美國“賽琪”探測器升空，將首次詳探金屬小行星

張揚眉 王帥 （北京空間科技信息研究所）

2023年10月13日，美國“賽琪”（Psyche）小行星探測器從肯尼迪航天中心由美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運載火箭發(fā)射升空?！百愮鳌笔敲绹鴩液娇蘸教炀郑∟ASA）“發(fā)現(xiàn)計劃”（Discovery Program）的第14次任務(wù)，將探測金屬小行星——靈神星（Psyche），幫助解答有關(guān)太陽系起源和形成等基本問題。按計劃，“賽琪”將于2029年8月抵達靈神星，并開始為期26個月的科學探測活動。

1 任務(wù)背景

2015年，“賽琪”任務(wù)方案作為NASA“發(fā)現(xiàn)計劃”“機遇公告”（AO）的5項入圍方案之一，獲得300萬美元用于進一步研究。

2017年1月4日，“賽琪”被選為“發(fā)現(xiàn)計劃”的第14次任務(wù)，發(fā)射日期定在2023年。但在2017年5月，為采取更高效的飛行軌道，發(fā)射日期被提前到2022年7月，按當時計劃，探測器將在2023年5月23日進行火星借力飛行，2026年1月31日抵達目標小行星。

然而在2022年6月，NASA稱“賽琪”的測試設(shè)備和飛行軟件交付較晚，沒有足夠的時間來完成所需的測試，決定推遲發(fā)射，后續(xù)的窗口在2023年和2024年，將分別在2029年和2030年抵達小行星。

2022年10月28日，NASA宣布“賽琪”任務(wù)將于2023年10月10日開啟發(fā)射窗口，并于2029年8月抵達目標小行星。

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標

靈神星是一顆位于火星與木星之間的小行星帶的M型小行星，由意大利天文學家安尼巴萊.德.加斯帕里斯（Annibale de Gasparis）于1852年3月17日發(fā)現(xiàn)。靈神星是目前發(fā)現(xiàn)的最大的M型小行星，呈不規(guī)則的馬鈴薯型，長232km，最寬處約280km，表面積約165800km2。據(jù)估計，靈神星的質(zhì)量約占所有小行星帶天體質(zhì)量的0.6%。

據(jù)科學界推斷，包括水星、金星、火星以及地球在內(nèi)的巖石行星具有金屬核心，但這些核心位于行星的巖質(zhì)外殼之下，無法直接探測。而靈神星可能是在早期太陽系形成過程中，與更大的天體碰撞之后，失去巖石外殼而露出金屬核心的行星，因此對于研究巖石行星的碰撞和吸積歷史具有重大意義。

“賽琪”任務(wù)的科學目標是史無前例地詳探形成巖石行星的要素——金屬核心，這也是美國首次探測主要由金屬構(gòu)成的小行星?！百愮鳌钡木唧w探測目標如下：

1）確定靈神星究竟是一個裸露的金屬核心，還是一種未熔化的物質(zhì)；

2）確定靈神星表面各區(qū)域的相對年齡；

3）確定靈神星是否包含了與地球高壓內(nèi)核中相同的輕元素；

4）與地球的核心相比，確定靈神星是在更強的氧化性還是更強的還原性條件下形成的；

5）確定靈神星的地形特征。

靈神星想象圖

系統(tǒng)組成

“賽琪”任務(wù)由美國亞利桑那州立大學（ASU）領(lǐng)導，NASA噴氣推進實驗室（JPL）負責任務(wù)總體管理、系統(tǒng)工程、集成和測試以及任務(wù)運行。項目首席專家為亞利桑那州立大學的琳迪.埃爾金森.坦頓（Lindy Elkins Tanton）。任務(wù)研發(fā)、發(fā)射和運行成本約為12億美元，其中包括1.31億美元的發(fā)射費用。此外，“深空光學通信”（DSOC）演示驗證的成本為2.06億美元。

探測器采用麥克薩技術(shù)公司（Maxar Technologies）的改進型Maxar 1300平臺。噴氣推進實驗室為探測器提供了指令和數(shù)據(jù)處理與通信分系統(tǒng)、飛行軟件以及“深空光學通信”設(shè)備。

