灵神星航天器将在2026年初抵达奇特金属小行星开始为期两年的科学调查

美国国家航空航天局在去年8月发射了一台探测器，探索一颗名为灵神星的奇特金属小行星。 

当我们的太阳系还很年轻的时候，行星尚未出现，只有一个由气体和尘埃组成的弥漫星盘环绕着太阳。但在数百万年里，这团旋涡般的原始物质在自身引力的作用下坍塌，形成了数百乃至数千颗“婴儿行星”，天文学家称为星子。部分星子在旋转的太阳星云中卷入越来越多的尘埃和气体，体积日渐庞大，直径增长至数百公里。

一旦星子达到这样的体量，内部放射性元素衰变产生的热量便会被困住，温度升高，使微行星内部融化。熔浆中较为致密的成分（铁和其他金属）沉降至中心，剩下较轻的硅酸盐漂浮至地表。这些较轻的物质最终冷却下来，在重金属核周围形成硅酸盐岩石地幔。这样一来，大量的铁镍合金便被困在这些行星深处，永久隐匿，无法被直接观察到。

是否果真如此？

此时的太阳系虽然规模庞大，却仍然相对拥挤。在接下来2000万年左右的时间里，众多星子不期而遇，相互碰撞，有的合并成更大的原行星，最终形成我们今天所熟悉的行星。

每一次碰撞中，原行星的金属核心都遭受撞击并与硅酸盐地幔物质重新混合，随后被聚集的热量融化，再次分离。有时碰撞产生的能量很大，导致一颗原行星被完全摧毁，留下的碎片形成小行星带，如今存在于火星和木星轨道间。

但少数原行星却可能逃脱这两种命运。天文学家推测，一系列“肇事逃逸”撞击导致它们失去大部分的地幔，只留下少量的硅酸盐岩石和大量金属。这些物质结合在一起，形成了一个罕见的世界。若这一理论正确，最明显的例子便是一颗名为“灵神星”（16 Psyche）的小行星，这颗以希腊灵魂女神普绪克命名，是小行星带中第16个被发现的成员（1852年）。

灵神星的面积与马萨诸塞州差不多，具有金属般的密度。这么大的体积和密度，使灵神星的质量达到小行星带总质量的1%。未来的金属矿主也许有朝一日会将股票压在这颗小行星上。

上图:高增益无线电天线正在位于加州帕洛阿尔托的Maxar设施内进行测试该天线将在整个任务期间提供数据通信。

中图下图:美国国家航空航天局喷气推进实验室的技术人员正在灵神星航天器旁工作。

灵神星任务也是美国国家航空航天局探访这颗小行星任务的名称。灵神星任务由美国亚利桑那州立大学的林迪•埃尔金斯-坦顿（Lindy Elkins-Tanton）主持，由美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）执行。任务将检验天文学家有关行星核心形成和成分的理论，同时将探索迄今为止任何空间探测器皆未造访过的神奇景观世界。

灵神星任务计划将于2022年8月发射，3年以后，航天器抵达目的地。在那里它会找到什么？天文学家认为，可能会看到金属凝固收缩形成的巨大地表断层、闪闪发光的绿色结晶地幔矿物悬崖、凝固的硫熔岩流，以及经历数千年高速撞击后散落于地表的大片金属碎块。毫无疑问，会有很多惊喜。

太空探测器必须经过长途跋涉才能抵达目的地，这个旅程格外艰巨。灵神星位于主小行星带的外围，远远超出火星轨道。探测器将于2026年1月开始环绕小行星，对其进行为期近2年的探索。

与人们普遍以为的相反，探测器环绕小行星这样的小型天体，要比环绕行星更加困难。大行星有很深的引力井，航天器燃烧一枚低空火箭就可进入轨道；而小型天体几乎不存在引力，基本无法提供引力杠杆，所有的工作都必须由航天器的推进系统完成。

