劉聲遠

北京時間2015年3月6日，美國宇航局“黎明號”探測器（以下簡稱“黎明號”）在經(jīng)過歷時7年半、行程49億千米的飛行后，終于抵達谷神星，成為迄今為止第一艘環(huán)繞矮行星運行的飛行器，而且是環(huán)繞地球-月球系統(tǒng)外兩個天體（灶神星和谷神星）的第一艘飛行器?！袄杳魈枴比蝿?wù)還是美國宇航局首個使用離子推進技術(shù)實施入軌的探測任務(wù)。以往的多目標(biāo)空間飛行任務(wù)使用的都是傳統(tǒng)驅(qū)動，因而只限于進行近飛探測（在低空飛過指定地點）。綜合這些方面來看，“黎明號”任務(wù)無疑是太空探測歷史上的又一個里程碑。

“黎明號”于美國東部時間3月6日早晨7時36分抵達谷神星。實際上，抵達過程從6日凌晨就開始了，但任務(wù)控制中心的科學(xué)家們并未睡眼惺忪地觀看抵達實況轉(zhuǎn)播。這是因為要等到入軌好幾小時后，“黎明號”才會調(diào)整到可以向地球傳輸數(shù)據(jù)的姿勢。所以，直到美國東部時間6日傍晚，美國宇航局才收到一個信號，證實“黎明號”狀況良好，并且已經(jīng)從美國東部時間6日上午大約8時36分開始進入環(huán)繞谷神星的軌道。

事實上，“黎明號”任務(wù)來之不易，這艘飛行器也歷經(jīng)坎坷。

重要任務(wù)再三“下崗”

“黎明號”任務(wù)早在20世紀90年代末就開始籌劃。但到了2003年12月，該計劃被取消。2004年2月，該計劃又恢復(fù)。2005年10月，該任務(wù)再次開啟“下崗”模式。2006年1月，美國媒體報道稱該任務(wù)被“無限期推遲”，但美國宇航局當(dāng)時并未就此發(fā)聲。2006年3月2日，“黎明號”再度被美國宇航局取消。“黎明號”飛行器的生產(chǎn)商——“軌道科學(xué)公司”請求宇航局收回這一決定。該公司愿意以成本價建造這艘飛行器，只為獲取在這個新市場領(lǐng)域的經(jīng)驗，而不賺取任何利潤。美國宇航局隨后表示，將重新審議這一取消。2006年3月27日，宇航局宣布“黎明號”任務(wù)不會取消。2006年9月的最后一周，“黎明號”任務(wù)的儀器負載整合進入全面完成階段。盡管“黎明號”任務(wù)原定的預(yù)算成本是3.73億美元，但到了2007年，最終成本已達4.46億美元。

“黎明號”任務(wù)旨在研究小行星帶中的兩個大天體，目的是回答有關(guān)太陽系形成的若干問題，以及測試離子驅(qū)動的可行性。谷神星（直徑950千米）和灶神星（直徑530千米）被選定為“黎明號”研究的兩大對比鮮明的原行星：谷神星明顯“潮濕”，含冰，寒冷；灶神星則“干燥”，是一顆巖石天體（導(dǎo)致它形成的吸積過程被木星的形成終結(jié)）。這兩個天體提供了一座科學(xué)橋梁，有助于人們了解太陽系中巖石行星和含冰天體形成之間的關(guān)系，以及巖石行星在什么條件下能保持水分。

雖然谷神星只是一顆矮行星，但它的質(zhì)量占到小行星帶天體總質(zhì)量的大約1/3。光譜特征暗示，谷神星的組成類似于富含水的碳質(zhì)球粒隕石。個頭比谷神星小一些的灶神星，則是一顆缺水的無球粒隕石小行星。灶神星經(jīng)歷過明顯加熱和分化，有跡象表明它有一個鐵-鎳金屬內(nèi)核，包裹內(nèi)核的是橄欖石地幔和地殼。灶神星的密度與火星相當(dāng)，還有與月球相似的玄武巖熔巖流。

