靈神星航天器將在2026年初抵達(dá)奇特金屬小行星開始為期兩年的科學(xué)調(diào)查
美國國家航空航天局在去年8月發(fā)射了一臺(tái)探測器，探索一顆名為靈神星的奇特金屬小行星。
當(dāng) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的太陽系還很年輕的時(shí)候，行星尚未出現(xiàn)，只有一個(gè)由氣體和塵埃組成的彌漫星盤環(huán)繞著太陽。但在數(shù)百萬年里，這團(tuán)旋渦般的原始物質(zhì)在自身引力的作用下坍塌，形成了數(shù)百乃至數(shù)千顆“嬰兒行星”，天文學(xué)家稱為星子。部分星子在旋轉(zhuǎn)的太陽星云中卷入越來越多的塵埃和氣體，體積日漸龐大，直徑增長至數(shù)百公里。
一旦星子達(dá)到這樣的體量，內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量便會(huì)被困住，溫度升高，使微行星內(nèi)部融化。熔漿中較為致密的成分（鐵和其他金屬）沉降至中心，剩下較輕的硅酸鹽漂浮至地表。這些較輕的物質(zhì)最終冷卻下來，在重金屬核周圍形成硅酸鹽巖石地幔。這樣一來，大量的鐵鎳合金便被困在這些行星深處，永久隱匿，無法被直接觀察到。
是否果真如此？
此時(shí)的太陽系雖然規(guī)模龐大，卻仍然相對擁擠。在接下來2000萬年左右的時(shí)間里，眾多星子不期而遇，相互碰撞，有的合并成更大的原行星，最終形成 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 今天所熟悉的行星。
每一次碰撞中，原行星的金屬核心都遭受撞擊并與硅酸鹽地幔物質(zhì)重新混合，隨后被聚集的熱量融化，再次分離。有時(shí)碰撞產(chǎn)生的能量很大，導(dǎo)致一顆原行星被完全摧毀，留下的碎片形成小行星帶，如今存在于火星和木星軌道間。
但少數(shù)原行星卻可能逃脫這兩種命運(yùn)。天文學(xué)家推測，一系列“肇事逃逸”撞擊導(dǎo)致它們失去大部分的地幔，只留下少量的硅酸鹽巖石和大量金屬。這些物質(zhì)結(jié)合在一起，形成了一個(gè)罕見的世界。若這一理論正確，最明顯的例子便是一顆名為“靈神星”（16 Psyche）的小行星，這顆以希臘靈魂女神普緒克命名，是小行星帶中第16個(gè)被發(fā)現(xiàn)的成員（1852年）。
靈神星的面積與馬薩諸塞州差不多，具有金屬般的密度。這么大的體積和密度，使靈神星的質(zhì)量達(dá)到小行星帶總質(zhì)量的1%。未來的金屬礦主也許有朝一日會(huì)將股票壓在這顆小行星上。
上圖:高增益無線電天線正在位于加州帕洛阿爾托的Maxar設(shè)施內(nèi)進(jìn)行測試該天線將在整個(gè)任務(wù)期間給予數(shù)據(jù)通信。
中圖下圖:美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員正在靈神星航天器旁工作。
靈神星任務(wù)也是美國國家航空航天局探訪這顆小行星任務(wù)的名稱。靈神星任務(wù)由美國亞利桑那州立大學(xué)的林迪?埃爾金斯-坦頓（Lindy Elkins-Tanton）主持，由美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）執(zhí)行。任務(wù)將檢驗(yàn)天文學(xué)家有關(guān)行星核心形成和成分的理論，同時(shí)將探索迄今為止任何空間探測器皆未造訪過的神奇景觀世界。
靈神星任務(wù)計(jì)劃將于2022年8月發(fā)射，3年以后，航天器抵達(dá)目的地。在那里它會(huì)找到什么？天文學(xué)家認(rèn)為，可能會(huì)看到金屬凝固收縮形成的巨大地表斷層、閃閃發(fā)光的綠色結(jié)晶地幔礦物懸崖、凝固的硫熔巖流，以及經(jīng)歷數(shù)千年高速撞擊后散落于地表的大片金屬碎塊。毫無疑問，會(huì)有很多驚喜。
太空探測器必須經(jīng)過長途跋涉才能抵達(dá)目的地，這個(gè)旅程格外艱巨。靈神星位于主小行星帶的外圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出火星軌道。探測器將于2026年1月開始環(huán)繞小行星，對其進(jìn)行為期近2年的探索。
與人們普遍以為的相反，探測器環(huán)繞小行星這樣的小型天體，要比環(huán)繞行星更加困難。大行星有很深的引力井，航天器燃燒一枚低空火箭就可進(jìn)入軌道；而小型天體幾乎不存在引力，基本無法給予引力杠桿，所有的工作都必須由航天器的推進(jìn)系統(tǒng)完成。
