注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

dss.2005 欢迎您

房地产 建筑施工 管理

 
 
 

日志

 
 

“新视野号”远征冥王星(下)  

2015-07-27 17:52:45|  分类: 科学发现 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

 
                     “新视野号”远征冥王星(下)

三、星际飞越50亿千米

柯伊伯带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星,它们是太阳系演化的遗迹,记录着太阳系形成之初的信息。

1992年,人类才艰难地首次观测到除冥王星外的第一个柯伊伯带天体——直径250千米的QB1,那时我们还不知道是否存在柯伊伯带。而现在,探测柯伊伯带的深空探测器新视野号已经飞抵那里亲临探测。那么,新视野号是如何设计的?怎样才能破解太阳系最初的秘密呢?

“新视野号”发射时的质量为453千克。探测器外形像一把短锹,其中锹把是它的核电站,锹身是探测器本体,锹身上顶着的大锅则是它的天线(图1)。探测器本体为三角形,长2.1米,最宽处约2.7米,高0.7米,大小相当于一架钢琴。

wpid-PastedGraphic-2015-02-2-19-26.png

图1 “新视野号”的外形像一把短锹。

“新视野号”探测器的通信采用X频段,包括一副直径达2.1米的高增益碟型天线、一副中增益碟型天线和两副低增益宽波束天线。“新视野号”的天线比大多数深空探测器要大得多,这是由于距离遥远,信号微弱,所以需要一个很大的天线来接收和发送数据和信号。

“新视野号”有两种姿态控制模式,在科学探测阶段采用三轴稳定和自旋稳定模式;在巡航阶段的休眠期和轨道修正机动时采用自旋稳定,额定转速为5次/秒。

“新视野号”的推进系统由16个单元肼推进器组成,其中4个推力为4.4牛的推进器主要用于修正飞行轨道,12个推力为0.8牛的推进器主要用于使探测器自旋加速或减速。“新视野号”共携带77千克推进剂,用于在航行过程中修正轨道或改变航向。在飞赴冥王星的过程中,它利用木星引力进行辅助加速;在抵达冥王星的时候,它采用飞越方式探测,因此在靠近冥王星时无需减速使之进入环绕轨道。这两个因素使得“新视野号”携带的燃料比较少。

“新视野号”为什么不环绕冥王星进行长时间观测呢?主要原因有两个,一是由于探测器的飞行速度必须非常快,这样才能确保在9.5年内到达距离地球50亿千米的冥王星。如果“新视野号”要进入冥王星轨道,必须将速度降低90%,这就需要多1000倍的燃料消耗,而“新视野号”携带的燃料不足以供减速和进入环冥王星轨道之用。二是“新视野号”一旦进入环绕冥王星的轨道,就无法将来脱离冥王星引力去探测其他的柯伊伯带天体。

2014年12月7日,在行星际飞行了48亿千米的“新视野号”被成功唤醒,此刻距离地球46.6亿千米、离抵达冥王星还有2.6亿千米。

2015年1月15日,当“新视野号”距离冥王星约100万千米时,探测器上的各种设备开始工作,对冥王星和卡戎进行全方位的探测并传回探测数据。以光速传输的探测数据传到地球需要4小时25分钟。当距冥王星16万千米时,探测器上的相机开始绘制第一批地图,并在随后的3个月里不断拍摄照片和测量光谱。如果那时冥王星的大气是冻结的,“新视野号”还能够观测到季节的变化。

“新视野号”与冥王星的最近距离将为9600千米;与卡戎的最近距离为2.7万千米,持续时间约为半小时。届时,探测器将用可见光和近红外相机拍摄最高分辨率为60米、迄今为止最清晰的冥王星和卡戎照片。图像质量远远超过哈勃空间望远镜拍摄的冥王星(图2)。如果幸运的话,“新视野号”有望拍摄到冥王星上的云层或喷发的冰火山。虽然科学家推测冥王星表面可能存在这些现象,却从未被证实过。当近距离飞过冥王星时,“新视野号”采集的数据量异常庞大,根本来不及向地球回传。因此只能暂时存储这些数据,并在随后的1年多时间里陆续发送。

