靈神星探測(cè)器：開(kāi)啟“黃金星球”探索之旅

文/文藝

10月13日，獵鷹重型火箭攜帶探測(cè)器從美國(guó)肯尼迪航天中心升空，開(kāi)啟了浪漫的靈神星探索之旅。與目標(biāo)星球同名的探測(cè)器，將瞄準(zhǔn)那顆萬(wàn)眾矚目的“黃金星球”，執(zhí)行至少為期8年的任務(wù)。那么靈神星究竟在科學(xué)家心中有何魅力？為了完成使命，探測(cè)器身懷哪些“絕技”？科學(xué)家有望從這項(xiàng)任務(wù)中收獲哪些成果呢？

“黃金屬性”暗藏玄機(jī)

科學(xué)家觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，靈神星是一顆幾乎完全由金屬構(gòu)成的小行星，各種稀有金屬礦藏儲(chǔ)量豐富。某些好事者以此為由，給靈神星估值高達(dá)1000億億美元，賦予其“黃金星球”的美稱(chēng)。

其實(shí)，靈神星吸引科學(xué)家之處遠(yuǎn)遠(yuǎn)不限于“黃金屬性”。科學(xué)家認(rèn)為，靈神星很可能是已知的太陽(yáng)系中唯一的完全由內(nèi)核構(gòu)成的天體，也就是說(shuō)，它給了人類(lèi)直接觀測(cè)與研究行星內(nèi)核的難得契機(jī)。

靈神星平均直徑約220千米，在主小行星帶中可以排進(jìn)前20名，但地基望遠(yuǎn)鏡仍然難以對(duì)其進(jìn)行高清成像研究。因此，想要真正認(rèn)識(shí)這顆金屬小行星，還是需要出動(dòng)探測(cè)器。與現(xiàn)有的間接探測(cè)手段相比，直接觀測(cè)有望更好地幫助科學(xué)家們研究天體內(nèi)部構(gòu)成，總結(jié)天體演化規(guī)律，觸類(lèi)旁通地揭示地球內(nèi)核的秘密。

于是，美國(guó)宇航局提出了靈神星探索任務(wù)的5個(gè)主要目標(biāo)：

▲ 獵鷹重型火箭成功發(fā)射靈神星探測(cè)器

其一，確認(rèn)靈神星究竟是由天體遺留內(nèi)核演化的，還是由未熔化物質(zhì)形成的。

其二，確定靈神星表面各區(qū)域的相對(duì)年齡。

其三，弄清楚這類(lèi)小型金屬天體是否包含所謂“輕元素”?？茖W(xué)家認(rèn)為，這類(lèi)物質(zhì)廣泛地存在于地球的高壓核心中。

其四，研究靈神星的形成環(huán)境，尤其是相比地球核心，它究竟是更具氧化性，還是更具還原性。

其五，描繪靈神星表面的地形特征。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，美國(guó)宇航局投資超過(guò)11億美元用于研制探測(cè)器，規(guī)劃了至少持續(xù)8年的探索之旅。2017年1月5日，靈神星探測(cè)計(jì)劃作為成本低、周期短、見(jiàn)效快的發(fā)現(xiàn)級(jí)項(xiàng)目被立項(xiàng)。但探測(cè)器研制進(jìn)展并不順利，發(fā)射計(jì)劃一拖再拖，成本也一路飆升，幾乎達(dá)到了更高級(jí)的新疆界級(jí)項(xiàng)目預(yù)算。

▲ 靈神星被大家戲稱(chēng)為“黃金星球”

按照最新推算結(jié)果，探測(cè)器將在2024年飛越火星，2026年前巡航進(jìn)入小行星帶。接下來(lái)，探測(cè)器將耗費(fèi)約3年來(lái)調(diào)整航線(xiàn)，2029年左右抵達(dá)靈神星軌道，總航程約40億千米。然后，預(yù)計(jì)探測(cè)器會(huì)在2029～2031年間環(huán)繞靈神星飛行，開(kāi)展為期約26個(gè)月的科學(xué)測(cè)繪和研究。

▲ 探測(cè)器將圍繞靈神星進(jìn)行復(fù)雜的變軌機(jī)動(dòng)

其中，至少持續(xù)2年的觀測(cè)階段又可以進(jìn)一步分為4個(gè)軌道階段，軌道高度逐漸降低：

A軌稱(chēng)作特征軌道段，高度709千米，傾角90度，周期32.6小時(shí)，主要目標(biāo)是初步探測(cè)靈神星的磁場(chǎng)和地形地貌。

B軌稱(chēng)作地形軌道段，高度303千米，傾角90度，周期11.6小時(shí)，主要目標(biāo)是詳細(xì)探測(cè)靈神星的磁場(chǎng)和地形地貌，又進(jìn)一步分為B1軌和B2軌。

