美國(guó)“黎明”小行星探測(cè)器抵達(dá)谷神星

伍曉京 張揚(yáng)眉（北京空間科技信息研究所）

2015年3月6日，美國(guó)航空航天局(NASA)的“黎明”（Dawn）小行星探測(cè)器抵達(dá)谷神星，從而成為首個(gè)探測(cè)矮行星的探測(cè)器、首個(gè)探測(cè)谷神星的探測(cè)器，還成為首個(gè)探測(cè)兩個(gè)獨(dú)立地外天體的探測(cè)器?！袄杳鳌庇?007年9月27日由德?tīng)査?2火箭發(fā)射。該項(xiàng)目由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）管理，軌道科學(xué)公司（Orbital Sciences Corporation）負(fù)責(zé)探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制造，加州大學(xué)洛杉磯分校負(fù)責(zé)任務(wù)的科學(xué)運(yùn)行?！袄杳鳌表?xiàng)目的總成本預(yù)計(jì)為4.46億美元。

1 任務(wù)背景

“黎明”任務(wù)從立項(xiàng)到發(fā)射可謂“幾經(jīng)波折”。該項(xiàng)目最初計(jì)劃的成本為3.71億美元。2005年，“黎明”項(xiàng)目組要求增加4000萬(wàn)美元的預(yù)算，美國(guó)航空航天局則將項(xiàng)目定為“擱置”（stand down）模式并開(kāi)始調(diào)查成本超支原因和解決方案。2006年3月，美國(guó)航空航天局取消“黎明”任務(wù)，但由于此時(shí)已經(jīng)花費(fèi)了2.57億美元，美國(guó)航空航天局的決定遭到了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)疑，且“黎明”探測(cè)器的制造商軌道科學(xué)公司提出可以按成本價(jià)格向美國(guó)航空航天局交付探測(cè)器，不賺取利潤(rùn)。隨后美國(guó)航空航天局恢復(fù)項(xiàng)目。后來(lái)該項(xiàng)目又出現(xiàn)超支，最終總成本預(yù)計(jì)為4.46億美元。

2 任務(wù)目標(biāo)

科學(xué)目標(biāo)

“黎明”的科學(xué)目標(biāo)是探索小行星帶上質(zhì)量最大的兩顆星體—灶神星（V e s t a）和谷神星（Ceres），研究其質(zhì)量、形狀、體積、引力場(chǎng)和自旋狀態(tài)等，考察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行對(duì)比研究，以揭示太陽(yáng)系開(kāi)始形成時(shí)的條件和演變過(guò)程。

“黎明”任務(wù)要解決以下三個(gè)科學(xué)問(wèn)題：①捕獲太陽(yáng)系起源時(shí)的最初時(shí)刻，使我們能夠研究太陽(yáng)系物體形成的條件；②確定形成類地行星的元素的特性，增進(jìn)我們對(duì)類地行星形成過(guò)程的理解；③對(duì)比兩顆有著不同演變路徑的小星體的形成和演變情況，從而使我們理解造成這種演變的因素。

工程目標(biāo)

“黎明”探測(cè)器是美國(guó)航空航天局首個(gè)采用離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的、以深空探測(cè)為主要目的的深空探測(cè)器[深空－1（DS－1）任務(wù)也曾采用離子發(fā)動(dòng)機(jī)，但主要目的是進(jìn)行離子推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證]?！袄杳鳌比蝿?wù)的工程目標(biāo)之一是進(jìn)一步測(cè)試離子推進(jìn)技術(shù)的可行性。

3 目標(biāo)軌道

“黎明”探測(cè)器成功發(fā)射后，于2007年12月17日進(jìn)入行星際巡航階段，開(kāi)始飛向灶神星。

2009年2月17日，探測(cè)器進(jìn)行火星借力飛行。

2011年7月，探測(cè)器在距離灶神星16000km處被其引力捕獲，進(jìn)入灶神星軌道，成為世界上首個(gè)進(jìn)入太陽(yáng)系主要小行星軌道的探測(cè)器。在到達(dá)灶神星之前，探測(cè)器就拍攝了大量照片，并利用分幅相機(jī)在距離灶神星5200km處拍攝到的圖片制作成視頻。視頻顯示了灶神星的旋轉(zhuǎn)情況，灶神星每5h20min繞軸旋轉(zhuǎn)一周。在接近灶神星的過(guò)程中，探測(cè)器上的導(dǎo)航儀測(cè)量了灶神星對(duì)探測(cè)器的引力大小，從而精確計(jì)算出灶神星的質(zhì)量。

在接下來(lái)的數(shù)個(gè)星期中，探測(cè)器降低了軌道高度，并于2011年8月11日在2700km高度開(kāi)始了第一個(gè)科學(xué)探測(cè)周期（共4個(gè)），此后探測(cè)器逐漸降低軌道高度進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，在逐漸靠近灶神星的過(guò)程中拍攝多角度照片，以繪制其表面地形圖，獲取科學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)等。探測(cè)器總共環(huán)繞灶神星運(yùn)行約1年，環(huán)繞灶神星的最近探測(cè)距離為210km。