wpid-PastedGraphic1-2015-02-2-19-26.png

图2 迄今最好的冥王星真实色彩图像。图中的明暗结构可能意味着冥王星表面的成分变化,该图由哈勃空间望远镜于2002~2003年间拍摄。

“新视野号”对冥王星和卡戎的飞越观测将持续6个多月,2015年7月之后将逐渐远离(图3)。在飞离冥王星和卡戎时,“新视野号”还将调转镜头回望,利用低太阳照射角造成表面地形明暗的优势,求证冥王星和卡戎表面是否平坦,是否拥有类似彗星那样的“尾巴”,是否拥有环带,是否有未被发现的卫星。

wpid-PastedGraphic2-2015-02-2-19-26.png

图3 “新视野号”飞越冥王星和卡戎示意图。

在完成对冥王星及其卫星的飞越考察后,“新视野号”将在2017~2020年探测柯伊伯带的其它天体,其中的2个直径为40~90千米,这一阶段可能持续5~10年。如果一切顺利,“新视野号”的寿命将在15年以上。

四、全民参与的科普盛事

深空探测的目标大多远离地球,开展深空探测一方面将牵引航天技术的提升,另一方面将扩大人类的认知边界。与商业航天和应用航天不同,深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动,是全人类的共同使命。因此,在深空探测的任务实施中,应想方设法吸引公众的关注,尽可能让普通人获得亲身参与感,以争取民众支持。在这一过程中,勇敢探索未知世界的科学精神被润物无声地传递到每一个人,从而提升公众的科学素养。

2005年,“新视野号”任务团队发起了一个问候冥王星的征集活动,他们设立了一个网页,全世界天文爱好者只需要通过访问这个网页,就可以将自己的名字输入电子卡片内,让自己的问候搭载在“新视野号”,一起飞向柯伊伯带。活动期间共征集到了超过43万人的问候,这些问候被刻在光盘上,放入探测器内。在完成探测任务后,“新视野号”上的计算机将会被重置,上传“同一个地球,来自‘新视野号’的问候”,上面收集了有关地球的各种信息,包括世界各地的人们发来的照片、声音、文字,甚至是计算机程序。“新视野号”将带着这些来自地球的人类信息飞向遥远的星际空间。

五、行星际超远距离飞行宝典

由于冥王星远离太阳,飞往这些遥远天体的探测器需要具备一些基本条件:(1)寿命长;(2)必须借力行星飞行;(3)采用核能发电机。

长寿秘诀:长期休眠为远征养精蓄锐。为实现长寿命,不仅几乎所有的探测器系统都要有备用设备,以确保系统出现问题时及时启用备份系统;还有一个重要的手段,就是让探测器长期处于休眠状态,为了避免由于长期不活动,腿脚变得不利索,也为了避免探测器一睡不醒,地面控制人员需要每隔一段时间叫醒它,让它锻炼锻炼筋骨。

自2006年1月20日发射升空后,除了用4个月探测木星及其卫星,“新视野号”上的绝大部分仪器处于休眠状态,以节约能源,延缓设备老化,特别是降低地面维护和运营人员的开支。不过地球上的控制人员仍密切关注新视野的运行情况,每隔几个月,探测器上的设备都会定期被唤醒以接受例行检查,进行轨道校正和仪器校准,以保障航线正确和设备正常。此外,“新视野号”还会每周发回一个信号,这个信号被称作“绿色信号灯”,目的是让控制人员知道它仍然活着。

2014年8月,地面对“新视野号”进行了一次例行检查,上传指令要求它按计划于12月7日苏醒。12月7日,地面收到了它从遥远的深空传来的回复,确认此指令已经得到执行。这次唤醒标志着“新视野号”此行的主要目的——探测冥王星及其卫星的任务正式开始了。从此,“新视野号”将一直保持“清醒”状态,直到2015年7月14日,它抵达距离冥王星最近的位置。

唤醒后的数周内,地面团队全面检查了探测器的身体状况,测试了在飞越冥王星时需要用到的各种程序,确保探测器各系统正常工作。结果表明,“新视野号”现在很健康,正安静地在深空漫游。

