新地平线号探测器

新地平线号探测器

美国发射的冥王星探测器
新地平线号探测器是美国国家航空航天局发射升空的冥王星探测器。其主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎(冥卫一)和探测位于柯伊柏带的小行星群。[1]考察冥王星任务结束后,“新地平线”会继续向离地球更远的宇宙空飞,在2017至2020年抵达一个由彗星和其他宇宙碎片构成的中间环带——柯伊柏带,探测至少两个直径为40至90千米的柯伊伯带天体,这一阶段可能会持续5至10年。已经于北京时间2015年7月14日19时49分飞掠冥王星,并于2015年9月17日传回冥王星近景照。
    中文名:新地平线号探测器 外文名: 别名: 所属国家:美国 质量:385kg 发射时间:2006年1月19日 NSSDC ID:2006-001A 发射速度:16.26公里/秒 目前飞行目标:柯伊伯带小天体2014MU69

概述

新地平线号探测器是美国宇航局前往矮行星冥王星的机器人航天器任务,它是第一艘飞越和研究冥王星和它的卫星卡戎、尼克斯和许德拉的空间探测器。NASA可能还会批准它飞越另一个或更多个柯伊伯带天体。

新地平线号探测器已经在2006年1月19日发射,直接进入地球和太阳逃逸轨道,在最后关闭引擎时相对于地球的速度是16.26公里/秒,或每小时58,536公里(10.10英里/秒或36,373英里/小时)。因此,它是有史以来最高的发射速度离开地球的人造物体。

它在2007年2月28日飞越木星,2008年6月8日飞越土星轨道,2011年3月18日飞越天王星轨道,预计在2015年7月14日抵达冥王星,然后继续进入柯伊伯带。

目前,新地平线号(即新视野号)正在快速飞离冥王星、进入柯依伯带中心地带。2015年8月29日,美国航空航天局(NASA)公布了这艘探测器的下一个目的地:编号为2014MU69的柯依伯带天体。来自美国宇航局的工程师认为,“新地平线”号探测器将在探访冥王星后对冥外天体进行研究,大约在30年后也进入星际空间,未来将作为一艘飞出太阳系的飞船。

工作历程

第一发射窗口:2006年1月17日-2月14日,并于2015年-2017年抵达。

第二发射窗口:2007年2月2日-15日,如果在这期间发射,那么新地平线号将直接飞往冥王星,并于2019年-2020年抵达。

2001年6月8日,新地平线号任务计划正式得到NASA的采纳。

2005年6月13日,NASA对新地平线号探测器作正式测试。

2005年9月24日,新地平线号探测器被运往卡纳维拉尔角发射场。

2006年1月11日,主要发射窗口打开,探测器作最后的测试。

2006年1月16日,AtlasV551火箭搬运至发射架。

2006年1月17日,由于大风影响发射推迟。

2006年1月18日,由于电力供应暂时中断时发射再次推迟。

2006年1月19日,美国东部标准时间(EDT)14时00分00秒(协调世界时(UTC)19时00分00秒),新地平线号探测器成功发射。

(最后关闭引擎时,与地球的相对速度达到了16.26KM/秒,成为了有史以来发射速度最快的探测器,不到九个多小时后,就飞跃了月球轨道。)

2006年4月7日,新地平线号探测器穿过火星轨道。

2006年5月上旬,探测器进入小行星带。

2006年6月13日,协调世界时04时05分,探测器与一颗编号为132524APL的小行星在101867公里处掠过,并拍摄照片。

2006年10月下旬,探测器离开小行星带。

2006年11月28日,探测器首次拍摄传回小行星的照片。

2007年1月8日,新地平线号探测器开始木星探测。

2007年1月10日,探测器观测木卫十七(Callirrhoe)。

2007年2月28日,协调世界时05时43分40秒,新地平线号探测器飞跃木星,最近距离2305000公里,速度达到21.219公里/秒。

2007年3月5日,结束木星探测,为了节约电力,新地平线号在之后进入了休眠状态。

2008年6月8日,新地平线号探测器穿过土星轨道。

2009年12月29日,新地平线号探测器越过地球与冥王星的连线中点,距离地球大约是15.27亿英里(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,新地平线号探测器穿过天王星轨道。

