“新視野”是深空探測的成功范例

□ 安慧

深空探測是指脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間的探測。人類在深空探測方面，在已取得的一系列成果的基礎上，正在邁向更遠的太空?！靶乱曇啊笔敲绹接罹郑∟ASA）在2000年開始設計的一個直達冥王星和柯伊柏帶的深空探測器。因為它使用直線沖出太陽系的軌道，所以，只有中間利用了一次木星引力以增加速度。即便如此，“新視野”自從 2006年1月19日發射至今，仍然花了長達9年半的時間，才在2015年7月14日，從距冥王星12500千米處掠過，成為人類首顆造訪冥王星的探測器。目前，“新視野”已發回了許多近距離觀測冥王星及其衛星的高清圖像，圖像展現了冥王星冰凍的平原、高聳的山脈以及比預期要頻繁的地質活動。全面分析探測器傳回的數據，將要花費至少半年以上的時間。

人們為何鐘情于冥王星

人們鐘情于距地球約47億千米的冥王星，是由于它的神秘而且備受爭議。1930年，年僅24歲的農家少年、美國羅威爾天文臺新招聘的觀測助理克萊德·威廉·湯博，在寒冷的亞利桑那州高原上，經過8個月艱苦的巡天式觀測和仔細比對后，首次發現了冥王星。在“新視野”發射時，冥王星還是太陽系九大行星之一。因此，冥王星被視作太陽系中唯一沒有被航天器探測過的行星。2006年8月，國際天文聯合會第26屆大會通過第5號決議，冥王星被降級為“矮行星”,但對此仍有很多爭議。

隨著不斷獲得對柯伊伯帶新的觀測發現，“新視野”的主要任務已從冥王星擴展到整個柯伊伯帶?！靶乱曇啊睂⑻綔y冥王星是否存在除已知的5個衛星外，是否還有被發現的衛星，調查冥王星是否擁有環帶系統，觀察冥王星表面是否存在撞擊坑和撞擊坑的多少，判斷柯伊伯帶天體相互碰撞的幾率?？乱敛畮У奶祗w自太陽系形成之初就已存在，是太陽系各大行星形成后的殘渣，記錄著太陽系最初形成時的歷史。對它的觀測，將有助于了解太陽系和地球生命的起源。

“新視野”的關鍵技術

由于冥王星遠離太陽和地球，為此研制“新視野”必須攻克多項關鍵技術。主要有：

（1）探測器的長壽命技術。為此，探測器不僅要有備用設備，而且為了節約能源、避免設備老化，要讓探測器長期處于休眠狀態，但為了避免長期休眠而使其工作不正常，地面控制人員必須每隔一段時間叫醒它，以檢查探測器是否正常。

（2）核能發電機。由于冥王星的太陽輻射強度只是地球上的千分之一，無法由太陽能電池提供電力。為此，它攜帶了一臺放射性同位素溫差發電機。發電機位于探測器的尾部，內裝10.9千克二氧化钚，其中的钚-238衰變時會釋放出熱量，通過溫差發電提供穩定的電力。為了防止偶然事故導致的太空核污染，核能發電機安裝在特制的防火陶瓷中，以保障它的安全。

（3）超遠距離通信技術。“新視野”探測器在飛過冥王星時，由于距離地球十分遙遠，信號微弱，因此探測器和地球的通信采用X頻段，其天線比大多數深空探測器要大得多，包括一副直徑達2.1米的高增益碟型天線、一副中增益碟型天線和兩副低增益寬波束天線。同時，信號從探測器傳送到地面要延遲4.5小時，這對探測器的控制增加了困難。由于數據量十分龐大，也只能將數據儲存后逐步傳回地球。

“新視野”是太陽系探測中的里程碑，無論在太空探索技術的突破上，還是人類對于行星科學和宇宙的認識上，都將帶來新的成果。為“新視野”堅持了25年的項目首席科學家艾倫·斯特恩，在接受《科學美國人》的采訪時說：“不論它發現什么，都將成為行星際探索的里程碑：‘新視野’將重新定義人類對太陽系的探索邊界，這是人類探索太陽系的巔峰時刻?！?/p>

“新視野”的啟示

“新視野”雖然沒有像“好奇”號火星漫游車那樣，經歷“恐怖7分鐘”使人驚心動魄，但據NASA公布的數據，“新視野”的費用約為7億美元，從目前預期的科學成果和公眾關注度來看，其效費比較高，成為人類深空探測的一個成功范例，從而為我們提供了多方面的啟示。

首先，“新視野”是動員大眾參與太空探測的一個范例。在“新視野”的任務實施中，NASA任務團隊為了爭取民眾支持，在2005年，發起了一個問候冥王星的征集活動。他們設立了一個網頁，網民通過這個網頁，就可以將自己的名字輸入電子卡片內，讓自己的問候和“新視野”一起飛向柯伊伯帶?；顒悠陂g共征集到了超過43萬人的問候。探測器還搭載著冥王星發現者湯博的骨灰，以表達對他的懷念和尊敬。

其次，“新視野”的成功貴在團隊既要有激情，又要能夠長期堅持。為了“新視野”的成功，具有航空工程和行星科學的雙碩士學位的首席科學家艾倫·斯特恩努力了25年：10年用來凝聚意愿使項目上馬，5年用來建造探測器，而抵達冥王星又花了近10年時間。上世紀末，由NASA噴氣推進實驗室（JPL）主導的 “冥王星柯伊伯特快”計劃，因為預算高達10億美元而被NASA叫停。作為取代，NASA要求提出一項成本僅數億美元的探測方案。在這之后，斯特恩的團隊提交的方案最終勝出。在“新視野”飛向冥王星的過程中，對任務進行了多次演練，在接近冥王星的前后9天中，為了微調軌道，一共發出了20799條指令，可見任務并不簡單。

最后，“新視野”是科學與工程創新結合的成功?？茖W是工程的目的和依據；工程是科學的手段和保障。對于這種科學上探索性很強、工程上又應用許多新技術的復雜任務，只有將科學與工程在全過程創新結合起來，才能完成任務。“新視野”的成功，理應歸功于負責“新視野”任務的約翰·霍普金斯大學的實驗室。它和任務的輔助單位JPL一樣，具有創新的體制和文化（JPL在行政上仍屬加州理工學院）。他們既有私立大學的靈活和高效，又得到NASA的任務和經費保證。他們采用的項目經理和首席科學家的雙重管理模式，使科學與工程實現了“雙螺旋”式的結合。特別是“新視野”在太空探索項目中的創新精神，值得中國航天界學習。