2015年1月15日,“新视野号”上的所有系统被唤醒,开始对冥王星和卡戎进行探测。随着探测器的逐渐靠近,冥王星和卡戎将从此前由望远镜中观测的小亮点,展现出越来越多的细节。届时,人类将首次获得它们的标准照。

高速秘诀:木星借力成就迄今最快的航天器。发射以后,“新视野号”直接进入了地球和太阳的逃逸轨道,在最后完成加速关闭引擎时相对于地球的速度是16.26千米/秒,相当于每小时58,536万千米/小时,接近第3宇宙速度,成为人类有史以来以最快发射速度离开地球的高速飞行器。

由于超高速飞行,“新视野号”在发射后9小时就飞过了月球。而阿波罗载人飞船飞往月球用了3天,嫦娥一号奔月飞行用了13天半,嫦娥二号奔月用了5天。

13个月后,“新视野号”于2007年2月底抵达木星,而探测木星的伽利略探测器飞抵木星用了6年4个月。“新视野号”离木星最近处约227万千米的位置,其飞抵木星的目的也是为了加速。目的是借助木星的巨大引力进一步提速到7万~7.5万千米/小时,加速飞向遥远的冥王星。

利用飞越木星的机会,“新视野号”顺便对木星和它的20多个卫星进行了为期4个多月的考察。主要探测了木星的大气结构及风暴、木星及其卫星的环带结构,通过带电粒子流和极光遥感测量探测研究木星磁层。探测器还收集了木星主要卫星的大气层、物质组成、表面结构等信息。

wpid-PastedGraphic3-2015-02-2-19-26.png

图4“新视野号”飞越木星时拍摄的木星和木卫一的合影。

抗冻秘诀:太空核能确保航天器在冷库中生存。由于冥王星和柯伊伯带远离太阳,太阳辐射强度只是地球上的千分之一,太阳光要经过4个多小时长途跋涉才能来到冥王星。“新视野号”所需的电力无法通过太阳能电池发电提供。为此,“新视野号”探测器携带了一台放射性同位素温差发电机。

wpid-PastedGraphic4-2015-02-2-19-26.png
图5 黑色圆柱体为放射性同位素温差发电机。

许多人谈核色变,其实40多年来,核能发电机已经在25次太空探测中使用,其中包括6次阿波罗载人登月,2次探测木星和土星的飞行,2次探测火星的飞行。
核能发电机位于“新视野号”的尾部,内装10.9千克二氧化钚,其中的钚-238衰变时会释放出热量,通过温差发电提供稳定的电力。所有的探测设备都将依赖这台核能发电机供电,其产生的电力相当于一对100瓦灯泡。
由于担心太空遭受核污染,在“新视野号”发射前夕,曾有数十名抗议者自发组织起来进行抗议。但科学家们解释,“新视野号”探测器的燃料箱非常坚固,核能发电机所用的燃料被封装在特制的球形防火陶瓷中,这种陶瓷有抗分解能力,不易与其他物质发生化学反应,而且外面的密封箱完全能经受住坠地撞击或空中爆炸的冲击,发生意外灾难的几率很小,即使发生意外,核燃料外泄的可能性微乎其微。为了应对可能的风险,NASA和美国能源部做了详细的预案,组建了16个移动跟踪小组,部署了33个空气取样装置和监控器,以检测可能的核辐射。

六、破解太阳系最初的秘密

柯伊伯带位于太阳系的边缘,寒冷而阴暗,探测难度很大。这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力,值得我们长期守候并努力探索呢?

