“黎明”降临矮行星

刘声远

北京时间2015年3月6日，美国宇航局“黎明号”探测器（以下简称“黎明号”）在经过历时7年半、行程49亿千米的飞行后，终于抵达谷神星，成为迄今为止第一艘环绕矮行星运行的飞行器，而且是环绕地球-月球系统外两个天体（灶神星和谷神星）的第一艘飞行器。“黎明号”任务还是美国宇航局首个使用离子推进技术实施入轨的探测任务。以往的多目标空间飞行任务使用的都是传统驱动，因而只限于进行近飞探测（在低空飞过指定地点）。综合这些方面来看，“黎明号”任务无疑是太空探测历史上的又一个里程碑。

“黎明号”于美国东部时间3月6日早晨7时36分抵达谷神星。实际上，抵达过程从6日凌晨就开始了，但任务控制中心的科学家们并未睡眼惺忪地观看抵达实况转播。这是因为要等到入轨好几小时后，“黎明号”才会调整到可以向地球传输数据的姿势。所以，直到美国东部时间6日傍晚，美国宇航局才收到一个信号，证实“黎明号”状况良好，并且已经从美国东部时间6日上午大约8时36分开始进入环绕谷神星的轨道。

事实上，“黎明号”任务来之不易，这艘飞行器也历经坎坷。

重要任务再三“下岗”

“黎明号”任务早在20世纪90年代末就开始筹划。但到了2003年12月，该计划被取消。2004年2月，该计划又恢复。2005年10月，该任务再次开启“下岗”模式。2006年1月，美国媒体报道称该任务被“无限期推迟”，但美国宇航局当时并未就此发声。2006年3月2日，“黎明号”再度被美国宇航局取消。“黎明号”飞行器的生产商——“轨道科学公司”请求宇航局收回这一决定。该公司愿意以成本价建造这艘飞行器，只为获取在这个新市场领域的经验，而不赚取任何利润。美国宇航局随后表示，将重新审议这一取消。2006年3月27日，宇航局宣布“黎明号”任务不会取消。2006年9月的最后一周，“黎明号”任务的仪器负载整合进入全面完成阶段。尽管“黎明号”任务原定的预算成本是3.73亿美元，但到了2007年，最终成本已达4.46亿美元。

“黎明号”任务旨在研究小行星带中的两个大天体，目的是回答有关太阳系形成的若干问题，以及测试离子驱动的可行性。谷神星（直径950千米）和灶神星（直径530千米）被选定为“黎明号”研究的两大对比鲜明的原行星：谷神星明显“潮湿”，含冰，寒冷；灶神星则“干燥”，是一颗岩石天体（导致它形成的吸积过程被木星的形成终结）。这两个天体提供了一座科学桥梁，有助于人们了解太阳系中岩石行星和含冰天体形成之间的关系，以及岩石行星在什么条件下能保持水分。

虽然谷神星只是一颗矮行星，但它的质量占到小行星带天体总质量的大约1/3。光谱特征暗示，谷神星的组成类似于富含水的碳质球粒陨石。个头比谷神星小一些的灶神星，则是一颗缺水的无球粒陨石小行星。灶神星经历过明显加热和分化，有迹象表明它有一个铁-镍金属内核，包裹内核的是橄榄石地幔和地壳。灶神星的密度与火星相当，还有与月球相似的玄武岩熔岩流。

已有的证据表明，谷神星和灶神星都形成于太阳系历史的很早期，因此，它们都保留着对类地行星形成时期的事件和过程的记录。对据信为来自于灶神星的陨石片进行的放射性核素测年结果显示，灶神星分化过程很快，只花了300万年或更短时间。灶神星看来是太阳系中许多较小天体的来源。大多数（但并非全部）V型近地球小行星和一些主带外小行星的光谱与灶神星类似，它们被合称为V型小行星。在地球上发现的陨石样本中占5%（超过1400块）的HED陨石，被认为是灶神星遭一次或多次撞击的结果。HED陨石让科学家得以了解灶神星的地质历史和结构。

热演化研究暗示，谷神星的形成比灶神星晚一些，应该是在太阳系中最古老天体形成的300万年后。2005年，美国康奈尔大学科学家提出，谷神星的内部经过分异，因为它的扁平程度对于一颗未分异天体来说过小。这表明谷神星有一个岩石内核，包裹内核的是冰幔。

