灵神星探索之旅启程！目标不止“黄金星球”

北京时间10月13日22时19分，美国猎鹰重型火箭从肯尼迪航天中心托举一个探测器升空，浪漫的灵神星探索之旅就此启程。这个探测器与灵神星同名，目标正是那颗万众瞩目的“黄金星球”，计划执行至少为期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？

猎鹰重型火箭发射探测器

“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。显然，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，进而触类旁通地揭示地球内核的秘密。

灵神星被大家戏称为“黄金星球”

于是，美国宇航局提出了灵神星探索任务的5个主要目标：

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。按照最新推算结果，如果探测器在今年10月中旬升空，那么会在2023～2026年间尝试飞越火星，进入小行星带。一切顺利的话，接下来，探测器很可能耗费约3年时间来调整航线，2029年左右抵达灵神星轨道，总航程约36亿公里。然后，预计探测器会在2029～2031年间环绕灵神星飞行，开展为期26个月的科学测绘和研究。

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。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，这将决定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。

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，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，号称“超高效”的太阳能电推进系统是该探测器应用的创新技术之一，核心装备是霍尔推进器，而本次探测灵神星之旅也是航天器在月球轨道之外的宇宙空间驱动霍尔推进器“首秀”。

灵神星探测器展开太阳能电池阵列示意图

接下来，有必要了解探测器的“大脑”——飞行计算机。由于灵神星的形状奇特，科学家推测，它可能拥有很不规则的重力场，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，并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，促使探测器的运行轨道持续下降，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。

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”同样至关重要。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。

“探路先锋”担当重任

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消耗更少推进剂，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。

灵神星探测器发射前进行测试

深空激光通信技术通过使用近红外波长的光子（而不是无线电波）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，持续大约1年。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中，激光通信无疑将发挥更显著的优势。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使航天通信技术革命，并应用于下一个前沿——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大量灵神星的元素构成、引力场分布、地质地形等重要数据，有望为科学家提供大量有价值信息，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，灵神星探索之旅计划为多项新技术提供宝贵的实践经验，成果反馈或许将助力未来深空探测事业呈现飞跃式进步，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，无论任务成败，灵神星号探测器都展现了人类探索深空的美好愿望。（作者：文艺 图片来源：美国宇航局 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）