[科普中国]-尤里塞斯探测器

基本概述基本信息

1990年10月6日,欧洲的尤里塞斯(Ulysses)星际探测器由美国的发现号航天飞机发射升空,飞往木星和太阳。这项任务是NASA和ESA的一项联合计划,其意义超出了原计划本身。发现号航天飞机施放的“尤里西斯”太阳探测器,将以无线电传输方式向地球发回内日光层的三维图像,并为12个国_家的49个研究机构的科学家提供资料。这是第一个能够飞越太阳南北极,对太阳表面进行全面观测的飞行器,其轨道所在平面与地球绕日运行轨道所在平面相垂直2。

“尤里西斯”探测器重367公斤,其科学载荷重55公斤,由9个仪器组成。这些仪器分别探测太阳风、太阳与太阳风之间界面结构、太阳磁场、太阳与星际间高能粒子、银河系宇宙射线,太阳无线电脉冲串与等离子体波、星际中性气体与尘埃,以及太阳X射线等(见左图)。“尤里西斯”探测器还将探测木星南极磁球层,这是过去发射的先锋号与探险者号探测器没有探测过的,而去年发射的伽利略号探测器也不会到达这个区域。“尤里西斯”太阳探测器施放约40天后可提供科学数据,此时按照计划9个太阳物理仪器将全部投入使用,但其直到1994年6月从太阳南极地区下方经过时才能发挥其最大作用2。

主要目的尤里塞斯的主要目的是要研究行星际间的介质和在太阳不同纬度上的太阳风.人们有理由认为航天器仅在黄道面取样发现的窄太阳纬度带中的环境不能代表整个日光层。

1995年,当尤里塞斯到达太阳时,它将不会近距通过太阳,而是从与太阳相距.32亿公里的太阳南极和相距.224亿公里的北极越过。尤里塞斯将沿着这一独特轨道进人从未探测过的日光层第三维空间,在这里该探测器将探测太阳风的结构,磁场和其它现象。

尤里塞斯计划探测太阳的射电爆发现象、等离子体波、太阳X一射线和到达木星的整个途中所遇到的银河系宇宙射线,然后经太阳系中的一条路线再次飞向太阳1。

研制背景70年代末，NASA和ESA做出决定，分别建造一个航天器，以进行国际性的太阳极地黄道面外探测飞行（ISPM）。这项任务原计划于1983年进行，但由于航天飞机的研制计划推迟而一再推迟，直到尤里赛斯发射前，共进行了8次更改。

1984年，美国取消了它对这一合作计划提供一个航天器的承诺，这在很大程度上取消了整个任务的科学性，挫伤了为此项目已经奋斗多年的欧洲航天计划人员。此外，NASA还讲欧洲尤里赛斯航天器的发射时间推迟到1986年。

不久，即1986年1月，发生了挑战者号事件，致使发射日期再次推迟，直到1990年下半年才发射。挑战者号事件之后，航天飞机上面级的选择又从低温半人马座上面级转向有PAM第三级的两级惯性上面级。

1988年，ESA根据希腊神话将这项任务改名为尤里赛斯探测飞行器。传说，尤里赛斯曾到过太阳以外的地方探测人类未居住的世界1。

技术特点设计要点“尤里西斯”探测器由联邦德国的道尼尔公司领导欧空局成员国的20个工业联合体制造。该探测器必须能经得起黄道外轨道和暴露在木星辐射带和磁场中的严峻考验,必须具备与宽频带敏感仪器的电磁兼容性,并且其必须在距地球5.3天文单位(合约7.95亿公里)处满足这些要求。在这个距离上,太阳引力比太阳对地球的引力小25倍。探测器上的科学仪器在近5年的飞行过程中将一直工作,这些仪器需要冷却到类似实验室条件的一20’c。因为探测器不能保持与NASA深空间通信网地面站的连续直接通信,大量信息必须暂时存储。美国能源部通用电气公司设计制造的普通热源(GPH)S放射性同位素热电发电机(RTG),为探测器提供动力。其在飞行开始时可提供285瓦功率,而在1995年9月探测任务结束时还可提供250瓦功率。燃料为杯238。为保持精确的轨道,探测器几乎每天都要做校准机动飞行。据欧空局官员说,若使用太阳电池阵在这样远的距离上提供动力,则重量太大,并且会在木星大气层中衰减,故未采用2。