“黎明号”任务的目标是：通过详细调查从形成起就完整保留至今的两颗最大的原行星——谷神星和灶神星，描述太阳系最初很长时期的状况和过程。“黎明号”要回答的一个主要问题是：行星本身大小和所含水量，怎样决定行星的演化？谷神星和灶神星之所以很适合揭示这个奥秘，正是因为它们是个头最大的原行星。谷神星含冰，在地质学上非常原始；灶神星则主要是岩石，在地质学上演化程度高。它们的特征对比鲜明，可能是由于它们形成于太阳系早期的两个不同区域。

“黎明号”的主要科学任务有三个。首先，它要回溯太阳系最初起源时期的状况，了解太阳系天体的形成条件。第二，“黎明号”要确定构筑类地行星的材料单元的本质，深化对类地行星形成过程的了解。最终，它要对比研究谷神星和灶神星的不同形成与演化过程，让科学家得以确定是哪些因素在控制和决定着这些演化。

一波三折终于升空

在发射位置，当太阳能电池板回缩时，“黎明号”的长度是2.36米。当太阳能电池板完全展开时，“黎明号”的长度是19.7米。太阳能电池板的总面积是36.4平方米。“黎明号”由3台氙离子推进器驱动，这些推进器沿用的是美国宇航局“深空1号”飞船的推进技术。包括离子推进器在内的整艘“黎明号”，由一张10千瓦的多结砷化镓光伏太阳能电池板供电，这张电池板由荷兰空间局提供。

为了抵达灶神星，“黎明号”被分配了275千克的氙。为了抵达谷神星，它被分配了110千克的氙。它搭载的氙的总质量是425千克。利用携带的推进剂，“黎明号”可在任务期内执行每秒超过10千米的变速，这超过此前任何在与运载火箭分离后依赖机载推进剂的飞行器。发射“黎明号”是美国宇航局使用离子推进引擎进行的第一次纯探索任务。这艘飞行器还使用了12部0.9牛的肼推进器来实施高度控制，这有助于轨道插入。

美国宇航局“喷气推进实验室”为“黎明号”任务提供全面统筹与管理、飞行系统和科学负载研发，以及离子推进系统。“轨道科学公司”提供的“黎明号”飞行器，是该公司第一艘行星际飞船。德国航天中心和马克斯·普朗克太阳系研究所为“黎明号”提供取景相机。意大利空间局为“黎明号”提供绘图光谱仪。美国“洛斯·阿拉莫斯国家实验室”为“黎明号”提供伽马射线和中子光谱仪。

尤其值得一提的是，“黎明号”携带了一个记忆芯片，它记录着超过36万名太空爱好者的名字。从2005年9月到2006年11月4日，作为公众为“黎明号”请愿活动的一部分，这些名字从网上提交给美国宇航局。这张只有普通硬币大小的芯片，于2007年5月17日被安装在“黎明号”的正面离子推进器上方和高增益天线下方之间的一个位置。同年，这块芯片的备份版本在美国宇航局“喷气推进实验室”（位于加州帕萨迪纳）的开放参观日公开展出。

2007年4月10日，“黎明号”抵达位于美国佛罗里达州泰特斯维尔市的“太空舱公司”的“宇航科技空间操控装配中心”，在那里准备发射。原定发射时间是2007年6月20日，但因零部件交付延迟，发射时间也推后到6月30日。由于发射场的一部用于提升固体火箭推进器的起重设备发生故障，“黎明号”的发射时间进一步推迟至7月7日。6月15日，火箭第二级成功到位。“宇航科技空间操控装配中心”在此期间发生了一次小事故，导致“黎明号”的太阳能电池板轻微受损，但没有对发射日期造成影响。然而，恶劣天气导致发射日期迟延到7月8日。接着，距离跟踪方面的故障把发射时间延后至7月9日，之后又改到7月15日。由于美国宇航局的火星探索飞行器“凤凰号”要在2007年8月4日发射，为了不与之冲突，“黎明号”的发射时间被再次推后。

“黎明号”的发射时间随后被重置为2007年9月26日，后又改为9月27日，原因是恶劣天气致使火箭第二级燃料加注推迟（同样的问题曾导致7月7日的发射日期推后）。最终确定的发射时间窗口是美国东部时间2007年9月27日上午7时20分到7时49分。马上就到7时20分了！忽然有一艘船闯进了海上禁止区（火箭推进器在分离后可能坠入的海域）。在命令该船离开禁止区后，为了避免与国际空间站发生碰撞，“黎明号”的发射再度推迟。直到7时34分，“黎明号”才得以在卡纳维拉尔角空军基地搭载火箭升空，在自旋稳定固体燃料第三级火箭的帮助下达到逃逸速度。此后，“黎明号”的离子推进器开始接管推进这艘航天器的任务。真是好事多磨！

