大兵老師的神奇小屋
——航天器導(dǎo)航與控制（三）

文/王依兵 圖/麥芽哈哈

期中考試終于結(jié)束了，同學(xué)們歡快地走出教室。壯壯、小菲和小天如約來到了實驗樓一層最里面的神奇小屋門口。今天的氣氛輕松了很多。小菲問壯壯：“數(shù)學(xué)考試最后一道題的答案是什么？”“我寫的5，你呢？”“我也是。”小天突然喊道：“為什么我算的是10 呢？”小菲白了他一眼說：“說明你算錯了唄。”“啊？不是吧！真理總是掌握在少數(shù)人的手里……”小天說完這話，自己都感覺沒底氣。

“看！新的謎題！”壯壯打斷了小天。小菲和小天都把目光集中到墻壁上。只見墻上出現(xiàn)了一個奇怪的圖形……

9個正方形？

小天說：“這是20 根鉛筆嗎？”

小菲說：“對，它們組成了5 個一樣大的正方形。”

壯壯疑惑地問：“那么要我們做些什么呢？”

小天走過去用手胡亂地點了點，突然興奮地喊道：“整塊墻壁都是觸屏！”

小菲和壯壯跑過來看著小天的操作，果然，墻上投射出的鉛筆圖形可以隨著小天的手指移動。

這時一個聲音傳來：“請你們移動3 根鉛筆，獲得9 個正方形。”

小天說：“這不是大兵老師的聲音嗎？”

小菲說：“對，一定是他事先錄好的音頻。可是，這個怎么移才能得到9 個正方形呢？”

小天又開始一通亂點，但沒有成功。過了一會兒，被移亂的鉛筆又自動恢復(fù)到了最初的位置。

壯壯說：“我最擅長解決這種問題啦，交給我吧。”

說完，他略加思索，就走上前去操作起來。只見他不慌不忙地用手指拖動一根鉛筆，到一個新的位置后松開手指，然后又拖動第二根，當(dāng)?shù)谌U筆被拖動到正確位置后，屏幕上出現(xiàn)了“成功”兩個字。

小菲和小天都鼓起掌來。

宇宙“燈塔”——脈沖星

三人再一次順利進入了神奇小屋。大兵老師已經(jīng)等候多時了，他說：“考完試了吧，考得怎么樣？”

小天開心地說：“還可以吧。”

小菲對小天說：“你忘了數(shù)學(xué)考試做錯題了吧？”

小天不滿地嘟囔：“那可不一定，也許是你們做錯了呢。”

壯壯問大兵老師：“我們今天要學(xué)習(xí)什么內(nèi)容呢？”

大兵老師回答：“前兩次我們學(xué)習(xí)了航天器的一些導(dǎo)航與控制方法。但是如果航天器飛離地球，飛向更遠(yuǎn)的深空，就需要新的方式來定位和導(dǎo)航了。所以，我們今天就來了解一種深空導(dǎo)航的神奇方法——脈沖星導(dǎo)航。”

小天問道：“脈沖星是什么？”

還沒等大兵老師說話，壯壯就搶答道：“我在一本天文書上看過，脈沖星是一種特殊的中子星。”

“那中子星又是什么呢？”小天繼續(xù)追問。

“這……”壯壯也答不上來了。

小菲猜測說：“我猜中子星應(yīng)該是由中子組成的星吧？”

大兵老師說：“猜得有道理。中子星是較大質(zhì)量的恒星在生命周期的末期發(fā)生超新星爆發(fā)后形成的一種非常致密的天體。在巨大的壓力下，恒星內(nèi)部的物質(zhì)都被壓縮得非常致密，原子核中的質(zhì)子和外圍的電子被壓到一起結(jié)合成中子。這種天體的密度非常大，如果把我們的地球壓縮成同中子星的密度，那么它的直徑只有200 多米。”

壯壯問：“那太陽最后會變成一顆中子星嗎？”

大兵老師說：“不會，一般質(zhì)量是太陽8 倍以上、20 倍以下的恒星最終才可能形成中子星，更大質(zhì)量的恒星最后會變成黑洞，而更小質(zhì)量的像太陽這樣的恒星根本就不會發(fā)生超新星爆發(fā)，它們最后只會變成白矮星。”

壯壯說：“這我有點兒聽不懂了。”

