经过海王星的航行者号轨道应是一个在科学上讯息最大返回和宇宙飞船安全飞行之间两全其美的轨道。任务的设计者们是怎样选择最佳飞行路线的呢？

在航行者号成功地飞越木星、土星和天王星后，宇宙飞船平安地飞过行星可能不再是件不平凡的事了。然而计划航行者2号在1989年与海王星相遇却仍是件全新的事，因为怎样在不使宇宙飞船遭受危险的情况下得到最多的科学信息是非常棘手的。

任务的成功与否取决于众多关键的决定。其中最重要的是瞄准点的选择——精确地选择航行者号在空间什么位置、在什么时间飞越海王星。

我们应当瞄准何处？从纯科学观点来看，理想的航行者号的轨道需深入到海王星可能存在的磁层的深处，探测大气，继而转向接近海卫一并提供对海王星环系统进行观察的各种角度。从实用观点来看，所选择的飞行路线必须不使飞船遭受危险。

危险是存在的，当航行者号以每秒27公里的速度经过海王星时，如果撞上砂粒大小的环物质，将是致命的，或当航行者号飞近海王星时，大气阻力会使它翻倒，失去控制。还有，强烈的辐射能使飞船时钟延迟，航行者号将无所依靠地飞过海王星。

为绝对安全起见，航行者号的科学家们可选择一条远离海王星的安全轨道。通过使飞船避开海王星飞行，科学家能保证航行者号不遇到一粒杂散的环粒子；在到达海王星大气上层时，飞船不失去姿态控制和不遭受因辐射损伤时钟而引起的记时误差。

但是，安全轨道对进行科学测量能提供的机会太少了：成像的清晰度会受到损失；对海王星环系统的有关情况我们将只能知道一点儿或根本不能知道；海卫一将显得很小且不清楚。如果航行者号不装载电荷粒子传感器进入海王星的磁层，我们将不知道充满着被海王星旋转磁场所俘获的亚原子的区域，这区域能使人们对海王星内部深处及周围空间有进一步的科学了解。

另一方面，航行者号科学家中的胆大者主张飞船轨道通过海王星的大气上层边缘，这将正好抓住足够的阻力使飞船仍处在它的微小的推冲器控制之下，随后，飞船掠过相距几千公里的海卫一。

困境是显而易见的。

解决的方法同样是明显的：为发回新的科学资料，航行者号必须足够地接近海王星飞行，但是又不能太近以免危及飞船。这一切听起来多么容易！

但仍存在一些重要的疑问。终究，以地球为基地的行星模型，怎能较好地估计离我们45亿公里的海王星热层密度呢？当谁也不知道海王星是否有磁场的时候，实地工作专家们和粒子专家们怎能估计俘获的辐射层的水平？甚至还不能肯定我们将发现什么样的环，天文学家怎能预言环物质在哪里呢？

最初的瞄准点

航行者号科学小组的科学家们一贯赞成与海王星和海卫一两天体很接近地相遇。贴近相遇提供了照相和光学传感器的最好分辨力，提供了测量引力和磁场特性的最好机会，还提供了检测带能粒子和等离子体的最好机会。

为了近距离飞越海王星和海卫一，一个称为“内部海卫一位置”的瞄准点似乎是最好的。这个瞄准点要求飞船贴近通过海王星的北极区域上空，为5小时后与海卫一相遇获得充分的引力偏斜。尽管在1980年环还没有被发现，为飞船的安全起见，科学家建议飞船离行星以至少1.3海王星半径通过赤道面——这里可能是环潜伏的地区。这就导致飞越海卫一的距离为44，000公里。选择到达海王星的时间为1989年8月24日的格林威治平时（GMT）23点20分。

但航行者号摄像队坚持要求以更近的距离飞越海卫一。射电工作队则希望飞船到达时间更晚些。因此，在1985年9月航行者号科学小组会议上，飞越海卫一的距离被建议缩短到10，000公里，到达海王星的时间推迟到8月25日的4点（GMT）。

一个新的理论上的轨道计算出来了。宇宙飞船在最靠近巨大气体团的时候，将在海王星大气之上仅3400公里处通过。每个人都喜欢这个新轨道。由于它至多有几百公里的航行误差，航行者号看起来不会受到海王星大气上层或最近发现的环弧区域的任何可能的伤害。

自然界的新挑战

1985年末出现了四个意外变化，全部为摩菲定律类型。这些意外情况震撼了任务设计者，使他们处于狂乱之中。负责把海王星的大小和质量最可能的估计量提供给任务设计者的科学家们（物理常数估计者）宣称：他们最新的模型揭示了海王星的质量比先前估计的小1.5%；然而行星的半径几乎要大1000公里；海王星的极的倾角比以前认为的倾角大4度；海卫一的一个新的改进的星历表表明它的位置在它以前的位置以南差不多8000公里的地方。

