新视野号探测器

**新視野號**（New Horizons，不要錯誤的翻譯成**新地平線號**），是美國國家航空暨太空總署旨在探索矮行星冥王星（在發射時間仍然被認為是一顆行星）和古柏帶的行星際機器人太空飛行器任務，它是第一艘飛越和研究冥王星和它的衛星，冥衛一、冥衛二和冥衛三的太空探測器。NASA 可能還會批准它飛越一個或兩個古柏帶天體。任務概要是由美國西南研究院首席研究員艾倫・斯特恩所領導的一個團隊提出。

經過在發射地點的幾個延誤後，新視野號於 2006 年 1 月 19 日在卡納維爾角發射，直接進入地球和太陽逃逸軌道，在最後關閉引擎時相對於地球的速度是 16.26 公里 / 秒，或 58,536 公里 / 小時（10.10 英里 / 秒或 36,373 英里 / 小時）。因此，它是有史以來以最快的發射速度離開地球的人造物體。2015 年 7 月 14 日新視野號飛越冥王星系統。隨後，新視野號將繼續進入古柏帶。

經過與小行星 132524 APL 一個短暫的相遇後，新視野號飛往木星，在 2007 年 2 月 28 日使得其最接近木星的距離為 2.3 × 106 公里（1.4 × 106 英里）。木星飛掠提供重力助推給新視野號的速度增加了 4 km/s（14,000 km/h；9,000 mph）。木星相遇也被用來作為新視野號科技性能的全面測試，傳回關於行星的大氣層，衛星和磁層的數據。在飛掠木星後，探測器繼續前往冥王星。在木星後的大部分旅行中，太空飛行器是處於休眠模式度過，以保護太空飛行器上的系統。在 2006 年 9 月，新視野號第一次拍攝了冥王星，其次是在 2013 年 7 月拍攝了區分冥王星和它的衛星冥衛一作為兩個單獨的對象的圖像。無線電信號從新視野號太空飛行器旅行到地球需要用 4 個多小時。

格林威治時間 2015 年 7 月 14 日上午 11 時 49 分，新視野號接近冥王星 12,500 公里，為旅程中最接近冥王星的位置。 它成為了第一艘探索冥王星的太空飛行器。

協調世界時 7 月 15 日 00 時 52 分 37 秒（美國東部時間 7 月 14 日 20 時 52 分 37 秒），美國國家航空暨太空總署收到了新視野號傳來的訊息，證實了探測器在預定的時間成功地飛越了冥王星，探測器各方面的運作一切正常，和先前預料的一樣。

2019 年 1 月 1 日，新視野號探測器近距離飛掠小行星「天涯海角」進行探測。

## 背景

### 新視野號

* 位於冥王星附近時的功率：228 瓦特
* 位於冥王星時數據傳輸率：768bps
* 發射時間：2006 年 1 月 19 日
* 計劃耗資：5.5 億美元

「新視野」號原定於 2006 年 1 月 17 日美國東岸時間下午 1 時 24 分，在美國佛羅里達州卡納維爾角空軍基地第 41 發射臺發射，但因地面強風和負責該項目之霍普金斯大學應用物理實驗室的控制中心突然停電的原因，兩度推遲昇空。至 1 月 19 日美國東岸時間下午 2 時 00 分，卡納維爾角上空雲層逐漸散去，氣候條件適合發射，「新視野」號終在原定發射昇空時間遲半小時後，順利點火發射昇空。45 分鐘後脫離第三段火箭，離開地球引力，朝木星飛去。其航程途經木星，借用木星引力加速，然後直奔冥王星。它在 2015 年 7 月 14 日最為接近冥王星。

#### 發射窗口

2006 年 1 月 11 日至 2 月 14 日之間一段「發射窗口」時間內，發射一枚探測船飛往冥王星。於 2007 年 2 月經過木星，利用木星引力加速直奔冥王星，已於 2015 年 7 月到達，全程需時九年多。

