[科普中国]-深空-1探测器

探测器概况

1998年10月24日当地时间8时零8分,在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角,美国航宇局用1枚小型“德尔他”火箭成功地发射了1个采用离子推进器的空间探测器——深空-1。它是美国航宇局“ 2000年高风险、高回报科技计划”中的第一个项目,也是人类迄今为止第一个以离子推进器为主要动力的空间探测器。2

这个能够自主运行、由离子推进的深空-1空间探测器价值1.52亿美元。尽管这个探测器看上去与美国航宇局发射的许多其他无人驾驶探测器毫无不同,但它是用1台电子计算机来导航的,并由离子推进发动机为动力系统来飞越太空的。飞行规划人员希望能利用该探测器实现对目标小行星进行一些令人感兴趣的观察,其中包括小行星的构成及其表面结构。但深空-1探测器的主要任务是验证一系列新技术。由于美国航宇局历来认为这些新技术风险太大,因而不敢在重要的航天计划中使用。2

美国航宇局这次在深空-1探测器上采用了多项创新技术:其一是一种未经检验的推进系统,其二是要给这个推进系统提供动力的未经检验的太阳电池阵,第三是该探测器采用的一种未经检验的导航系统。与以往使用液态燃料的探测器不同,深空-1探测器的燃料是无色的氙气,其推进速度是9.9万千米每小时。深空-1探测器仅用大约82kg氙气燃料,就足以飞往1.89亿千米外的小行星,从而大大减少了空间运行成本。如不用离子推进器,深空-1探测器要完成同样任务所需的燃料将是现在的10倍之多。推进器和其他设备所需的电力由一种新型太阳能电池阵生产。电池阵上带有720面镜片,把阳光聚集到太阳能电池中。深空-1探测器采用的新型“独立导航系统”具有自动导航能力,不需人工操作。深空-1探测器通过扫描星体和小行星,能知道自己所在的确切位置,甚至有可能在飞往小行星的过程中自行完成机动动作。2

深空-1探测器此行的第1个目的地是距离地球1.9亿千米处的小行星(1992KD), 1999年7月它将与该小行星相会,并对其进行为期几个月的远距离观察。然后,该探测器将于2001年1月飞往威尔逊-哈林顿彗星,并将于2001年晚些时候飞往博雷利彗星。

美国航宇局负责此次发射的官员雷·卢戈说:深空-1的成功发射揭开了美国航宇局从下个世纪开始实施“高风险、高回报”的高技术航天计划的序幕。美国航宇局希望深空-1探测器采用的一系列新技术将使今后经常进行类似的航天发射成为可能。但1998年11月10日当该探测器距地球约321.8万千米处时,安装在深空-1探测器上的氙离子发动机在首次启动运转4.5分钟后,突然停止工作。地面控制人员曾多次试图令其恢复运转,但均未获成功。直到1998年11月25日,当地面人员对其重新启动后,该离子发动机才恢复了正常。美国航宇局喷气推进实验室11月25日称,离子发动机突然关闭可能是由金属微粒摩擦引起的,也可能是由两个高压栓之间存在的其他物质造成的。2

目标任务新技术试验深空1号与其说是科学航天器，不如说是技术开发航天器，因为它的主要任务是在月球以外的深太空试验12项可能用于未来科学计划的新型推进技术。这也就是它被命名为“深空1号”的原因。其中两项新技术在发射后12小时生效，太阳聚光器的功能是用圆柱体透镜将阳光集中到3600块太阳能电池上;另一项是一个小的深空应答器.此外,一个人工智能系统使航天器的自控能力比以前有了很大提高,从而减少了地面控制人员和设备所需的经费。当然最为重要的实验项目是首次使用回转离于发动机。其工作原理是:撞击氨原子中的电子,使之由氦原子核中被剥离出来,成为等离子的氨原子.用电极加速,使其形成速度达到28km/s。的迅猛喷射,这种喷射的反作用力使探测加速;由于可提供几乎连续的推力,因此其效率是传统火箭的10倍以上。这是一项前景十分看好的新型火箭技术。按照计划时间表,离子发动机在1998年11月9日开始试运转。3

考察小行星及彗星尽管“深空1号”的主要目的是新技术实验,但同时也担负着考察近地小行星1992KD和另外两颗彗星的科学任务。近地小行星199ZKD是美国天文学家E·赫林和K·罗连斯(女)于1992年5月27日发现的。当时他们使用帕洛马山天文台的46cm施密特望远镜对着天秤座方向的同一天区,相隔34分钟拍摄了两张照片,发现照片中一个暗至15.5等的星点位置发生移动,从而确认这是一颗新找到的小行星。将其命名为1992KD。其时它距离我们地球3860万km,相当于月球与地球之间距离的100倍。后来的连续观测和计算表明,这是一颗近地小行星,对地球有一定潜在威胁，从而被选为“深空1号”的考察目标。“深空1号’,是在一条飞近近地小行星1992KD的轨道上运行,2009年7月28日至29日它可接近199ZKD至5km到10km,届时可对这颗小行星的大小、形状、矿物结构等项目进行近距离考察。尽管“深空1号”的主要技术实验和科学考察计划将于1999年9月18日结束,但其寿命还会延长2年,并对两颗彗星进行考察；如果一切顺利，2001年1月20日将与威尔逊-哈林顿彗星相会,2001年9月21日至25日与波莱利彗星相会,进行一系列太空物理量的测量,为科学家研究彗星和太阳风之间的相互作用提供科学数据。“深空1号”和全部探测计划将于2001年12月结束。3

探测器运行情况1998年11月24日，探测器进行了离子推进系统技术验证；1999年7月29日，探测器飞越9969号小行星“布雷尔”，与该小行星相距26km，速度15.5km/s，这是目前探测器飞越小行星的最近距离；同年9月18日，探测器主任务结束探测器原计划的扩展任务是先后飞越“威尔逊-哈灵顿”彗星和“包瑞利”彗星，但1999年11月，探测器的星跟踪器失效，因此NASA修改了原飞行计划，使探测器只飞往“包瑞利”彗星；2001年9月22日，探测器以16.5km/s的速度飞越“包瑞利”彗星的彗发，并获得其彗核的图像和红外光谱；2001年12月18日，地面发送指令关闭了探测器的离子发动机，任务结束。1

主要性能参数探测器的发射质量为486kg，其中探测器质量374kg，肼燃料31.1kg，氙气81.5kg。主平台为八边形柱体结构，尺寸为1.1 m×1.1m×1.5m，探测器是世界上首个使用离子发动机作为主推进器的空间探测器，该离子发动机于质量为48kg，高推力模式功率2300W，推力92mN；高比冲模式功率500W，推力20mN。1

探测器的太阳翼是一种高效聚光式太阳阵，其尺寸和质量均小于传统太阳翼。该太阳翼面积约9.9m2，任务初期的最大功率为2500W通信采用X频段，高增益天线信噪比为24.6dB，在地球附近的通信数据率为19.9kbit/s。探测器携带了新型“小型深空转发器”，该设备集成了接收机、指令检测装置、遥测调制器、激励器、信标侧音发生器和相关控制功能，质量为3kg，采用X频段上行和X/Ka频段下行。探测器还对“多功能结构”进行了测试，即在结构板里镶嵌电子设备，这一技术可简化未来航天器的结构。1

探测器携带了2种有效载荷，其中轻型集成相机/成像光谱仪用于观测小行星和彗星，并拍摄用于光学导航的图像；行星际探测等离子体光谱仪用于科学观测和测量离子发动机对星上仪器的影响。