“賽琪”探測器外形

探測器發(fā)射質(zhì)量為2747kg，尺寸為2.2m×2.4m×4.9m。太陽翼展開狀態(tài)時長24.76m，寬7.34m。探測器裝有一副2m吊桿，其上安裝了兩種有效載荷——伽馬射線和中子光譜儀（Gamma Ray and Neutron Spectrometer）以及磁強計（Magnetometer）。探測器計劃壽命8年。

推進系統(tǒng)包括4臺霍爾效應推進器，用于將太陽能電池陣產(chǎn)生的電能傳輸?shù)诫妱影l(fā)動機上?！百愮鳌睂⑹堑谝粋€在月球軌道以遠使用霍爾效應推進器的任務(wù)，攜帶了7個82L氙推進劑儲箱，推進劑質(zhì)量1085kg。此外，探測器還配有12臺冷氮氣系統(tǒng)小型推力器，3個82L加壓氮推進劑儲箱（共46kg），用于協(xié)助環(huán)繞小行星時探測器的動量管理，以及在霍爾推進器無法完全工作時使用。

電源系統(tǒng)包括位于探測器兩側(cè)的一對十字形的太陽翼，總面積為75m2，在地球附近的功率為21kW，在靈神星附近的功率為2.3～3.4kW。每副翼長11.3m，寬7.3m，分別由5塊電池板組成。此外，探測器還攜帶了一臺144Ah的鋰離子電池組。

通信系統(tǒng)采用4副天線，包括1副2m的固定高增益天線（麥克薩技術(shù)公司研制）和3副小型低增益天線（噴氣推進實驗室研制）。探測器通過深空網(wǎng)的34m天線用X頻段進行數(shù)據(jù)和指令的收發(fā)。

有效載荷

探測器攜帶了4種有效載荷，總質(zhì)量為30kg，包括多光譜成像儀（Multispectral Imager）、伽馬射線和中子光譜儀、磁強計、X頻段重力科學調(diào)查儀器（X-band Gravity Science Investigation）。

此外，此次任務(wù)還將測試深空激光通信技術(shù)，目標是將探測器的通信性能和效率提高到傳統(tǒng)方式的10～100倍。此次“深空光學通信”實驗是NASA首次在地月系統(tǒng)之外進行的光學通信演示驗證。該演示驗證系統(tǒng)由飛行激光收發(fā)器、地面近紅外激光發(fā)射器和地面激光接收器組成。飛行激光收發(fā)器安裝在探測器上，包括一個用于向地面發(fā)送高速率數(shù)據(jù)的近紅外激光發(fā)射器，以及一臺用于接收地面發(fā)射的激光的光子計數(shù)照相機。地面近紅外激光發(fā)射器位于噴氣推進實驗室的“桌山觀測臺”（TMO），把經(jīng)調(diào)制的激光上行傳輸?shù)斤w行激光收發(fā)器。此外，上行激光還將充當飛行激光收發(fā)器鎖定的信標。地面激光接收器為加州理工學院帕洛瑪天文臺（Palomar Observatory）的“黑爾望遠鏡”（Hale Telescope），將利用靈敏的超導納米線光子計數(shù)接收器收集來自飛行激光收發(fā)器的高速率下行鏈路數(shù)據(jù)，以演示驗證高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

“賽琪”攜帶的有效載荷

“深空光學通信”演示驗證將在探測器發(fā)射后約3個星期、距離地球約7.5×106km處開始，總共進行2個階段，持續(xù)運行2年，并將視具體情況延長時間。

任務(wù)過程

“賽琪”發(fā)射后，與位于澳大利亞堪培拉的NASA深空網(wǎng)綜合設(shè)施建立了雙向通信。據(jù)發(fā)射后數(shù)小時的初步遙測報告顯示，探測器健康狀況良好，太陽翼也已展開。探測器將于2026年5月進行火星借力飛行。2029年7月，探測器將被靈神星引力捕獲。2029年8月，探測器將抵達靈神星，進入實施科學探測活動的運行軌道。探測器將對靈神星以4種不同的高度進行26個月的探測，與該小行星的最近距離達到64km，最遠距離為709km。2031年11月1日，探測器將結(jié)束主任務(wù)。