2012年9月5日，探測(cè)器開(kāi)始飛向谷神星，于2015年3月6日到達(dá)谷神星，并開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行5個(gè)月的探測(cè)。按計(jì)劃，探測(cè)器的主任務(wù)將于2015年7月結(jié)束，屆時(shí)探測(cè)器將停留在繞谷神星運(yùn)行的軌道上。

“黎明”探測(cè)器飛行了2.8×109km到達(dá)灶神星，從地球飛到灶神星再飛到谷神星的總距離大約為4.9×109km。

“黎明”任務(wù)是遵照美國(guó)航空航天局《行星保護(hù)政策》的深空探測(cè)任務(wù)，要求必須避免探測(cè)器在飛越火星時(shí)撞擊火星。此外由于谷神星上可能有水，因此要求探測(cè)器在完成任務(wù)后至少20年內(nèi)不能撞擊谷神星。“黎明”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的分析預(yù)計(jì)，“黎明”探測(cè)器將在任務(wù)完成后至少環(huán)繞谷神星運(yùn)行50年。

“黎明”探測(cè)器飛行軌道

4 探測(cè)器概況

“黎明”的設(shè)計(jì)壽命為10年，發(fā)射質(zhì)量1217 k g，其中探測(cè)器干質(zhì)量747 k g，肼燃料45kg，氙氣推進(jìn)劑425kg。長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，尺寸為1.64m×1.27m×1.77m。探測(cè)器兩側(cè)對(duì)稱裝有雙太陽(yáng)翼，太陽(yáng)翼翼展19.7m。

其主推進(jìn)采用3臺(tái)氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)，輸入功率2300W時(shí)，推力為92mN，比沖3100s。探測(cè)器使用的離子推進(jìn)技術(shù)還曾經(jīng)用于深空-1任務(wù)。推進(jìn)系統(tǒng)由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制、制造和測(cè)試。3臺(tái)離子推進(jìn)器單獨(dú)安裝，每臺(tái)推進(jìn)器質(zhì)量為8.9kg。

探測(cè)器三軸穩(wěn)定，姿控系統(tǒng)包括2臺(tái)星跟蹤器、3個(gè)雙軸慣性參考單元、16臺(tái)太陽(yáng)敏感器和4個(gè)反作用輪裝置。探測(cè)器通過(guò)其星跟蹤器來(lái)確定其姿態(tài)，通過(guò)反作用動(dòng)量輪來(lái)控制姿態(tài)，但有時(shí)也借助反作用控制系統(tǒng)中的12個(gè)0.9N單元肼推力器實(shí)現(xiàn)來(lái)保持或改變姿態(tài)。這些推力器主要作為反作用輪的備份，曾經(jīng)在發(fā)射后被短暫使用，用于使探測(cè)器停止自旋，且太陽(yáng)翼指向太陽(yáng)。

“黎明”探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

“黎明”探測(cè)器攜帶的有效載荷

它在距離地球1AU（1AU為1個(gè)天文單位，指地球到太陽(yáng)的距離，約1.49×108km）時(shí)，其太陽(yáng)電池翼功率為10.3kW；距離地球3AU時(shí)（壽命末期），功率為1.3kW。蓄電池采用35A ·h的氫鎳電池組。

“黎明”的通信系統(tǒng)采用X頻段，裝有1副直徑為1.5m的高增益拋物面天線、3副低增益全向天線、2個(gè)深空轉(zhuǎn)發(fā)器以及2個(gè)100W的行波管放大器，上行數(shù)據(jù)率7.8bit/s～2.0kbit/s，下行數(shù)據(jù)率10bit/s～124kbit/s。美國(guó)航空航天局的深空網(wǎng)（DSN）對(duì)探測(cè)器進(jìn)行追蹤并與其進(jìn)行通信。

指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行全面控制，并對(duì)探測(cè)器的工程和科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。該系統(tǒng)包括有備份的RAD6000處理器，每個(gè)處理器容量為8Gbit。

探測(cè)器攜帶了3種有效載荷，包括分幅相機(jī)（2臺(tái)）、可見(jiàn)光和紅外測(cè)繪光譜儀、伽馬射線中子探測(cè)儀。

5 研制特點(diǎn)

（1）完全使用其他科學(xué)衛(wèi)星備份或使用過(guò)的部件，具有低風(fēng)險(xiǎn)和高可靠性

“黎明”探測(cè)器采用了大量其他探測(cè)器或衛(wèi)星的備份或使用過(guò)的部件，例如：

1）高度控制系統(tǒng)采用在“軌道觀測(cè)”（Orbview）、“托佩克斯”／“海神”（(Topex／Poseidon)和“遠(yuǎn)紫外探索者”（EUVE）衛(wèi)星曾經(jīng)使用過(guò)的系統(tǒng)；