#### 載具

新視野號探測船以美國擎天神 V551 型火箭攜帶，在美國佛羅里達州卡納維爾角空軍基地發射站發射，將探測器推出外太空，再由半人馬座（Centaur）火箭送入繞地軌道，最後由星 48B 型（STAR 48B）固體燃料火箭衝出地球引力，飛向冥王星。

新視野號將成為人類有史以來最快速的人造飛行物體，它飛越月亮繞地球軌道不用九個小時，到達木星引力區只須 13 個月時間，相對 1960 年代「阿波羅」登月任務相同航程要飛行三天時間，「伽利略號 (Galileo) 」飛抵木星亦需四年時間而言，「新視野號」航速可謂十分驚人。

#### 第二次發射窗口

「新視野號」探測船若未能在 2006 年 2 月 2 日前發射，而在 2 月 14 日「發射窗口」限期前出發，則探測船就不能經過木星，而需直接飛往冥王星。因未能藉助木星重力加速，故需較長飛行時間，最快要 2018 年才能到達。錯過今次「發射窗口」，下一次將會是 2007 年 2 月 2 日至 15 日。探測船直飛冥王星，已在 2019 年到達。

#### 到達冥王星

探測船在 2015 年 3 月（即到達前四個月）開始收集冥王星及它的衛星冥衛一的資料。2015 年 7 月 14 日，探測船最接近冥王星。探測船在冥王星南半球約 9,600 公里（六千英哩）處高速掠過。而凱倫當時在冥王星另一側，探測船需經過冥王星後，回頭再探測凱倫。探測船飛離冥王星後，觀察工作持續十個星期。而一切對冥王星的探測於九個月後結束，觀察記錄都傳送回地球。

#### 古柏帶任務

在探測過冥王星後，探測船會前往位於古柏帶直徑約 40 公里至 90 公里的天體。探測船已在 2016 年進入古柏帶。

2015 年 8 月，2014 MU69 被選為新視野號於 2019 年 1 月飛掠探測的天體。該探測器於 2019 年 1 月 1 日穿越。

## 探測船的設計與結構

整個「新視野」探測船的設計，是按照美國太空署近年推行小型化、低成本，及多功能的指引而製成。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「新視野」探測船的動力皆來自兩台核能電池 - 放射性同位素熱電機（RTG），這台發電機利用放射性同位素二氧化鈽自然衰變時所釋放出來的熱能，以電熱隅形式發電。由於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只及地球千分之一，探測船無法利用太陽能產生充夠的能量供活動所需，因此核能電池是唯一的選擇。為避免放射線傷及電子儀器，所以必須降低電力（僅 228 瓦特）。其實，所有外太陽系探測船都採用相同的設計，包括「卡西尼號」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凱倫，待完成探測後，又要再轉校船身，使高增益天線指向地球，將收集到的數據送回地球。這個設計是由於預算所限，「新視野」探測船不可以像它的前輩「航海家」一、二號一樣，使用旋轉式平台，可以較簡單的執行指令，而只能以調節船身相位這個較複雜方法來完成任務。

### 通訊系統

「新視野」探測船安裝了一隻直徑 2.1 米（83 英吋）的高增益天線，能夠與地球的深空網路保持聯繫，接收來自地球的指令，以及將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號，頻譜寬濶，上傳下載速度高，相比之下，低增益天線只有一條窄頻帶，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。該碟型天線也能充當屏障，擋下迎面來的碎屑、微粒，不會損及天線功能而保護設備。

### 科學平台

新視野號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，它們分別是：

#### Ralph：可見光與紅外線成像光譜儀

**可見光與紅外線成像光譜儀**（Ralph telescope）主要用於拍攝冥王星及凱倫的地表情況，提供高清晰的彩色影像，從而分析研究冥王星和凱倫地表的物理現象及組成成份，製成地表地圖。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標準設備。影像通過鏡頭後，再經過四層濾鏡，在電荷藕合器成像。濾鏡分別有專用作觀察甲烷的濾鏡，其餘則為一般用途的藍、綠、及近紅外線濾鏡。透過製作地表地圖，可以明瞭冥王星及凱倫過去的歷史。

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。從哈伯太空望遠鏡觀察得知，冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰成份為主，而凱倫則主要是冰。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