不久前，美国国家航空航天局在其“黎明号”任务中成功应用了这一方法，将一个探测器送入小行星灶神星和谷神星的轨道。“黎明号”航天器使用太阳能电力推进，3台高效发动机通过电离推进燃料气体和高压电场加速，将来自太阳能电池阵列的电能转化为推力。

我们喷气推进实验室的团队设计灵神星探测器时也计划采用类似的方法。主要问题是如何不超出任务预算。喷气推进实验室的工程师使用大部分现有技术解决了这一问题。技术来自位于科罗拉多州威斯敏斯特的制造商Maxar公司，Maxar是世界上最大的商业地球同步通信卫星供应商之一，其生产由位于加州帕洛阿尔托的一个分部进行。

灵神星航天器的制造基于这些卫星的“底盘”进行，包括大功率太阳能电池阵列、电力推进器及相关的电源和热控制部件。在许多方面，灵神星航天器与标准的Maxar通信卫星类似，但它还承载着喷气推进实验室的航电设备、飞行软件以及自主深空运行所需的许多故障保护系统。

从一开始，实现这一概念就遇到了困难。首先，美国国家航空航天局管理层对这种削减成本的措施理所当然地很谨慎，因为20世纪90年代执行的“更快、更好、更低成本”的任务模式导致了惊人的失败；其次，“黎明号”任务利用地球轨道系统导致开发阶段成本严重超支；最后，许多有关人员（错误地）认为深空环境非常特殊，灵神星航天器必须与仅用于绕地球运行的通信卫星截然不同。

我们和美国国家航空航天局的多名同事与Maxar公司的工程师合作，将问题逐一解决。我们使用Maxar标准产品系列的硬件，尽量减少对硬件的更改，从而控制了成本。我们之所以能做到这一点，是因为实际上地球同步轨道上的热环境与灵神星航天器将遇到的热环境并无太大区别。

发射后不久，灵神星航天器将经历较高的太阳辐射通量，建造通信卫星也有相同的考虑。当然，它还必须应对深空的寒冷，但Maxar的卫星在飞过地球阴影时也须承受类似的环境条件，在一年中的某些时候，Maxar的卫星每天都要进入一次地球阴影。

作为大功率的电信中继站，Maxar的卫星必须消除其微波功率放大器产生的数千瓦废热。卫星散热通过将热量辐射到太空来实现。但是，辐射大量散热对于太空探测器是一大问题，因为在灵神星附近，太阳的光和热通量是地球附近的1/10。因此，如不采取任何预防措施，按照绕行地球设计的航天器很快会因温度过低而无法运行在小行星带这么远的地方。

为应对这一挑战，Maxar在整个航天器上安装了多层“隔热毯”来保持热量。Maxar还在热辐射器顶部添加了特制的百叶窗。这种百叶窗与活动百叶窗很像，当航天器温度过低时，百叶窗便会自动关闭聚集热量。但仍然存在许多其他工程挑战，特别在推进方面。

为减少到达小行星所需的推进燃料的质量，灵神星航天器将使用太阳能-电推进器，将离子加速到极高的速度，是化学火箭能达到速度的6倍以上。尤其值得一提的是，灵神星航天器将使用被称为霍尔推进器类型的的离子推进器。

20世纪70年代，苏联工程师率先在太空中使用霍尔推进器。我们在灵神星航天器上使用了4个俄罗斯制造的霍尔推进器，原因很简单，Maxar使用同样数量的推进器维持其通信卫星在轨运行。

霍尔推进器采用了巧妙的策略来加速带正电的离子（见插图“霍尔推进器的工作原理”）。这与“黎明号”航天器的离子推进器不同，“黎明号”使用的是高压栅格。相比之下，霍尔推进器使用电场和磁场的组合来加速离子。虽然霍尔推进器在卫星上的使用历史悠久，但这是它们首次用于行星际任务。

你可能认为绕地球推进与在深空推进没有差别，但事实上，两者的差异很大。推进器的电力来自太阳能电池板，且电力必须边产生边使用，因为没有大电池对电力进行存储。因此，随着航天器远离太阳飞行，推进器可用的电力将大大减少。

