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浅谈黎明号探测器

2020-03-23 222 上传者：管理员

摘要：美国国家航空航天局(NASA)的黎明号探测器是Discovery项目的杰出成员，于2018年11月1日燃料耗尽结束太空旅程，黎明号让人类认识到真实的灶神星和谷神星。在众多探测器中只有它探访矮行星，环绕了小行星带天体及两颗地外天体。跟随我一起回首它那神化般的天外之旅吧！

关键词：
地外天体
小行星带
探测器
灶神星
矮行星
穷游
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2018年11月1日，美国国家航空航天局(NASA)的黎明号探测器被确认燃料已经耗尽。结束了它长达11年的小行星带之旅。11年中，作为NASA知名低成本项目——Discovery项目的优秀成员，黎明号以一己之力为人类揭开了小行星带中两颗最大天体一一灶神星和谷神星的神秘面纱，它也是目前为止唯一一个环绕了两颗地外天体、第一个环绕了小行星带天体、第一个探访了矮行星的探测器。在告别黎明号一周年之际，我们一起来回顾一下它那传奇的“穷游”之旅吧!

第一站：雏形类地行星、陨石之乡、太阳系最高峰

2007年9月27日，黎明号探测器从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，开启了它的奇幻旅程。发射1年半后,黎明号于2009年2月7日飞掠火星，并借助火星的引力助推，历经两年半，于2011年7月16日进入灶神星轨道。这是小行星带(火星和木星轨道之间的一个小天体聚集地)中仅次于谷神星的第二大天体，占了主带小行星总质量的9%,也是小行星带中唯一一颗明亮到可以用肉眼观测的天体。

一个轨道器环绕一颗天体进行长期探测并不是一件容易的事。我们熟知的其他多目标探测器，如旅行者号和新视野号，都是技术上更容易实现的飞掠器，它们的任务只是以一定距离飞过目标天体，然后扬长而去，奔向下一个天体。而轨道器则意味着探测器需要进入这个天体的引力范围，还能环绕这个天体稳定地运行一一这对探测器的性能和轨道控制技术来说都是更大的考验。

进入灶神星轨道后，黎明号多次降低和调整轨道，对灶神星进行了全方位多角度“扫摄”。在长达14个月的观测中，黎明号共环绕灶神星1298圈，拍摄了近31000张照片，还收集了大量科学数据。

尽管在此之前，灶神星的一些表面特征已经被哈勃空间望远镜和一些地基望远镜观测到，但直到黎明号的到来，灶神星表面的种种细节才被真正揭开。

虽然是小行星，但灶神星这样直径达500千米以上的大型小行星和直径不足十几千米◎灶神星内部的核、幔、壳结构的绝大多数小行星完全不同一一越大的天体越能保持内部的热，也越可能有丰富的地质活动。

绝大多数小行星只是一个近乎匀质的“土豆”，而黎明号的重力观测数据确认了灶神星早已进化成一个“鸡蛋”:灶神星和地球、火星等类地行星相似，已经有了金属的内核、岩质的幔层和壳层。也就是说，灶神星形成于45.6亿年前，是一颗最终没能“发育进阶”的类地行星雏形，而且它很可能是目前仅存的一颗岩质原行星。

灶神星还是地球上陨石的一大来源。地球上发现的陨石中，有一大类叫作HED陨石，是“古铜钙无粒陨石”“钙长辉长无粒陨石”和“古铜无球陨石”三种非球粒陨石的总称，目前在地球上已经发现了2000多颗。早在黎明号任务之前，我们就已经通过望远镜观测的光谱数据发现HED陨石极有可能都来自灶神星，黎明号的探测结果则进一步证实了这种推测的合理性。也就是说，落入地球的陨石中,可能有6%都是来自灶神星的碎片。

那这些碎片是怎么来的呢？可能是约20亿~10亿年前从灶神星上撞出来的。黎明号近距离探测了灶神星的南半球，发现其南极附近有两个巨大的撞击盆地：较古老的维纳尼亚盆地和较年轻的雷亚希尔维亚盆地。这两个撞击盆地面积巨大，仅雷亚希尔维亚盆地撞击事件产生的溅射物，就足以产生所有落入地球的HED陨石和还在宇宙中飞驰的与HED陨石成分相似的小行星族。

黎明号还发现，雷亚希尔维亚盆地的中央峰高达23千米，是目前太阳系中最高的山峰之一，和火星上最高的奥林匹斯山不相上下。不过，它们的成因完全不同,奥林匹斯山是火山作用的结果，而雷亚希尔维亚盆地的中央峰则是剧烈撞击之后在盆地中央产生的岩石回弹。

