(tǒng)由16個(gè)單元肼推進(jìn)器組成，其中4個(gè)推力為4.4 N的推進(jìn)器主要用于修正飛行軌道，12個(gè)推力為0.8 N的推進(jìn)器主要用于使探測(cè)器自旋加速或減速?！靶乱曇疤?hào)”共攜帶77 kg推進(jìn)劑，用于在航行過(guò)程中修正軌道或改變航向。在飛赴冥王星的過(guò)程中，它利用木星引力進(jìn)行輔助加速；在抵達(dá)冥王星的時(shí)候，它采用飛越方式探測(cè)，因此在靠近冥王星時(shí)無(wú)需減速使之進(jìn)入環(huán)繞軌道。這兩個(gè)因素使得“新視野號(hào)”攜帶的燃料比較少。

本次“新視野號(hào)”將不會(huì)對(duì)冥王星進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，主要有兩方面的原因：一是探測(cè)器的飛行速度必須非常快，才能確保在9.5年內(nèi)到達(dá)距離地球50億km的冥王星［10］。如果“新視野號(hào)”要進(jìn)入冥王星軌道，必須將速度降低90%，這就需要多1000倍的燃料消耗，而“新視野號(hào)”攜帶的燃料非常有限。二是“新視野號(hào)”一旦進(jìn)入環(huán)繞冥王星的軌道，就無(wú)法將來(lái)脫離冥王星引力去探測(cè)其他的柯伊伯帶天體。

2014年12月7日，在行星際飛行了48億km的“新視野號(hào)”被成功喚醒，此刻距離地球46.6億km、離抵達(dá)冥王星還有2.6億km。

2015年7月15日，當(dāng)“新視野號(hào)”距離冥王星約100萬(wàn)km時(shí)，探測(cè)器上的科學(xué)設(shè)備開(kāi)始工作，對(duì)冥王星和卡戎進(jìn)行全方位的探測(cè)并傳回探測(cè)數(shù)據(jù)。以光速傳輸?shù)奶綔y(cè)數(shù)據(jù)傳到地球需要4 h25 min。當(dāng)距冥王星16萬(wàn)km時(shí)，探測(cè)器上的相機(jī)開(kāi)始繪制第一批地圖，并在隨后的3個(gè)月里不斷拍攝照片和測(cè)量光譜。如果那時(shí)冥王星的大氣是凍結(jié)的，“新視野號(hào)”還能夠觀測(cè)到季節(jié)的變化。

“新視野號(hào)”與冥王星的最近距離將為9600 km；與卡戎的最近距離為2.7萬(wàn)km，持續(xù)時(shí)間約為0.5 h。屆時(shí)，探測(cè)器將用可見(jiàn)光和近紅外相機(jī)拍攝最高分辨率為60 m、迄今為止最清晰的冥王星和卡戎照片。圖像質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的冥王星。如果幸運(yùn)的話，“新視野號(hào)”有望拍攝到冥王星上的云層或噴發(fā)的冰火山。雖然科學(xué)家推測(cè)冥王星表面可能存在這些現(xiàn)象，卻從未被證實(shí)過(guò)。當(dāng)近距離飛過(guò)冥王星時(shí)，“新視野號(hào)”采集的數(shù)據(jù)量異常龐大，根本來(lái)不及向地球回傳。因此只能暫時(shí)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并在隨后的1年多時(shí)間里陸續(xù)發(fā)送［4，11］。

“新視野號(hào)”對(duì)冥王星和卡戎的飛越觀測(cè)將持續(xù)6個(gè)多月，2015年7月之后將逐漸遠(yuǎn)離。在飛離冥王星和卡戎時(shí)，“新視野號(hào)”還將調(diào)轉(zhuǎn)鏡頭回望，利用低太陽(yáng)照射角造成表面地形明暗的優(yōu)勢(shì)，證實(shí)冥王星和卡戎表面是否平坦，是否擁有類似彗星那樣的“尾巴”，是否擁有環(huán)帶，是否有未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星。

在完成對(duì)冥王星及其衛(wèi)星的飛越考察后，“新視野號(hào)”將在2017—2020年探測(cè)柯伊伯帶的其他天體，其中至少2個(gè)直徑為40～90 km，這一階段可能持續(xù)5～10年。如果一切順利，“新視野號(hào)”的壽命將在15年以上。

2.2長(zhǎng)期休眠技術(shù)

由于冥王星遠(yuǎn)離太陽(yáng)，飛往這些遙遠(yuǎn)天體的探測(cè)器需要具備一些基本條件：1）壽命長(zhǎng)；2）必須采用行星借力飛行；3）采用核能發(fā)電機(jī)。接下來(lái)，我們將給出“新視野號(hào)”實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵技術(shù)的具體方案。