2）肼發(fā)動(dòng)機(jī)采用在“印尼星”(Indostar)上使用12臺(tái)0.9N發(fā)動(dòng)機(jī)；

3）指令和數(shù)據(jù)處理使用與“軌道觀測(cè)”衛(wèi)星計(jì)劃中相同的部件；

4）飛行軟件與模塊也采用“軌道觀測(cè)”衛(wèi)星計(jì)劃中的部件；

5）采用基于軌道科學(xué)公司的“星”平臺(tái)的集成結(jié)構(gòu)。

（2）改進(jìn)性地繼承以前深空探測(cè)器攜帶的儀器的技術(shù)，研制成本低，可靠性高

“黎明”探測(cè)器攜帶的科學(xué)儀器改進(jìn)性地繼承了歐洲航天局和美國(guó)航空航天局以往的深空探測(cè)任務(wù)攜帶的儀器的設(shè)計(jì)，可極大地降低研制成本和風(fēng)險(xiǎn)，且該探測(cè)器儀器的研制采取了國(guó)際合作的形式，美國(guó)、德國(guó)和意大利的單位和公司均參與了合作。

（3）采用低成本的離子推進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)或?qū)⒊蔀槲磥?lái)深空探測(cè)的主要?jiǎng)恿?/p>

“黎明”任務(wù)是一次真正意義上利用離子推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的任務(wù)，以前的多目標(biāo)深空探測(cè)任務(wù)都采用傳統(tǒng)的推進(jìn)方式，例如“旅行者”探測(cè)器，因此僅能進(jìn)行飛越探測(cè)。

使用離子推進(jìn)器可以在探測(cè)器從地球起飛時(shí)使用較小的運(yùn)載火箭，降低發(fā)射成本。離子推進(jìn)器還有加速時(shí)間長(zhǎng)、可取得較大的速度變化和便于控制的優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的行星際探測(cè)器上使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，可在20min內(nèi)消耗300kg的燃料，獲得的速度增量為1000m/s。“黎明”探測(cè)器上的離子發(fā)動(dòng)機(jī)每天只消耗0.25kg的氙氣，獲得的速度變化是10m/s。為了取得1000m/s的速度增量，僅需要25kg氙，但需要用100天的時(shí)間。因此采用離子推進(jìn)技術(shù)的飛行時(shí)間比較長(zhǎng)。

低成本的氙離子推進(jìn)系統(tǒng)在美國(guó)“黎明”探測(cè)器上得到成功應(yīng)用，表明電推進(jìn)在空間探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，電推進(jìn)技術(shù)不但可用作軌道位置保持．還可用作主推進(jìn)。電推進(jìn)或?qū)⒊蔀槲磥?lái)深空探測(cè)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

6 探測(cè)成果

灶神星表面“瑪西亞”隕坑立體圖

“黎明”探測(cè)器拍攝的灶神星圖像（2011年7月）

2012年7月，“黎明”探測(cè)器完成了對(duì)灶神星的環(huán)繞探測(cè)，取得了前所未有的科學(xué)探測(cè)成果。探測(cè)器在約1年的探測(cè)期內(nèi)，拍攝了灶神星不同表面的圖像，發(fā)現(xiàn)在灶神星的南半球有2個(gè)巨大的撞擊坑，證實(shí)了灶神星曾受到巨大撞擊而拋出碎塊成為有關(guān)的小行星和隕石。在灶神星南極有一座高約25000m的大型山脈，該山脈的高度遠(yuǎn)超地球珠穆朗瑪峰的高度。灶神星表面還有許多不同大小的撞擊坑，在近赤道處有一片連續(xù)的山脊和溝壑帶。此外，探測(cè)器發(fā)現(xiàn)在灶神星沿赤道附近的地區(qū)擁有分布廣泛的易揮發(fā)物質(zhì)，這些物質(zhì)使得灶神星赤道附近表面呈多種顏色，這些易揮發(fā)物質(zhì)（可能是水）存在于灶神星表面的坑洞中，以含水礦物的形式存在。灶神星表面由于揮發(fā)性組分的釋放形成坑洼地形，此次“黎明”探測(cè)器拍攝了“瑪西亞”（Marcia）隕坑的立體圖，該地區(qū)保存有最壯觀的坑洼地形。總而言之，“黎明”探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果說(shuō)明了一點(diǎn)，就是含水礦物在塑造灶神星地質(zhì)歷史并形成我們今天所見(jiàn)地表的過(guò)程中起著非常重要的作用。

自2014年12月1日以來(lái)，探測(cè)器拍攝了大量谷神星的照片。2015年1月3日，探測(cè)器對(duì)谷神星進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1h的觀測(cè)，拍攝了展示谷神星表面明暗區(qū)域的圖像，并傳回谷神星表面環(huán)形山的首批詳細(xì)數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)到2015年1月底，探測(cè)器拍攝的谷神星圖像像素將超過(guò)“哈勃”望遠(yuǎn)鏡，可以前所未有的精細(xì)度檢視谷神星的表面并對(duì)其進(jìn)行研究。