第二站：亮斑、有机物、地下海

2012年9月5日，黎明号离开了灶神星轨道，又花费两年半的时间，跋涉15亿千米前往旅途第二站：谷神星。

我们知道，环绕一颗天体运行并不需要能量和助推来维持，只靠引力就够了。但飞行途中的轨道调整以及环绕天体进行观测时不断变换轨道，都需要消耗燃料（推进剂）。然而，一颗探测器能携带的推进剂毕竟有限，要展开长途之旅还需要一些“超强推进剂”来延续生命。黎明号的秘密武器就是离子推进剂。

离子推进发动机的原理是将推进剂“氙”电离成氙离子和电子，然后用高电压将氙离子加速喷射出去，这样探测器就可以借助反冲力进行加速。不同于传统的固体或液体推进剂，离子推进剂更加节能，可以大大减少探测器需要携带的推进剂重量，也就大大提升了太空旅行的效率。事实上，黎明号仅携带了425千克离子推进剂就获得了超过10千米/秒的速度增量，这在深空探测器中是无与伦比的。

◎黎明号拍摄的谷神星

不过黎明号并不是第一个使用离子推进发动机的探测器，NASA的深空1号探测器第一次把这项技术从科幻小说带到了现实世界，此后日本的隼鸟号、隼鸟2号使用的也是离子推◎黎明号发现谷神星上约有130个亮斑的位置（蓝色区域），Occator撞击坑中的亮斑是谷神星上最亮的进发动机。

离子推进发动机运行时会喷出蓝色的“尾焰”，这也是所有使用离子推进发动机的探测器在艺术假想图中的一大特征。在离子推进发神星的诸多秘密。在黎明号近距离造访谷神星之前，围绕谷亮斑"，是谷神星上最亮的区域。神星的一大谜团就是它那神秘的亮斑。2015年当黎明号开始接近谷神星时，科学家们惊讶地发现谷神星上有两块明显的亮斑，而且这两块亮斑和之前哈勃空间望远镜发现的亮斑位动机的帮助下，黎明号于2015年3月6日成置并不一致。哈勃空间望远镜探测到的亮斑由功进入谷神星轨道。在进入谷神星轨道后的3于位于哈勃亮度图里的5号区域，所以最初被年多时间里，黎明号通过10次变轨，不断把称为“5号亮斑”。随着黎明号对谷神星的近探测高度从1.35万千米降至35千米，此外它距离深入探测，科学家们还在谷神星上发现了还对谷神星进行了全方位深入探测，揭开了谷约130块亮斑。而最早发现的“5号亮斑”因为位于Occator撞击坑中,所以后来改称为'Occator。

这个亮斑到底是什么？最初有人认为它是初，◎黎明号使用离子推进发动机时的概念图冰火山或者排气作用的结果，后来有人认为是水合硫酸镁盐矿物。2016年，黎明号的近红外光谱数据表明Occator亮斑里含有大量碳酸钠盐，很可能是因为近期的地质活动才从地下露出表面的。除了盐类矿物，2017年初，黎明号的光谱仪还在谷神星表面多处发现了脂肪族有机物，最主要富集地在Ernutet撞击坑西边边缘。不同于干燥的灶神星，谷神星上一点儿都不缺水（冰），挥发的水蒸气还会产生稀薄的大气层。不仅如此，黎明号还在位于谷神星南半球中纬度地区的Juling撞击坑边缘观察到水冰的季节性变化：冬季结冰，水冰增加；夏季挥发消融，水冰减少。

谷神星的内部也大有玄机。虽然和灶神星差不多，古老的谷神星也早已“进化”出了类地行星那样的分层结构，但不同于类地行星的是，谷神星更像外太阳系的冰卫星，它可能只有一个岩质的内核，而非灶神星那样的金属内核。黎明号的重力探测数据显示，谷神星的幔层主要是含水的岩石，而壳层则是岩石、水冰、各种盐类和含水矿物的混合物——这些含水的岩石和矿物可能是远古时期谷神星地下的全球性海洋遗迹，而且至今可能仍有一部分液态海洋埋在地下没有被冻结。对黎明号观测数据的研究还表明，谷神星的自转轴也曾经历过剧烈动荡，它很可能和火星、木卫二、土卫二等星体一样，发生过自转轴的重新定向，也就是南北极的位置相比于今天发生过很大的变化。而不管是新鲜的碳酸钠盐、有机物、水冰的季节性变化还是地下海洋的遗迹，都表明谷神星并不是一个“死寂”的星球，而是至今依然地质活跃、充满变化，甚至可能具备维持生命条件的地方一一就像木卫二和土卫二那样。第三站：最终轨道XMO7在黎明号长达11年的旅程中，有两次“续命”的经历。第一次帮助黎明号“续命”的是离子推进发动机，第二次的“贵人”就是肼推进剂。