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，所有的探測(cè)器系統(tǒng)都有備用設(shè)備，以確保系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)啟用備份系統(tǒng)；還有一個(gè)重要的手段，就是讓探測(cè)器長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，為了避免由于長(zhǎng)期不工作所帶來(lái)的儀器不正常工作，地面控制人員需要每隔一段時(shí)間喚醒科學(xué)儀器，以保證它們的長(zhǎng)期使用。

自2006年1月20日發(fā)射升空后，除了用4個(gè)月探測(cè)木星及其衛(wèi)星，“新視野號(hào)”上的絕大部分儀器處于休眠狀態(tài)，以節(jié)約能源，延緩設(shè)備老化，特別是降低地面維護(hù)和運(yùn)營(yíng)人員的開(kāi)支。不過(guò)地球上的控制人員仍密切關(guān)注新視野的運(yùn)行情況，每隔幾個(gè)月，探測(cè)器上的設(shè)備都會(huì)定期被喚醒以接受例行檢查，進(jìn)行軌道校正和儀器校準(zhǔn)，以保障航線正確和設(shè)備正常。此外，“新視野號(hào)”還會(huì)每周發(fā)回一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被稱作“綠色信號(hào)燈”，目的是讓控制人員知道它仍然活著。

2014年8月，地面對(duì)“新視野號(hào)”進(jìn)行了一次例行檢查，上傳指令要求它按計(jì)劃于12月7日蘇醒。12月7日，地面收到了它從遙遠(yuǎn)的深空傳來(lái)的回復(fù)，確認(rèn)此指令已經(jīng)得到執(zhí)行。這次喚醒標(biāo)志著“新視野號(hào)”此行的主要目的——探測(cè)冥王星及其衛(wèi)星的任務(wù)正式開(kāi)始了。從此，“新視野號(hào)”將一直保持“清醒”狀態(tài)，直到2015年7月14日，它在這一天抵達(dá)距離冥王星的最近位置。

喚醒后的數(shù)周內(nèi)，地面團(tuán)隊(duì)全面檢查了探測(cè)器的工作性能，測(cè)試了在飛越冥王星時(shí)需要用到的各種程序，確保探測(cè)器各個(gè)科學(xué)設(shè)備系統(tǒng)正常工作。結(jié)果表明，“新視野號(hào)”現(xiàn)在很“健康”，正安靜地在深空漫游。

2015年1月15日，“新視野號(hào)”上的所有系統(tǒng)將被喚醒，開(kāi)始對(duì)冥王星和卡戎進(jìn)行探測(cè)。隨著探測(cè)器的逐漸靠近，冥王星和卡戎將從望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)中的小亮點(diǎn)，展現(xiàn)出越來(lái)越多的細(xì)節(jié)。屆時(shí)，人類將首次獲得它們的標(biāo)準(zhǔn)照。

2.3木星借力技術(shù)

發(fā)射以后，“新視野號(hào)”直接進(jìn)入了地球和太陽(yáng)的逃逸軌道，在最后完成加速關(guān)閉引擎時(shí)相對(duì)于地球的速度是16.26 km/s，相當(dāng)于58536 萬(wàn)km/h，接近第3宇宙速度，成為人類有史以來(lái)以最快發(fā)射速度離開(kāi)地球的高速飛行器。

由于超高速飛行，“新視野號(hào)”在發(fā)射后9 h就飛過(guò)了月球。而“阿波羅”載人飛船飛往月球用了3天，“嫦娥1號(hào)”奔月飛行用了13.5天，“嫦娥2號(hào)”奔月用了5天。

13個(gè)月后的2007年2月底，“新視野號(hào)”抵達(dá)了木星，離木星最近處約227萬(wàn)km的位置。“新視野號(hào)”飛抵木星的目的也是為了加速。目的是借助木星的巨大引力進(jìn)一步提速到7萬(wàn)～7.5萬(wàn)km/h，加速飛向遙遠(yuǎn)的冥王星。

利用飛越木星的機(jī)會(huì)，“新視野號(hào)”對(duì)木星和它的200多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行了為期4個(gè)多月的考察［12］。主要探測(cè)了木星的大氣結(jié)構(gòu)及風(fēng)暴，以及木星及其衛(wèi)星的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)帶電粒子流和極光遙感測(cè)量探測(cè)研究木星磁層。探測(cè)器還收集了木星主要衛(wèi)星的大氣層、物質(zhì)組成、表面結(jié)構(gòu)等信息。

2.4太空核能技術(shù)

由于冥王星和柯伊伯帶遠(yuǎn)離太陽(yáng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度只是地球上的千分之一，太陽(yáng)光要經(jīng)過(guò)4個(gè)多小時(shí)長(zhǎng)途跋涉才能來(lái)到冥王星。“新視野號(hào)”所需的電力無(wú)法通過(guò)太陽(yáng)能電池發(fā)電提供。為此，“新視野號(hào)”探測(cè)器攜帶了一臺(tái)放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)［12］。核能發(fā)電機(jī)位于“新視野號(hào)”的尾部，內(nèi)裝10.9 kg二氧化钚，其中的钚-238衰變時(shí)會(huì)釋放出熱量，通過(guò)溫差發(fā)電提供穩(wěn)定的電力。所有的探測(cè)設(shè)備都將依賴這臺(tái)核能發(fā)電機(jī)供電，其產(chǎn)生的電力相當(dāng)于一對(duì)100 W燈泡。

