張揚(yáng)眉 王帥 （北京空間科技信息研究所）

2023年10月13日，美國(guó)“賽琪”（Psyche）小行星探測(cè)器從肯尼迪航天中心由美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運(yùn)載火箭發(fā)射升空?！百愮鳌笔敲绹?guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”（Discovery Program）的第14次任務(wù)，將探測(cè)金屬小行星——靈神星（Psyche），幫助解答有關(guān)太陽(yáng)系起源和形成等基本問(wèn)題。按計(jì)劃，“賽琪”將于2029年8月抵達(dá)靈神星，并開始為期26個(gè)月的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。

1 任務(wù)背景

2015年，“賽琪”任務(wù)方案作為NASA“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”“機(jī)遇公告”（AO）的5項(xiàng)入圍方案之一，獲得300萬(wàn)美元用于進(jìn)一步研究。

2017年1月4日，“賽琪”被選為“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”的第14次任務(wù)，發(fā)射日期定在2023年。但在2017年5月，為采取更高效的飛行軌道，發(fā)射日期被提前到2022年7月，按當(dāng)時(shí)計(jì)劃，探測(cè)器將在2023年5月23日進(jìn)行火星借力飛行，2026年1月31日抵達(dá)目標(biāo)小行星。

然而在2022年6月，NASA稱“賽琪”的測(cè)試設(shè)備和飛行軟件交付較晚，沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)完成所需的測(cè)試，決定推遲發(fā)射，后續(xù)的窗口在2023年和2024年，將分別在2029年和2030年抵達(dá)小行星。

2022年10月28日，NASA宣布“賽琪”任務(wù)將于2023年10月10日開啟發(fā)射窗口，并于2029年8月抵達(dá)目標(biāo)小行星。

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

靈神星是一顆位于火星與木星之間的小行星帶的M型小行星，由意大利天文學(xué)家安尼巴萊.德.加斯帕里斯（Annibale de Gasparis）于1852年3月17日發(fā)現(xiàn)。靈神星是目前發(fā)現(xiàn)的最大的M型小行星，呈不規(guī)則的馬鈴薯型，長(zhǎng)232km，最寬處約280km，表面積約165800km2。據(jù)估計(jì)，靈神星的質(zhì)量約占所有小行星帶天體質(zhì)量的0.6%。

據(jù)科學(xué)界推斷，包括水星、金星、火星以及地球在內(nèi)的巖石行星具有金屬核心，但這些核心位于行星的巖質(zhì)外殼之下，無(wú)法直接探測(cè)。而靈神星可能是在早期太陽(yáng)系形成過(guò)程中，與更大的天體碰撞之后，失去巖石外殼而露出金屬核心的行星，因此對(duì)于研究巖石行星的碰撞和吸積歷史具有重大意義。

“賽琪”任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是史無(wú)前例地詳探形成巖石行星的要素——金屬核心，這也是美國(guó)首次探測(cè)主要由金屬構(gòu)成的小行星?！百愮鳌钡木唧w探測(cè)目標(biāo)如下：

1）確定靈神星究竟是一個(gè)裸露的金屬核心，還是一種未熔化的物質(zhì)；

2）確定靈神星表面各區(qū)域的相對(duì)年齡；

3）確定靈神星是否包含了與地球高壓內(nèi)核中相同的輕元素；

4）與地球的核心相比，確定靈神星是在更強(qiáng)的氧化性還是更強(qiáng)的還原性條件下形成的；

5）確定靈神星的地形特征。

靈神星想象圖

系統(tǒng)組成

“賽琪”任務(wù)由美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)（ASU）領(lǐng)導(dǎo)，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）負(fù)責(zé)任務(wù)總體管理、系統(tǒng)工程、集成和測(cè)試以及任務(wù)運(yùn)行。項(xiàng)目首席專家為亞利桑那州立大學(xué)的琳迪.埃爾金森.坦頓（Lindy Elkins Tanton）。任務(wù)研發(fā)、發(fā)射和運(yùn)行成本約為12億美元，其中包括1.31億美元的發(fā)射費(fèi)用。此外，“深空光學(xué)通信”（DSOC）演示驗(yàn)證的成本為2.06億美元。

探測(cè)器采用麥克薩技術(shù)公司（Maxar Technologies）的改進(jìn)型Maxar 1300平臺(tái)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為探測(cè)器提供了指令和數(shù)據(jù)處理與通信分系統(tǒng)、飛行軟件以及“深空光學(xué)通信”設(shè)備。

“賽琪”探測(cè)器外形

探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量為2747kg，尺寸為2.2m×2.4m×4.9m。太陽(yáng)翼展開狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)24.76m，寬7.34m。探測(cè)器裝有一副2m吊桿，其上安裝了兩種有效載荷——伽馬射線和中子光譜儀（Gamma Ray and Neutron Spectrometer）以及磁強(qiáng)計(jì)（Magnetometer）。探測(cè)器計(jì)劃壽命8年。

