新地平線号探測器

新地平線号探測器

美國發射的冥王星探測器
新地平線号探測器是美國國家航空航天局發射升空的冥王星探測器。其主要任務是探測冥王星及其最大的衛星卡戎(冥衛一)和探測位于柯伊柏帶的小行星群。[1]考察冥王星任務結束後,“新地平線”會繼續向離地球更遠的宇宙空飛,在2017至2020年抵達一個由彗星和其他宇宙碎片構成的中間環帶——柯伊柏帶,探測至少兩個直徑為40至90千米的柯伊伯帶天體,這一階段可能會持續5至10年。已經于北京時間2015年7月14日19時49分飛掠冥王星,并于2015年9月17日傳回冥王星近景照。
    中文名:新地平線号探測器 外文名: 别名: 所屬國家:美國 質量:385kg 發射時間:2006年1月19日 NSSDC ID:2006-001A 發射速度:16.26公裡/秒 目前飛行目标:柯伊伯帶小天體2014MU69

概述

新地平線号探測器是美國宇航局前往矮行星冥王星的機器人航天器任務,它是第一艘飛越和研究冥王星和它的衛星卡戎、尼克斯和許德拉的空間探測器。NASA可能還會批準它飛越另一個或更多個柯伊伯帶天體。

新地平線号探測器已經在2006年1月19日發射,直接進入地球和太陽逃逸軌道,在最後關閉引擎時相對于地球的速度是16.26公裡/秒,或每小時58,536公裡(10.10英裡/秒或36,373英裡/小時)。因此,它是有史以來最高的發射速度離開地球的人造物體。

它在2007年2月28日飛越木星,2008年6月8日飛越土星軌道,2011年3月18日飛越天王星軌道,預計在2015年7月14日抵達冥王星,然後繼續進入柯伊伯帶。

目前,新地平線号(即新視野号)正在快速飛離冥王星、進入柯依伯帶中心地帶。2015年8月29日,美國航空航天局(NASA)公布了這艘探測器的下一個目的地:編号為2014MU69的柯依伯帶天體。來自美國宇航局的工程師認為,“新地平線”号探測器将在探訪冥王星後對冥外天體進行研究,大約在30年後也進入星際空間,未來将作為一艘飛出太陽系的飛船。

工作曆程

第一發射窗口:2006年1月17日-2月14日,并于2015年-2017年抵達。

第二發射窗口:2007年2月2日-15日,如果在這期間發射,那麼新地平線号将直接飛往冥王星,并于2019年-2020年抵達。

2001年6月8日,新地平線号任務計劃正式得到NASA的采納。

2005年6月13日,NASA對新地平線号探測器作正式測試。

2005年9月24日,新地平線号探測器被運往卡納維拉爾角發射場。

2006年1月11日,主要發射窗口打開,探測器作最後的測試。

2006年1月16日,AtlasV551火箭搬運至發射架。

2006年1月17日,由于大風影響發射推遲。

2006年1月18日,由于電力供應暫時中斷時發射再次推遲。

2006年1月19日,美國東部标準時間(EDT)14時00分00秒(協調世界時(UTC)19時00分00秒),新地平線号探測器成功發射。

(最後關閉引擎時,與地球的相對速度達到了16.26KM/秒,成為了有史以來發射速度最快的探測器,不到九個多小時後,就飛躍了月球軌道。)

2006年4月7日,新地平線号探測器穿過火星軌道。

2006年5月上旬,探測器進入小行星帶。

2006年6月13日,協調世界時04時05分,探測器與一顆編号為132524APL的小行星在101867公裡處掠過,并拍攝照片。

2006年10月下旬,探測器離開小行星帶。

2006年11月28日,探測器首次拍攝傳回小行星的照片。

2007年1月8日,新地平線号探測器開始木星探測。

2007年1月10日,探測器觀測木衛十七(Callirrhoe)。

2007年2月28日,協調世界時05時43分40秒,新地平線号探測器飛躍木星,最近距離2305000公裡,速度達到21.219公裡/秒。

2007年3月5日,結束木星探測,為了節約電力,新地平線号在之後進入了休眠狀态。

2008年6月8日,新地平線号探測器穿過土星軌道。

2009年12月29日,新地平線号探測器越過地球與冥王星的連線中點,距離地球大約是15.27億英裡(24.57億公裡),從此以後探測器距離冥王星比距離地球更近。

2011年3月18日,新地平線号探測器穿過天王星軌道。

2014年8月24日,新地平線号探測器穿過海王星軌道。

2014年12月8日,新地平線号探測器被成功喚醒。途中累計休眠1873天,相當于飛行時間的三分之二,以便節約電力消耗,随後開始傳回冥王星系統的圖像。

2015年7月14日,協調世界時11時49分,新地平線号探測器飛躍冥王星,最近距離13695公裡,速度每秒13.78公裡;協調世界時12時00分,飛越冥衛一,最近距離29473公裡,每秒13.87公裡。并測得冥王星直徑約2370千米,卡戎直徑約1208千米。成為了第一個飛躍冥王星的探測器,傳回了大量的冥王星及其衛星卡戎的圖像及數據。