不久前，美國國家航空航天局在其“黎明號”任務(wù)中成功應(yīng)用了這一方法，將一個(gè)探測器送入小行星灶神星和谷神星的軌道。“黎明號”航天器使用太陽能電力推進(jìn)，3臺(tái)高效發(fā)動(dòng)機(jī)順利獲得電離推進(jìn)燃料氣體和高壓電場加速，將來自太陽能電池陣列的電能轉(zhuǎn)化為推力。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)靈神星探測器時(shí)也計(jì)劃采用類似的方法。主要問題是如何不超出任務(wù)預(yù)算。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師使用大部分現(xiàn)有技術(shù)解決了這一問題。技術(shù)來自位于科羅拉多州威斯敏斯特的制造商Maxar公司，Maxar是世界上最大的商業(yè)地球同步通信衛(wèi)星供應(yīng)商之一，其生產(chǎn)由位于加州帕洛阿爾托的一個(gè)分部進(jìn)行。
靈神星航天器的制造基于這些衛(wèi)星的“底盤”進(jìn)行，包括大功率太陽能電池陣列、電力推進(jìn)器及相關(guān)的電源和熱控制部件。在許多方面，靈神星航天器與標(biāo)準(zhǔn)的Maxar通信衛(wèi)星類似，但它還承載著噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的航電設(shè)備、飛行軟件以及自主深空運(yùn)行所需的許多故障保護(hù)系統(tǒng)。
從一開始，實(shí)現(xiàn)這一概念就遇到了困難。第一時(shí)間，美國國家航空航天局管理層對這種削減成本的措施理所當(dāng)然地很謹(jǐn)慎，因?yàn)?0世紀(jì)90年代執(zhí)行的“更快、更好、更低成本”的任務(wù)模式導(dǎo)致了驚人的失??；其次，“黎明號”任務(wù)利用地球軌道系統(tǒng)導(dǎo)致開發(fā)階段成本嚴(yán)重超支；最后，許多有關(guān)人員（錯(cuò)誤地）認(rèn)為深空環(huán)境非常特殊，靈神星航天器必須與僅用于繞地球運(yùn)行的通信衛(wèi)星截然不同。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 和美國國家航空航天局的多名同事與Maxar公司的工程師合作，將問題逐一解決。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用Maxar標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品系列的硬件，盡量減少對硬件的更改，從而控制了成本。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)閷?shí)際上地球同步軌道上的熱環(huán)境與靈神星航天器將遇到的熱環(huán)境并無太大區(qū)別。
發(fā)射后不久，靈神星航天器將經(jīng)歷較高的太陽輻射通量，建造通信衛(wèi)星也有相同的考慮。當(dāng)然，它還必須應(yīng)對深空的寒冷，但Maxar的衛(wèi)星在飛過地球陰影時(shí)也須承受類似的環(huán)境條件，在一年中的某些時(shí)候，Maxar的衛(wèi)星每天都要進(jìn)入一次地球陰影。
作為大功率的電信中繼站，Maxar的衛(wèi)星必須消除其微波功率放大器產(chǎn)生的數(shù)千瓦廢熱。衛(wèi)星散熱順利獲得將熱量輻射到太空來實(shí)現(xiàn)。但是，輻射大量散熱對于太空探測器是一大問題，因?yàn)樵陟`神星附近，太陽的光和熱通量是地球附近的1/10。因此，如不采取任何預(yù)防措施，按照繞行地球設(shè)計(jì)的航天器很快會(huì)因溫度過低而無法運(yùn)行在小行星帶這么遠(yuǎn)的地方。
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Maxar在整個(gè)航天器上安裝了多層“隔熱毯”來保持熱量。Maxar還在熱輻射器頂部添加了特制的百葉窗。這種百葉窗與活動(dòng)百葉窗很像，當(dāng)航天器溫度過低時(shí)，百葉窗便會(huì)自動(dòng)關(guān)閉聚集熱量。但仍然存在許多其他工程挑戰(zhàn)，特別在推進(jìn)方面。
