灵神星探测器：开启“黄金星球”探索之旅

文/文艺

10月13日，猎鹰重型火箭携带探测器从美国肯尼迪航天中心升空，开启了浪漫的灵神星探索之旅。与目标星球同名的探测器，将瞄准那颗万众瞩目的“黄金星球”，执行至少为期8年的任务。那么灵神星究竟在科学家心中有何魅力？为了完成使命，探测器身怀哪些“绝技”？科学家有望从这项任务中收获哪些成果呢？

“黄金属性”暗藏玄机

科学家观测发现，灵神星是一颗几乎完全由金属构成的小行星，各种稀有金属矿藏储量丰富。某些好事者以此为由，给灵神星估值高达1000亿亿美元，赋予其“黄金星球”的美称。

其实，灵神星吸引科学家之处远远不限于“黄金属性”。科学家认为，灵神星很可能是已知的太阳系中唯一的完全由内核构成的天体，也就是说，它给了人类直接观测与研究行星内核的难得契机。

灵神星平均直径约220千米，在主小行星带中可以排进前20名，但地基望远镜仍然难以对其进行高清成像研究。因此，想要真正认识这颗金属小行星，还是需要出动探测器。与现有的间接探测手段相比，直接观测有望更好地帮助科学家们研究天体内部构成，总结天体演化规律，触类旁通地揭示地球内核的秘密。

于是，美国宇航局提出了灵神星探索任务的5个主要目标：

▲ 猎鹰重型火箭成功发射灵神星探测器

其一，确认灵神星究竟是由天体遗留内核演化的，还是由未熔化物质形成的。

其二，确定灵神星表面各区域的相对年龄。

其三，弄清楚这类小型金属天体是否包含所谓“轻元素”。科学家认为，这类物质广泛地存在于地球的高压核心中。

其四，研究灵神星的形成环境，尤其是相比地球核心，它究竟是更具氧化性，还是更具还原性。

其五，描绘灵神星表面的地形特征。

为了实现这些目标，美国宇航局投资超过11亿美元用于研制探测器，规划了至少持续8年的探索之旅。2017年1月5日，灵神星探测计划作为成本低、周期短、见效快的发现级项目被立项。但探测器研制进展并不顺利，发射计划一拖再拖，成本也一路飙升，几乎达到了更高级的新疆界级项目预算。

▲ 灵神星被大家戏称为“黄金星球”

按照最新推算结果，探测器将在2024年飞越火星，2026年前巡航进入小行星带。接下来，探测器将耗费约3年来调整航线，2029年左右抵达灵神星轨道，总航程约40亿千米。然后，预计探测器会在2029～2031年间环绕灵神星飞行，开展为期约26个月的科学测绘和研究。

▲ 探测器将围绕灵神星进行复杂的变轨机动

其中，至少持续2年的观测阶段又可以进一步分为4个轨道阶段，轨道高度逐渐降低：

A轨称作特征轨道段，高度709千米，倾角90度，周期32.6小时，主要目标是初步探测灵神星的磁场和地形地貌。

B轨称作地形轨道段，高度303千米，倾角90度，周期11.6小时，主要目标是详细探测灵神星的磁场和地形地貌，又进一步分为B1轨和B2轨。

C轨称作重力科学轨道段，高度190千米，倾角90度，周期7.2小时，主要目标是探测灵神星的重力场和磁场。

D轨称作元素成分制图轨道段，高度75千米，倾角160度，周期3.6小时，主要目标是探测灵神星表面化学元素成分。

不过，为了适应光照条件变化等因素，探测器的轨道不是严格依序调整，大致是A轨→B1轨→D轨→C轨→B2轨。

显然，探测器想要完成这段旅程，注定挑战重重，首先面临的很可能是动力和能源供给的长期维持问题，确保在8年间持续正常工作。其次是遥远旅程中的通信问题，毕竟探测器需要在超远距离上与地球维持可靠的高质量通信，高效准确地传输数据。此外，灵神星的奇特结构和近似土豆形状所带来的适应性问题也不容忽视，这涉及探测器能否安全地接近灵神星并收集科学数据。

先进设备颇有亮点

为了确保能够在恶劣环境下完成长期任务，探测器配备了各种先进设备，力争战胜旅途上的“九九八十一难”。

从总体上看，探测器主要由太阳能电推进系统、飞行计算机、传感器和飞行激光收发器等组成，其中不乏创新之处。

首先是探测器尺寸最大的主体架构——太阳能电推进系统，它主要由2个太阳能电池阵列、系统底盘、推进剂贮箱等组成。其中，由5块面板构成的十字形太阳能电池阵列展开后，长24.76米，宽7.34米，相当于一个网球场大小，创下了美国宇航局喷气推进实验室有史以来部署的太阳能电池阵列之最。