借助引力探访“灶神”

在设备初始测试期间，“黎明号”的离子推进器累积推进力超过11天。2007年12月7日，“黎明号”开始了长期性巡航推进。2008年10月31日，“黎明号”完成了首次推进阶段，踏上飞往火星的征途，目的是在2009年近距离飞过火星时得到其引力援助。在这一首次行星际巡航阶段，“黎明号”在270天（即这一阶段的85%）中使用了自己的推进器。为了完成每秒1.81千米的总的速度改变，“黎明号”花费了近72千克的氙推进剂。2008年11月20日，“黎明号”实施第一次轨道修正机动，其1号推进器燃烧了2小时11分钟。

“黎明号”在2009年2月17日到达与火星最接近的位置，当时它距离火星549千米，成功获得火星的引力援助。这一天，“黎明号”进入安全模式，造成数据获取功能部分丧失。两天后，“黎明号”重新进入全面操作模式，功能未受到此前进入安全模式的任何影响。这既在科学家预料中，也有些出乎他们预料。“黎明号”之所以会进入安全模式，其实是由于一个软件编程故障。现在看来，幸亏这一故障并不严重。

为了从地球一路巡航至目标天体，“黎明号”的飞行轨迹是一个不断向外扩展的椭圆。美国宇航局在其网站上持续发布“黎明号”的位置和状况：2007年9月27日，发射；2009年2月17日，火星引力援助；2011年7月16日，到达灶神星，并且被灶神星的引力捕获；2011年8月11日到8月31日，进入灶神星勘测轨道；2011年9月29日到2011年11月2日，位于环绕灶神星的高轨道；2011年12月12日到2012年5月1日，位于环绕灶神星的低轨道；2012年6月15日到2012年7月25日，位于环绕灶神星的中间轨道（高轨道和低轨道之间）；2012年9月5日，“黎明号”离开灶神星；2015年3月6日，抵达谷神星；2016年年初，预计结束对谷神星的主要探测任务。

随着“黎明号”逐渐接近灶神星，它的取景相机也开始对灶神星拍摄像素越来越高的照片，美国宇航局则在新闻发布会和网上发布这些照片。2011年5月3日，“黎明号”对灶神星进行首次拍照，当时它距离灶神星120万千米，也由此开始对这颗小行星实施越来越近距离的探测。2011年6月12日，“黎明号”降低了自己与灶神星之间的相对速度，为34天后的轨道插入做准备。

按照计划，在利用自己的离子引擎进行一段时间的推进后，“黎明号”于2011年7月16日世界调整时间5时插入轨道。由于在加速推进期间“黎明号”的天线背离地球，科学家无法立即证实它是否成功完成了这次机动。接着，“黎明号”重新定向，并且在2011年7月17日世界调整时间6时30分向地面控制中心“签到”。美国宇航局稍后证实收到来自“黎明号”的遥感勘测，表明这艘飞行器成功进入环绕灶神星的轨道。但这次轨道插入的准确时间无法证实，因为它取决于灶神星的质量分布，而当时这一分布并不为科学家确知，他们对此只能进行预估。

在2011年7月16日被灶神星引力捕获并进入环绕灶神星的轨道后，“黎明号”通过使用太阳能运转自己的氙离子引擎，转移到一个距离灶神星更近的较低轨道。2011年8月2日，它暂停螺旋式靠近灶神星，进入一个周期为69小时的勘测轨道，距离灶神星2750千米。2011年9月27日，它进入一个周期仅为12.3小时的勘测绘图轨道，距离灶神星680千米。最后，在2011年12月8日，它进入一个周期只有4.3小时的绘图轨道，距离灶神星才210千米。

2012年5月，美国宇航局发布了“黎明号”探测灶神星的初步结果，其中包括对灶神星内核大小的估计值——220千米。宇航局科学家进一步表示，他们认为灶神星是其类别的仅存代表——太阳系形成时期，类行星大天体聚合成岩石行星，而灶神星是留存至今的唯一一颗（或已知的唯一一颗）类行星大天体。美国宇航局2012年10月宣布，来自“黎明号”的数据揭示，灶神星表面的异常暗点及暗色条纹很可能源自远古时期的小行星撞击。美国媒体2012年12月报道说，“黎明号”在灶神星表面观测到冲沟，它们被解读为过去一度存在的流水冲刷的结果。美国宇航局至今尚未证实或否定这个说法。