探測器的探測軌道被分為軌道A、軌道B1、軌道D、軌道C和軌道B2。上述軌道是按照探測期間照亮靈神星表面的陽光百分比以及所能完成的科學探測類型來劃分的。

“賽琪”探測器的科學探測軌道參數(shù)

3 任務(wù)特點分析

首次詳探金屬小行星，對研究太陽系行星具有重要意義

“賽琪”任務(wù)是美國首次探測金屬小行星的任務(wù)，以往小行星探測任務(wù)的目標天體大都是巖質(zhì)或硅質(zhì)小行星。根據(jù)地面雷達和光學望遠鏡獲得的數(shù)據(jù)推測，靈神星可能是一顆尚未形成的行星的金屬內(nèi)核，在形成初期與其他的大型天體相撞，失去了巖石外殼。由于地球的內(nèi)地核主要由鐵、鎳等金屬元素構(gòu)成，因此研究靈神星為研究地球內(nèi)地核提供了一條獨特的捷徑。

地球、火星和金星上的巖石都含有大量的鐵氧化物，而根據(jù)目前的觀測，靈神星表面的鐵氧化物不多。這表明靈神星的形成和演化歷史不同于普遍的行星形成過程。如果靈神星被證明是行星形成過程中遺留下來的核心物質(zhì)，那么科學家們將研究其演化歷史與巖質(zhì)行星演化史的異同。如果研究發(fā)現(xiàn)靈神星并不是一個裸露的內(nèi)核，那么靈神星則可能是一種前所未見的原始太陽系天體，也具有重大的科學探測意義。

首次在月球以遠采用霍爾效應推進器提供動力

“賽琪”是NASA首次使用霍爾效應推進器的深空探測任務(wù)。霍爾效應推進器是一種離子推進器，利用磁場限制電子的軸向運動，然后利用這些電子使氙氣推進劑電離，有效地加速離子產(chǎn)生推力。電離氣體在太空中跟隨在探測器后方時，會發(fā)出藍色光芒。“賽琪”共配備4臺霍爾效應推進器，每次運行1臺，產(chǎn)生的推力相當于人的手掌握住一節(jié)五號電池所需的力。在沒有摩擦的太空中，探測器將緩慢而持續(xù)地加速。霍爾效應推進器結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，節(jié)省推進劑，對于長時間的深空探測任務(wù)具有較大優(yōu)勢。

“一舉兩得”，同時兼顧科學探測和新型技術(shù)演示驗證

“賽琪”任務(wù)在進行小行星科學探測活動的同時，還將演示驗證一種新型“深空光學通信”技術(shù)，在單次任務(wù)中兼顧了科學探測和技術(shù)試驗的雙重目的，并且這也是NASA有史以來進行的速率最快的高帶寬光學通信測試。“深空光學通信”技術(shù)是NASA在空間技術(shù)領(lǐng)域的一項預研項目，對美國未來的載人火星探測任務(wù)具有重要意義，并且可以廣泛地應用于火星、木星以及其他深空探測任務(wù)中。

在深空探測任務(wù)中搭載新型技術(shù)演示驗證設(shè)備，一方面可提高任務(wù)的成本效益率，另一方面也為NASA前沿任務(wù)的研發(fā)提供了飛行實踐的機會。

