靈神星探測器：開啟“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器從美國肯尼迪航天中心升空，開啟了浪漫的靈神星探索之旅。與目標星球同名的探測器，將瞄準那顆萬眾矚目的“黃金星球”，執行至少為期8年的任務。那么靈神星究竟在科學家心中有何魅力？為了完成使命，探測器身懷哪些“絕技”？科學家有望從這項任務中收獲哪些成果呢？

“黃金屬性”暗藏玄機

科學家觀測發現，靈神星是一顆幾乎完全由金屬構成的小行星，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，靈神星吸引科學家之處遠遠不限于“黃金屬性”。科學家認為，靈神星很可能是已知的太陽系中唯一的完全由內核構成的天體，也就是說，它給了人類直接觀測與研究行星內核的難得契機。

靈神星平均直徑約220千米，在主小行星帶中可以排進前20名，但地基望遠鏡仍然難以對其進行高清成像研究。因此，想要真正認識這顆金屬小行星，還是需要出動探測器。與現有的間接探測手段相比，直接觀測有望更好地幫助科學家們研究天體內部構成，總結天體演化規律，觸類旁通地揭示地球內核的秘密。

于是，美國宇航局提出了靈神星探索任務的5個主要目標：

▲ 獵鷹重型火箭成功發射靈神星探測器

其一，確認靈神星究竟是由天體遺留內核演化的，還是由未熔化物質形成的。

其二，確定靈神星表面各區域的相對年齡。

其三，弄清楚這類小型金屬天體是否包含所謂“輕元素”。科學家認為，這類物質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。

為了實現這些目標，美國宇航局投資超過11億美元用于研制探測器，規劃了至少持續8年的探索之旅。2017年1月5日，靈神星探測計劃作為成本低、周期短、見效快的發現級項目被立項。但探測器研制進展并不順利，發射計劃一拖再拖，成本也一路飆升，幾乎達到了更高級的新疆界級項目預算。

▲ 靈神星被大家戲稱為“黃金星球”

按照最新推算結果，探測器將在2024年飛越火星，2026年前巡航進入小行星帶。接下來，探測器將耗費約3年來調整航線，2029年左右抵達靈神星軌道，總航程約40億千米。然后，預計探測器會在2029～2031年間環繞靈神星飛行，開展為期約26個月的科學測繪和研究。

▲ 探測器將圍繞靈神星進行復雜的變軌機動

其中，至少持續2年的觀測階段又可以進一步分為4個軌道階段，軌道高度逐漸降低：

A軌稱作特征軌道段，高度709千米，傾角90度，周期32.6小時，主要目標是初步探測靈神星的磁場和地形地貌。

B軌稱作地形軌道段，高度303千米，傾角90度，周期11.6小時，主要目標是詳細探測靈神星的磁場和地形地貌，又進一步分為B1軌和B2軌。

C軌稱作重力科學軌道段，高度190千米，傾角90度，周期7.2小時，主要目標是探測靈神星的重力場和磁場。

D軌稱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，主要目標是探測靈神星表面化學元素成分。

不過，為了適應光照條件變化等因素，探測器的軌道不是嚴格依序調整，大致是A軌→B1軌→D軌→C軌→B2軌。

顯然，探測器想要完成這段旅程，注定挑戰重重，首先面臨的很可能是動力和能源供給的長期維持問題，確保在8年間持續正常工作。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量通信，高效準確地傳輸數據。此外，靈神星的奇特結構和近似土豆形狀所帶來的適應性問題也不容忽視，這涉及探測器能否安全地接近靈神星并收集科學數據。

先進設備頗有亮點

為了確保能夠在惡劣環境下完成長期任務，探測器配備了各種先進設備，力爭戰勝旅途上的“九九八十一難”。

從總體上看，探測器主要由太陽能電推進系統、飛行計算機、傳感器和飛行激光收發器等組成，其中不乏創新之處。

首先是探測器尺寸最大的主體架構——太陽能電推進系統，它主要由2個太陽能電池陣列、系統底盤、推進劑貯箱等組成。其中，由5塊面板構成的十字形太陽能電池陣列展開后，長24.76米，寬7.34米，相當于一個網球場大小，創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。

巨大的電池陣列主要用于在遠離太陽的深空低光環境中滿足探測器的電力需求，既要維持科學儀器設備運行，又能夠驅動電推進裝置，支持探測器“長途跋涉”。值得注意的是，“超高效太陽能電推進系統”是該探測器應用的創新技術之一，核心裝備是霍爾效應推進器，而本次探測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推進器“首秀”。

▲ 太陽能電池陣列地面測試

接下來，有必要了解探測器的“大腦”——飛行計算機。由于靈神星的形狀非常奇特，科學家推測，它很可能擁有非常不規則的重力場，因此設計探測器時必須在導航和控制領域多下功夫，確保其安全地在離靈神星較遠的軌道上運行，同時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，進而促使探測器的運行軌道持續調整，慢慢靠近靈神星。

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

▲ 探測器展開太陽翼示意圖

▲ 探測器發射前進行緊張測試

▲ 深空激光通信裝置特寫

然后，探測器的“眼睛”與“觸手”將擔當重任。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、硅酸鹽等物質成分，進而收集地質地形等數據。伽馬射線和中子光譜儀是識別靈神星表面化學元素的“主力擔當”，所獲數據將幫助繪制靈神星物質構成圖。另有微波無線電通信系統，用于高精度測量靈神星的重力場，收集有關其內部結構的線索。

最后，探測器的“口”與“耳”也是至關重要的。它們的學名是飛行激光收發器，與地面激光接收器共同組成了深空激光通信系統，有望將深空探測任務的信息傳輸效率以幾何倍數提升。

科技成果令人期待

從設備構成上不難發現，靈神星探測器承擔著實用化驗證多項航天新技術的重任。

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推進器會消耗更少的推進劑，而對比現有電推進技術中常用的離子推進器，其設計更簡單。可以說，基于霍爾推進器，科學家和工程師有望研制出更輕小、更經濟的航天器，滿足長期深空探索任務的需求。

深空激光通信技術通過使用近紅外波長的光子來編碼數據，承擔在深空探測器和地球之間高效通信的重任。據測算，對比目前同等大小和功率的無線電通信系統，激光通信系統有望使航天飛行任務的數據傳輸速率提高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、更大容量的科學數據，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，主要試驗將在探測器巡航階段前期進行。到時候，探測器通過深空激光通信發回數據，美國加州理工學院帕洛瑪山天文臺的5.1米口徑海爾望遠鏡負責接收，持續大約1年。近日，該試驗已收獲成果。

早在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環境中，激光通信無疑將發揮出更顯著的優勢。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進航天通信技術革命，加速應用于下一個任務前沿——深空。

盡管靈神星探測計劃遭遇了許多技術困難和管理問題，導致其一再延誤，但美國宇航局對探索靈神星的執著并未動搖，原因當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靈神星大量有關元素構成、引力場分布、地質地形等方面的重要數據，有望為科學家提供更多有價值信息，深入了解行星內部結構和演化過程，進而幫助回答關于地球核心和太陽系形成的問題。

另一方面，靈神星之旅無疑將為多項新技術提供寶貴的實踐經驗，成果反饋或許將助力人類深空探測事業實現飛躍，不僅有望從更遙遠的天體了解更詳細的信息，還可能幫助人類執行更復雜、效益更大的深空任務。未來，太空采礦等航天經濟規模化、常態化之后，人們或許會銘記靈神星探測器這個技術和工程實踐的“探路先鋒”。

總之，“黃金星球”本身及其探索之旅都有可能帶來眾多驚喜，我們不妨拭目以待。