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新视野号探测器

又称“新地平线号”探测器

新视野号探测器(英文名称:New Horizons Pluto Kuiper Belt Flyby),又称“新地平线”号,是美国研制的深空探测器,主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎和探测位于柯伊柏带的小行星群。

新视野号于2006年1月19日14时00分(美国东部时间)在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,是人类迄今为止发射的速度最快的航天器。新视野号于2015年7月14日19时49分(北京时间)飞掠冥王星,并传回迄今为止最清晰的冥王星照片。

中文名称新视野号又名新地平线号
英文名称New Horizons Pluto Kuiper Belt Flyby研制国家美国
质量385千克探索目标冥王星及其卫星卡戎、柯伊柏带的小行星群
发射时间2006年1月19日14时00分发射场卡纳维拉尔角空军基地
运载工具宇宙神5 551运载火箭

人类历史上最快的航天器

新视野号于2006年1月19日14时00分(美国东部时间)在卡纳维拉尔角空军基地由宇宙神5型运载火箭发射升空,新视野号直接进入地球和太阳逃逸轨道。探测器与运载火箭分离时的速度为16.26千米/秒(每小时58536万千米/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。

新视野号在发射后9小时就飞过了月球。而阿波罗登月飞船飞往月球用了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。

新视野号在发射后13个月便抵达木星,而探测木星的伽利略号探测器飞抵木星用了6年4个月。

核动力驱动

新视野号探测船的动力皆来自一台核动力电池,这台设备利用放射性同位素二氧化钚自然衰变时所释放出来的热,以电热隅形式发电。由于冥王星距离太阳太远,阳光由太阳去到冥王星需要四小时,在冥王星附近能接受的太阳能只及地球千分之一,探测船无法利用太阳能产生充够的能量供活动所需,因此核能电池是唯一的选择。其实,所有外空间探测器都采用相同的设计,包括卡西尼号探测器。

探测船有一台发动机提供转向动力,用以调节探测船相位,在差不多十年多航行时间之间,可以修正飞向冥王星的轨道。当探测船接近冥王星时,要调校船身以便所有探测仪指向冥王星。当飞越过冥王星之后,又要调校船身以便观察卡戎,待完成探测后,又要再转校船身,使高增益天线指向地球,将收集到的数据送回地球。这个设计是由于预算所限,新视野号不可以像它的前辈“旅行者1号”、“旅行者2号”一样,使用旋转式平台,可以较简单的执行指令,而只能以调节船身相位这个较复杂方法来完成任务。

科学仪器

高清晰度彩色地图和冥王星及其冥卫一表面成分的设备(Ralph)

该设备主要由多谱线可见光成像相机(MVIC)和线性标准成像光谱阵列(LEISA)组成。MVIC在可见光范围内工作,它有四个不同的滤光器。一个用来测量分布于表面的甲烷霜,其它的分别覆盖蓝、红和近红外等光谱区域。此外,还有两个全色滤光器,当测量发微光的遥远物体时,可让所有可见光通过,从而最大限度地增加仪器的敏感性。从滤光器穿过的光线均被聚焦到一个电偶合器件上通过该相机可产生彩色地图。LEISA利用热辐射在红外光谱范围内工作它可像棱镜一样使不同波长的光按不同比率弯曲,这样就可以分别对每种光进行分析。根据量子物理,不同分子辐射和吸收不同波长的光,因此,对光的成分进行分析,就可以鉴别不同的分子。它将用于描绘冥王星表面甲烷霜、氮、一氧化碳、水及冥卫一表面水冰的分布情况。

放射性实验仪器(REX)

它由一小块集成到探测器通信系统中的含先进电子设备的印刷线路板构成,探测器向地球传输科学数据等所有电信联系均通过它来完成,对探测任务能否成功关系重大。当探测器飞临冥王星时,它上面的83英寸的无线电天线将指向地球。美国宇航局功能强大的深空网络无线电发射机同时对准新视野探测器并向其发出信号。当探测器飞到冥王星背面,冥王星大气将使无线电波产生弯曲,弯曲程度依气体分子的平均重量和大气温度而定。此时,该仪器将记录到的无线电波数据发送回地球进行分析。该仪器还有一种辐射线测定模式,可测量冥王星本身微弱的电磁辐射。当这种辐射线测定在探测器飞过冥王星后回望时,可准确测定冥王星的夜间温度。

紫外线成像光谱仪(Alice)

它用来探测冥王星大气构成,不仅可以像棱镜一样将不同组分发出的光分别开来,而且能形成不同波长探测物的影像。

远程勘测成像仪(LORRI)

由一个20.8厘米孔径望远镜组成,能将可见光汇聚到电偶合器件上,产生高空间分辨率图像。当探测器到达距冥王星最近点时,将由它拍摄高解析度图像。

太阳风分析仪(SWAP)