C軌稱(chēng)作重力科學(xué)軌道段，高度190千米，傾角90度，周期7.2小時(shí)，主要目標(biāo)是探測(cè)靈神星的重力場(chǎng)和磁場(chǎng)。

D軌稱(chēng)作元素成分制圖軌道段，高度75千米，傾角160度，周期3.6小時(shí)，主要目標(biāo)是探測(cè)靈神星表面化學(xué)元素成分。

不過(guò)，為了適應(yīng)光照條件變化等因素，探測(cè)器的軌道不是嚴(yán)格依序調(diào)整，大致是A軌→B1軌→D軌→C軌→B2軌。

顯然，探測(cè)器想要完成這段旅程，注定挑戰(zhàn)重重，首先面臨的很可能是動(dòng)力和能源供給的長(zhǎng)期維持問(wèn)題，確保在8年間持續(xù)正常工作。其次是遙遠(yuǎn)旅程中的通信問(wèn)題，畢竟探測(cè)器需要在超遠(yuǎn)距離上與地球維持可靠的高質(zhì)量通信，高效準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)。此外，靈神星的奇特結(jié)構(gòu)和近似土豆形狀所帶來(lái)的適應(yīng)性問(wèn)題也不容忽視，這涉及探測(cè)器能否安全地接近靈神星并收集科學(xué)數(shù)據(jù)。

先進(jìn)設(shè)備頗有亮點(diǎn)

為了確保能夠在惡劣環(huán)境下完成長(zhǎng)期任務(wù)，探測(cè)器配備了各種先進(jìn)設(shè)備，力爭(zhēng)戰(zhàn)勝旅途上的“九九八十一難”。

從總體上看，探測(cè)器主要由太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)、飛行計(jì)算機(jī)、傳感器和飛行激光收發(fā)器等組成，其中不乏創(chuàng)新之處。

首先是探測(cè)器尺寸最大的主體架構(gòu)——太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)，它主要由2個(gè)太陽(yáng)能電池陣列、系統(tǒng)底盤(pán)、推進(jìn)劑貯箱等組成。其中，由5塊面板構(gòu)成的十字形太陽(yáng)能電池陣列展開(kāi)后，長(zhǎng)24.76米，寬7.34米，相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小，創(chuàng)下了美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室有史以來(lái)部署的太陽(yáng)能電池陣列之最。

巨大的電池陣列主要用于在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空低光環(huán)境中滿(mǎn)足探測(cè)器的電力需求，既要維持科學(xué)儀器設(shè)備運(yùn)行，又能夠驅(qū)動(dòng)電推進(jìn)裝置，支持探測(cè)器“長(zhǎng)途跋涉”。值得注意的是，“超高效太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)”是該探測(cè)器應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)之一，核心裝備是霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，而本次探測(cè)靈神星之旅也是航天器在地月空間之外的宇宙空間使用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器“首秀”。

▲ 太陽(yáng)能電池陣列地面測(cè)試

接下來(lái)，有必要了解探測(cè)器的“大腦”——飛行計(jì)算機(jī)。由于靈神星的形狀非常奇特，科學(xué)家推測(cè)，它很可能擁有非常不規(guī)則的重力場(chǎng)，因此設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)必須在導(dǎo)航和控制領(lǐng)域多下功夫，確保其安全地在離靈神星較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)行，同時(shí)精確測(cè)量靈神星的引力場(chǎng)。然后，通過(guò)建模并實(shí)時(shí)改進(jìn)引力場(chǎng)模型，形成控制策略，進(jìn)而促使探測(cè)器的運(yùn)行軌道持續(xù)調(diào)整，慢慢靠近靈神星。

在此過(guò)程中，飛行計(jì)算機(jī)采用的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制軟件會(huì)發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。它將幫助探測(cè)器的天線(xiàn)準(zhǔn)確地指向地球，以便傳輸數(shù)據(jù)，接收來(lái)自任務(wù)控制系統(tǒng)的命令。這類(lèi)軟件不僅在控制探測(cè)器飛行方向時(shí)顯得至關(guān)重要，也是太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)揮作用所必不可少的。

▲ 探測(cè)器展開(kāi)太陽(yáng)翼示意圖

▲ 探測(cè)器發(fā)射前進(jìn)行緊張測(cè)試

▲ 深空激光通信裝置特寫(xiě)

然后，探測(cè)器的“眼睛”與“觸手”將擔(dān)當(dāng)重任。它們就是各種傳感器，包括磁力儀、多光譜成像儀、伽馬射線(xiàn)和中子光譜儀。其中，磁力儀用于測(cè)量靈神星的磁場(chǎng)。多光譜成像儀用于獲取靈神星表面足夠高分辨率的圖像，輔助識(shí)別靈神星表面的金屬、硅酸鹽等物質(zhì)成分，進(jìn)而收集地質(zhì)地形等數(shù)據(jù)。伽馬射線(xiàn)和中子光譜儀是識(shí)別靈神星表面化學(xué)元素的“主力擔(dān)當(dāng)”，所獲數(shù)據(jù)將幫助繪制靈神星物質(zhì)構(gòu)成圖。另有微波無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)，用于高精度測(cè)量靈神星的重力場(chǎng)，收集有關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的線(xiàn)索。