此行一去永留外星

“黎明号”原定在2012年8月26日离开灶神星，开始前往谷神星的为期两年半的行程。然而，由于“黎明号”的一只反力轮出了问题，这艘飞行器脱离灶神星引力场的时间被推到2012年9月5日。为了让“黎明号”到达谷神星后能对这颗矮行星进行近距离勘测绘图，科学家必须改善反力轮的性能。他们不得不采用混合模式为“黎明号”重新定向。这个模式需要同时使用反力轮和离子推进器，但科学家又必须确保混合模式不能消耗过多燃料。2013年11月13日，在一次测试准备中，科学家完成了长达27小时的混合模式训练。

2014年9月11日，“黎明号”的离子推进意外终止，这艘飞行器开始执行一种受激安全模式。为避免推进中断，“黎明号”科学团队急忙指令它用另一套活跃的离子引擎和控电器来进行替换。科学家们当时说，离子推进系统的控电器有可能是被高能辐射粒子损坏的。2014年9月15日，当“黎明号”脱离安全模式时，其离子推进恢复正常。此外，科学家还发现他们无法让“黎明号”的主要通信天线朝向地球。于是，另一部能力较弱的机载天线被暂时投入使用。在重置“黎明号”的机载电脑后，其主要天线的对准机制才恢复正常。

从2014年12月1日起，“黎明号”开始对谷神星进行拍照。2015年1月13日和25日，美国宇航局发布了“黎明号”拍摄的谷神星视频资料。“黎明号”在2015年1月26日拍摄的谷神星照片的像素，超过了哈勃太空望远镜拍摄的同类图像。科学家表示，“新地平线号”飞行器计划在2015年5月5日拍摄的冥王星照片的像素，也将超过哈勃太空望远镜拍摄的同类图像。

因为已经有两只反力轮出现故障，所以“黎明号”在接近谷神星期间对它的照相观测数量，将少于它在靠近灶神星期间对灶神星的照相观测数量。照相观测要求“黎明号”改变方向，而这会消耗宝贵的肼燃料。在轨道插入，从而开始对谷神星实施全面观测之前，“黎明号”计划对谷神星进行7次（分别是在2015年1月13日和25日、2月3日和25日、3月1日、4月10日和19日）导航摄影观测，以及2次（分别是在2月12日和19日）全旋转观测。之所以会在3月和4月初出现间隙，是因为在此期间从“黎明号”最有利的观测点看去，谷神星过于靠近太阳，所以无法对它安全拍照。

由于“黎明号”已于2015年3月6日进入谷神星轨道，因此“新地平线号”如果能在2015年7月顺利抵达冥王星，那么“黎明号”就比它提前4个月开始近距离探索一颗矮行星。按照计划，为了实施首次全面绘图，“黎明号”要进入距离谷神星1.35万千米的轨道，在这个轨道中待15天。在此期间，“黎明号”对谷神星进行拍照和传感测量，所得数据都传回地球。接着，“黎明号”呈螺旋式下降到距离谷神星4430千米的勘测轨道，在这里待22天。在此期间，“黎明号”采用取景相机拍摄谷神星全球，采用可见光和红外绘图光谱仪绘制谷神星全球地图。再接着，“黎明号”螺旋式下降至距离谷神星1480千米的轨道中。2015年8月，“黎明号”将在这个轨道中开始为期两个月的环绕绘图阶段。在此期间，它将对谷神星进行像素高于勘测绘图阶段的拍摄和光谱解析。它还将拍摄谷神星表面的立体图。2015年11月，“黎明号”将开始最近距离环绕谷神星，其轨道与谷神星的距离将只有大约375千米。“黎明号”计划在这个轨道中待3个月，在此期间，采用机载伽马射线和中子探测器获取对谷神星的探测数据，同时进行引力调查。

科学家原本希望，在“黎明号”的主要探测任务完成后，它有可能在2018年对2号小行星（即智神星，位于木星和火星轨道之间）实施近飞探测。届时，智神星将跨越黄道面（是一个假想平面，理论上它包含地球环绕太阳运行的轨道）。因为智神星轨道的倾角很高，所以就算“黎明号”能对它实施近飞探测，也只能是很短暂的探测。由于“黎明号”的反力轮迄今已有两只损坏，因此它的剩余肼燃料将需要用在提升剩余反力轮的功能，从而让“黎明号”能在谷神星的低轨道中定向方面。这样一来，它就不可能有剩余燃料来执行智神星近飞探测。科学家预料，当“黎明号”的任务结束后，它将成为谷神星的一颗永恒卫星，这是因为它最后的轨道具有高度稳定性。

本文图片由美国宇航局（NASA）提供