已有的證據(jù)表明，谷神星和灶神星都形成于太陽系歷史的很早期，因此，它們都保留著對類地行星形成時期的事件和過程的記錄。對據(jù)信為來自于灶神星的隕石片進行的放射性核素測年結(jié)果顯示，灶神星分化過程很快，只花了300萬年或更短時間。灶神星看來是太陽系中許多較小天體的來源。大多數(shù)（但并非全部）V型近地球小行星和一些主帶外小行星的光譜與灶神星類似，它們被合稱為V型小行星。在地球上發(fā)現(xiàn)的隕石樣本中占5%（超過1400塊）的HED隕石，被認為是灶神星遭一次或多次撞擊的結(jié)果。HED隕石讓科學(xué)家得以了解灶神星的地質(zhì)歷史和結(jié)構(gòu)。

熱演化研究暗示，谷神星的形成比灶神星晚一些，應(yīng)該是在太陽系中最古老天體形成的300萬年后。2005年，美國康奈爾大學(xué)科學(xué)家提出，谷神星的內(nèi)部經(jīng)過分異，因為它的扁平程度對于一顆未分異天體來說過小。這表明谷神星有一個巖石內(nèi)核，包裹內(nèi)核的是冰幔。

“黎明號”任務(wù)的目標(biāo)是：通過詳細調(diào)查從形成起就完整保留至今的兩顆最大的原行星——谷神星和灶神星，描述太陽系最初很長時期的狀況和過程?！袄杳魈枴币卮鸬囊粋€主要問題是：行星本身大小和所含水量，怎樣決定行星的演化？谷神星和灶神星之所以很適合揭示這個奧秘，正是因為它們是個頭最大的原行星。谷神星含冰，在地質(zhì)學(xué)上非常原始；灶神星則主要是巖石，在地質(zhì)學(xué)上演化程度高。它們的特征對比鮮明，可能是由于它們形成于太陽系早期的兩個不同區(qū)域。

“黎明號”的主要科學(xué)任務(wù)有三個。首先，它要回溯太陽系最初起源時期的狀況，了解太陽系天體的形成條件。第二，“黎明號”要確定構(gòu)筑類地行星的材料單元的本質(zhì)，深化對類地行星形成過程的了解。最終，它要對比研究谷神星和灶神星的不同形成與演化過程，讓科學(xué)家得以確定是哪些因素在控制和決定著這些演化。

一波三折終于升空

在發(fā)射位置，當(dāng)太陽能電池板回縮時，“黎明號”的長度是2.36米。當(dāng)太陽能電池板完全展開時，“黎明號”的長度是19.7米。太陽能電池板的總面積是36.4平方米?！袄杳魈枴庇?臺氙離子推進器驅(qū)動，這些推進器沿用的是美國宇航局“深空1號”飛船的推進技術(shù)。包括離子推進器在內(nèi)的整艘“黎明號”，由一張10千瓦的多結(jié)砷化鎵光伏太陽能電池板供電，這張電池板由荷蘭空間局提供。

為了抵達灶神星，“黎明號”被分配了275千克的氙。為了抵達谷神星，它被分配了110千克的氙。它搭載的氙的總質(zhì)量是425千克。利用攜帶的推進劑，“黎明號”可在任務(wù)期內(nèi)執(zhí)行每秒超過10千米的變速，這超過此前任何在與運載火箭分離后依賴機載推進劑的飛行器。發(fā)射“黎明號”是美國宇航局使用離子推進引擎進行的第一次純探索任務(wù)。這艘飛行器還使用了12部0.9牛的肼推進器來實施高度控制，這有助于軌道插入。

美國宇航局“噴氣推進實驗室”為“黎明號”任務(wù)提供全面統(tǒng)籌與管理、飛行系統(tǒng)和科學(xué)負載研發(fā)，以及離子推進系統(tǒng)?！败壍揽茖W(xué)公司”提供的“黎明號”飛行器，是該公司第一艘行星際飛船。德國航天中心和馬克斯·普朗克太陽系研究所為“黎明號”提供取景相機。意大利空間局為“黎明號”提供繪圖光譜儀。美國“洛斯·阿拉莫斯國家實驗室”為“黎明號”提供伽馬射線和中子光譜儀。