轨道专家鲍勃 · 塞萨龙使用喷气推进实验室功率强大的计算机，以探索一条新的理论上的飞行路线。他坚持相距仅以10，000公里经过海卫一，令人感到惊讶的是，新的轨道是这样计划的——在纸上——航行者号在海王星的北极大气层上空仅1250公里处飞过，在此以前只45分钟，它穿过最外层的环弧区域内侧。

这条冒险的飞行路线使航行者号任务设计办公室开始进行三项研究。这些研究最终将导致把瞄准点移得离海王星更远，因此离海卫一 也更远。

任务设计办公室的战略是分三部分：环境专家尼尔 · 迪万为进行飞船的危险性计算，替海王星上层大气、环和辐射层研制新模型；飞行科学办公室的埃利斯 · 迈纳和彼得 · 多姆斯筹备一系列的科学会议，为科学讯息最好的返回评价瞄准点；任务设计办公室的吉姆 · 格希尔茨将定期地与物理常数估计者（这些人原先把海王星估计得既大又轻）会面，以免减少出现更多的意外情况。

鉴于国际紫外探险者（IUE）卫星从海王星的紫外信号特征，并从假定电发光产生莱曼 - α辐射以及电发光与温度有关的角度来检测海王星但没成功的教训，迪万提出了海王星大气上层的最高温度为500°K的假定，并对任务设计办公室提供了二个密度模型，以便计算飞船安全飞越的距离。设计要避免的不仅是引起阻力的问题，如姿态失控，而且还要避免各种其他可能的问题，如从高电压弧光形成到具有极小可能性的飞船热覆盖层撕裂的问题。原先，航行者号并没有设计到要进入大气层！

危险性计算表明，飞船穿过薄的发火花的气体层时产生的高电压危险是头等要事，而热覆盖层损坏的危险是最小的，为避免高电压弧光形成，航行者号通过海王星时离其中心最近距离必须不小于27，300公里，这就把飞越海卫一的距离推外至23，000公里。

由于近距离通过海王星，巨大的引力偏折戏剧性地影响着飞行路线和飞越海卫一的距离。对海王星最接近的距离增加1公里，对海卫一 最接近的距离就要增加几乎10公里！

这个“杠杆”效应具有重要意义。因为一些大气科学家相信电发光 - 紫外理论是不正确的。若海王星的上层大气如1，000°K那样热，那么，安全飞越海王星的距离必须再外移1350公里，迫使飞越海卫一 的距离要超过36500公里。

海王星不寻常的环

木星有环，土星有环，天王星有环，海王星呢？天文学家最多能说，海王星似乎也有环，但它们不是完整的环。我们知道海王星有环，是来自以地面为基础观察到的恒星被掩，当环瞬息间拦阻恒星光之时，就是环显示它存在的时候。

据观测，海王星在其周围至少有三个近似圆的环，离它中心41，000公里到67，000公里处运行。海王星的环与我们知道的其他大多数环不一样。康奈尔的菲力普 · 尼科尔森，亚利桑那大学的威廉 · 哈伯德及其忙观测者最近对恒星被掩资料的分析表明，环物质并没有填满整个环，而仅仅填满环的一部分弧段。

因为局部的环弧宽度不足20公里，因此宇宙飞船与一个环弧段碰撞的随机概率远低于1%，即使航行者号的导航仪试图想击中其中的一个弧段，成功率也不会超过10%。真正值得担心的是一片散开的不可见粒子可能跨越径向宽度为几千公里的范围。要是这些发散粒子源是最外面的弧，那么航行者号将在这个弧的外边找到安全的通道，因为来自速度较慢并与行星一起旋转的等离子体的阻力将使看不见的环粒子遭受轨道衰减并向海王星内移。

航行者号正好在67，000公里的环弧段地区之外飞过海王星的赤道面这件事，看起来很简单，可惜，因海王星是那样遥远，行星天文学家不能够有把握地定出67，000公里环的精确位置。假定外环弧离海王星中心距离有4，000公里的误差，并假定是以可能最重的海卫一为基础的赤道面来定位，那么，接近海王星的最近距离必须离中心超过28，950公里，这就把飞越海卫一的距离进一步推外至38，500公里。

但是，如果有更多的环物质源，如像一颗或多颗较小的卫星存在于目前已检测到的最远的环弧之外，那该怎么办呢？毕竟，一个冲撞速度为每秒27公里，直径为100微米那样小的粒子，仍然能造成严重的破坏。鉴于这点，计算任务的危险程度就成为非常复杂的事了，且需要大量的有关环粒子密度值的假设和飞船对各种规模撞击的易损性的假设。

尼尔 · 迪万和任务设计办公室的雷克斯 · 赖德诺尔已经完成了这些复杂的计算并发现与环粒子碰撞的可能性是从零到几乎不可避免，这取决于采用何种设想，但总而言之，担任航行者号设计的科学家们相信位于最外面的环弧范围以外的区域是安全的，尽管当世界瞩目的遥控探险者高速冲过海王星系统时，仍存在的不确定因素必然会增加悬念。

