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深空探测器在飞行中做什么?

发布于:2021-01-09 本文来源:热心网友投稿,侵权投诉qckb tousu@ qq.com

深空探测任务通常可以逃脱地球引力的约束,对地外物体甚至宇宙深处进行科学研究。这些探测器从地球出发后,往往需要飞行数万甚至上亿公里,探测周期长达数年。

然而,宇宙极其空虚。即使深空探测器的任务持续几年,也只能探测到极其有限的天体,大部分时间都是在广阔的深空中飞行。

以1977年开始的旅行者1号和旅行者2号为例。他们已经在太空飞行了44年,旅行了200多亿公里,最终离开了太阳系。即使航海家二号在165年赶上了千载难逢的机会,造访了木星、土星、天王星、海王星,但它从1989年飞越海王星后就一直独自飞行,从未靠近过任何天体。

那么

这些绝大部分时间

都在孤独飞行的深空探测器

它们在飞行过程中还会干什么?

飞行中的平台和有效载荷测试

探测器的本质是一个载体平台,不能直接从事科学研究,必须通过其各种星载有效载荷进行。

虽然探测器平台和有效载荷将在发射前进行地面测试,但测试环境不得取代实际的深空飞行环境。因此,探测器出发后,需要全方位测试平台所有相关系统和各种星载仪器情况。

一方面,探测器平台需要测试通信系统、导航制导与控制、推进系统及数据采集系统等是否工作正常,它们是保证有效载荷能够正常工作的基础。

以火星探测器为例,2020年7月发射的阿联酋希望号和中国田文-1号火星探测器在发射后不久分别拍摄了火星和地月系统的照片,主要是为了测试用于轨道和姿态确定的光学传感器是否正常工作。推进系统也将正常工作,以纠正跟踪误差,并测试发动机的实际性能是否符合预期。

左图:希望号发射后拍摄的火星照片MB src右图:田文一号发射后拍摄的地球和月球照片

2020年10月1日,连续飞行近1.9亿公里的田文一号火星探测器也发出了它最独特的祝福:中国历史上最远最强的超级自拍,鲜艳的五星红旗在太空深处闪耀。这个动作由一个小的分离测量单元完成,并通过Wi-Fi技术传输回检测器。其中一个重要功能是全面检查田文一号的飞行状态。

另一方面,各类有效载荷也会陆续开机测试,检验工作性能,如有需要可在地面操纵下进行调试校正,满足抵达目标后的任务需求。

比如新视野号需要飞行9年才能到达冥王星,但最后飞行观察冥王星的时间只有2015年7月14日左右。在接近目标的前几个月,新视野上的核心可见光光谱仪、红外光谱仪、紫外光谱仪、远程探测成像仪已经开机并最终调试完毕,必须抓住这个千载难逢的机会。事实充分证明,新视野取得了巨大的成功。

左图:新视野完全调试的彩色相机拍摄的冥王星;右图:人类迄今获得的最清晰的冥王星图片来自哈勃太空望远镜。NASA/S.Hariri

只保持有限的交流,甚至睡觉

显然,深空

探测任务绝大部分时间都是孤独飞行在预定轨迹上,并没有实际任务可以开展。与此同时,如果让繁忙的地面深空探测网保持对它们的密切跟踪,不仅有效数据量有限,也会占用大量宝贵的资源。这对于拥有大量航天器的航天大国而言,是并不划算的买卖。

因而,深空探测器在有地面参与的情况下完成指定操作后,便会仅保留有限度通信频率,节约自身资源和地面测控资源

例如,在2007年成功飞掠木星到2015年飞掠冥王星之间,新视野号绝大部分时间处在休眠状态。科学家团队甚至在办公室里放一个玩具熊来代表新视野号的工作状态,它长期在办公室的角落“睡觉”。幸运的是,2014年12月6日,它成功被从“冬眠”中唤醒,准备工作。

NASA的新视野号团队科学家准备“唤醒”休眠中的新视野号©️NASA

“兼职”从事其他支线任务

深空探测任务所携带的有效载荷,也可以在条件允许的情况下从事一些主线探测任务之外的工作。它们长期在太阳系中飞行,这是极好的对宇宙空间天气研究的机会。

例如,旅行者一号和二号在飞离目标天体后,核心的影像光学系统和光谱仪等停止工作,但它们携带的宇宙射线监测仪、等离子波探测仪和低能带电粒子仪等工作至今,为人类研究太阳风、太阳系磁场等贡献巨大。

1990年2月14日时,旅行者一号的影像光学系统也再次临时开机,为太阳系拍下了几十张照片并拼出一张“全家福”。其中关于地球的一张照片《暗淡蓝点》,成为人类航天史上最经典的照片之一,并随着科普作家卡尔·萨根的评价享誉全球,它的流传度甚至超过了旅行者号主线任务拍摄到的天体照片。

人类所有的一切,都在这个不起眼的暗淡蓝点上,它仅是阳光中的一粒微尘©️NASA

2010年10月1日,我国的嫦娥二号探测器成功发射,它随后前往月球开启了为期8个月的观测任务。随后,利用探测器平台和有效载荷,开启了自己的“兼职”之旅。

它先是实现了人类探测器首次从月球前往日地拉格朗日L2点(距离地球150万千米),又实现了人类首次近距离飞掠图塔蒂斯小行星,最后继续飞入深空创造了当时的中国深空探测最远记录。嫦娥二号的使命和作用,已经远远超过了月球探测器本身,为中国航天乃至世界航天积累了宝贵的工程经验和科学研究财富。

嫦娥二号飞掠图塔蒂斯的最近距离仅为3.2千米,是人类史上唯一一次对它的近距离探测

因此

虽然深空探测器

绝大部分时间都很孤独

它们始终在等待厚积薄发的时刻

甚至发挥出超出预定目标的效果

这一切能够实现

也体现了航天人高超的

技术和缜密的规划

天上和地上

他们都是默默无闻的超级英雄

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