这是一个问题，因为电动推进器设计的最佳运行状态通常在最大电源功率水平。事实证明，对电源功率稍加节制，就能很容易地将最大输出功率降至一半左右。例如，当需要抬升卫星轨道时，Maxar在通信卫星上使用的霍尔推进器的运行功率高达4.5千瓦。对于一般的轨道保持，推进器的运行功率为3千瓦。当航天器接近目的地时，我们需要推进器将运行功率降至低于1千瓦。

问题在于当我们节制电源功率时，效率便会降低。从这个意义上说，霍尔推进器好比汽车的发动机。但情况比汽车更加糟糕：如电源功率降低太多，推进器内的放电会变得不稳定。节制推进器甚至可以会造成完全熄火——就像喷气发动机熄火一样。

霍尔推进器的工作原理

霍尔推进器通过电子放电产生等离子体(正离子和电子的准中性集合)与荧光灯的原理不无相似。这些推进器包括放置在推进器主体外部的空心阴极(负电极)和位于环形放电室内的阳极(正电极)。如果这些只是普通电极，施加在推进器上的能量就会产生从负极流向正极的电子流，沿途发出蓝光。但是，霍尔推进器在放电通道上施加了径向磁场。

阴极发射的电子很轻，速度很快。磁场阻碍电子流向阳极，迫使电子进入沿推进器的中心线推进的圆形轨道。放电室内产生的正离子加速冲向环绕电子云，但这些离子质量很大，不受弱磁场的影响。它们形成波束直射而出，沿途卷入电子。这些物质高速喷射产生了推力。推力并不大，大约相当于几个25美分硬币产生的推力，但若连续数月稳定加速，最终足以让航天器冲天而起。

但通过巧妙的工程设计，我们对Maxar推进器的工作方式加以修改，使其能够在电源功率低至900瓦时稳定运行。然后，我们在美国国家航空航天局格伦研究中心和喷气推进实验室的设施中测试了重新设计的推进器，证明其确实能够可靠地完成6年的灵神星任务。

灵神星任务将测试发送和接收光学数据的设备。DSOC系统的指向必须特别精准，且保持振动隔离。

灵神星航空器的目的地距太阳的距离是太阳到地球距离的3倍多。到达目的地时，操作航天器并启动推进器需要产生2千瓦电源功率，这需要很大的太阳能电池阵列，在地球附近能产生的电源功率将超过20千瓦，这是相当大的功率。

美国国家航空航天局很幸运，太阳能电源的成本在过去十年大幅下降。今天，向全球发射电视和互联网信号的商业卫星经常可达到这一功率水平。这些卫星的太阳能系统是有效、可靠且相对便宜的。但它们的设计是环绕地球工作，而不是小行星带的外围。

2013年筹划灵神星探测任务时，Maxar已成功发射了20多架电源功率超过20千瓦的航天器，但该公司从未建造过行星际探测器；喷气推进实验室拥有多年深空设备运行经验，却从未建造过灵神星任务所需规模的电源系统。因此，喷气推进实验室和Maxar携手合作。

这其中的挑战很复杂，不仅仅要处理灵神星的阳光暗淡，灵神星航天器上的太阳能电池必须在远低于正常温度的条件下工作。这是一个严重的问题，因为太阳能电池的电压会随着温度降低而升高。

绕地球运行时，Maxar的太阳能电池阵列会产生100伏的电压。若在灵神星附近使用相同阵列，将会产生有问题的高电压。虽然我们可以添加电子元件来降低太阳能电池阵列输出的电压，但新电路在设计、制造和太空测试方面的成本很高。更糟糕的是，当航天器远离太阳时，发电效率会降低，无论如何，产生足够的电力是很难的。