尤里西斯”探测器对太阳的全面观测,以及在实际观测基础上对太阳环境的首次三维分析,将极大地扩展太阳物理学方面的知识。“尤里西斯”探测器的无线电仪器还将探测至今尚无记录,但已由爱因斯坦预言过的引力波。其它科研项目还包括探测太阳磁力线,这种太阳磁力线着来是从太阳两极出发,而以巨大的弧线终止于中纬度地区;探测日光层磁场,其现行模式为从太阳两极出发向外辐射,但实际观测尚未肯定这种观点;还要了解宇宙射线是否容易经过两极区域进入太阳大气层,如很多科学家所假设的那样2。

结构特点尤里赛斯航天器的尺寸只有3.2mx3.3m，它是航天飞机所发射最下的航天器之一。但是，对航天器的推力要求则是航天飞机计划发射的有效载荷中最高的1。

发现号航天飞机的这次发射首次使用了惯性上面级有效载荷辅助舱(IUS/PAM)3级结构1。

搭载装置为了达到目标,尤里塞斯携带9种设春,其中有双磁强计、太阳风等离子体实验设备、离子成分光谱仪、高能粒子实验装置和低能带电粒子探测器。尤里塞斯还载有宇宙射线和太阳粒子实验装置、无线电和等离子体波实验设备以及太阳耀斑、X一射线和宇宙伽马射线爆发探测器。另外,尤里塞斯还载有宇宙尘埃、日冕探测器和重力波探测实验装置1。

性能特点尤里塞斯探测器从航天飞机尤里赛斯探测器发放后90分钟内,它的3级发动机便可使其加速到1,5.4.公里/秒的相对地球速度,相对太阳的速度为45公里/秒。尤里塞斯探测器不仅要以这种前所未有的速度飞往木星,而且还要展开长达72.5米的天线。其科学目标是对太阳极地上空区域进行探测。

尤里塞斯需要以极高的精度发射,以便飞行8亿公里到达木星,然后穿过一条只有160.9公里宽的轨道通路,借助木星引力再返回向太阳飞去。

按计划,尤里塞斯将于1994年6月进入从未探索过的太阳南极上空区域,并获取该区域的数据。之后,由于太阳的引力,尤里塞斯将改变航向,向北飞往太阳侧面上空,计划于1995年2月穿过太阳赤道,继续向北飞行,然后转弯,于1995年6月进入太阳北极,开始在这一未曾探索区内采集数据1。

科研开展发射过程发射时，宇航员驾驶发现号直接进人轨道,航天飞机轨道器进人倾角为28。5度的初始椭圆轨道。大约经过45分钟的飞行后轨道机动系统发动机开始点火,将航天飞机加速到67米/秒,使其进入高度近300公里的圆轨道1。

当航天飞机飞行2小时后,有效载荷舱门打开,Ulysses/IUS的初始测试工作立即开始。同时,宇航员将发现号的有效载荷舱对准地球,并向北转动30度。在飞行3小时40分钟时则要进行最重要的一次测试。在轨道器高度变化机动飞行大约开始一小时后,飞行任务驾驶员开始检验IUS的惯性测量装置的测量结果是否与轨道器的惯性测量装置的一致。地面控制人员跟踪测量轨道器和IUS的有关数据,以确保二者之间没有差异,保持航天器各系统在空间的方向一致。如果发现数据有差异,地面控制站就给IUS传输一个修正信号,使航天器在空间精确定位。这是此次航天飞机飞行的关键点之一。IUS必须具有准确的姿态数据,只有这样,才能计算出飞往木星的准确轨道所需的发动机工作程序。航天飞机宇航员将按照这一程序对PAM级进行检查,这种检查是在航天飞机飞行4小时之后进行的。在对PAM检查一小时后,宇航员就开始操纵发现号航天飞机进行机动飞行,使航天飞机进入部署尤里塞斯所需的姿态,即有效载荷舱将部分地对准地球,太阳在轨道器头锥的下方1。