随着任务的推进，黎明号的部分动量轮相继损坏。动量轮是一种通过充电保持转动，进而控制探测器姿态的装置。现代航天器大多采用三轴稳定的方式，以飞机为例，当飞机需要左右转向、左右翻滚或上下俯仰时，就需要分别调整对应方向上的姿态控制系统。同理，探测器也需要至少三个动量轮才行。前面我们说过，离子推进发动机是用来调整轨道的，因此黎明号并不总是需要离子推进发动机，尤其是在某个固定轨道持续探测时。而动量轮对于探测器来说却是必不可少的一一观测的时候，探测器需要把对应的仪器瞄准目标区域；充电的时候，探测器需要调整太阳能板的角度，使其对准太阳；传回信号的时候,探测器需要把天线对准地球……这些需要调整姿态的工作内容都离不开动量轮。黎明号一共带了四个动量轮。2010年6月，第一个动量轮损坏，此时距黎明号抵达第一站灶神星还有一年时间，不过在路上基本不需要控制姿态，所以并不碍事。事实上，其余三个正常的动量轮也一直是关闭状态，直到黎明号快要抵达灶神星时才开启。2012年8月，当黎明号准备离开灶神星时，第二个动量轮也坏了。智能的黎明号自主关掉了所有动量轮，通过离子推进配合化学推进离开了灶神星轨道，而当故障信号传回地球时，黎明号项目组也觉得这个应对措施非常明智，他们决定让动量轮继续关闭着，毕竟在路上暂时用不到动量轮，还有时间寻找解决办法。这时，黎明号携带的少量传统火箭推进剂一一肼（％也），起到了至关重要的作用。黎明号项目组决定采用“混合推进”模式，让两个动量轮配合肼推进剂一起工作一一在这样的状态下对谷神星进行了长达3年的探测。在肼的辅助之下，尽管两个动量轮遇到了致命故障，但到2016年初，黎明号还是成功完成了所有预定目标，并在2016年6月中旬开始了扩展任务。不过，如果再坏一个动量轮，那么混合模式也没什么用了。早在2010年，项目组就已经决定一旦第三个动量轮损坏，就彻底放弃使用动量轮。因此,当2017年4月第三个动量轮坏掉之后，第四个动量轮也被关闭，而且再也没有启用过。自此，黎明号完全靠肼推进剂延续生命。2018年6月，黎明号借助离子推进发动机完成了最后一次变轨，进入了最终轨道XMO7。这是一个大椭圆轨道，与谷神星表面的最近距离只有35千米。黎明号要抓住最后一次机会，以最近的距离探测一次谷神星表面。

2018年6月21日，黎明号关闭离子推进发动机。这缕闪耀在小行星带中的蓝光永远地开心。熄灭了。之后，黎明号在这个最终轨道上一直观测到最后一刻，直到肼推进剂消耗完毕。

黎明号的最终轨道XMO7是项目组精心设计的距离谷神星最近的“安全轨道”，它能够保证黎明号在无法变轨的状态下短期内（大约20年）不会撞上谷神星，以防不慎污染了这颗矮行星。而人类会抓紧这段时间来确认谷神星上是否真的具备维持生命的条件，甚至存在生命。在接下来的20年里，黎明号会环绕谷神星空转，等待新的访客到来。如果20年时间不够，人们还可以将期限放宽至50年，黎明号在此期间仍有99%的概率能够继续环绕谷神星运行，不至于坠毁在它的表面。

不过，目前人们还没有重访谷神星的计划,但在太阳系的其他地方，另外两颗小行星探测器——隼鸟2号和OSIRIS-REx号都已经顺利开展工作。在不远的将来，NASA的小行星探测器Lucy和Psyche也将于2023年左右发射升空,开始属于它们的奇幻旅程。这代表着人类对太空的探索，前赴后继，生生不息。

最后，我想和大家分享《黎明号札记》中,总设计师马克•雷曼的一段话:

在研究生阶段，我的祖父去世了，当时我非常伤心。但当我和实验室一名来自上海的科学家说到这件事的时候，他问我祖父多少岁了。在我告诉他我的祖父已经85岁了之后，这位睿智的绅士笑着对我说：'哦，你应该感到开心。'然后我立刻就意识到了，我当然应该感到开心一一这说明我的祖父度过了一段这么长的快乐人生!

“现在，轮到黎明号了。这颗探测器一路走来，克服了太多我们在设计和制造它的时候完全没有想象到的问题。它不仅超额完成了全部既定目标，而且在经历了差点儿导致任务终结的重大事故之后，仍然取得了我们未曾想到的重要成果。它带给了我，以及无数人（我希望，其中也包括你）一场真正奇幻、激动人心又充满发现的深空探险之旅。从任何意义上来说，黎明号都是一个非凡的成就！”

徐蒙.小行星带的穷游博主——黎明号探测器[J].百科探秘:航空航天,2019(11):23-29.