**電波科學實驗**（Radio Science Experiment, REX）實際上是一組安裝在通訊系統內的電路板，主要是穩定由地球傳過去的下載訊號，確保資料不會遺失，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路傳過來的訊號，然後將訊號經由高增益天線傳回返地球，科學家比較前後同一個訊號的差別，就能了解知道當中因為太陽風、輻射源、磁力場及重力波所產生的影響，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號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 將這些改變了的訊號記錄下來，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，這些測量可以準確提供冥王星背向太陽一面的溫度資料。

#### Alice：紫外線成像光譜儀

**紫外線成像光譜儀**（"Alice"）能測量由冥王星及凱倫輻射或反射出來的紫外線，得出冥王星及凱倫大氣、地表的組成、分佈、溫度的裝置。Alice 有兩種工作模式，一為探測大氣光模式，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凱倫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、及濃度的分佈。

#### LORRI：長距離探測成像儀

**長距離探測成像儀**（Long Range Reconnaissance Imager, LORRI）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確的位置。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確的位置及相位，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。結構相比於 Ralph 影像及紅外線成像儀 / 分光計簡單得多，全組儀器並無濾鏡及活動部份。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，大小略大於一個足球場面積。

#### SWAP：太陽風分析儀

**太陽風分析儀**（Solar Wind Around Pluto, SWAP）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**（Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation, PEPSI）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：「威妮夏・伯尼」宇宙塵分析儀

 **「威妮夏・伯尼」宇宙塵分析儀**（Venetia Burney Student Dust Counter, VBSDC）是由美國科羅拉多州立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，並且成為人類歷史上首次接觸到古柏帶的物體。

名字中的 VBS 指的是「Venetia Burney Student」，源於為當年尚是學生，而為冥王星取名的威妮夏・伯尼女士之名。

* * * * *

### 其他資料

* 全艘探測船包括推進劑在內，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，確保所有儀器機械，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，將多獲取三十 dB 的數據
* 使用八種不同的識別信號，來顯示探測船的健康狀態
* 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、觀察目標、改變方向接近古柏帶天體。
* 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
* 攜帶有冥王星發現人克萊德・湯博（Clyde William Tombaugh）的部分骨灰。

## 軌道校正和儀器測試

在 2006 年 1 月 28 日和 30 日，在任務控制人員引導下進行第一次的軌道校正和儀器測試 (trajectory correction maneuver，TCM)，過程分為兩個部分 (TCM-1A and TCM-1B)。這兩次修正使速度總共變化了 18m/s，TCM-1 精確的校正使得 TCM-2 的校正，三次校正計畫中的第二次，得以取消。

在 2 月 20 日那一週內，控置人員進行 3 個機載科學儀器，Alice 紫外線造影分光計、PEPSSI 離子質譜儀、LORRI 長距離探測成像儀，的首次飛行測試。在沒有科學測量或影像被獲得的情況下，只是儀器的電子設備測試，在 Alice 的例子中，顯示機電系統都能正常的運作。

在 3 月 9 日 1700 UTC，控制人員執行 TCM-3，三次校正計畫中的最後一次。引擎點燃了 76 秒，將太空飛行器的速度大約調整了 1.16 m/s。

在 2007 年 9 月 25 日 16:04 EDT，引擎再度點燃 15 分又 37 秒，改變了太空飛行器的速度 2.37 m/s。

在 2010 年 6 月 30 日 7:49 EDT，任務控制人員對新視野號進行了第四次的軌道校正，經過 35.6 秒使太空飛行器加速了約 0.44 m/s。

## 飛越火星和小行星帶

在 2006 年 4 月 7 日 10:00 UTC，太空飛行器飛越火星軌道，以大約 21 公里 / 秒的速度遠離太陽，與太陽的距離是 2 億 4,300 萬公里。

新視野號在 2006 年 6 月 13 日 04:05 UTC 以 101,867 公里的距離飛越小行星 132524 APL (早先所知的臨時名稱是 2002 JF56 )。目前對這顆小行星直徑的最佳估計值是大約 2.3 公里，新視野號對 APL 的光譜觀測顯示它是一顆 S - 型小行星。