尤其值得一提的是，“黎明號”攜帶了一個記憶芯片，它記錄著超過36萬名太空愛好者的名字。從2005年9月到2006年11月4日，作為公眾為“黎明號”請愿活動的一部分，這些名字從網(wǎng)上提交給美國宇航局。這張只有普通硬幣大小的芯片，于2007年5月17日被安裝在“黎明號”的正面離子推進器上方和高增益天線下方之間的一個位置。同年，這塊芯片的備份版本在美國宇航局“噴氣推進實驗室”（位于加州帕薩迪納）的開放參觀日公開展出。

2007年4月10日，“黎明號”抵達位于美國佛羅里達州泰特斯維爾市的“太空艙公司”的“宇航科技空間操控裝配中心”，在那里準(zhǔn)備發(fā)射。原定發(fā)射時間是2007年6月20日，但因零部件交付延遲，發(fā)射時間也推后到6月30日。由于發(fā)射場的一部用于提升固體火箭推進器的起重設(shè)備發(fā)生故障，“黎明號”的發(fā)射時間進一步推遲至7月7日。6月15日，火箭第二級成功到位?！坝詈娇萍伎臻g操控裝配中心”在此期間發(fā)生了一次小事故，導(dǎo)致“黎明號”的太陽能電池板輕微受損，但沒有對發(fā)射日期造成影響。然而，惡劣天氣導(dǎo)致發(fā)射日期遲延到7月8日。接著，距離跟蹤方面的故障把發(fā)射時間延后至7月9日，之后又改到7月15日。由于美國宇航局的火星探索飛行器“鳳凰號”要在2007年8月4日發(fā)射，為了不與之沖突，“黎明號”的發(fā)射時間被再次推后。

“黎明號”的發(fā)射時間隨后被重置為2007年9月26日，后又改為9月27日，原因是惡劣天氣致使火箭第二級燃料加注推遲（同樣的問題曾導(dǎo)致7月7日的發(fā)射日期推后）。最終確定的發(fā)射時間窗口是美國東部時間2007年9月27日上午7時20分到7時49分。馬上就到7時20分了！忽然有一艘船闖進了海上禁止區(qū)（火箭推進器在分離后可能墜入的海域）。在命令該船離開禁止區(qū)后，為了避免與國際空間站發(fā)生碰撞，“黎明號”的發(fā)射再度推遲。直到7時34分，“黎明號”才得以在卡納維拉爾角空軍基地搭載火箭升空，在自旋穩(wěn)定固體燃料第三級火箭的幫助下達到逃逸速度。此后，“黎明號”的離子推進器開始接管推進這艘航天器的任務(wù)。真是好事多磨！

借助引力探訪“灶神”

在設(shè)備初始測試期間，“黎明號”的離子推進器累積推進力超過11天。2007年12月7日，“黎明號”開始了長期性巡航推進。2008年10月31日，“黎明號”完成了首次推進階段，踏上飛往火星的征途，目的是在2009年近距離飛過火星時得到其引力援助。在這一首次行星際巡航階段，“黎明號”在270天（即這一階段的85%）中使用了自己的推進器。為了完成每秒1.81千米的總的速度改變，“黎明號”花費了近72千克的氙推進劑。2008年11月20日，“黎明號”實施第一次軌道修正機動，其1號推進器燃燒了2小時11分鐘。

“黎明號”在2009年2月17日到達與火星最接近的位置，當(dāng)時它距離火星549千米，成功獲得火星的引力援助。這一天，“黎明號”進入安全模式，造成數(shù)據(jù)獲取功能部分喪失。兩天后，“黎明號”重新進入全面操作模式，功能未受到此前進入安全模式的任何影響。這既在科學(xué)家預(yù)料中，也有些出乎他們預(yù)料?！袄杳魈枴敝詴M入安全模式，其實是由于一個軟件編程故障?，F(xiàn)在看來，幸虧這一故障并不嚴重。

為了從地球一路巡航至目標(biāo)天體，“黎明號”的飛行軌跡是一個不斷向外擴展的橢圓。美國宇航局在其網(wǎng)站上持續(xù)發(fā)布“黎明號”的位置和狀況：2007年9月27日，發(fā)射；2009年2月17日，火星引力援助；2011年7月16日，到達灶神星，并且被灶神星的引力捕獲；2011年8月11日到8月31日，進入灶神星勘測軌道；2011年9月29日到2011年11月2日，位于環(huán)繞灶神星的高軌道；2011年12月12日到2012年5月1日，位于環(huán)繞灶神星的低軌道；2012年6月15日到2012年7月25日，位于環(huán)繞灶神星的中間軌道（高軌道和低軌道之間）；2012年9月5日，“黎明號”離開灶神星；2015年3月6日，抵達谷神星；2016年年初，預(yù)計結(jié)束對谷神星的主要探測任務(wù)。