作为一个附加的预防措施，如果在航行者号接近海王星期间拍摄的海王星环的长期曝光像揭示出环物质区域有潜在的危险，那么设计负责者可以要求导航仪向外转移瞄准点以求一个安全通道。

海王星的未知辐射

当一艘飞船飞过一个行星的大气边缘或者环物质蔓延区时，所引起的担忧是容易想象的。但大多以接近光速行进的高能电子流为形式的俘获辐射也同样危险。此外，辐射对危险估计者来说是难对付的，因为还没测量过海王星的俘获辐射。由于木星、土星、天王星处有大量高能粒子，因此行星科学家期待海王星也被俘获在旋转磁层内的大片同样的粒子所包围。

1987年1月，迪万和设计科学家爱德华 · 斯通召开会议让行星俘获辐射专家们对具有处在3百万或超过3百万电子伏特能级的电子——这个能级能损害飞船——提出一个上限模型。因为航行者1号经受住了暴露于木星的强烈辐射，而木星的辐射流量峰值为每秒每平方厘米5千3百万电子，总的能量密度差不多为每平方厘米2万亿电子，因此尽管还有些问题，对海王星辐射模型的计算被看作是在木星处遇到过的实际值的一小部分。

在对近距离飞越海王星开出绿灯前，危险估计者长久地苦苦思考着。飞船近距离飞越海王星北极上空的上限辐射模型产生的流量峰值为航行者1号在木星处所遇到的一半以上。但由于海王星的磁层很可能比木星的小以及航行者号将更快地通过磁层，因此总的能量密度比木星的约小30倍。同样，花在靠近通量峰值的时间仅为1小时而不是航行者1号在通过广阔的木星磁层时经受的几小时。

然而，为安全起见，航行者号任务计划要求在海王星近相遇程序中有预防措施，在木星处，高辐射通量导致一些科学传感器背景噪音增加及在少数情况下扩展了衰减性能的周期。虽然在木星处仪器的性能衰退是极高的能量密度造成的，因此在海王星处不是一个严重问题，但高辐射能级也会造成航行者号的主要电子钟的记时误差，钟的误差又会使飞船不能及时完成它的工作。为了避免这一情况的产生，钟要检验，若有必要，将由飞越海王星期间要定的特殊时序命令来改正。

对海卫一的两全其美的办法

乍看起来，选择一个瞄准点好像是简单的：尽量接近到你能安全飞行的地方飞行，大概正好是在最外面的环弧区域的旁边飞过。尽管这基本上是对的，但不能忽视两个重要的考虑。一是导航误差在近距离飞越时更加麻烦些，因误差的影响较大。此外，在近距离飞越时，关键事件出现得太快。对飞船而言，不能挤出足够时间来进行科学家要得到的所有观测。

所以，任务设计小组研究了飞越海卫一的从20，000公里到70，000公里距离的各种轨道。赞成近距离飞越的科学家强调的是要得到较好的海卫一的清晰像，由海卫一观测太阳和地球两个天体掩食的一次较好机会以及在甲烷的云层下面测量被海王星大气折射的射电讯号。

但是，较远飞越给飞船更多时间移动照相机并把照片传送到地球上，并使飞船较容易地在地球被掩周期期间跟踪海王星的边缘。

在科学小组成员中间进行了大量分析和讨论以后，做了二个建议：图像科学队要求以25，000公里的距离飞越海卫一，而射电科学队则要求55，000公里，主要是要保证航行者号在射电掩星期间，它的天线能准确地指向海王星的边缘。

科学小组的负责人爱德华 · 斯通决定了一个两全其美的办法——飞越海卫一的距离为40，000公里。这个选择有助于海卫一双重掩食试验，并且保证航行者号在它向内通过海王星赤道的时候，在已知的环弧区域的最外面经过。

航行者号计划已选择了一个新的瞄准点。虽然飞越海卫一 的距离要比1985年提出的10，000公里远四倍，然而有意思的是，选择的新的瞄准点接近1980年8月最初选择的飞越海卫一的瞄准点。

达到航行者号在木星、土星和天王星处取得的成就对飞越海王星设计者来说是一个挑战。与海王星和海卫一的相遇将揭开自人类首次史诗般地访问巨大的类木行星群以来激奋人心的壮丽一幕。我们能看到海卫一上的液氮湖吗？海王星本身会显示有趣的云层特征吗？我们能发现这颗行星周围有更多的卫星和环吗？可能一点是清楚的：遥远的相遇会给局限于地球的空间迷观众带来一些意外，提供给力求想了解他们所处的宇宙小小一角的人们新图像和新资料。

[Astronomy，1987年］