為減少到達(dá)小行星所需的推進(jìn)燃料的質(zhì)量，靈神星航天器將使用太陽能-電推進(jìn)器，將離子加速到極高的速度，是化學(xué)火箭能達(dá)到速度的6倍以上。尤其值得一提的是，靈神星航天器將使用被稱為霍爾推進(jìn)器類型的的離子推進(jìn)器。
20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)工程師率先在太空中使用霍爾推進(jìn)器。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在靈神星航天器上使用了4個(gè)俄羅斯制造的霍爾推進(jìn)器，原因很簡單，Maxar使用同樣數(shù)量的推進(jìn)器維持其通信衛(wèi)星在軌運(yùn)行。
霍爾推進(jìn)器采用了巧妙的策略來加速帶正電的離子（見插圖“霍爾推進(jìn)器的工作原理”）。這與“黎明號”航天器的離子推進(jìn)器不同，“黎明號”使用的是高壓柵格。相比之下，霍爾推進(jìn)器使用電場和磁場的組合來加速離子。雖然霍爾推進(jìn)器在衛(wèi)星上的使用歷史悠久，但這是它們首次用于行星際任務(wù)。
你可能認(rèn)為繞地球推進(jìn)與在深空推進(jìn)沒有差別，但事實(shí)上，兩者的差異很大。推進(jìn)器的電力來自太陽能電池板，且電力必須邊產(chǎn)生邊使用，因?yàn)闆]有大電池對電力進(jìn)行存儲(chǔ)。因此，隨著航天器遠(yuǎn)離太陽飛行，推進(jìn)器可用的電力將大大減少。
這是一個(gè)問題，因?yàn)殡妱?dòng)推進(jìn)器設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)行狀態(tài)通常在最大電源功率水平。事實(shí)證明，對電源功率稍加節(jié)制，就能很容易地將最大輸出功率降至一半左右。例如，當(dāng)需要抬升衛(wèi)星軌道時(shí)，Maxar在通信衛(wèi)星上使用的霍爾推進(jìn)器的運(yùn)行功率高達(dá)4.5千瓦。對于一般的軌道保持，推進(jìn)器的運(yùn)行功率為3千瓦。當(dāng)航天器接近目的地時(shí)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要推進(jìn)器將運(yùn)行功率降至低于1千瓦。
問題在于當(dāng) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 節(jié)制電源功率時(shí)，效率便會(huì)降低。從這個(gè)意義上說，霍爾推進(jìn)器好比汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。但情況比汽車更加糟糕：如電源功率降低太多，推進(jìn)器內(nèi)的放電會(huì)變得不穩(wěn)定。節(jié)制推進(jìn)器甚至可以會(huì)造成完全熄火——就像噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)熄火一樣。
霍爾推進(jìn)器的工作原理
霍爾推進(jìn)器順利獲得電子放電產(chǎn)生等離子體(正離子和電子的準(zhǔn)中性集合)與熒光燈的原理不無相似。這些推進(jìn)器包括放置在推進(jìn)器主體外部的空心陰極(負(fù)電極)和位于環(huán)形放電室內(nèi)的陽極(正電極)。如果這些只是普通電極，施加在推進(jìn)器上的能量就會(huì)產(chǎn)生從負(fù)極流向正極的電子流，沿途發(fā)出藍(lán)光。但是，霍爾推進(jìn)器在放電通道上施加了徑向磁場。
陰極發(fā)射的電子很輕，速度很快。磁場阻礙電子流向陽極，迫使電子進(jìn)入沿推進(jìn)器的中心線推進(jìn)的圓形軌道。放電室內(nèi)產(chǎn)生的正離子加速?zèng)_向環(huán)繞電子云，但這些離子質(zhì)量很大，不受弱磁場的影響。它們形成波束直射而出，沿途卷入電子。這些物質(zhì)高速噴射產(chǎn)生了推力。推力并不大，大約相當(dāng)于幾個(gè)25美分硬幣產(chǎn)生的推力，但若陸續(xù)在數(shù)月穩(wěn)定加速，最終足以讓航天器沖天而起。
