大兵老师的神奇小屋——航天器导航与控制（三）

文/王依兵 图/麦芽哈哈

期中考试终于结束了，同学们欢快地走出教室。壮壮、小菲和小天如约来到了实验楼一层最里面的神奇小屋门口。今天的气氛轻松了很多。小菲问壮壮：“数学考试最后一道题的答案是什么？”“我写的5，你呢？”“我也是。”小天突然喊道：“为什么我算的是10 呢？”小菲白了他一眼说：“说明你算错了呗。”“啊？不是吧！真理总是掌握在少数人的手里……”小天说完这话，自己都感觉没底气。

“看！新的谜题！”壮壮打断了小天。小菲和小天都把目光集中到墙壁上。只见墙上出现了一个奇怪的图形……

9个正方形？

小天说：“这是20 根铅笔吗？”

小菲说：“对，它们组成了5 个一样大的正方形。”

壮壮疑惑地问：“那么要我们做些什么呢？”

小天走过去用手胡乱地点了点，突然兴奋地喊道：“整块墙壁都是触屏！”

小菲和壮壮跑过来看着小天的操作，果然，墙上投射出的铅笔图形可以随着小天的手指移动。

这时一个声音传来：“请你们移动3 根铅笔，获得9 个正方形。”

小天说：“这不是大兵老师的声音吗？”

小菲说：“对，一定是他事先录好的音频。可是，这个怎么移才能得到9 个正方形呢？”

小天又开始一通乱点，但没有成功。过了一会儿，被移乱的铅笔又自动恢复到了最初的位置。

壮壮说：“我最擅长解决这种问题啦，交给我吧。”

说完，他略加思索，就走上前去操作起来。只见他不慌不忙地用手指拖动一根铅笔，到一个新的位置后松开手指，然后又拖动第二根，当第三根铅笔被拖动到正确位置后，屏幕上出现了“成功”两个字。

小菲和小天都鼓起掌来。

宇宙“灯塔”——脉冲星

三人再一次顺利进入了神奇小屋。大兵老师已经等候多时了，他说：“考完试了吧，考得怎么样？”

小天开心地说：“还可以吧。”

小菲对小天说：“你忘了数学考试做错题了吧？”

小天不满地嘟囔：“那可不一定，也许是你们做错了呢。”

壮壮问大兵老师：“我们今天要学习什么内容呢？”

大兵老师回答：“前两次我们学习了航天器的一些导航与控制方法。但是如果航天器飞离地球，飞向更远的深空，就需要新的方式来定位和导航了。所以，我们今天就来了解一种深空导航的神奇方法——脉冲星导航。”

小天问道：“脉冲星是什么？”

还没等大兵老师说话，壮壮就抢答道：“我在一本天文书上看过，脉冲星是一种特殊的中子星。”

“那中子星又是什么呢？”小天继续追问。

“这……”壮壮也答不上来了。

小菲猜测说：“我猜中子星应该是由中子组成的星吧？”

大兵老师说：“猜得有道理。中子星是较大质量的恒星在生命周期的末期发生超新星爆发后形成的一种非常致密的天体。在巨大的压力下，恒星内部的物质都被压缩得非常致密，原子核中的质子和外围的电子被压到一起结合成中子。这种天体的密度非常大，如果把我们的地球压缩成同中子星的密度，那么它的直径只有200 多米。”

壮壮问：“那太阳最后会变成一颗中子星吗？”

大兵老师说：“不会，一般质量是太阳8 倍以上、20 倍以下的恒星最终才可能形成中子星，更大质量的恒星最后会变成黑洞，而更小质量的像太阳这样的恒星根本就不会发生超新星爆发，它们最后只会变成白矮星。”

壮壮说：“这我有点儿听不懂了。”

大兵老师说：“没关系，这些天文知识大家可以慢慢了解，今天我们的学习重点是脉冲星。脉冲星其实就是中子星里的一类特殊星体，它不断向两个相反方向发出电磁脉冲信号。你们看……”

随着大兵老师的话语，神奇小屋的墙壁上出现了脉冲星的三维示意图。只见一颗脉冲星正在向头尾两个方向不断发射着高能射线，仿佛安装着两个“探照灯”一样。伴随着自身的高速旋转，它发出的光芒扫射着黑暗的宇宙环境。

小菲说：“这脉冲星的样子真有意思，我觉得它像挥舞着彩绸的仙女。”

小天说：“我觉得它像正在舞剑的侠客。”

大兵老师说：“你们真有想象力。由于脉冲星有固定的旋转速度，所以它发出的射线扫过地球的频率是固定的。也就是说，每当脉冲星转到合适的位置，我们就能接收到一个脉冲信号。这个信号会每隔一段固定的时间出现一次，这个间隔的时间叫作脉冲周期。脉冲星发出的脉冲信号往往不在可见光波段，平时我们看不到，但我们可以通过一些仪器设备来检测到这些宇宙射线。因为每颗脉冲星有固定的脉冲周期，所以我们很容易在众多信号中分辨每一颗脉冲星。脉冲星就像竖立在宇宙中的一个个‘灯塔’，可以指引航天器的航行。今天，我们主要使用发射X 射线的脉冲星来为航天器导航。”

◎◎电磁波频率表

脉冲星导航

壮壮想了想，问：“那脉冲星导航具体是怎么实现的呢？”

大兵老师说：“这个说起来有一点儿复杂，大家可要认真听啊。虽然脉冲星发出的脉冲周期是固定的，但如果航天器向着脉冲星运动，接收到的脉冲信号周期就会缩短；与之相反，航天器远离脉冲星运动，接收到的脉冲信号周期则会变长。这就是所谓的多普勒效应。”

小菲说：“我知道，我们听火车鸣笛的声音，火车迎面驶来时，笛声的音调比较高；火车离我们远去时，笛声的音调比较低。这是由于我们和火车相对位置的变化改变了声音传播的波长和频率。老师上课讲过这个。”

大兵老师说：“非常好，多普勒效应已经被我们用来测量道路上车辆的行驶速度了，在医疗设备中也被大量应用。同样，我们只要在航天器上装一个X 射线探测器，就可以接收X 射线脉冲星发出的信号了。通过分析航天器接收到的脉冲星信号，就可以知道我们离哪些脉冲星越来越近，离哪些脉冲星越来越远。经过精密的科学计算，我们就可以知道航天器的位置、航行方向和速度了。”

小天突然问道：“那我们怎么能分清哪个信号来自哪颗脉冲星呢？”

小菲回答道：“一看你就没有认真听，每颗脉冲星的脉冲信号周期都是独特的啊！”

小天拍拍脑袋，说：“啊！我把这事忘了。那我还有一个问题，如果用脉冲星导航的话，我们是不是必须提前知道每颗脉冲星的具体方位啊？”

大兵老师说：“这个问题问得好，确实是这样。我们需要先建立一个精确的脉冲星数据库，才能实现这样的导航。由于这种方式不需要借助地面设备的帮助，是一种可以自主导航的方法，所以备受科学家的重视。但是目前各国对这项技术基本还在探索中，我国于2016 年11 月发射了首颗脉冲星导航试验卫星（XPNAV-1）。它的主要任务就是在轨测试我国自主研制的X 射线脉冲星探测器，进行X 射线脉冲星观测，验证脉冲星导航技术，探索新型导航技术。相信在不久的将来，就会有很多使用脉冲星导航技术的航天器飞向宇宙深空了！”