隨著“黎明號”逐漸接近灶神星，它的取景相機也開始對灶神星拍攝像素越來越高的照片，美國宇航局則在新聞發(fā)布會和網(wǎng)上發(fā)布這些照片。2011年5月3日，“黎明號”對灶神星進行首次拍照，當(dāng)時它距離灶神星120萬千米，也由此開始對這顆小行星實施越來越近距離的探測。2011年6月12日，“黎明號”降低了自己與灶神星之間的相對速度，為34天后的軌道插入做準(zhǔn)備。

按照計劃，在利用自己的離子引擎進行一段時間的推進后，“黎明號”于2011年7月16日世界調(diào)整時間5時插入軌道。由于在加速推進期間“黎明號”的天線背離地球，科學(xué)家無法立即證實它是否成功完成了這次機動。接著，“黎明號”重新定向，并且在2011年7月17日世界調(diào)整時間6時30分向地面控制中心“簽到”。美國宇航局稍后證實收到來自“黎明號”的遙感勘測，表明這艘飛行器成功進入環(huán)繞灶神星的軌道。但這次軌道插入的準(zhǔn)確時間無法證實，因為它取決于灶神星的質(zhì)量分布，而當(dāng)時這一分布并不為科學(xué)家確知，他們對此只能進行預(yù)估。

在2011年7月16日被灶神星引力捕獲并進入環(huán)繞灶神星的軌道后，“黎明號”通過使用太陽能運轉(zhuǎn)自己的氙離子引擎，轉(zhuǎn)移到一個距離灶神星更近的較低軌道。2011年8月2日，它暫停螺旋式靠近灶神星，進入一個周期為69小時的勘測軌道，距離灶神星2750千米。2011年9月27日，它進入一個周期僅為12.3小時的勘測繪圖軌道，距離灶神星680千米。最后，在2011年12月8日，它進入一個周期只有4.3小時的繪圖軌道，距離灶神星才210千米。

2012年5月，美國宇航局發(fā)布了“黎明號”探測灶神星的初步結(jié)果，其中包括對灶神星內(nèi)核大小的估計值——220千米。宇航局科學(xué)家進一步表示，他們認為灶神星是其類別的僅存代表——太陽系形成時期，類行星大天體聚合成巖石行星，而灶神星是留存至今的唯一一顆（或已知的唯一一顆）類行星大天體。美國宇航局2012年10月宣布，來自“黎明號”的數(shù)據(jù)揭示，灶神星表面的異常暗點及暗色條紋很可能源自遠古時期的小行星撞擊。美國媒體2012年12月報道說，“黎明號”在灶神星表面觀測到?jīng)_溝，它們被解讀為過去一度存在的流水沖刷的結(jié)果。美國宇航局至今尚未證實或否定這個說法。

此行一去永留外星

“黎明號”原定在2012年8月26日離開灶神星，開始前往谷神星的為期兩年半的行程。然而，由于“黎明號”的一只反力輪出了問題，這艘飛行器脫離灶神星引力場的時間被推到2012年9月5日。為了讓“黎明號”到達谷神星后能對這顆矮行星進行近距離勘測繪圖，科學(xué)家必須改善反力輪的性能。他們不得不采用混合模式為“黎明號”重新定向。這個模式需要同時使用反力輪和離子推進器，但科學(xué)家又必須確?；旌夏Ｊ讲荒芟倪^多燃料。2013年11月13日，在一次測試準(zhǔn)備中，科學(xué)家完成了長達27小時的混合模式訓(xùn)練。