最后，探測(cè)器的“口”與“耳”也是至關(guān)重要的。它們的學(xué)名是飛行激光收發(fā)器，與地面激光接收器共同組成了深空激光通信系統(tǒng)，有望將深空探測(cè)任務(wù)的信息傳輸效率以幾何倍數(shù)提升。

科技成果令人期待

從設(shè)備構(gòu)成上不難發(fā)現(xiàn)，靈神星探測(cè)器承擔(dān)著實(shí)用化驗(yàn)證多項(xiàng)航天新技術(shù)的重任。

比如，霍爾推進(jìn)器在磁場(chǎng)中“捕獲”活躍電子后，借電子充分電離推進(jìn)劑，獲取高效動(dòng)力。一般認(rèn)為，這種推進(jìn)器比同等推力的化學(xué)推進(jìn)器會(huì)消耗更少的推進(jìn)劑，而對(duì)比現(xiàn)有電推進(jìn)技術(shù)中常用的離子推進(jìn)器，其設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。可以說(shuō)，基于霍爾推進(jìn)器，科學(xué)家和工程師有望研制出更輕小、更經(jīng)濟(jì)的航天器，滿(mǎn)足長(zhǎng)期深空探索任務(wù)的需求。

深空激光通信技術(shù)通過(guò)使用近紅外波長(zhǎng)的光子來(lái)編碼數(shù)據(jù)，承擔(dān)在深空探測(cè)器和地球之間高效通信的重任。據(jù)測(cè)算，對(duì)比目前同等大小和功率的無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)，激光通信系統(tǒng)有望使航天飛行任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率提高10～100倍，從而使探測(cè)器有潛力向地球傳輸更高分辨率的圖像、更大容量的科學(xué)數(shù)據(jù)，顯著提高深空通信水平。

美國(guó)宇航局計(jì)劃通過(guò)本次探測(cè)靈神星之旅來(lái)驗(yàn)證該技術(shù)，主要試驗(yàn)將在探測(cè)器巡航階段前期進(jìn)行。到時(shí)候，探測(cè)器通過(guò)深空激光通信發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，美國(guó)加州理工學(xué)院帕洛瑪山天文臺(tái)的5.1米口徑海爾望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)接收，持續(xù)大約1年。近日，該試驗(yàn)已收獲成果。

早在2014年，美國(guó)宇航局曾利用激光將高清視頻從國(guó)際空間站傳送回地面，而在沒(méi)有大氣層折射散射干擾的深空環(huán)境中，激光通信無(wú)疑將發(fā)揮出更顯著的優(yōu)勢(shì)。作為美國(guó)宇航局有史以來(lái)最遙遠(yuǎn)的高帶寬激光通信測(cè)試，靈神星探測(cè)器有可能促進(jìn)航天通信技術(shù)革命，加速應(yīng)用于下一個(gè)任務(wù)前沿——深空。

盡管靈神星探測(cè)計(jì)劃遭遇了許多技術(shù)困難和管理問(wèn)題，導(dǎo)致其一再延誤，但美國(guó)宇航局對(duì)探索靈神星的執(zhí)著并未動(dòng)搖，原因當(dāng)然不僅是渴望靈神星上的稀有金屬資源。

一方面，探測(cè)器如果能夠獲得靈神星大量有關(guān)元素構(gòu)成、引力場(chǎng)分布、地質(zhì)地形等方面的重要數(shù)據(jù)，有望為科學(xué)家提供更多有價(jià)值信息，深入了解行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程，進(jìn)而幫助回答關(guān)于地球核心和太陽(yáng)系形成的問(wèn)題。

另一方面，靈神星之旅無(wú)疑將為多項(xiàng)新技術(shù)提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，成果反饋或許將助力人類(lèi)深空探測(cè)事業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍，不僅有望從更遙遠(yuǎn)的天體了解更詳細(xì)的信息，還可能幫助人類(lèi)執(zhí)行更復(fù)雜、效益更大的深空任務(wù)。未來(lái)，太空采礦等航天經(jīng)濟(jì)規(guī)?；⒊B(tài)化之后，人們或許會(huì)銘記靈神星探測(cè)器這個(gè)技術(shù)和工程實(shí)踐的“探路先鋒”。

總之，“黃金星球”本身及其探索之旅都有可能帶來(lái)眾多驚喜，我們不妨拭目以待。