幸运的是，Maxar已经有了解决方案。当通信卫星进入地球的阴影时，由一组锂离子电池供电，其大小与电动汽车的电池相当，足够保持卫星在地球背面的阴影中运行，这段时间不会超过一个小时。但是电池的电压会随着时间而变化，在某些卫星上，当电池深度放电时，电池电压可能会由100伏降至40伏。为处理这种变化，Maxar的卫星添加了一个“放电转换器”，可以提升电池电压，提供恒定的100伏电源。这些转换器经过飞行验证且效率很高，非常适合用于灵神星任务。

关键是重新连接太阳能电池阵列，使其在地球附近产生的电压降至60伏左右。随着航天器远离太阳，电池阵列逐渐变冷，电压逐步升高，在抵达灵神星时，电压升至100伏左右。Maxar的放电转换器通常与电池相连，在航天器上则是连接到太阳能电池阵列，用于在整个任务期间为航天器提供恒定100伏的电力。

这一方法会带来一些能量损耗，但当航天器靠近地球且可用电源充沛时，损耗最大。当航天器接近灵神星时，发电将会更加困难，系统将以最高效率运行，此时使用经过飞行验证的硬件，比设计一个要在整个深空任务中竭力从太阳能电池阵列获取峰值功率的复杂系统要经济得多。

除了携带将用于研究小行星的一套科学仪器外，灵神星航天器还将携带美国国家航空航天局的 “技术示范”载荷，称为深空光通信（DSOC）。

DSOC是基于激光的通信系统，通信效率预期超越当前无线电技术100多倍。DSOC将远超在火星轨道的距离中以高达每秒2兆比特的速率传输数据。有朝一日，类似的技术有望让用户以高清视频观看宇航员在红色星球上的行走。

DSOC仪器有一个“地面部分”和一个“飞行部分”，每个部分都包括一台激光发射器和一台接收器。地面部分的发射器为7千瓦的激光器，将安装在喷气推进实验室位于洛杉矶东北部约60公里处的光通信望远镜实验室中。此外还有一台灵敏的接收器，能够清点单个光子，连接帕洛玛天文台5.1米宽的黑尔望远镜，位于圣地亚哥东北部60公里。

飞行部分，即航天器上的部分，包含相同类型的设备，但规模大大缩小：一台平均功率为4瓦的激光器和一架22厘米的望远镜。飞行部分听起来很简单，就像用户在家里可以自行拼凑出来的东西，但事实并非如此。

一方面，飞行部分需要相当复杂的设备正确地指示方向。灵神星航天器本身能够将DSOC指向地球的方向保持在零点几度的弧度以内。然后，DSOC利用内置的执行器搜索从地面发出的激光信标。检测到信标后，执行器将DSOC自身的激光稳定地指向地球，其精度达到了微弧度级。

飞行部分之所以能够如此稳定地指向同一方向，是因为它被安置在特殊的密封部件中，与航天器其余部分保持热隔离和机械隔离。DSOC使用长遮阳罩来消除激光接收器上的杂散光，还带有可展开的光圈罩以确保装置的清洁。

在太空进行DSOC操作期间，航天器不能使用推进器或太阳能电池阵列的万向节，否则将带来有问题的振动。它将稳固保持在某个方向上的固定姿态，使用星际跟踪系统来确定方向。不过，这段时间对航天器操作的限制不是一个障碍，因为DSOC测试仅是在任务的第一年，刚刚行经火星轨道。当航天器抵达灵神星时，DSOC将通过微波无线电链路将数据传回地球。

经过近10年的规划和3年多的飞行，灵神星航天器最终将在2026年初到达目的地。毫无疑问，当喷气推进实验室的控制人员将航天器送入轨道时，人们将屏息等待数分钟后返回的信号，了解航天器是否顺利抵达小行星带的遥远角落。

若一切按计划进行，在自发射之日起的两年内，这个由通信卫星转变而来的太空探测器在展示了先进的光学高速数据通信系统之后，还将为科学家们提供近距离观察这个奇特金属世界的机会。这些成就的取得将是一个漫长的过程，但我们希望从中所学到的东西值得我们为确保该任务取得成功而付出的多年努力。

作者：Dan M. Goebel、David Oh