“新视野”是深空探测的成功范例

□ 安慧

深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。人类在深空探测方面，在已取得的一系列成果的基础上，正在迈向更远的太空。“新视野”是美国航宇局（NASA）在2000年开始设计的一个直达冥王星和柯伊柏带的深空探测器。因为它使用直线冲出太阳系的轨道，所以，只有中间利用了一次木星引力以增加速度。即便如此，“新视野”自从 2006年1月19日发射至今，仍然花了长达9年半的时间，才在2015年7月14日，从距冥王星12500千米处掠过，成为人类首颗造访冥王星的探测器。目前，“新视野”已发回了许多近距离观测冥王星及其卫星的高清图像，图像展现了冥王星冰冻的平原、高耸的山脉以及比预期要频繁的地质活动。全面分析探测器传回的数据，将要花费至少半年以上的时间。

人们为何钟情于冥王星

人们钟情于距地球约47亿千米的冥王星，是由于它的神秘而且备受争议。1930年，年仅24岁的农家少年、美国罗威尔天文台新招聘的观测助理克莱德·威廉·汤博，在寒冷的亚利桑那州高原上，经过8个月艰苦的巡天式观测和仔细比对后，首次发现了冥王星。在“新视野”发射时，冥王星还是太阳系九大行星之一。因此，冥王星被视作太阳系中唯一没有被航天器探测过的行星。2006年8月，国际天文联合会第26届大会通过第5号决议，冥王星被降级为“矮行星”,但对此仍有很多争议。

随着不断获得对柯伊伯带新的观测发现，“新视野”的主要任务已从冥王星扩展到整个柯伊伯带。“新视野”将探测冥王星是否存在除已知的5个卫星外，是否还有被发现的卫星，调查冥王星是否拥有环带系统，观察冥王星表面是否存在撞击坑和撞击坑的多少，判断柯伊伯带天体相互碰撞的几率。柯伊伯带的天体自太阳系形成之初就已存在，是太阳系各大行星形成后的残渣，记录着太阳系最初形成时的历史。对它的观测，将有助于了解太阳系和地球生命的起源。

“新视野”的关键技术

由于冥王星远离太阳和地球，为此研制“新视野”必须攻克多项关键技术。主要有：

（1）探测器的长寿命技术。为此，探测器不仅要有备用设备，而且为了节约能源、避免设备老化，要让探测器长期处于休眠状态，但为了避免长期休眠而使其工作不正常，地面控制人员必须每隔一段时间叫醒它，以检查探测器是否正常。

（2）核能发电机。由于冥王星的太阳辐射强度只是地球上的千分之一，无法由太阳能电池提供电力。为此，它携带了一台放射性同位素温差发电机。发电机位于探测器的尾部，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。为了防止偶然事故导致的太空核污染，核能发电机安装在特制的防火陶瓷中，以保障它的安全。

（3）超远距离通信技术。“新视野”探测器在飞过冥王星时，由于距离地球十分遥远，信号微弱，因此探测器和地球的通信采用X频段，其天线比大多数深空探测器要大得多，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。同时，信号从探测器传送到地面要延迟4.5小时，这对探测器的控制增加了困难。由于数据量十分庞大，也只能将数据储存后逐步传回地球。

“新视野”是太阳系探测中的里程碑，无论在太空探索技术的突破上，还是人类对于行星科学和宇宙的认识上，都将带来新的成果。为“新视野”坚持了25年的项目首席科学家艾伦·斯特恩，在接受《科学美国人》的采访时说：“不论它发现什么，都将成为行星际探索的里程碑：‘新视野’将重新定义人类对太阳系的探索边界，这是人类探索太阳系的巅峰时刻。”

“新视野”的启示

“新视野”虽然没有像“好奇”号火星漫游车那样，经历“恐怖7分钟”使人惊心动魄，但据NASA公布的数据，“新视野”的费用约为7亿美元，从目前预期的科学成果和公众关注度来看，其效费比较高，成为人类深空探测的一个成功范例，从而为我们提供了多方面的启示。

首先，“新视野”是动员大众参与太空探测的一个范例。在“新视野”的任务实施中，NASA任务团队为了争取民众支持，在2005年，发起了一个问候冥王星的征集活动。他们设立了一个网页，网民通过这个网页，就可以将自己的名字输入电子卡片内，让自己的问候和“新视野”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。探测器还搭载着冥王星发现者汤博的骨灰，以表达对他的怀念和尊敬。

其次，“新视野”的成功贵在团队既要有激情，又要能够长期坚持。为了“新视野”的成功，具有航空工程和行星科学的双硕士学位的首席科学家艾伦·斯特恩努力了25年：10年用来凝聚意愿使项目上马，5年用来建造探测器，而抵达冥王星又花了近10年时间。上世纪末，由NASA喷气推进实验室（JPL）主导的 “冥王星柯伊伯特快”计划，因为预算高达10亿美元而被NASA叫停。作为取代，NASA要求提出一项成本仅数亿美元的探测方案。在这之后，斯特恩的团队提交的方案最终胜出。在“新视野”飞向冥王星的过程中，对任务进行了多次演练，在接近冥王星的前后9天中，为了微调轨道，一共发出了20799条指令，可见任务并不简单。

最后，“新视野”是科学与工程创新结合的成功。科学是工程的目的和依据；工程是科学的手段和保障。对于这种科学上探索性很强、工程上又应用许多新技术的复杂任务，只有将科学与工程在全过程创新结合起来，才能完成任务。“新视野”的成功，理应归功于负责“新视野”任务的约翰·霍普金斯大学的实验室。它和任务的辅助单位JPL一样，具有创新的体制和文化（JPL在行政上仍属加州理工学院）。他们既有私立大学的灵活和高效，又得到NASA的任务和经费保证。他们采用的项目经理和首席科学家的双重管理模式，使科学与工程实现了“双螺旋”式的结合。特别是“新视野”在太空探索项目中的创新精神，值得中国航天界学习。