2014年8月24日,新地平线号探测器穿过海王星轨道。

2014年12月8日,新地平线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,随后开始传回冥王星系统的图像。

2015年7月14日,协调世界时11时49分,新地平线号探测器飞跃冥王星,最近距离13695公里,速度每秒13.78公里;协调世界时12时00分,飞越冥卫一,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。成为了第一个飞跃冥王星的探测器,传回了大量的冥王星及其卫星卡戎的图像及数据。

2016-2020年,新地平线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。

2017年2月6日,美国宇航局新视野号探测器用六天的时间对6颗遥远的柯伊伯带天体进行了成像,并启动发动机进行了飞行轨道修正,开始向两年后抵达的目标--柯伊伯带小天体“天涯海角”冲刺。

2019年,新地平线号探测器离开太阳系。

2019年1月1日,美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的一艘宇宙飞船飞越了人类迄今研究过的最遥远的天体。飞越的是名为“天涯海角”的小行星,与地球的距离超过64亿公里。

探测船结构

整个新地平线号探测器的设计,是按照美国太空署近年推行小型化、低成本,及多功能的指引而制成。

全艘探测船分为三个主要部分:即动力系统,包括提供全艘探测船所有电力的核能电池,以及调节探测船位置的引擎。通讯系统,包括高增益天线及低增益天线,是与地球保持联络的装置。科学平台,是安装所有探测仪器的地方,提供有效使用仪器的工作环境,以及保护脆弱的仪器。

动力系统

全艘新地平线号探测器的动力皆来自一台核能电池,这台发电机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”探测船。

探测船有一台引擎提供转向动力,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”探测船不可以像它的前辈“旅行者”一、二号一样,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。

通讯系统

新地平线号探测器安装了一只直径2.1米(83英吋)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讯号,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。

科学平台

新地平线号探测器本身像一个倒置三角形,三角形尖部延出部分为核动力装置,三角形平面一方则为通讯装置,而三角形本身就是安装所有探测仪器的科学平台。探测船载有七种科学探测仪器,它们分别是:

Ralph影像及红外线成像仪/分光计

主要是用作拍摄冥王星及卡戎的地表情况,提供高清晰的彩色图片,从而分析研究冥王星和卡戎地表的物理现象及组成成份,制成地表地图。仪器分为两部份,一为可见光相机MVIC,另一为线性光波长锁定光谱计LEISA,两者共同使用一支6厘米(三吋)镜头,用以调校焦距,收集影像。

可见光相机使用CCD电荷合装置,是近年所有外太空巡游探测船的标准设备。影像通过镜头后,再经过四层滤镜,在电荷藕合器成像。滤镜分别有专用作观察甲烷的滤镜,其余则为一般用途的蓝、绿、及近红外线泸镜。透过制作地表地图,可以明了冥王星及卡戎过去的历史。

线性光波长锁定光谱计,利用量度热辐射光谱,而获得物质成份及组成的资料。根据量子物理学,每一种物质都有它自己独特的光谱,犹如人类的指纹,量度光谱就可知道是何种物质。从哈伯空间天文台观察得知,冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰成份为主,而卡戎则主要是冰。当探测器接近它们时,透过光谱计观察,可能会发现更多其他物质。

REX电波科学实验

REX实际上只是一组安装在通讯系统内的电路板,主要是稳定由地球传过去的下载讯号,确保资料不会遗失,是一组非常重要的装置。而另一个作用,就是用作外太空电波科学实验,测试有关远距离通讯技术

REX接收由美国太空署的深空网络传过来的讯号,然后将讯号经由高增益天线传回返地球,科学家比较前后同一个讯号的差别,就能了解知道当中因为太阳风、辐射源、磁力场及重力波所产生的影响,求得出有关数据。

当探测船飞到冥王星的后面,接收或传返地球的讯号都会穿越过冥王星的大气,电波会被大气中的气体分子的重量、高度及温度的不同而有所改变。REX将这些改变了的讯号记录下来,然后传返地球,有助了解冥王星大气层、游离层的结构、压力、及温度。