2016-2020年,新地平線号探測器在柯伊伯帶中穿行,探測可能的近距離柯伊伯帶天體。

2017年2月6日,美國宇航局新視野号探測器用六天的時間對6顆遙遠的柯伊伯帶天體進行了成像,并啟動發動機進行了飛行軌道修正,開始向兩年後抵達的目标--柯伊伯帶小天體“天涯海角”沖刺。

2019年,新地平線号探測器離開太陽系。

2019年1月1日,美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的一艘宇宙飛船飛越了人類迄今研究過的最遙遠的天體。飛越的是名為“天涯海角”的小行星,與地球的距離超過64億公裡。

探測船結構

整個新地平線号探測器的設計,是按照美國太空署近年推行小型化、低成本,及多功能的指引而制成。

全艘探測船分為三個主要部分:即動力系統,包括提供全艘探測船所有電力的核能電池,以及調節探測船位置的引擎。通訊系統,包括高增益天線及低增益天線,是與地球保持聯絡的裝置。科學平台,是安裝所有探測儀器的地方,提供有效使用儀器的工作環境,以及保護脆弱的儀器。

動力系統

全艘新地平線号探測器的動力皆來自一台核能電池,這台發電機利用放射性同位素二氧化钚自然衰變時所釋放出來的熱,以電熱隅形式發電。由于冥王星距離太陽太遠,陽光由太陽去到冥王星需要四小時,在冥王星附近能接受的太陽能隻及地球千分之一,探測船無法利用太陽能産生充夠的能量供活動所需,因此核能電池是唯一的選擇。其實,所有外空間探測器都采用相同的設計,包括“卡西尼号”探測船。

探測船有一台引擎提供轉向動力,用以調節探測船相位,在差不多十年多航行時間之間,可以修正飛向冥王星的軌道。當探測船接近冥王星時,要調校船身以便所有探測儀指向冥王星。當飛越過冥王星之後,又要調校船身以便觀察卡戎,待完成探測後,又要再轉校船身,使高增益天線指向地球,将收集到的數據送回地球。

這個設計是由于預算所限,“新視野”探測船不可以像它的前輩“旅行者”一、二号一樣,使用旋轉式平台,可以較簡單的執行指令,而隻能以調節船身相位這個較複雜方法來完成任務。

通訊系統

新地平線号探測器安裝了一隻直徑2.1米(83英吋)的高增益天線,能夠與地球的深空網絡保持聯系,接收來自地球的指令,以及将收集得到的科學資料輸送回去地球。

另外安裝在高增益天線正上方的是低增益天線,是高增益天線的後備,以備不時之須。高增益天線有兩條頻帶收發訊号,頻譜寬闊,上傳下載速度高,相比之下,低增益天線隻有一條窄頻帶,效率較低,但是在緊急情況之下,可以頂替高增益天線的工作。

科學平台

新地平線号探測器本身像一個倒置三角形,三角形尖部延出部分為核動力裝置,三角形平面一方則為通訊裝置,而三角形本身就是安裝所有探測儀器的科學平台。探測船載有七種科學探測儀器,它們分别是:

Ralph影像及紅外線成像儀/分光計

主要是用作拍攝冥王星及卡戎的地表情況,提供高清晰的彩色圖片,從而分析研究冥王星和卡戎地表的物理現象及組成成份,制成地表地圖。儀器分為兩部份,一為可見光相機MVIC,另一為線性光波長鎖定光譜計LEISA,兩者共同使用一支6厘米(三吋)鏡頭,用以調校焦距,收集影像。

可見光相機使用CCD電荷藕合裝置,是近年所有外太空巡遊探測船的标準設備。影像通過鏡頭後,再經過四層濾鏡,在電荷藕合器成像。濾鏡分别有專用作觀察甲烷的濾鏡,其餘則為一般用途的藍、綠、及近紅外線泸鏡。透過制作地表地圖,可以明了冥王星及卡戎過去的曆史。

線性光波長鎖定光譜計,利用量度熱輻射光譜,而獲得物質成份及組成的資料。根據量子物理學,每一種物質都有它自己獨特的光譜,猶如人類的指紋,量度光譜就可知道是何種物質。從哈伯空間天文台觀察得知,冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰成份為主,而卡戎則主要是冰。當探測器接近它們時,透過光譜計觀察,可能會發現更多其他物質。

REX電波科學實驗

REX實際上隻是一組安裝在通訊系統内的電路闆,主要是穩定由地球傳過去的下載訊号,确保資料不會遺失,是一組非常重要的裝置。而另一個作用,就是用作外太空電波科學實驗,測試有關遠距離通訊技術。

REX接收由美國太空署的深空網絡傳過來的訊号,然後将訊号經由高增益天線傳回返地球,科學家比較前後同一個訊号的差别,就能了解知道當中因為太陽風、輻射源、磁力場及重力波所産生的影響,求得出有關數據。