4 幾點啟示

小行星探測已成為全球深空探測領(lǐng)域的重點目標

目前，全球各主要航天國家對小行星探測都極為重視，美國、歐洲、俄羅斯、日本等國家和地區(qū)都在未來深空探索計劃中涵蓋了小行星探測，阿聯(lián)酋、韓國等也在近年提出要實施小行星探測任務(wù)。太陽系內(nèi)小行星眾多，這些小行星中蘊含很多能夠回答太陽系起源和演化等重要問題的線索，還有大量小行星具有極高的資源開采價值。小行星數(shù)據(jù)網(wǎng)站Asterank針對超過60萬顆小行星建立了數(shù)據(jù)庫，根據(jù)各方面獲得的數(shù)據(jù)，估算小行星采礦的成本效益，如之前日本、美國探測過的龍宮（Ryugu）、貝努（Bennu）、迪蒂莫斯（Didymos）小行星位列最具開采成本效益的小行星前十名榜單。據(jù)該公司評估，靈神星價值也高達277億美元（然而在該公司數(shù)據(jù)庫的小行星價值排名中，靈神星排名并不靠前，價值最高小行星前十名的量級超過100萬億美元)，可見未來小行星資源開采具有廣闊的前景。此外，還有一些近地小行星是可能與地球碰撞的危險小行星，研究其運行軌道和規(guī)律對于規(guī)避與地球的碰撞風險至關(guān)重要。綜上所述，小行星探測具有重大的科學、技術(shù)、經(jīng)濟價值，目前小行星探測也已成為全球深空探測領(lǐng)域的重點目標。

美國深空探測任務(wù)關(guān)注科學前沿，注重“首次”

不同于應用類衛(wèi)星關(guān)注性能提升和應用普及，科學探測任務(wù)的核心是完成科學探索，幫助解決科學問題，首次開拓某個領(lǐng)域、揭示某個現(xiàn)象或者解答某個問題，具有重大顛覆性和推動性的科學意義。美國的深空探測任務(wù)非常關(guān)注科學前沿，通常針對相關(guān)領(lǐng)域的重大科學問題進行任務(wù)規(guī)劃和設(shè)計，且注重“首次”，旨在填補研究空白，取得里程碑式的科學認知和突破。

美國高度重視新興前沿航天技術(shù)的預研和儲備

美國長期以來十分重視深空探測的技術(shù)預研與儲備，制定了具有持續(xù)性的技術(shù)領(lǐng)域投資規(guī)劃。美國NASA行星科學部門與空間技術(shù)任務(wù)部合作，對深空探測技術(shù)的研發(fā)和投資進行統(tǒng)籌管理，并尋求在行星任務(wù)中驗證新技術(shù)的機會，包括共性技術(shù)和專用技術(shù)，提前投入大量預算進行新型能源、推進、導航、大氣捕獲、儀器化、小型化、輻射減緩、行星保護、樣品采集、返回和處理等新技術(shù)的研發(fā)，如高能太陽電推進系統(tǒng)、進入/下降和著陸系統(tǒng)（EDL）、空間機器人系統(tǒng)、激光通信中繼驗證、低密度超聲速減速器等項目。此次任務(wù)就將重點演示驗證“深空光學通信”技術(shù)，并首次在月球以遠采用霍爾效應推進技術(shù)為探測器提供動力，為美國未來的深空探索任務(wù)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

任務(wù)延期發(fā)射會對探測計劃、任務(wù)成本、搭載載荷等造成巨大影響

“賽琪”任務(wù)原計劃在2022年8月1日～10月11日的窗口發(fā)射，但由于探測器的飛行軟件和測試設(shè)備交付較晚，無法按時完成相關(guān)測試，因此NASA將任務(wù)發(fā)射時間延期一年。此次延期對既定科學探測進度、任務(wù)成本、搭載發(fā)射任務(wù)等造成了巨大的影響。探測器抵達目標小行星的時間推遲了3.5年；任務(wù)成本大幅增加進而影響到NASA的其他深空探測任務(wù)，例如：“真相”（VERITAS）金星任務(wù)的發(fā)射時間也受其影響被推遲3年；原計劃搭載“賽琪”發(fā)射的“雙面神”（Janus）雙小行星系統(tǒng)探測任務(wù)，由于“賽琪”延期后無法按照原計劃軌道飛行，被取消搭載發(fā)射，不得不另尋搭載發(fā)射機會。

“賽琪”的延期發(fā)射反映出NASA的項目管理存在一定問題，NASA為此成立了獨立審查委員會進行調(diào)查研究，對如何應對項目延期和解決噴氣推進實驗室的制度性問題提出了建議，進而在人力資源管理、進度定量監(jiān)測和監(jiān)督等方面采取了多項措施，取得了較為顯著的成果。