靈神星探索之旅啟程！目標不止“黃金星球”

北京時間10月13日22時19分，美國獵鷹重型火箭從肯尼迪航天中心托舉一個探測器升空，浪漫的靈神星探索之旅就此啟程。這個探測器與靈神星同名，目標正是那顆萬眾矚目的“黃金星球”，計劃執(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，探測器身懷哪些“絕技”？科學(xué)家有望從這項任務(wù)中收獲哪些成果呢？

獵鷹重型火箭發(fā)射探測器

“黃金屬性”暗藏玄機

科學(xué)家觀測發(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量豐富。某些好事者以此為由，給靈神星估值高達1000億億美元，賦予其“黃金星球”的美稱。

其實，靈神星吸引科學(xué)家之處遠遠不限于“黃金屬性”。科學(xué)家認為，靈神星很可能是已知的太陽系中唯一的完全由內(nèi)核構(gòu)成的天體，也就是說，它給了人類直接觀測與研究行星內(nèi)核的難得契機。顯然，與現(xiàn)有的間接探測手段相比，直接觀測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，進而觸類旁通地揭示地球內(nèi)核的秘密。

靈神星被大家戲稱為“黃金星球”

于是，美國宇航局提出了靈神星探索任務(wù)的5個主要目標：

其一，確認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)域的相對年齡。

其三，弄清楚這類小型金屬天體是否包含所謂“輕元素”?？茖W(xué)家認為，這類物質(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，描繪靈神星表面地形特征。

為了實現(xiàn)這些目標，美國宇航局投資超過11億美元用于研制探測器，規(guī)劃了至少持續(xù)8年的探索之旅。按照最新推算結(jié)果，如果探測器在今年10月中旬升空，那么會在2023～2026年間嘗試飛越火星，進入小行星帶。一切順利的話，接下來，探測器很可能耗費約3年時間來調(diào)整航線，2029年左右抵達靈神星軌道，總航程約36億公里。然后，預(yù)計探測器會在2029～2031年間環(huán)繞靈神星飛行，開展為期26個月的科學(xué)測繪和研究。

探測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力和能源供給的長期維持問題。其次是遙遠旅程中的通信問題，畢竟探測器需要在超遠距離上與地球維持可靠的高質(zhì)量通信，高效準確地傳輸數(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的適應(yīng)性問題也不容忽視，這將決定探測器能否安全地接近靈神星并收集科學(xué)數(shù)據(jù)。

先進設(shè)備頗有亮點

為了確保在惡劣環(huán)境下完成長期任務(wù)，探測器配備了各種先進設(shè)備，力爭戰(zhàn)勝旅途上的“九九八十一難”。

從總體上看，探測器由太陽能電推進系統(tǒng)、飛行計算機、傳感器和飛行激光收發(fā)器等組成，其中不乏創(chuàng)新。

首先是探測器尺寸最大的主體架構(gòu)——太陽能電推進系統(tǒng)，它主要由2個太陽能電池陣列、系統(tǒng)底盤、推進貯箱等組成。其中，由5塊面板構(gòu)成的十字形太陽能電池陣列展開后，相當(dāng)于一個網(wǎng)球場大小，創(chuàng)下了美國宇航局噴氣推進實驗室有史以來部署的太陽能電池陣列之最。

巨大的陣列主要用于在遠離太陽的深空低光環(huán)境中滿足探測器的電力需求，既要維持科學(xué)儀器設(shè)備運行，又能夠驅(qū)動電推進裝置，支持探測器“長途跋涉”。值得注意的是，號稱“超高效”的太陽能電推進系統(tǒng)是該探測器應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)之一，核心裝備是霍爾推進器，而本次探測靈神星之旅也是航天器在月球軌道之外的宇宙空間驅(qū)動霍爾推進器“首秀”。

靈神星探測器展開太陽能電池陣列示意圖

接下來，有必要了解探測器的“大腦”——飛行計算機。由于靈神星的形狀奇特，科學(xué)家推測，它可能擁有很不規(guī)則的重力場，因此設(shè)計探測器時必須在導(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的軌道上運行，并精確測量靈神星的引力場。然后，通過建模并實時改進引力場模型，形成控制策略，促使探測器的運行軌道持續(xù)下降，慢慢靠近靈神星。