2014年9月11日，“黎明號”的離子推進意外終止，這艘飛行器開始執(zhí)行一種受激安全模式。為避免推進中斷，“黎明號”科學(xué)團隊急忙指令它用另一套活躍的離子引擎和控電器來進行替換?？茖W(xué)家們當(dāng)時說，離子推進系統(tǒng)的控電器有可能是被高能輻射粒子損壞的。2014年9月15日，當(dāng)“黎明號”脫離安全模式時，其離子推進恢復(fù)正常。此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)他們無法讓“黎明號”的主要通信天線朝向地球。于是，另一部能力較弱的機載天線被暫時投入使用。在重置“黎明號”的機載電腦后，其主要天線的對準(zhǔn)機制才恢復(fù)正常。

從2014年12月1日起，“黎明號”開始對谷神星進行拍照。2015年1月13日和25日，美國宇航局發(fā)布了“黎明號”拍攝的谷神星視頻資料?！袄杳魈枴痹?015年1月26日拍攝的谷神星照片的像素，超過了哈勃太空望遠鏡拍攝的同類圖像?？茖W(xué)家表示，“新地平線號”飛行器計劃在2015年5月5日拍攝的冥王星照片的像素，也將超過哈勃太空望遠鏡拍攝的同類圖像。

因為已經(jīng)有兩只反力輪出現(xiàn)故障，所以“黎明號”在接近谷神星期間對它的照相觀測數(shù)量，將少于它在靠近灶神星期間對灶神星的照相觀測數(shù)量。照相觀測要求“黎明號”改變方向，而這會消耗寶貴的肼燃料。在軌道插入，從而開始對谷神星實施全面觀測之前，“黎明號”計劃對谷神星進行7次（分別是在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）導(dǎo)航攝影觀測，以及2次（分別是在2月12日和19日）全旋轉(zhuǎn)觀測。之所以會在3月和4月初出現(xiàn)間隙，是因為在此期間從“黎明號”最有利的觀測點看去，谷神星過于靠近太陽，所以無法對它安全拍照。

由于“黎明號”已于2015年3月6日進入谷神星軌道，因此“新地平線號”如果能在2015年7月順利抵達冥王星，那么“黎明號”就比它提前4個月開始近距離探索一顆矮行星。按照計劃，為了實施首次全面繪圖，“黎明號”要進入距離谷神星1.35萬千米的軌道，在這個軌道中待15天。在此期間，“黎明號”對谷神星進行拍照和傳感測量，所得數(shù)據(jù)都傳回地球。接著，“黎明號”呈螺旋式下降到距離谷神星4430千米的勘測軌道，在這里待22天。在此期間，“黎明號”采用取景相機拍攝谷神星全球，采用可見光和紅外繪圖光譜儀繪制谷神星全球地圖。再接著，“黎明號”螺旋式下降至距離谷神星1480千米的軌道中。2015年8月，“黎明號”將在這個軌道中開始為期兩個月的環(huán)繞繪圖階段。在此期間，它將對谷神星進行像素高于勘測繪圖階段的拍攝和光譜解析。它還將拍攝谷神星表面的立體圖。2015年11月，“黎明號”將開始最近距離環(huán)繞谷神星，其軌道與谷神星的距離將只有大約375千米?！袄杳魈枴庇媱澰谶@個軌道中待3個月，在此期間，采用機載伽馬射線和中子探測器獲取對谷神星的探測數(shù)據(jù)，同時進行引力調(diào)查。

科學(xué)家原本希望，在“黎明號”的主要探測任務(wù)完成后，它有可能在2018年對2號小行星（即智神星，位于木星和火星軌道之間）實施近飛探測。屆時，智神星將跨越黃道面（是一個假想平面，理論上它包含地球環(huán)繞太陽運行的軌道）。因為智神星軌道的傾角很高，所以就算“黎明號”能對它實施近飛探測，也只能是很短暫的探測。由于“黎明號”的反力輪迄今已有兩只損壞，因此它的剩余肼燃料將需要用在提升剩余反力輪的功能，從而讓“黎明號”能在谷神星的低軌道中定向方面。這樣一來，它就不可能有剩余燃料來執(zhí)行智神星近飛探測?？茖W(xué)家預(yù)料，當(dāng)“黎明號”的任務(wù)結(jié)束后，它將成為谷神星的一顆永恒衛(wèi)星，這是因為它最后的軌道具有高度穩(wěn)定性。

本文圖片由美國宇航局（NASA）提供