大兵老師的神奇小屋
——航天器導航與控制（三）

文/王依兵 圖/麥芽哈哈

期中考試終于結束了，同學們歡快地走出教室。壯壯、小菲和小天如約來到了實驗樓一層最里面的神奇小屋門口。今天的氣氛輕松了很多。小菲問壯壯：“數學考試最后一道題的答案是什么？”“我寫的5，你呢？”“我也是。”小天突然喊道：“為什么我算的是10 呢？”小菲白了他一眼說：“說明你算錯了唄。”“啊？不是吧！真理總是掌握在少數人的手里……”小天說完這話，自己都感覺沒底氣。

“看！新的謎題！”壯壯打斷了小天。小菲和小天都把目光集中到墻壁上。只見墻上出現了一個奇怪的圖形……

9個正方形？

小天說：“這是20 根鉛筆嗎？”

小菲說：“對，它們組成了5 個一樣大的正方形。”

壯壯疑惑地問：“那么要我們做些什么呢？”

小天走過去用手胡亂地點了點，突然興奮地喊道：“整塊墻壁都是觸屏！”

小菲和壯壯跑過來看著小天的操作，果然，墻上投射出的鉛筆圖形可以隨著小天的手指移動。

這時一個聲音傳來：“請你們移動3 根鉛筆，獲得9 個正方形。”

小天說：“這不是大兵老師的聲音嗎？”

小菲說：“對，一定是他事先錄好的音頻。可是，這個怎么移才能得到9 個正方形呢？”

小天又開始一通亂點，但沒有成功。過了一會兒，被移亂的鉛筆又自動恢復到了最初的位置。

壯壯說：“我最擅長解決這種問題啦，交給我吧。”

說完，他略加思索，就走上前去操作起來。只見他不慌不忙地用手指拖動一根鉛筆，到一個新的位置后松開手指，然后又拖動第二根，當第三根鉛筆被拖動到正確位置后，屏幕上出現了“成功”兩個字。

小菲和小天都鼓起掌來。

宇宙“燈塔”——脈沖星

三人再一次順利進入了神奇小屋。大兵老師已經等候多時了，他說：“考完試了吧，考得怎么樣？”

小天開心地說：“還可以吧。”

小菲對小天說：“你忘了數學考試做錯題了吧？”

小天不滿地嘟囔：“那可不一定，也許是你們做錯了呢。”

壯壯問大兵老師：“我們今天要學習什么內容呢？”

大兵老師回答：“前兩次我們學習了航天器的一些導航與控制方法。但是如果航天器飛離地球，飛向更遠的深空，就需要新的方式來定位和導航了。所以，我們今天就來了解一種深空導航的神奇方法——脈沖星導航。”

小天問道：“脈沖星是什么？”

還沒等大兵老師說話，壯壯就搶答道：“我在一本天文書上看過，脈沖星是一種特殊的中子星。”

“那中子星又是什么呢？”小天繼續追問。

“這……”壯壯也答不上來了。

小菲猜測說：“我猜中子星應該是由中子組成的星吧？”

大兵老師說：“猜得有道理。中子星是較大質量的恒星在生命周期的末期發生超新星爆發后形成的一種非常致密的天體。在巨大的壓力下，恒星內部的物質都被壓縮得非常致密，原子核中的質子和外圍的電子被壓到一起結合成中子。這種天體的密度非常大，如果把我們的地球壓縮成同中子星的密度，那么它的直徑只有200 多米。”

壯壯問：“那太陽最后會變成一顆中子星嗎？”

大兵老師說：“不會，一般質量是太陽8 倍以上、20 倍以下的恒星最終才可能形成中子星，更大質量的恒星最后會變成黑洞，而更小質量的像太陽這樣的恒星根本就不會發生超新星爆發，它們最后只會變成白矮星。”

壯壯說：“這我有點兒聽不懂了。”

大兵老師說：“沒關系，這些天文知識大家可以慢慢了解，今天我們的學習重點是脈沖星。脈沖星其實就是中子星里的一類特殊星體，它不斷向兩個相反方向發出電磁脈沖信號。你們看……”

隨著大兵老師的話語，神奇小屋的墻壁上出現了脈沖星的三維示意圖。只見一顆脈沖星正在向頭尾兩個方向不斷發射著高能射線，仿佛安裝著兩個“探照燈”一樣。伴隨著自身的高速旋轉，它發出的光芒掃射著黑暗的宇宙環境。

小菲說：“這脈沖星的樣子真有意思，我覺得它像揮舞著彩綢的仙女。”

小天說：“我覺得它像正在舞劍的俠客。”

大兵老師說：“你們真有想象力。由于脈沖星有固定的旋轉速度，所以它發出的射線掃過地球的頻率是固定的。也就是說，每當脈沖星轉到合適的位置，我們就能接收到一個脈沖信號。這個信號會每隔一段固定的時間出現一次，這個間隔的時間叫作脈沖周期。脈沖星發出的脈沖信號往往不在可見光波段，平時我們看不到，但我們可以通過一些儀器設備來檢測到這些宇宙射線。因為每顆脈沖星有固定的脈沖周期，所以我們很容易在眾多信號中分辨每一顆脈沖星。脈沖星就像豎立在宇宙中的一個個‘燈塔’，可以指引航天器的航行。今天，我們主要使用發射X 射線的脈沖星來為航天器導航。”

◎◎電磁波頻率表

脈沖星導航

壯壯想了想，問：“那脈沖星導航具體是怎么實現的呢？”

大兵老師說：“這個說起來有一點兒復雜，大家可要認真聽啊。雖然脈沖星發出的脈沖周期是固定的，但如果航天器向著脈沖星運動，接收到的脈沖信號周期就會縮短；與之相反，航天器遠離脈沖星運動，接收到的脈沖信號周期則會變長。這就是所謂的多普勒效應。”

小菲說：“我知道，我們聽火車鳴笛的聲音，火車迎面駛來時，笛聲的音調比較高；火車離我們遠去時，笛聲的音調比較低。這是由于我們和火車相對位置的變化改變了聲音傳播的波長和頻率。老師上課講過這個。”

大兵老師說：“非常好，多普勒效應已經被我們用來測量道路上車輛的行駛速度了，在醫療設備中也被大量應用。同樣，我們只要在航天器上裝一個X 射線探測器，就可以接收X 射線脈沖星發出的信號了。通過分析航天器接收到的脈沖星信號，就可以知道我們離哪些脈沖星越來越近，離哪些脈沖星越來越遠。經過精密的科學計算，我們就可以知道航天器的位置、航行方向和速度了。”

小天突然問道：“那我們怎么能分清哪個信號來自哪顆脈沖星呢？”

小菲回答道：“一看你就沒有認真聽，每顆脈沖星的脈沖信號周期都是獨特的啊！”

小天拍拍腦袋，說：“啊！我把這事忘了。那我還有一個問題，如果用脈沖星導航的話，我們是不是必須提前知道每顆脈沖星的具體方位啊？”

大兵老師說：“這個問題問得好，確實是這樣。我們需要先建立一個精確的脈沖星數據庫，才能實現這樣的導航。由于這種方式不需要借助地面設備的幫助，是一種可以自主導航的方法，所以備受科學家的重視。但是目前各國對這項技術基本還在探索中，我國于2016 年11 月發射了首顆脈沖星導航試驗衛星（XPNAV-1）。它的主要任務就是在軌測試我國自主研制的X 射線脈沖星探測器，進行X 射線脈沖星觀測，驗證脈沖星導航技術，探索新型導航技術。相信在不久的將來，就會有很多使用脈沖星導航技術的航天器飛向宇宙深空了！”