巨大的电池阵列主要用于在远离太阳的深空低光环境中满足探测器的电力需求，既要维持科学仪器设备运行，又能够驱动电推进装置，支持探测器“长途跋涉”。值得注意的是，“超高效太阳能电推进系统”是该探测器应用的创新技术之一，核心装备是霍尔效应推进器，而本次探测灵神星之旅也是航天器在地月空间之外的宇宙空间使用霍尔效应推进器“首秀”。

▲ 太阳能电池阵列地面测试

接下来，有必要了解探测器的“大脑”——飞行计算机。由于灵神星的形状非常奇特，科学家推测，它很可能拥有非常不规则的重力场，因此设计探测器时必须在导航和控制领域多下功夫，确保其安全地在离灵神星较远的轨道上运行，同时精确测量灵神星的引力场。然后，通过建模并实时改进引力场模型，形成控制策略，进而促使探测器的运行轨道持续调整，慢慢靠近灵神星。

在此过程中，飞行计算机采用的制导、导航和控制软件会发挥非常关键的作用。它将帮助探测器的天线准确地指向地球，以便传输数据，接收来自任务控制系统的命令。这类软件不仅在控制探测器飞行方向时显得至关重要，也是太阳能电推进系统发挥作用所必不可少的。

▲ 探测器展开太阳翼示意图

▲ 探测器发射前进行紧张测试

▲ 深空激光通信装置特写

然后，探测器的“眼睛”与“触手”将担当重任。它们就是各种传感器，包括磁力仪、多光谱成像仪、伽马射线和中子光谱仪。其中，磁力仪用于测量灵神星的磁场。多光谱成像仪用于获取灵神星表面足够高分辨率的图像，辅助识别灵神星表面的金属、硅酸盐等物质成分，进而收集地质地形等数据。伽马射线和中子光谱仪是识别灵神星表面化学元素的“主力担当”，所获数据将帮助绘制灵神星物质构成图。另有微波无线电通信系统，用于高精度测量灵神星的重力场，收集有关其内部结构的线索。

最后，探测器的“口”与“耳”也是至关重要的。它们的学名是飞行激光收发器，与地面激光接收器共同组成了深空激光通信系统，有望将深空探测任务的信息传输效率以几何倍数提升。

科技成果令人期待

从设备构成上不难发现，灵神星探测器承担着实用化验证多项航天新技术的重任。

比如，霍尔推进器在磁场中“捕获”活跃电子后，借电子充分电离推进剂，获取高效动力。一般认为，这种推进器比同等推力的化学推进器会消耗更少的推进剂，而对比现有电推进技术中常用的离子推进器，其设计更简单。可以说，基于霍尔推进器，科学家和工程师有望研制出更轻小、更经济的航天器，满足长期深空探索任务的需求。

深空激光通信技术通过使用近红外波长的光子来编码数据，承担在深空探测器和地球之间高效通信的重任。据测算，对比目前同等大小和功率的无线电通信系统，激光通信系统有望使航天飞行任务的数据传输速率提高10～100倍，从而使探测器有潜力向地球传输更高分辨率的图像、更大容量的科学数据，显著提高深空通信水平。

美国宇航局计划通过本次探测灵神星之旅来验证该技术，主要试验将在探测器巡航阶段前期进行。到时候，探测器通过深空激光通信发回数据，美国加州理工学院帕洛玛山天文台的5.1米口径海尔望远镜负责接收，持续大约1年。近日，该试验已收获成果。

早在2014年，美国宇航局曾利用激光将高清视频从国际空间站传送回地面，而在没有大气层折射散射干扰的深空环境中，激光通信无疑将发挥出更显著的优势。作为美国宇航局有史以来最遥远的高带宽激光通信测试，灵神星探测器有可能促进航天通信技术革命，加速应用于下一个任务前沿——深空。

尽管灵神星探测计划遭遇了许多技术困难和管理问题，导致其一再延误，但美国宇航局对探索灵神星的执着并未动摇，原因当然不仅是渴望灵神星上的稀有金属资源。

一方面，探测器如果能够获得灵神星大量有关元素构成、引力场分布、地质地形等方面的重要数据，有望为科学家提供更多有价值信息，深入了解行星内部结构和演化过程，进而帮助回答关于地球核心和太阳系形成的问题。

另一方面，灵神星之旅无疑将为多项新技术提供宝贵的实践经验，成果反馈或许将助力人类深空探测事业实现飞跃，不仅有望从更遥远的天体了解更详细的信息，还可能帮助人类执行更复杂、效益更大的深空任务。未来，太空采矿等航天经济规模化、常态化之后，人们或许会铭记灵神星探测器这个技术和工程实践的“探路先锋”。

总之，“黄金星球”本身及其探索之旅都有可能带来众多惊喜，我们不妨拭目以待。