劉聲遠(yuǎn)

北京時(shí)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(shí)7年半、行程49億千米的飛行后，終于抵達(dá)谷神星，成為迄今為止第一艘環(huán)繞矮行星運(yùn)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(jìn)技術(shù)實(shí)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(jìn)行近飛探測（在低空飛過指定地點(diǎn)）。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(shí)間3月6日早晨7時(shí)36分抵達(dá)谷神星。實(shí)際上，抵達(dá)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(dá)實(shí)況轉(zhuǎn)播。這是因?yàn)橐鹊饺胲壓脦仔r(shí)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(shí)間6日傍晚，美國宇航局才收到一個信號，證實(shí)“黎明號”狀況良好，并且已經(jīng)從美國東部時(shí)間6日上午大約8時(shí)36分開始進(jìn)入環(huán)繞谷神星的軌道。

事實(shí)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(jì)90年代末就開始籌劃。但到了2003年12月，該計(jì)劃被取消。2004年2月，該計(jì)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(bào)道稱該任務(wù)被“無限期推遲”，但美國宇航局當(dāng)時(shí)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?！袄杳魈枴憋w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(jià)建造這艘飛行器，只為獲取在這個新市場領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，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(fù)載整合進(jìn)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(dá)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(shí)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(jìn)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(shí)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(rèn)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?yàn)樗谋馄匠潭葘τ谝活w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(xì)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(shí)期的狀況和過程。“黎明號”要回答的一個主要問題是：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?yàn)樗鼈兪莻€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(shí)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(shí)，“黎明號”的長度是2.36米。當(dāng)太陽能電池板完全展開時(shí)，“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。“黎明號”由3臺氙離子推進(jìn)器驅(qū)動，這些推進(jìn)器沿用的是美國宇航局“深空1號”飛船的推進(jìn)技術(shù)。包括離子推進(jìn)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(dá)灶神星，“黎明號”被分配了275千克的氙。為了抵達(dá)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(jìn)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(yùn)載火箭分離后依賴機(jī)載推進(jìn)劑的飛行器。發(fā)射“黎明號”是美國宇航局使用離子推進(jìn)引擎進(jìn)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(jìn)器來實(shí)施高度控制，這有助于軌道插入。

美國宇航局“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(fù)載研發(fā)，以及離子推進(jìn)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(jī)。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(shí)驗(yàn)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?jiān)富顒拥囊徊糠?，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(jìn)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dá)位于美國佛羅里達(dá)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(shí)間是2007年6月20日，但因零部件交付延遲，發(fā)射時(shí)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(jìn)器的起重設(shè)備發(fā)生故障，“黎明號”的發(fā)射時(shí)間進(jìn)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(shí)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(shí)間被再次推后。

“黎明號”的發(fā)射時(shí)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(shí)間窗口是美國東部時(shí)間2007年9月27日上午7時(shí)20分到7時(shí)49分。馬上就到7時(shí)20分了！忽然有一艘船闖進(jìn)了海上禁止區(qū)（火箭推進(jìn)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(shí)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(dá)到逃逸速度。此后，“黎明號”的離子推進(jìn)器開始接管推進(jìn)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(jìn)器累積推進(jìn)力超過11天。2007年12月7日，“黎明號”開始了長期性巡航推進(jìn)。2008年10月31日，“黎明號”完成了首次推進(jìn)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(shí)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(jìn)器。為了完成每秒1.81千米的總的速度改變，“黎明號”花費(fèi)了近72千克的氙推進(jìn)劑。2008年11月20日，“黎明號”實(shí)施第一次軌道修正機(jī)動，其1號推進(jìn)器燃燒了2小時(shí)11分鐘。

“黎明號”在2009年2月17日到達(dá)與火星最接近的位置，當(dāng)時(shí)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(jìn)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(jìn)入全面操作模式，功能未受到此前進(jìn)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(jìn)入安全模式，其實(shí)是由于一個軟件編程故障。現(xiàn)在看來，幸虧這一故障并不嚴(yán)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(kuò)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(dá)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(jìn)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(dá)谷神星；2016年年初，預(yù)計(jì)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(jī)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(jìn)行首次拍照，當(dāng)時(shí)它距離灶神星120萬千米，也由此開始對這顆小行星實(shí)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(jì)劃，在利用自己的離子引擎進(jìn)行一段時(shí)間的推進(jìn)后，“黎明號”于2011年7月16日世界調(diào)整時(shí)間5時(shí)插入軌道。由于在加速推進(jìn)期間“黎明號”的天線背離地球，科學(xué)家無法立即證實(shí)它是否成功完成了這次機(jī)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(shí)間6時(shí)30分向地面控制中心“簽到”。美國宇航局稍后證實(shí)收到來自“黎明號”的遙感勘測，表明這艘飛行器成功進(jìn)入環(huán)繞灶神星的軌道。但這次軌道插入的準(zhǔn)確時(shí)間無法證實(shí)，因?yàn)樗Q于灶神星的質(zhì)量分布，而當(dāng)時(shí)這一分布并不為科學(xué)家確知，他們對此只能進(jìn)行預(yù)估。

在2011年7月16日被灶神星引力捕獲并進(jìn)入環(huán)繞灶神星的軌道后，“黎明號”通過使用太陽能運(yùn)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(jìn)入一個周期為69小時(shí)的勘測軌道，距離灶神星2750千米。2011年9月27日，它進(jìn)入一個周期僅為12.3小時(shí)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(jìn)入一個周期只有4.3小時(shí)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(jì)值——220千米。宇航局科學(xué)家進(jìn)一步表示，他們認(rèn)為灶神星是其類別的僅存代表——太陽系形成時(shí)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(diǎn)及暗色條紋很可能源自遠(yuǎn)古時(shí)期的小行星撞擊。美國媒體2012年12月報(bào)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(shí)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(shí)間被推到2012年9月5日。為了讓“黎明號”到達(dá)谷神星后能對這顆矮行星進(jìn)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(shí)使用反力輪和離子推進(jìn)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(dá)27小時(shí)的混合模式訓(xùn)練。

2014年9月11日，“黎明號”的離子推進(jìn)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(jìn)中斷，“黎明號”科學(xué)團(tuán)隊(duì)急忙指令它用另一套活躍的離子引擎和控電器來進(jìn)行替換?？茖W(xué)家們當(dāng)時(shí)說，離子推進(jìn)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(shí)，其離子推進(jìn)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(jī)載天線被暫時(shí)投入使用。在重置“黎明號”的機(jī)載電腦后，其主要天線的對準(zhǔn)機(jī)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(jìn)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(yuǎn)鏡拍攝的同類圖像?？茖W(xué)家表示，“新地平線號”飛行器計(jì)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(yuǎn)鏡拍攝的同類圖像。

因?yàn)橐呀?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(shí)施全面觀測之前，“黎明號”計(jì)劃對谷神星進(jìn)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?yàn)樵诖似陂g從“黎明號”最有利的觀測點(diǎn)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(jìn)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(dá)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(jì)劃，為了實(shí)施首次全面繪圖，“黎明號”要進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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。“黎明號”計(jì)劃在這個軌道中待3個月，在此期間，采用機(jī)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(shí)進(jìn)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(shí)施近飛探測。屆時(shí)，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(yùn)行的軌道）。因?yàn)橹巧裥擒壍赖膬A角很高，所以就算“黎明號”能對它實(shí)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?yàn)樗詈蟮能壍谰哂懈叨确€(wěn)定性。

本文圖片由美國宇航局（NASA）提供