但順利獲得巧妙的工程設(shè)計(jì)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 對Maxar推進(jìn)器的工作方式加以修改，使其能夠在電源功率低至900瓦時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。然后， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在美國國家航空航天局格倫研究中心和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施中測試了重新設(shè)計(jì)的推進(jìn)器，證明其確實(shí)能夠可靠地完成6年的靈神星任務(wù)。
靈神星任務(wù)將測試發(fā)送和接收光學(xué)數(shù)據(jù)的設(shè)備。DSOC系統(tǒng)的指向必須特別精準(zhǔn)，且保持振動(dòng)隔離。
靈神星航空器的目的地距太陽的距離是太陽到地球距離的3倍多。到達(dá)目的地時(shí)，操作航天器并啟動(dòng)推進(jìn)器需要產(chǎn)生2千瓦電源功率，這需要很大的太陽能電池陣列，在地球附近能產(chǎn)生的電源功率將超過20千瓦，這是相當(dāng)大的功率。
美國國家航空航天局很幸運(yùn)，太陽能電源的成本在過去十年大幅下降。今天，向全球發(fā)射電視和互聯(lián)網(wǎng)信號的商業(yè)衛(wèi)星經(jīng)常可達(dá)到這一功率水平。這些衛(wèi)星的太陽能系統(tǒng)是有效、可靠且相對便宜的。但它們的設(shè)計(jì)是環(huán)繞地球工作，而不是小行星帶的外圍。
2013年籌劃靈神星探測任務(wù)時(shí)，Maxar已成功發(fā)射了20多架電源功率超過20千瓦的航天器，但該公司從未建造過行星際探測器；噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室擁有多年深空設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，卻從未建造過靈神星任務(wù)所需規(guī)模的電源系統(tǒng)。因此，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和Maxar攜手合作。
這其中的挑戰(zhàn)很復(fù)雜，不僅僅要處理靈神星的陽光暗淡，靈神星航天器上的太陽能電池必須在遠(yuǎn)低于正常溫度的條件下工作。這是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)樘柲茈姵氐碾妷簳?huì)隨著溫度降低而升高。
繞地球運(yùn)行時(shí)，Maxar的太陽能電池陣列會(huì)產(chǎn)生100伏的電壓。若在靈神星附近使用相同陣列，將會(huì)產(chǎn)生有問題的高電壓。雖然 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以添加電子元件來降低太陽能電池陣列輸出的電壓，但新電路在設(shè)計(jì)、制造和太空測試方面的成本很高。更糟糕的是，當(dāng)航天器遠(yuǎn)離太陽時(shí)，發(fā)電效率會(huì)降低，無論如何，產(chǎn)生足夠的電力是很難的。
幸運(yùn)的是，Maxar已經(jīng)有分析決方案。當(dāng)通信衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影時(shí)，由一組鋰離子電池供電，其大小與電動(dòng)汽車的電池相當(dāng)，足夠保持衛(wèi)星在地球背面的陰影中運(yùn)行，這段時(shí)間不會(huì)超過一個(gè)小時(shí)。但是電池的電壓會(huì)隨著時(shí)間而變化，在某些衛(wèi)星上，當(dāng)電池深度放電時(shí)，電池電壓可能會(huì)由100伏降至40伏。為處理這種變化，Maxar的衛(wèi)星添加了一個(gè)“放電轉(zhuǎn)換器”，可以提升電池電壓，給予恒定的100伏電源。這些轉(zhuǎn)換器經(jīng)過飛行驗(yàn)證且效率很高，非常適合用于靈神星任務(wù)。
關(guān)鍵是重新連接太陽能電池陣列，使其在地球附近產(chǎn)生的電壓降至60伏左右。隨著航天器遠(yuǎn)離太陽，電池陣列逐漸變冷，電壓逐步升高，在抵達(dá)靈神星時(shí)，電壓升至100伏左右。Maxar的放電轉(zhuǎn)換器通常與電池相連，在航天器上則是連接到太陽能電池陣列，用于在整個(gè)任務(wù)期間為航天器給予恒定100伏的電力。
這一方法會(huì)帶來一些能量損耗，但當(dāng)航天器靠近地球且可用電源充沛時(shí)，損耗最大。當(dāng)航天器接近靈神星時(shí)，發(fā)電將會(huì)更加困難，系統(tǒng)將以最高效率運(yùn)行，此時(shí)使用經(jīng)過飛行驗(yàn)證的硬件，比設(shè)計(jì)一個(gè)要在整個(gè)深空任務(wù)中竭力從太陽能電池陣列獲取峰值功率的復(fù)雜系統(tǒng)要經(jīng)濟(jì)得多。