當探測船飛到冥王星的後面,接收或傳返地球的訊号都會穿越過冥王星的大氣,電波會被大氣中的氣體分子的重量、高度及溫度的不同而有所改變。REX将這些改變了的訊号記錄下來,然後傳返地球,有助了解冥王星大氣層、遊離層的結構、壓力、及溫度。

REX還有一種輻射計的工作模式,可以量度微弱的冥王星自己發射出來的電波。當探測船飛越冥王星之後,這些測量可以準确提供冥王星背向太陽一面的溫度資料。

Alice紫外線造影分光計

測量由冥王星及卡戎輻射或反射出來的紫外線,得出冥王星及卡戎大氣、地表的組成、分布、溫度的裝置。Alice有兩種工作模式。

一種為探測大氣光模式,是當探測船接近及離開冥王星時使用,直接量度由冥王星及卡戎的大氣輻射或反射出來的紫外線,是較多時間使用的工作模式。

另一種模式是測量掩食光模式,是當探測船飛過冥王星之後,進入冥王星日蝕陰影區時,即被冥王星星體遮掩太陽光的地方,利用量度透過冥王星大氣的太陽光,求得大氣的成份、溫度、及濃度的分布。

LORRI長距離探測成像儀

長距離探測成像儀為探測船提供詳細的空間資料,即是探測船本身在航行中精确的位置。從觀察特定的星體,比較有關資料,得出探測船在某一點精細準确的位置及相位,從而指令探測船作出相應的調整。

成像儀有一支直徑20.8厘米(8.2吋)的鏡頭,同樣以CCD電荷藕合裝置成像。結構相比于Ralph影像及紅外線成像儀/分光計簡單得多,全組儀器并無濾鏡及活動部份。當飛臨冥王星時,成像儀同時拍攝冥王星表面影像,精細度為100米乘100米,大小略大于一個足球場面積。

SWAP太陽風分析儀

太陽風分析儀是分析在冥王星附近由太陽吹過來的粒子─太陽風,可以探測到冥王星是否有磁場。若而是有磁場存在,就可以得知它的範圍,強弱,以及冥王星大氣中氣體粒子逃逸的速度。

PEPSI離子質譜儀

離子質譜儀是用來測量冥王星陽離子與中性粒子組成、同位素組成等的裝置。從觀察冥王星大氣層頂部的中性粒子被太陽風所激化,而逃離冥王星大氣層的現象,可以推算出冥王星大氣的化學成份。

VBSDC宇宙塵分析儀

這是一個由美國科羅拉多州大學師生主導的研究項目,裝置可以分析探測船在飛往冥王星沿途所收集太陽系各區的宇宙塵,測量及比較這些漂浮粒子的物理及化學性質。離開冥王星之後,研究會繼續,更有可能是人類曆史上首次接觸到柯伊伯帶的物體。

其他資料

全艘探測船包括推進劑在内,重約450公斤(一千磅)。

核能發電機是由美國能源部提供。

保溫瓶式設計的船艙,确保所有儀器機械,可以在安全的環境中工作。

首次使用的船載再生測距存儲器,将多獲取三十dB的數據。

使用八種不同的識别信号,來顯示探測船的健康狀态。

先進的數碼接收器可以節省60%耗電量。

裝備有三維立體相位及陀螺儀。

利用十六個噴嘴來控制船身位置,以便修正航道、觀察目标、改變方向接近柯伊伯帶天體。

使用改良的“冬眠”裝置,可以節省寶貴的燃料包括核能電池。

其他主要輔助儀器包括有:星蹤導航儀及資料數據記錄器等。

探測任務

美國宇航局“新視野”号探測器抵達冥王星軌道,美國宇航局的科學家通過探測器上的遠程偵察相機系統觀測冥王星系統是否存在未發現的衛星或者環結構。因為探測器将在近距離與冥王星擦肩而過,如果沒有發現存在的碎片環,那麼探測器可能撞上并報廢。

“新視野”号第一次飛掠的時間為7月14日,探測器任務小組每周都會動用遠程偵察相機對冥王星進行觀測,随着距離的不斷接近,會徹底查明冥王星周圍是否還有未發現的天體。n科羅拉多州博爾德西南研究所的科學家艾倫-斯特恩是探測器的主要研究人員,他認為如果将好奇号進入火星大氣層稱為恐怖的七分鐘,那麼冥王星任務則可稱為具有懸念的七周。

2015年7月14日,美國太空總署(NASA)冥王星探測器“新地平線号”(NewHorizon)傳回一批迄今最清晰的冥王星照片,不僅發現一個綽号名為“鲸魚”(TheWhale)的陰影區,更揭露冥王星表面出現一個心型。

這個“完美之心”的淺色光影,橫跨約2000公裡。而在旁有一個顔色較深的光影區,被科學家稱為“鲸魚”。此外,科學家早前亦從相片發現,冥王星兩極特别明亮,或許有氮冰覆蓋。

"心形暗斑"被命名湯博斑,是一片由液化氮冷凍組成的冰原。

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