可用来测量冥王星附近来自太阳风的带电粒子,以决定这颗行星是否有磁场圈及其大气逃逸速度。

高能粒子频谱仪(PEPSSI)

可用来寻找从冥王星大气中逃逸的中性原子。这些原子逃逸后即与太阳风作用变为带电粒子。

尘埃计数器(SDC)

它将沿轨道测量由彗星脱落物和柯伊伯带天体相互碰撞产生的尘埃粒子大小,其中包括从未取样的星际空间。这些仪器将在新视野号飞临冥王星的过程中,为这颗遥远的星球描绘出一幅全新的图像。

通讯系统

新视野号探测器安装了一只直径2.1米的高增益天线,能够与地球的深空网络保持联系,接收来自地球的指令,以及将收集得到的科学资料输送回去地球。另外安装在高增益天线正上方的是低增益天线,是高增益天线的后备,以备不时之须。高增益天线有两条频带收发信号,频谱宽阔,上传下载速度高,相比之下,低增益天线只有一条窄频带,效率较低,但是在紧急情况之下,可以顶替高增益天线的工作。

飞行历程

新视野号运行轨道示意图

图:新视野号运行轨道示意图

2006年1月19日,新视野号在卡纳维拉尔角空军基地成功发射。

2006年4月7日,新视野号穿过火星轨道。

2006年5月上旬,新视野号进入小行星带。

2006年6月13日,新视野号与一颗编号为132524 APL的小行星在101867公里处掠过,并拍摄照片。

2006年10月下旬,新视野号离开小行星带。

2006年11月28日,新视野号首次拍摄传回冥王星的照片。

2007年1月8日,新视野号开始木星探测。

2007年1月10日,新视野号观测木卫十七(Callirrhoe)。

2007年2月28日,新视野号探测器飞跃木星,最近距离2305000公里,速度达到21.219公里/秒。

2007年3月5日,新视野号结束木星探测。

2008年6月8日,新视野号探测器穿过土星轨道。

2009年12月29日,新视野号探测器越过地球与冥王星的连线中点,距离地球大约是24.57亿公里,从此以后探测器距离冥王星比距离地球更近。

2011年3月18日,新视野号探测器穿过天王星轨道。

2014年8月24日,新视野号探测器穿过海王星轨道。

2014年12月8日,新视野号探测器被成功唤醒。途中累计休眠1873天,相当于飞行时间的三分之二,以便节约电力消耗。

2015年7月14日19时49分(北京时间),新视野号探测器飞跃冥王星,最近距离13695公里,速度每秒13.78公里;20时00分,飞跃冥卫一,最近距离29473公里,每秒13.87公里。并测得冥王星直径约2370千米,卡戎直径约1208千米。

2016-2020年,新视野号探测器在柯伊伯带中穿行,探测可能的近距离柯伊伯带天体。

2029年,新视野号探测器离开太阳系。

飞越火星和小行星带

在2006年4月7日10:00 UTC,新视野号飞越火星轨道,以大约21公里/秒的速度远离太阳,与太阳的距离是2亿4300万公里。

新视野号在2006年6月13日04时05分(UTC时间)以101867公里的距离飞越小行星132524 APL(早先所知的临时名称是2002 JF56)。目前对这颗小行星直径的最佳估计值是大约2.3公里,新视野号对APL的光谱观测显示它是一颗S-型小行星。

航天器在2006年6月10-12日成功的追踪这颗小行星,并由α望远镜(α影像及红外线成像仪/分光计)观测影像,这让任务小组能够测试新视野号追踪快速移动中天体的能力。

借助木星引力加速

新视野号在2007年2月28日通过木星的近木点。

新视野号的长距离探测成像仪(LORRI)在2006年9月4日拍下了第一张的木星照片,并于2006年12月开始对木星系统做进一步的研究。

新视野号在2007年2月28日5时43分40秒(UTC时间)最接近木星时得到木星的重力助推。它以21公里秒的相对速度接近木星(相对于太阳速度是23公里/秒)。飞越木星让新视野号远离太阳的速度增加了4公里/秒,使航天器以更快的速度航向冥王星,并以2.5度的倾角飞离地球的轨道面(黄道)。到了2009年11月,太阳的引力作用已经使航天器的速度减缓至大约16.656公里/秒。新视野号是自1990的尤里西斯号任务展开之后,第一艘发射后直接朝向木星航行的航天器。

在观测木星的同时,新视野号的仪器也对木星的内侧卫星进行精细的观测,特别是阿曼尔。探测器的照相机从2006年9月4日开始观测木星系统,测量艾奥的火山和子系的研究4颗卫星,也研究外侧距离遥远的希马利亚和艾华拉。新视野号也研究木星的小红斑和这颗行星稀薄的环系统。