REX还有一种辐射计的工作模式,可以量度微弱的冥王星自己发射出来的电波。当探测船飞越冥王星之后,这些测量可以准确提供冥王星背向太阳一面的温度资料。

Alice紫外线造影分光计

测量由冥王星及卡戎辐射或反射出来的紫外线,得出冥王星及卡戎大气、地表的组成、分布、温度的装置。Alice有两种工作模式。

一种为探测大气光模式,是当探测船接近及离开冥王星时使用,直接量度由冥王星及卡戎的大气辐射或反射出来的紫外线,是较多时间使用的工作模式。

另一种模式是测量掩食光模式,是当探测船飞过冥王星之后,进入冥王星日蚀阴影区时,即被冥王星星体遮掩太阳光的地方,利用量度透过冥王星大气的太阳光,求得大气的成份、温度、及浓度的分布。

LORRI长距离探测成像仪

长距离探测成像仪为探测船提供详细的空间资料,即是探测船本身在航行中精确的位置。从观察特定的星体,比较有关资料,得出探测船在某一点精细准确的位置及相位,从而指令探测船作出相应的调整。

成像仪有一支直径20.8厘米(8.2吋)的镜头,同样以CCD电荷藕合装置成像。结构相比于Ralph影像及红外线成像仪/分光计简单得多,全组仪器并无滤镜及活动部份。当飞临冥王星时,成像仪同时拍摄冥王星表面影像,精细度为100米乘100米,大小略大于一个足球场面积。

SWAP太阳风分析仪

太阳风分析仪是分析在冥王星附近由太阳吹过来的粒子─太阳风,可以探测到冥王星是否有磁场。若而是有磁场存在,就可以得知它的范围,强弱,以及冥王星大气中气体粒子逃逸的速度。

PEPSI离子质谱

离子质谱仪是用来测量冥王星阳离子与中性粒子组成、同位素组成等的装置。从观察冥王星大气层顶部的中性粒子被太阳风所激化,而逃离冥王星大气层的现象,可以推算出冥王星大气的化学成份。

VBSDC宇宙尘分析仪

这是一个由美国科罗拉多州大学师生主导的研究项目,装置可以分析探测船在飞往冥王星沿途所收集太阳系各区的宇宙尘,测量及比较这些漂浮粒子的物理及化学性质。离开冥王星之后,研究会继续,更有可能是人类历史上首次接触到柯伊伯带的物体。

其他资料

全艘探测船包括推进剂在内,重约450公斤(一千磅)。

核能发电机是由美国能源部提供。

保温瓶式设计的船舱,确保所有仪器机械,可以在安全的环境中工作。

首次使用的船载再生测距存储器,将多获取三十dB的数据。

使用八种不同的识别信号,来显示探测船的健康状态。

先进的数码接收器可以节省60%耗电量。

装备有三维立体相位及陀螺仪。

利用十六个喷嘴来控制船身位置,以便修正航道、观察目标、改变方向接近柯伊伯带天体。

使用改良的“冬眠”装置,可以节省宝贵的燃料包括核能电池。

其他主要辅助仪器包括有:星踪导航仪及资料数据记录器等。

探测任务

美国宇航局“新视野”号探测器抵达冥王星轨道,美国宇航局的科学家通过探测器上的远程侦察相机系统观测冥王星系统是否存在未发现的卫星或者环结构。因为探测器将在近距离与冥王星擦肩而过,如果没有发现存在的碎片环,那么探测器可能撞上并报废。

“新视野”号第一次飞掠的时间为7月14日,探测器任务小组每周都会动用远程侦察相机对冥王星进行观测,随着距离的不断接近,会彻底查明冥王星周围是否还有未发现的天体。n科罗拉多州博尔德西南研究所的科学家艾伦-斯特恩是探测器的主要研究人员,他认为如果将好奇号进入火星大气层称为恐怖的七分钟,那么冥王星任务则可称为具有悬念的七周。

2015年7月14日,美国太空总署(NASA)冥王星探测器“新地平线号”(NewHorizon)传回一批迄今最清晰的冥王星照片,不仅发现一个绰号名为“鲸鱼”(TheWhale)的阴影区,更揭露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”。此外,科学家早前亦从相片发现,冥王星两极特别明亮,或许有氮冰覆盖。

"心形暗斑"被命名汤博斑,是一片由液化氮冷冻组成的冰原。

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