除了攜帶將用于研究小行星的一套科學(xué)儀器外，靈神星航天器還將攜帶美國國家航空航天局的 “技術(shù)示范”載荷，稱為深空光通信（DSOC）。
DSOC是基于激光的通信系統(tǒng)，通信效率預(yù)期超越當(dāng)前無線電技術(shù)100多倍。DSOC將遠(yuǎn)超在火星軌道的距離中以高達(dá)每秒2兆比特的速率傳輸數(shù)據(jù)。有朝一日，類似的技術(shù)有望讓用戶以高清視頻觀看宇航員在紅色星球上的行走。
DSOC儀器有一個(gè)“地面部分”和一個(gè)“飛行部分”，每個(gè)部分都包括一臺(tái)激光發(fā)射器和一臺(tái)接收器。地面部分的發(fā)射器為7千瓦的激光器，將安裝在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室位于洛杉磯東北部約60公里處的光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室中。此外還有一臺(tái)靈敏的接收器，能夠清點(diǎn)單個(gè)光子，連接帕洛瑪天文臺(tái)5.1米寬的黑爾望遠(yuǎn)鏡，位于圣地亞哥東北部60公里。
飛行部分，即航天器上的部分，包含相同類型的設(shè)備，但規(guī)模大大縮小：一臺(tái)平均功率為4瓦的激光器和一架22厘米的望遠(yuǎn)鏡。飛行部分聽起來很簡單，就像用戶在家里可以自行拼湊出來的東西，但事實(shí)并非如此。
一方面，飛行部分需要相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)備正確地指示方向。靈神星航天器本身能夠?qū)SOC指向地球的方向保持在零點(diǎn)幾度的弧度以內(nèi)。然后，DSOC利用內(nèi)置的執(zhí)行器搜索從地面發(fā)出的激光信標(biāo)。檢測到信標(biāo)后，執(zhí)行器將DSOC自身的激光穩(wěn)定地指向地球，其精度達(dá)到了微弧度級。
飛行部分之所以能夠如此穩(wěn)定地指向同一方向，是因?yàn)樗话仓迷谔厥獾拿芊獠考?，與航天器其余部分保持熱隔離和機(jī)械隔離。DSOC使用長遮陽罩來消除激光接收器上的雜散光，還帶有可展開的光圈罩以確保裝置的清潔。
在太空進(jìn)行DSOC操作期間，航天器不能使用推進(jìn)器或太陽能電池陣列的萬向節(jié)，否則將帶來有問題的振動(dòng)。它將穩(wěn)固保持在某個(gè)方向上的固定姿態(tài)，使用星際跟蹤系統(tǒng)來確定方向。不過，這段時(shí)間對航天器操作的限制不是一個(gè)障礙，因?yàn)镈SOC測試僅是在任務(wù)的第一年，剛剛行經(jīng)火星軌道。當(dāng)航天器抵達(dá)靈神星時(shí)，DSOC將順利獲得微波無線電鏈路將數(shù)據(jù)傳回地球。
經(jīng)過近10年的規(guī)劃和3年多的飛行，靈神星航天器最終將在2026年初到達(dá)目的地。毫無疑問，當(dāng)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的控制人員將航天器送入軌道時(shí)，人們將屏息等待數(shù)分鐘后返回的信號，分析航天器是否順利抵達(dá)小行星帶的遙遠(yuǎn)角落。
若一切按計(jì)劃進(jìn)行，在自發(fā)射之日起的兩年內(nèi)，這個(gè)由通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)變而來的太空探測器在展示了先進(jìn)的光學(xué)高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)之后，還將為科學(xué)家們給予近距離觀察這個(gè)奇特金屬世界的機(jī)會(huì)。這些成就的取得將是一個(gè)漫長的過程，但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望從中所學(xué)到的東西值得 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 為確保該任務(wù)取得成功而付出的多年努力。
作者：Dan M. Goebel、David Oh
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