探测木星

在深入观测木星的4个月期间,最接近木星的距离是以32木星半径(300万公里)。木星是有趣的,它不停地在变化,自伽利略任务结束后仍间歇性的被观测。新视野号的仪器采用了最新的技术,特别是照相机的领域。相较于从水手号计划衍生出来的旅行者号的版本改进的伽利略号的相机,已经改善了许多。与木星的接触还担任了与冥王星接触的预演,因为木星与地球的距离较近,做为通讯连结的内存缓冲区可以传输较多的负载。实际上,这个任务送回来的木星资料会比从冥王星送回来的多。木星的影像从2006年9月4日开始,之后还拍摄了一些。

接触的主要目标包括木星云层的动力学,但比伽列略号的观测程式精简了许多,并且从木星磁层的磁尾中读取质点的资料。这艘航天器的轨道在磁尾内运行了一个月。新视野号还观察了木星黑夜侧的极光和闪电。

新视野号也提供了长圆形BA(木星上的一个风暴特征,非正式的名称是“小红斑”)的第一张特写,因为这个在卡西尼号经过时仍是白点的风暴变红了。

主要的卫星

在不利于观测的位置上,意味着重力助推的瞄准点,使航天器在距离这些卫星数百万公里之外飞越。不过,新视野号的仪器是为了小且昏暗的目标设计的,所以还是能对那些远距离的大卫星进行有科学价值的观测。LORRI搜寻到艾奥上火山的烟羽;红外线能力卓越的LEISA搜寻到化学的成分(包括欧罗巴的冰参杂物)和夜晚侧的温度(包括艾奥)。Alice的紫外线解析出大气中,包括艾奥的托环,极光。

像阿马塞尔这样的小卫星,则改进了轨道的精确度。照相机确定了它们的位置,并做为反像光学导航之用。

飞越冥王星

新视野号在2006年9月21-24日测试LORRI时,首度捕捉到冥王星的影像,这张影像从距离冥王星42亿公里远处拍摄,确认航天器能够追踪遥远的目标。

新视野号于2015年7月14日19时49分(北京时间)飞越冥王星,最近距离13695公里,速度每秒13.78公里,并传回迄今为止最清晰的冥王星照片。

新视野号拍摄到的冥王星

图:新视野号拍摄到的冥王星

在新视野号传回的冥王星传回的图片中,可以发现一个绰号名为“鲸鱼”的阴影区,更发现冥王星表面出现一个心型。这个“完美之心”的浅色光影,横跨约2000公里。而在旁有一个颜色较深的光影区,被科学家称为“鲸鱼”。

新视野号拍摄到的冥卫一围绕冥王星飞行

图:新视野号拍摄到的冥卫一围绕冥王星飞行

20时00分,新视野号飞跃冥卫一,最近距离29473公里,每秒13.87公里。并测得冥王星直径约2370千米,卡戎直径约1208千米。

后续任务

在飞越冥王星之后,新视野号将继续深入柯伊伯带。任务规划师正在寻找一个或多个直径在50至100公里这个范围内的柯伊伯带天体,进行类似与冥王星接触一样的飞越。取决于有限的机动能力,使得这一阶段的任务只能寻找靠近新视野号飞行路径上的合适柯伊伯带天体,而排除了任何企图飞越像阋神星这种比冥王星大的海王星外天体的计划。可能的区域将会是之前努力搜索海王星外天体时未曾涵盖过的区域,和避免过于接近银河系的平面,因为这会使暗淡的天体难以被侦测到。

考虑到新视野号的飞行路径是由掠过冥王星的航线决定的,加上剩余的联氨燃料有限,合适的柯伊伯带天体需在从冥王星延伸出的小于一度的圆锥区域内找到,而且距离不能大于55天文单位。一旦超过了55天文单位,所有的通讯信号会变得过于薄弱,而且放射性同位素热电机(RTG)电功率会显著衰减以至于影响到科学观测。

2014年10月15日,美国航空航天局用哈勃望远镜进行搜索后发现了三个潜在目标,新视野号工作小组把它们的代号分别定为2014 MU69(PT1,潜在目标1),2014 OS393(PT2,潜在目标2)以及2014 PN70(PT3,潜在目标3)。所有目标的直径都估计在30到55公里之间,这样小的体积用地面的望远镜是无法看到的。它们到太阳的距离在43到44天文单位间,因此新视野号的掠过时间大约在2018年-2019年间。从新视野号的燃料预算来进行初步预计,这三个目标被探测器到访的可能性分别是100%、7%和97%。它们均是低轨道倾角和低轨道离心率的经典柯伊伯带天体,和冥王星有很大的不同。

新视野号探测器
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最新更新:2015-07-23 20:41
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