由于擔(dān)心太空遭受核污染，科學(xué)家保證了“新視野號(hào)”的的燃料箱非常堅(jiān)固，核能發(fā)電機(jī)所用的燃料被封裝在特制的球形防火陶瓷中，這種陶瓷有抗分解能力，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且外面的密封箱完全能經(jīng)受住墜地撞擊或空中爆炸的沖擊，發(fā)生意外災(zāi)難的幾率很小，即使發(fā)生意外，核燃料外泄的可能性微乎其微。

3　討論與結(jié)論

深空探測(cè)的目標(biāo)大多遠(yuǎn)離地球，開(kāi)展深空探測(cè)一方面將牽引航天技術(shù)的提升，另一方面將擴(kuò)大人類的認(rèn)知邊界［13］。與商業(yè)航天和應(yīng)用航天不同，深空探測(cè)的使命是認(rèn)識(shí)宇宙和自然界，深空是一項(xiàng)科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，也是全人類的共同使命。因此，在深空探測(cè)的任務(wù)實(shí)施中，應(yīng)想方設(shè)法吸引公眾的關(guān)注，盡可能讓普通人獲得親身參與感，以爭(zhēng)取民眾支持。在這一過(guò)程中，勇敢探索未知世界的科學(xué)精神被潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地傳遞到每一個(gè)人身邊，從而提升公眾的科學(xué)素養(yǎng)。

隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，若干年以后，中國(guó)勢(shì)必也要發(fā)射穿越小行星帶的深空探測(cè)器，并對(duì)這個(gè)木星及以遠(yuǎn)的太陽(yáng)系天體進(jìn)行探測(cè)。本次“新視野號(hào)”在太陽(yáng)系遠(yuǎn)征中涉及的超長(zhǎng)壽命航天器設(shè)計(jì)、行星借力飛行、超遠(yuǎn)距離測(cè)控通信和數(shù)據(jù)傳輸、太空核動(dòng)力和能源供應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，將是中國(guó)航天努力學(xué)習(xí)及突破的重要領(lǐng)域。

柯伊伯帶位于遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系空間，寒冷而陰暗，探測(cè)難度很大。但是關(guān)于它們的研究對(duì)太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的了解和未來(lái)的深空探測(cè)卻具有重要的意義。

首先，柯伊伯帶是太陽(yáng)系的新大陸，它和奧爾特云這兩大區(qū)域至今還沒(méi)有被航天器探測(cè)過(guò)，我們對(duì)海王星之外的太陽(yáng)系空間仍知之甚少，對(duì)太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍然不夠清晰。對(duì)于它的探測(cè)將進(jìn)一步加深人們對(duì)于太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)和全貌的認(rèn)識(shí)。

其次，冥王星及其衛(wèi)星作為行星胚胎，對(duì)研究行星的形成具有重要價(jià)值。由于遠(yuǎn)離太陽(yáng)系的柯伊伯帶天體稀疏，受到的撞擊、太陽(yáng)輻射等太空風(fēng)化較弱，可以保存更為原始的狀態(tài)。因此，對(duì)冥王星、冥衛(wèi)一等柯伊伯帶天體的探測(cè)，將對(duì)解答太陽(yáng)系起源、行星起源等關(guān)鍵問(wèn)題有重要意義。

最后，遠(yuǎn)征太陽(yáng)系新大陸的深空探測(cè)將顯著牽引航天技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破。“新視野號(hào)”奔赴柯伊伯帶的旅途長(zhǎng)達(dá)9年，為延長(zhǎng)探測(cè)器的壽命和減少地面維護(hù)的費(fèi)用，探測(cè)器有2/3的時(shí)間是在休眠中度過(guò)的；為實(shí)現(xiàn)早日抵達(dá)冥王星，“新視野號(hào)”先飛抵木星開(kāi)展飛越探測(cè)，并借助木星引力進(jìn)行加速；由于距離遙遠(yuǎn)，地面發(fā)出的指令要4.5 h之后才能被探測(cè)器接收到，數(shù)據(jù)傳輸鏈路和測(cè)控精度要求均大大提高；柯伊伯帶寒冷而黑暗，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度僅為地球上的千分之一，冥王星表面溫度低至零下212～234℃，因此必須研發(fā)高效核能系統(tǒng)以提供飛行動(dòng)力和保溫。

責(zé)任編輯：王帥帥

摘編自《深空探測(cè)學(xué)報(bào)》2015年2卷1期：3～9頁(yè)，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。