首先,柯伊伯带作为太阳系的新大陆,“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。柯伊伯带是短周期彗星的“老家”,而奥尔特云是长周期彗星的“老家”。由于彗星经过太阳附近时质量会消耗掉,若没有这两个彗星老巢的不断补充,经过漫长的太阳系演化历史,我们可能早就看不到彗星了。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过,我们对太阳系新大陆的广阔空间仍知之甚少,对太阳系结构的认识仍然不够清晰。我们一直把冥王星视为太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星,但现在知道冥王星是通往柯伊伯带这片全新大陆的大门。“新视野号”的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体,将这片区域的场景清晰地展现出来。

其次,冥王星及其卫星作为行星胚胎,对研究行星的形成具有重要价值。太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星、彗星,主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散盘、奥尔特云。从科学角度而言,深空探测就是探测太阳系的各种天体类型和主要区域,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,所有的深空探测任务的终极科学目标都是为了回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。

2014年8月,罗塞塔号刚刚探访了同样来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚—格彗星,搭载的菲莱着陆器还实现人类首次登陆慧核表面,大大加深了对彗星的认识。除彗星外,柯伊伯带还有数十颗直径200~2000千米不等、由岩石和冰块组成的天体,其中以冥王星及其卫星最为典型。我们知道,太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转,星云逐渐凝聚形成星子,星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎,进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后,太阳星云的残留物形成了数量众多的小天体。而矮行星就是没有长大成行星的“侏儒”行星。由于远离太阳系的柯伊伯带天体稀疏,受到的撞击、太阳辐射等太空风化较弱,可以保存更为原始的状态。因此,柯伊伯带的天体相当于在太阳系的“冷库”中保存了46亿年,保留着太阳系形成时的原始状态,对了解太阳系的起源具有极大的作用。通过“新视野号”对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测,将有助于揭示行星形成的关键环节。

人类已经对岩石行星(地球、金星、水星和火星)和气液态巨行星(木星、土星、天王星和海王星)进行过多次探测,但在“新视野号”之前还没有探测器对柯伊伯带的冰态矮行星进行过探测。因此我们对矮行星这一新的天体分类的认识是严重不完整的。而“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,完善了我们对于太阳系天体类型的知识。

再次,随着深空探测的进展,我们对太阳系的认识不断深化,太阳系的边界不断拓展。这些科学成果改变了人类的知识边界,进而影响和改造着我们的世界观。在古希腊时代,我们认为地球是宇宙的中心、太阳、月球都是绕着地球运转的行星;在哥白尼之后,人类逐渐接受太阳是太阳系的中心,认为行星就是围绕太阳运转的天体,因此地球是行星而月球不是。后来大量小行星的发现迫使人们修改了行星的定义,认为行星必须质量足够大,大到能通过自转成球体。再后来,发现了许多与月球大小相近的谷神星、智神星、阋神星、妊神星、婚神星等,天文界面临着再次选择,要么将它们统统纳入行星,要么排除它们。必须承认的是,我们对柯伊伯带的小天体(除了矮行星以外,还包括彗星和小行星)还了解得很少,甚至是才处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测获得的新发现,我们将不得不再次修改行星的定义。

最后,远征太阳系边缘的深空探测将显著牵引航天技术实现新突破。“新视野号”奔赴柯伊伯带的旅途长达9年,为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用,探测器有2/3的时间是在休眠中度过的;为实现早日抵达冥王星,“新视野号”先飞抵木星开展飞越探测,并借助木星引力进行加速;由于距离遥远,地面发出的指令要4.5小时之后才能被探测器接收到,数据传输链路和测控精度要求均大大提高;柯伊伯带寒冷而黑暗,太阳辐射强度仅为地球上的千分之一,冥王星表面温度低至零下212~234摄氏度,因此必须研发高效核能系统以提供飞行动力和保温。“新视野号”在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核动力和能源供应等关键技术,将是中国航天努力突破的重要领域。

wpid-PastedGraphic5-2015-02-2-19-26.png


欢迎共享房地产首页模块: - dss.2005 - dss.2005的博客
2013年06月20日 - dss.2005 - dss.2005的博客欢迎共享房地产首页模块:

 公司管理

房地产专栏首页模块(横版) - dss.2005 - dss.2005的博客

建设管理

 策划设计

房地法规

 合同管理

经济指标

 销售管理

物业售后

 买房必读

装修布置


2013年06月20日 - dss.2005 - dss.2005的博客本模块代码复制处


2013年06月20日 - dss.2005 - dss.2005的博客


  评论这张
 
相关小组: 天文爱好者
阅读(71)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017