太空飛行器在 2006 年 6 月 10-12 日成功的追蹤這顆小行星，並由 α 望遠鏡 (α 影像及紅外線成像儀 / 分光計) 觀測影像，這讓任務小組能夠測試太空飛行器追蹤快速移動中天體的能力。

## 木星重力助推

新視野號的長距離探測成像儀 (LORRI) 在 2006 年 9 月 4 日拍下了第一張的木星照片，並於 2006 年 12 月開始對木星系統做進一步的研究。

新視野號在 2007 年 2 月 28 日 5:43:40 UTC 最接近木星時得到木星的重力助推。它以每秒 21 公里的相對速度接近木星 (相對於太陽是 23 公里 / 秒)。飛越木星讓新視野號遠離太陽的秒速增加了 4 公里，使太空飛行器以更快的速度航向冥王星，並以 2.5 度的傾角飛離地球的軌道面（黃道）。到了 2009 年 11 月，太陽的引力作用已經使太空飛行器的速度減緩至大約 16.656 公里 / 秒 。新視野號是自 1990 的尤里西斯號 (Ulysses) 任務展開之後，第一艘發射後直接朝向木星航行的太空飛行器。

在觀測木星的同時，新視野號的儀器也對木星的內側衛星進行精細的觀測，特別是阿曼爾。探測器的照相機從 2006 年 9 月 4 日開始觀測木星系統，測量埃歐的火山和仔細的研究 4 顆伽利略衛星，也研究外側距離遙遠的希馬利亞和艾華拉。太空飛行器也研究木星的小紅斑和這顆行星稀薄的環系統。

### 木星觀測

在深入觀測木星的 4 個月期間，最接近木星的距離是以 32 木星半徑 (300 萬公里)。木星是有趣的，它不停地在變化，自伽利略任務結束後仍間歇性的被觀測。新視野號的儀器採用了最新的技術，特別是照相機的領域。相較於從水手號計畫衍生出來的航海家號的版本改進的伽利略號的相機，已經改善了許多。與木星的接觸還擔任了與冥王星接觸的預演，因為木星與地球的距離較近，做為通訊連結的記憶體緩衝區可以傳輸較多的負載。實際上，這個任務送回來的木星資料會比從冥王星送回來的多。木星的影像從 2006 年 9 月 4 日開始，之後還拍攝了一些。

接觸的主要目標包括木星雲層的動力學，但比伽列略號的觀測程式精簡了許多，並且從木星磁層的磁尾中讀取質點的資料。這艘太空飛行器的軌道在磁尾內運行了一個月。新視野號還觀察了木星黑夜側的極光和閃電。

新視野號也提供了長圓形 BA (木星上的一個風暴特徵，非正式的名稱是 "小紅斑") 的第一張特寫，因為這個在卡西尼號經過時仍是白點的風暴變紅了。

#### 木星的衛星

主要的衛星 (伽利略衛星) 在不利於觀測的位置上，意味著重力助推的瞄準點，使太空飛行器在距離這些衛星數百萬公里之外飛越。不過，新視野號的儀器是為了小且昏暗的目標設計的，所以還是能對那些遠距離的大衛星進行有科學價值的觀測。LORRI 搜尋到埃歐上火山的煙羽；紅外線能力卓越的 LEISA 搜尋到化學的成分 (包括歐羅巴的冰參雜物) 和夜晚側的溫度 (包括埃歐)。Alice 的紫外線解析出大氣中，包括埃歐的托環，極光。

像阿馬塞爾這樣的小衛星，則改進了軌道的精確度。照相機確定了它們的位置，並做為反像光學導航之用。

## 接近冥王星

新視野號在 2006 年 9 月 21-24 日測試 LORRI 時，首度捕捉到冥王星的影像，並在 2006 年 11 月 24 日釋出
。這張影像從距離冥王星 42 億公里 (26 億英里) 遠處拍攝，確認太空飛行器能夠追蹤遙遠的目標，這對航向冥王星和開普帶中的其它天體是極為重要的。