在此過程中，飛行計算機采用的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制軟件會發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。它將幫助探測器的天線準確地指向地球，以便傳輸數(shù)據(jù)，接收來自任務(wù)控制系統(tǒng)的命令。這類軟件不僅在控制探測器飛行方向時顯得至關(guān)重要，也是太陽能電推進系統(tǒng)發(fā)揮作用所必不可少的。

然后，探測器的“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、伽馬射線和中子光譜儀。其中，磁力儀用于測量靈神星的磁場。多光譜成像儀用于獲取靈神星表面足夠高分辨率的圖像，輔助識別靈神星表面的金屬、硅酸鹽等物質(zhì)成分，進而收集地質(zhì)地形等數(shù)據(jù)。伽馬射線和中子光譜儀是識別靈神星表面化學(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。另有微波無線電通信系統(tǒng)，用于高精度測量靈神星的重力場，收集有關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的線索。

最后，探測器的“口”與“耳”同樣至關(guān)重要。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)，有望將深空探測任務(wù)的信息傳輸效率以幾何倍數(shù)提升。

“探路先鋒”擔(dān)當(dāng)重任

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

比如，霍爾推進器在磁場中“捕獲”活躍電子后，借電子充分電離推進劑，獲取高效動力。一般認為，這種推進器比同等推力的化學(xué)推進器消耗更少推進劑，而對比現(xiàn)有電推進技術(shù)中常用的離子推進器，其設(shè)計更簡單。可以說，基于霍爾推進器，科學(xué)家和工程師有望研制出更輕小、更經(jīng)濟的航天器，滿足長期深空探索任務(wù)的需求。

靈神星探測器發(fā)射前進行測試

深空激光通信技術(shù)通過使用近紅外波長的光子（而不是無線電波）來編碼數(shù)據(jù)，承擔(dān)在深空探測器和地球之間高效通信的重任。據(jù)測算，對比目前同等大小和功率的無線電通信系統(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。

美國宇航局計劃通過本次探測靈神星之旅來驗證該技術(shù)，主要試驗將在探測器巡航階段前期進行，持續(xù)大約1年。2014年，美國宇航局曾利用激光將高清視頻從國際空間站傳送回地面，而在沒有大氣層折射散射干擾的深空中，激光通信無疑將發(fā)揮更顯著的優(yōu)勢。作為美國宇航局有史以來最遙遠的高帶寬激光通信測試，靈神星探測器有可能促使航天通信技術(shù)革命，并應(yīng)用于下一個前沿——深空。

盡管靈神星探測計劃遭遇了許多技術(shù)困難和管理問題，導(dǎo)致其一再延誤，但美國宇航局對探索靈神星的執(zhí)著并未動搖，原因當(dāng)然不僅是渴望靈神星上的稀有金屬資源……

一方面，探測器如果能夠獲得大量靈神星的元素構(gòu)成、引力場分布、地質(zhì)地形等重要數(shù)據(jù)，有望為科學(xué)家提供大量有價值信息，深入了解行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化過程，進而幫助回答關(guān)于地球核心和太陽系形成的問題。

另一方面，靈神星探索之旅計劃為多項新技術(shù)提供寶貴的實踐經(jīng)驗，成果反饋或許將助力未來深空探測事業(yè)呈現(xiàn)飛躍式進步，不僅有望從更遙遠的天體了解更詳細的信息，還可能幫助人類執(zhí)行更復(fù)雜、效益更大的深空任務(wù)。未來，太空采礦等航天經(jīng)濟規(guī)模化、常態(tài)化后，人們或許會銘記靈神星探測器這個技術(shù)和工程實踐的“探路先鋒”。

總之，無論任務(wù)成敗，靈神星號探測器都展現(xiàn)了人類探索深空的美好愿望。（作者：文藝 圖片來源：美國宇航局 把關(guān)專家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）