在飞行5小时20分钟后,惯性上面级的倾转台的角度将加大到29度。然后宇航员控制轨道器与惯性上面级之间的脐带式连线脱离。并将惯性上面级的倾转台加大到58度,进人惯性上面级部署的位置1。

当飞行6小时20分后,即发现号航天飞机进人太平洋关岛上空时,宇航员开始部署尤里塞斯。装在倾转台上的弹簧将以巧厘米/秒的速度把尤里塞斯及其助推器推离发现号航天飞机轨道器。航天飞机驾驶员将在后驾驶台做好准备,一旦尤里塞斯部署装置出了故障,或发生不平衡分离时就对发现号航天飞机进行机动,飞离尤里塞斯。在正常情况下,航天飞机与尤里塞斯分离60秒钟后宇航员操纵反作用控制系统以67厘米/秒的速度工作。当尤里塞斯部署巧分钟后,宇航员将使航天飞机轨道系统以.945米/秒的速度飞行,把发现号航天飞机轨道器推离尤里塞斯16公里以外1。

开展实验任务发现号航天飞机宇航员按计划还要在空间呆3天,宇航员们要在剩余的飞行时间内进行许多医学和技术方面的实验。在这次飞行的41项研究任务中,还包括有聚合物薄膜实验和火在零重力下如何燃烧的验证实验。航天飞机飞行4天1小时后,它将以87.5米/秒的速度重返大气层。在再入大气层过程中,航天飞机头锥两侧的反向偏航喷气发动机将在M12、M6和M4的速度下工作。所进行的试验有助于确定轨道器前向反作用控制系统推进剂在再人时是否能够被安全地清除掉,以及在轨道器前起落架着陆时毁坏的情况下,前燃烧箱中漏出的推进剂不会对宇航员造成太大的危险1。

尤里塞斯航天器由位于NASA喷气推进实验室(JPL)的尤里塞斯有效载荷管理中心的ESA控制组来控制指挥。如果需要的话,首次轨道修正在航天器发射10天之后进行,第二次在发射28天之后进行。在飞行进人第29天时,JPL的控制人员发出指令,让航天器抛掉一些保护用的壳体,以便让电缆和中心杆得以展开。一个长72.5米的偶极天线与.56米的径向天线和.75米的轴向天线同时展开.一个1.6米的碳纤维天线杆也将展开1。

相关报道2006年11月18日，欧洲空间局（ESA）发布消息称，ESA-NASA联合实施的尤里赛斯（Ulysses）任务于11月17日到达了另一个重要里程碑：开始第三次通过太阳南极。

尤里赛斯由欧洲制造，1990年发射，用于探测日光层，即太阳风吹出来的空间气泡。由于太阳变幻莫测的性质，第三次造访无疑将揭示我们这颗恒星新的和意想不到的特性。

第一次极区穿越发生在1994年（南极）和1995年（北极）太阳活动低年，而第二次发生在2000年和2001年太阳活动高年。据ESA的尤里赛斯项目科学家和任务管理人员Richard Marsden介绍，“在第一次穿越期间发现了排序良好的日光层，极区的太阳风与赤道的太阳风明显不同。而在太阳活动高年情况比较复杂，很难把特定地区与其它地区区分开。

当尤里赛斯第三次到达极区时，太阳已经再次安静下来，将接近活动低年。Marsden说，“尤里赛斯每6.2年绕太阳一圈，非常适合研究11年的太阳活动周期。实际上，尤里赛斯正在四维探测日光层，三维空间再加上时间。”

尤里赛斯还是日光层网探测器舰队的重要成员，该网络包括“太阳与日光层观测台”（SOHO）、NASA的“先进成分探测器”（ACE）、“风”和“旅行者”航天器。最近，该网络又增加了两名新成员，即NASA 10月底发射的两颗孪生“日地关系观测台”（STEREO）。在尤里赛斯2007年的南极-北极飞越期间，利用STEREO、ACE和SOHO进行联合观测将是一件令人激动的事情。

尤里赛斯第三次极轨道示意图。尤里赛斯探测器于1990年发射，在1994年和1995年太阳活动低年时首次通过南极和北极；2000年和2001年太阳活动高年时第二次通过太阳南北极3。