新視野號:第一顆飛越冥王星的探測器

2020-12-23 天文在線

新視野號是美國國家航空航天局(NASA)「新疆界計劃」已經成功發射的一顆星際空間探測器。由艾倫·斯特恩(Alan Stern)團隊領銜主導、並由約翰霍普金斯大學應用物理實驗室和美國西南研究所共同設計製造,新視野號探測器於2006年完成發射。其首要任務是在2015年完成冥王星系統的成功飛掠,其次則是在接下來的十年中對一個或多個柯伊伯帶天體實現飛掠和探測,該項任務目前已轉為對柯伊伯帶小行星486956天空(Arrokoth)的研究。新視野號是第五顆獲得太陽系逃逸速度的空間探測器。

2006年1月19日,新視野號探測器在卡納維拉爾角空軍基地由阿特拉斯5型運載火箭直接運送進入地球-太陽脫離軌道,其發射速度約為16.26千米/秒(10.1英裡/秒;58500千米/小時;36400英裡/小時),創下人造天體發射速度新記錄。在與小行星132524APL短暫相遇後,新視野號繼續向木星行進,於2007年2月28日到達最近點,此時探測器距離木星約為230萬千米或140萬英裡。木星飛躍一方面為新視野號提供了引力加速,另一方面也對探測器的科學性能進行了一次全面的測試,與此同時也返回了木星的大氣、衛星、磁層等諸多數據。

完成木星飛躍後的大多數時間裡,新視野號都處在休眠模式以保護星載系統,只在每年常規檢測時重新啟動。直到2014年12月6日,新視野號被再次激活聯網並開始儀器檢驗,準備邂逅冥王星。2015年1月15日,探測器正式開始向冥王星逼近。

協調世界時2015年7月14日11時49分,新視野號從冥王星上空12500千米處飛過,成為第一顆成功探索這顆矮行星的探測器。2016年8月有報導稱新視野號的飛行速度已經超過84000千米/小時(即52000英裡/小時)。協調世界時2016年10月25日21時48分,新視野號傳回了最後一份飛躍冥王星的數據,自此結束了本次飛躍之旅。隨後,新視野號接受調遣任務飛向柯伊伯帶小行星486956天空(未正式命名前被稱作「極地」)開始新一輪的飛躍之旅。這次飛躍最終發生在2019年1月1日,這時的探測器距離太陽為43.4個天文單位。美國宇航局曾在2018年8月利用新視野號上的愛麗絲紫外光譜儀傳回的數據來證實太陽系外緣「氫氣牆」的存在。這面「牆」最初是由旅行者號飛船在1992年探測到的。

歷史

1992年8月,噴氣推進實驗室科學家羅伯特·施特勒(Robert Staehle)致電冥王星發現者克萊德·湯博(Clyde Tombaugh),請求造訪這顆行星。湯博後來回憶起這通電話時說道,「我當時告訴他我非常歡迎他們的造訪,儘管這將會是一次漫長而寒冷的旅行。」正是這通電話,才有了一系列的冥王星探索計劃,最終迎來了新視野號。

2000年12月,新疆界項目的競爭者之一、霍普金斯大學應用物理實驗室太空部負責人斯塔馬蒂奧斯·「湯姆」·克裡米吉斯(Stamatios "Tom" Krimigis)與艾倫·斯特恩(Alan Stern)一起組建了新視野號團隊。斯特恩是項目的主要負責人,克裡米吉斯稱之為「冥王星行動的化身」。新視野的設計方案多是基於斯特恩此前的研究工作——冥王星350,其團隊成員則包含了大多數「冥王星-柯伊伯快車」項目成員。最終,新視野號成為入選美國航天局計劃的五個候選方案之一。而在2001年6月,它更是闖進了決賽開始接受為期三個月的概念研究。

它的終極對手是由科羅拉多大學拉裡·埃斯波西託(Larry W. Esposito)主導、噴氣推進實驗室洛克西勒·馬丁(Lockheed Martin)和加利福尼亞大學協作設計冥王星及外太陽系探測器方案。這是一個獨立的設計方案,但其關於冥王星任務的理念卻與新視野號有相似之處。相比之下,有著「冥王星-柯伊伯快車」項目團隊及史丹福大學支持的應用物理實驗室更具有競爭優勢;就在不久前由該實驗室設計製造的會和-舒梅克號探測器成功進入了愛神星(433 Eros)軌道,高調宣布將在著陸小行星後開展科學和工程研究。

新視野號初期概念圖。首個冥王星項目,由應用物理實驗室和艾倫·斯特恩主導。(圖源:維基百科)

2001年11月,新視野號正式入選「新疆界計劃」開始籌措項目經費。然而,由布希政府新任命的航天局新任執行官辛·奧基福(Sean O'Keefe)卻對該項目持反對態度,並通過將其排除在03年航天局預算的方式取消了項目。時任航天局科學任務理事會副會長的艾德·維樂爾(Ed Weiler )提出,假如新視野號計劃能夠出現在《行星科學十年調查》——由美國國家委員會彙編、反映科學界聲音的優先級「願望清單」上,斯特恩就有足夠理由去遊說議員為新視野號籌措經費。

在經歷了激烈的拉票競選之後,2002年夏出版的《2003-2013科學十年調查研究》將新視野號項目列為科學界認為最值得探索的中型項目之首;其優先級高於月球項目甚至木星項目。維樂爾稱,這是一個讓政府無可辯駁的好結果。報告的出版保障了新視野號的經費來源,斯特恩團隊終於可以開始構造探測器實體,並計劃於2006年1月完成發射,在2015年完成冥王星登陸。愛麗絲·鮑曼(Alice Bowman )被任命為項目小組負責人。

發射

新視野號發射現場。阿特拉斯5號運載火箭在運載臺上(圖左),從卡納維拉爾角空軍基地發射瞬間(圖右)

2005年9月24日,新視野號宇宙飛船在C-17「宇宙霸王」Ⅲ型戰略運輸機的運送下到達甘迺迪航天中心,開始一系列的發射準備。初始計劃是在2006年1月11日完成新視野號的發射,但先是因阿特拉斯運載火箭煤油箱的孔探檢查推遲到了06年1月17日,後又因發射方向的低雲層條件、大風、以及無關火箭本身的技術困難等原因再次推遲了兩天。

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