新視野號於 2015 年 7 月 14 日從不到 10,000 公里的距離飛越冥王星，成為首個成功飛掠冥王星系統的人造飛行物。任務中，新視野號向地球發送了大量的冥王星及其矮行星系統的照片。

## 古柏帶任務

在飛越冥王星之後，新視野號將繼續深入古柏帶。任務規劃師正在尋找直徑在 50 至 100 公里這個範圍內的古柏帶天體，進行類似與冥王星接觸一樣的飛越。囿於有限的機動能力，這一階段的任務只能尋找靠近新視野號飛行路徑上的合適古柏帶天體，而排除了任何企圖飛越像鬩神星這種比冥王星大的海王星外天體的計畫。可能的區域將會是之前努力搜索海王星外天體時未曾涵蓋過的區域，和避免過於接近銀河系的平面，因為這會使暗淡的天體難以被偵測到。

由於新視野號的飛行路徑是由掠過冥王星的航線決定的，加上剩餘的聯氨燃料有限，合適的古柏帶天體需在從冥王星延伸出的小於一度的圓錐區域內找到，而且距離不能大於 55 天文單位。一旦超過了 55 天文單位，所有的通訊信號會變得過於薄弱，而且放射性同位素熱電機（RTG）電功率會顯著衰減以至於影響到科學觀測。

2014 年 10 月 15 日，美國國家航空暨太空總署用哈伯望遠鏡進行搜索後發現了三個潛在目標，新視野號工作小組把它們的代號分別定為 2014 MU69（PT1, 潛在目標 1），2014 OS393（PT2, 潛在目標 2）以及 2014 PN70（PT3, 潛在目標 3）。所有目標的直徑都估計在 30 到 55 公里之間，這樣小的體積用地面的望遠鏡是無法看到的。它們到太陽的距離在 43 到 44 天文單位間，因此新視野號的掠過時間大約在 2018 年－2019 年間。從新視野號的燃料預算來進行初步預計，這三個目標被探測器到訪的可能性分別是 100%, 7% 和 97%。它們均是低軌道傾角和低軌道離心率的傳統古柏帶天體，和冥王星有很大的不同。

## 里程碑

## 現況

2012 年 10 月 16 日，隨著工作小組透過哈伯太空望遠鏡發現冥王星的兩顆新衛星和眾多星體碎片，新視野號團隊發表了一篇文章，指新視野號在飛越冥王星的時候，有可能毀於冥王星衛星軌道中的星體碎片，所以現在工作小組正研究是否要改變新視野號的軌道，去避免和這些碎片碰撞，以保護新視野號。

2013 年 5 月 16 日，工作小組計算過新視野號和冥王星衛星系統的軌道後，得知新視野號的路徑和冥王星衛星系統的軌道面接近垂直。也就是說，新視野號和新發現的衛星相撞的機會大減，只有在最接近時的風險較高，約 0.3% 的風險造成會中止任務的撞擊。因此，工作小組表示不會對既定路線做大規模變更。

目前探測器以相對於太陽 14.52 公里 / 秒，相對於冥王星 13.77 公里 / 秒的速度飛行。從探測器發出的無線電波需歷時 4 個半小時才能到達地球。 從探測器看到的太陽星等是−19.2。

探測器正朝著射手座的方向進發。

探測器最新的資訊和圖片發佈在美國國家航空暨太空總署官方網站上。

## 參見

* 新視野二號
* 飛往太陽系外的飛行器
  * 航海家 1 號
  * 航海家 2 號
  * 先鋒 10 號
  * 先鋒 11 號
* 冥王星
* 冥衛一
* 古柏帶
* 非載人宇宙飛船
* 太陽系探測器列表
* 無線電掩星

## 參考資料

## 外部連結

* 官方網站
* NASA 歷年任務之新視野號頁面
* 官方博客
* 新視野號的 Twitter 帳戶
* 新視野號的 Facebook 專頁
* YouTube 上的新視野號頻道
* SwRI's New Horizons Science Team Web Site （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
* Final Report of the New Horizons II Review Panel （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）