深空探測器飛行過程中都在幹什麼?

2021-01-15 騰訊網

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深空探測任務通常能夠逃離地球引力束縛，對地外天體甚至宇宙深處開展科學研究。從地球出發後，這些探測器往往需要飛行數萬乃至數億千米的旅程，探測周期長達數年。

然而，宇宙是極其空曠的，一個深空探測器的任務即便歷時數年也僅能探測極其有限的天體，大部分時間飛行在茫茫深空中。

以1977年出發的旅行者一號和二號為例，它們已經在太空中飛行並持續工作了44年，旅程超過200億千米，最終會離開太陽系。即便如旅行者二號趕上了165年一遇的時機，探訪了木星、土星、天王星和海王星，但它自1989年飛掠海王星後就孤獨飛行至今，沒有靠近過任何一個天體。

那麼

這些絕大部分時間

都在孤獨飛行的深空探測器

它們在飛行過程中還會幹什麼？

飛行過程中平臺和有效載荷測試

探測器的本質是載體平臺，並不能直接從事科學研究，必須通過它的各類星載有效載荷進行。

雖然發射前探測器平臺和有效載荷會在地面進行各種系統測試，但測試環境一定無法代替實際深空飛行環境。因此，探測器出發後，需要全方位測試平臺所有相關系統和各種星載儀器情況。

一方面，探測器平臺需要測試通信系統、導航制導與控制、推進系統及數據採集系統等是否工作正常，它們是保證有效載荷能夠正常工作的基礎。

以火星探測器為例，2020年7月發射的阿聯希望號和中國天問一號火星探測器在發射後不久分別對火星和地月系統拍照，很大程度是為了測試用於軌道和姿態確定的光學敏感器是否工作正常。推進系統也會適當工作，修正軌道誤差的同時，測試發動機的實際表現性能是否符合預期。

左：希望號發射後拍攝的火星照片MBSRC；右：天問一號發射後拍攝的地月合影

2020年10月1日，已經連續飛行近1.9億千米的天問一號火星探測器也送出了它最獨特的祝福：一張中國歷史上最遠最強的超級自拍，鮮豔的五星紅旗在太空深處熠熠生輝。這個動作通過小型分離測量單元完成，並通過Wi-Fi技術傳回探測器，重要作用之一便是全方面檢驗天問一號飛行狀態。

另一方面，各類有效載荷也會陸續開機測試，檢驗工作性能，如有需要可在地面操縱下進行調試校正，滿足抵達目標後的任務需求。

例如，新視野號需要經過9年飛行才能抵達冥王星，但最終飛掠和最佳觀測冥王星的時間僅為2015年7月14日前後。在靠近目標之前數月，新視野號上核心的可見光、紅外線、紫外線光譜儀和長距離探測成像儀就已經陸續開機並進行最後的調試，一定要抓住這一千載難逢的機會。事實也充分證明，新視野號取得了巨大的成功。

左：新視野號充分調試的彩色相機拍攝到的冥王星；右：人類此前獲得的最清晰冥王星照片，來自哈勃望遠鏡。NASA/S.Hariri

僅保持有限度通信，甚至休眠

顯而易見，深空探測任務絕大部分時間都是孤獨飛行在預定軌跡上，並沒有實際任務可以開展。與此同時，如果讓繁忙的地面深空探測網保持對它們的密切跟蹤，不僅有效數據量有限，也會佔用大量寶貴的資源。這對於擁有大量太空飛行器的航天大國而言，是並不划算的買賣。

因而，深空探測器在有地面參與的情況下完成指定操作後，便會僅保留有限度通信頻率，節約自身資源和地面測控資源。

例如，在2007年成功飛掠木星到2015年飛掠冥王星之間，新視野號絕大部分時間處在休眠狀態。科學家團隊甚至在辦公室裡放一個玩具熊來代表新視野號的工作狀態，它長期在辦公室的角落「睡覺」。幸運的是，2014年12月6日，它成功被從「冬眠」中喚醒，準備工作。

NASA的新視野號團隊科學家準備「喚醒」休眠中的新視野號NASA

「兼職」從事其他支線任務

深空探測任務所攜帶的有效載荷，也可以在條件允許的情況下從事一些主線探測任務之外的工作。它們長期在太陽系中飛行，這是極好的對宇宙空間天氣研究的機會。

例如，旅行者一號和二號在飛離目標天體後，核心的影像光學系統和光譜儀等停止工作，但它們攜帶的宇宙射線監測儀、等離子波探測儀和低能帶電粒子儀等工作至今，為人類研究太陽風、太陽系磁場等貢獻巨大。

1990年2月14日時，旅行者一號的影像光學系統也再次臨時開機，為太陽系拍下了幾十張照片並拼出一張「全家福」。其中關於地球的一張照片《暗淡藍點》，成為人類航天史上最經典的照片之一，並隨著科普作家卡爾·薩根的評價享譽全球，它的流傳度甚至超過了旅行者號主線任務拍攝到的天體照片。

人類所有的一切，都在這個不起眼的暗淡藍點上，它僅是陽光中的一粒微塵NASA

2010年10月1日，我國的嫦娥二號探測器成功發射，它隨後前往月球開啟了為期8個月的觀測任務。隨後，利用探測器平臺和有效載荷，開啟了自己的「兼職」之旅。

它先是實現了人類探測器首次從月球前往日地拉格朗日L2點（距離地球150萬千米），又實現了人類首次近距離飛掠圖塔蒂斯小行星，最後繼續飛入深空創造了當時的中國深空探測最遠記錄。嫦娥二號的使命和作用，已經遠遠超過了月球探測器本身，為中國航天乃至世界航天積累了寶貴的工程經驗和科學研究財富。

嫦娥二號飛掠圖塔蒂斯的最近距離僅為3.2千米，是人類史上唯一一次對它的近距離探測

因此

雖然深空探測器

絕大部分時間都很孤獨

但它們始終在等待厚積薄發的時刻

甚至發揮出超出預定目標的效果

這一切能夠實現

也體現了航天人高超的

技術和縝密的規劃

天上和地上

他們都是默默無聞的超級英雄

來源：中國的航天

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