靈神星探索之旅啟程！目標(biāo)不止“黃金星球”

北京時(shí)間10月13日22時(shí)19分，美國(guó)獵鷹重型火箭從肯尼迪航天中心托舉一個(gè)探測(cè)器升空，浪漫的靈神星探索之旅就此啟程。這個(gè)探測(cè)器與靈神星同名，目標(biāo)正是那顆萬(wàn)眾矚目的“黃金星球”，計(jì)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(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？

獵鷹重型火箭發(fā)射探測(cè)器

“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。

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，它給了人類直接觀測(cè)與研究行星內(nèi)核的難得契機(jī)。顯然，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，進(jìn)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(guó)宇航局提出了靈神星探索任務(wù)的5個(gè)主要目標(biāo)：

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，弄清楚這類小型金屬天體是否包含所謂“輕元素”?？茖W(xué)家認(rèn)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(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，美國(guó)宇航局投資超過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。按照最新推算結(jié)果，如果探測(cè)器在今年10月中旬升空，那么會(huì)在2023～2026年間嘗試飛越火星，進(jìn)入小行星帶。一切順利的話，接下來，探測(cè)器很可能耗費(fèi)約3年時(shí)間來調(diào)整航線，2029年左右抵達(dá)靈神星軌道，總航程約36億公里。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，開展為期26個(gè)月的科學(xué)測(cè)繪和研究。

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)期維持問題。其次是遙遠(yuǎn)旅程中的通信問題，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的適應(yīng)性問題也不容忽視，這將決定探測(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。

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、推進(jìn)貯箱等組成。其中，由5塊面板構(gòu)成的十字形太陽(yáng)能電池陣列展開后，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)室有史以來部署的太陽(yáng)能電池陣列之最。

巨大的陣列主要用于在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空低光環(huán)境中滿足探測(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，號(hào)稱“超高效”的太陽(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，核心裝備是霍爾推進(jìn)器，而本次探測(cè)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(dòng)霍爾推進(jìn)器“首秀”。

靈神星探測(cè)器展開太陽(yáng)能電池陣列示意圖

接下來，有必要了解探測(cè)器的“大腦”——飛行計(jì)算機(jī)。由于靈神星的形狀奇特，科學(xué)家推測(cè)，它可能擁有很不規(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，并精確測(cè)量靈神星的引力場(chǎng)。然后，通過建模并實(shí)時(shí)改進(jìn)引力場(chǎng)模型，形成控制策略，促使探測(cè)器的運(yùn)行軌道持續(xù)下降，慢慢靠近靈神星。

在此過程中，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)器的天線準(zhǔn)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(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。

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)的線索。

最后，探測(cè)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(cè)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(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)器消耗更少推進(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，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，滿足長(zhǎng)期深空探索任務(wù)的需求。

靈神星探測(cè)器發(fā)射前進(jìn)行測(cè)試

深空激光通信技術(shù)通過使用近紅外波長(zhǎng)的光子（而不是無(wú)線電波）來編碼數(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)劃通過本次探測(cè)靈神星之旅來驗(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，持續(xù)大約1年。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，而在沒有大氣層折射散射干擾的深空中，激光通信無(wú)疑將發(fā)揮更顯著的優(yōu)勢(shì)。作為美國(guó)宇航局有史以來最遙遠(yuǎn)的高帶寬激光通信測(cè)試，靈神星探測(cè)器有可能促使航天通信技術(shù)革命，并應(yīng)用于下一個(gè)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)器如果能夠獲得大量靈神星的元素構(gòu)成、引力場(chǎng)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(jià)值信息，深入了解行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化過程，進(jìn)而幫助回答關(guān)于地球核心和太陽(yáng)系形成的問題。

另一方面，靈神星探索之旅計(jì)劃為多項(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未來深空探測(cè)事業(yè)呈現(xiàn)飛躍式進(jìn)步，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(jì)規(guī)?；⒊B(tài)化后，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，無(wú)論任務(wù)成敗，靈神星號(hào)探測(cè)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(guó)宇航局 把關(guān)專家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）