大兵老師說：“沒關(guān)系，這些天文知識大家可以慢慢了解，今天我們的學(xué)習(xí)重點是脈沖星。脈沖星其實就是中子星里的一類特殊星體，它不斷向兩個相反方向發(fā)出電磁脈沖信號。你們看……”

隨著大兵老師的話語，神奇小屋的墻壁上出現(xiàn)了脈沖星的三維示意圖。只見一顆脈沖星正在向頭尾兩個方向不斷發(fā)射著高能射線，仿佛安裝著兩個“探照燈”一樣。伴隨著自身的高速旋轉(zhuǎn)，它發(fā)出的光芒掃射著黑暗的宇宙環(huán)境。

小菲說：“這脈沖星的樣子真有意思，我覺得它像揮舞著彩綢的仙女。”

小天說：“我覺得它像正在舞劍的俠客。”

大兵老師說：“你們真有想象力。由于脈沖星有固定的旋轉(zhuǎn)速度，所以它發(fā)出的射線掃過地球的頻率是固定的。也就是說，每當(dāng)脈沖星轉(zhuǎn)到合適的位置，我們就能接收到一個脈沖信號。這個信號會每隔一段固定的時間出現(xiàn)一次，這個間隔的時間叫作脈沖周期。脈沖星發(fā)出的脈沖信號往往不在可見光波段，平時我們看不到，但我們可以通過一些儀器設(shè)備來檢測到這些宇宙射線。因為每顆脈沖星有固定的脈沖周期，所以我們很容易在眾多信號中分辨每一顆脈沖星。脈沖星就像豎立在宇宙中的一個個‘燈塔’，可以指引航天器的航行。今天，我們主要使用發(fā)射X 射線的脈沖星來為航天器導(dǎo)航。”

◎◎電磁波頻率表

脈沖星導(dǎo)航

壯壯想了想，問：“那脈沖星導(dǎo)航具體是怎么實現(xiàn)的呢？”

大兵老師說：“這個說起來有一點兒復(fù)雜，大家可要認(rèn)真聽啊。雖然脈沖星發(fā)出的脈沖周期是固定的，但如果航天器向著脈沖星運動，接收到的脈沖信號周期就會縮短；與之相反，航天器遠(yuǎn)離脈沖星運動，接收到的脈沖信號周期則會變長。這就是所謂的多普勒效應(yīng)。”

小菲說：“我知道，我們聽火車鳴笛的聲音，火車迎面駛來時，笛聲的音調(diào)比較高；火車離我們遠(yuǎn)去時，笛聲的音調(diào)比較低。這是由于我們和火車相對位置的變化改變了聲音傳播的波長和頻率。老師上課講過這個。”

大兵老師說：“非常好，多普勒效應(yīng)已經(jīng)被我們用來測量道路上車輛的行駛速度了，在醫(yī)療設(shè)備中也被大量應(yīng)用。同樣，我們只要在航天器上裝一個X 射線探測器，就可以接收X 射線脈沖星發(fā)出的信號了。通過分析航天器接收到的脈沖星信號，就可以知道我們離哪些脈沖星越來越近，離哪些脈沖星越來越遠(yuǎn)。經(jīng)過精密的科學(xué)計算，我們就可以知道航天器的位置、航行方向和速度了。”

小天突然問道：“那我們怎么能分清哪個信號來自哪顆脈沖星呢？”

小菲回答道：“一看你就沒有認(rèn)真聽，每顆脈沖星的脈沖信號周期都是獨特的啊！”

小天拍拍腦袋，說：“啊！我把這事忘了。那我還有一個問題，如果用脈沖星導(dǎo)航的話，我們是不是必須提前知道每顆脈沖星的具體方位啊？”

大兵老師說：“這個問題問得好，確實是這樣。我們需要先建立一個精確的脈沖星數(shù)據(jù)庫，才能實現(xiàn)這樣的導(dǎo)航。由于這種方式不需要借助地面設(shè)備的幫助，是一種可以自主導(dǎo)航的方法，所以備受科學(xué)家的重視。但是目前各國對這項技術(shù)基本還在探索中，我國于2016 年11 月發(fā)射了首顆脈沖星導(dǎo)航試驗衛(wèi)星（XPNAV-1）。它的主要任務(wù)就是在軌測試我國自主研制的X 射線脈沖星探測器，進行X 射線脈沖星觀測，驗證脈沖星導(dǎo)航技術(shù)，探索新型導(dǎo)航技術(shù)。相信在不久的將來，就會有很多使用脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的航天器飛向宇宙深空了！”