推進(jìn)系統(tǒng)包括4臺(tái)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，用于將太陽(yáng)能電池陣產(chǎn)生的電能傳輸?shù)诫妱?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上?！百愮鳌睂⑹堑谝粋€(gè)在月球軌道以遠(yuǎn)使用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的任務(wù)，攜帶了7個(gè)82L氙推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，推進(jìn)劑質(zhì)量1085kg。此外，探測(cè)器還配有12臺(tái)冷氮?dú)庀到y(tǒng)小型推力器，3個(gè)82L加壓氮推進(jìn)劑儲(chǔ)箱（共46kg），用于協(xié)助環(huán)繞小行星時(shí)探測(cè)器的動(dòng)量管理，以及在霍爾推進(jìn)器無(wú)法完全工作時(shí)使用。

電源系統(tǒng)包括位于探測(cè)器兩側(cè)的一對(duì)十字形的太陽(yáng)翼，總面積為75m2，在地球附近的功率為21kW，在靈神星附近的功率為2.3～3.4kW。每副翼長(zhǎng)11.3m，寬7.3m，分別由5塊電池板組成。此外，探測(cè)器還攜帶了一臺(tái)144Ah的鋰離子電池組。

通信系統(tǒng)采用4副天線，包括1副2m的固定高增益天線（麥克薩技術(shù)公司研制）和3副小型低增益天線（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制）。探測(cè)器通過(guò)深空網(wǎng)的34m天線用X頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的收發(fā)。

有效載荷

探測(cè)器攜帶了4種有效載荷，總質(zhì)量為30kg，包括多光譜成像儀（Multispectral Imager）、伽馬射線和中子光譜儀、磁強(qiáng)計(jì)、X頻段重力科學(xué)調(diào)查儀器（X-band Gravity Science Investigation）。

此外，此次任務(wù)還將測(cè)試深空激光通信技術(shù)，目標(biāo)是將探測(cè)器的通信性能和效率提高到傳統(tǒng)方式的10～100倍。此次“深空光學(xué)通信”實(shí)驗(yàn)是NASA首次在地月系統(tǒng)之外進(jìn)行的光學(xué)通信演示驗(yàn)證。該演示驗(yàn)證系統(tǒng)由飛行激光收發(fā)器、地面近紅外激光發(fā)射器和地面激光接收器組成。飛行激光收發(fā)器安裝在探測(cè)器上，包括一個(gè)用于向地面發(fā)送高速率數(shù)據(jù)的近紅外激光發(fā)射器，以及一臺(tái)用于接收地面發(fā)射的激光的光子計(jì)數(shù)照相機(jī)。地面近紅外激光發(fā)射器位于噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的“桌山觀測(cè)臺(tái)”（TMO），把經(jīng)調(diào)制的激光上行傳輸?shù)斤w行激光收發(fā)器。此外，上行激光還將充當(dāng)飛行激光收發(fā)器鎖定的信標(biāo)。地面激光接收器為加州理工學(xué)院帕洛瑪天文臺(tái)（Palomar Observatory）的“黑爾望遠(yuǎn)鏡”（Hale Telescope），將利用靈敏的超導(dǎo)納米線光子計(jì)數(shù)接收器收集來(lái)自飛行激光收發(fā)器的高速率下行鏈路數(shù)據(jù)，以演示驗(yàn)證高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

“賽琪”攜帶的有效載荷

“深空光學(xué)通信”演示驗(yàn)證將在探測(cè)器發(fā)射后約3個(gè)星期、距離地球約7.5×106km處開始，總共進(jìn)行2個(gè)階段，持續(xù)運(yùn)行2年，并將視具體情況延長(zhǎng)時(shí)間。

任務(wù)過(guò)程

“賽琪”發(fā)射后，與位于澳大利亞堪培拉的NASA深空網(wǎng)綜合設(shè)施建立了雙向通信。據(jù)發(fā)射后數(shù)小時(shí)的初步遙測(cè)報(bào)告顯示，探測(cè)器健康狀況良好，太陽(yáng)翼也已展開。探測(cè)器將于2026年5月進(jìn)行火星借力飛行。2029年7月，探測(cè)器將被靈神星引力捕獲。2029年8月，探測(cè)器將抵達(dá)靈神星，進(jìn)入實(shí)施科學(xué)探測(cè)活動(dòng)的運(yùn)行軌道。探測(cè)器將對(duì)靈神星以4種不同的高度進(jìn)行26個(gè)月的探測(cè)，與該小行星的最近距離達(dá)到64km，最遠(yuǎn)距離為709km。2031年11月1日，探測(cè)器將結(jié)束主任務(wù)。

探測(cè)器的探測(cè)軌道被分為軌道A、軌道B1、軌道D、軌道C和軌道B2。上述軌道是按照探測(cè)期間照亮靈神星表面的陽(yáng)光百分比以及所能完成的科學(xué)探測(cè)類型來(lái)劃分的。

“賽琪”探測(cè)器的科學(xué)探測(cè)軌道參數(shù)

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

首次詳探金屬小行星，對(duì)研究太陽(yáng)系行星具有重要意義

“賽琪”任務(wù)是美國(guó)首次探測(cè)金屬小行星的任務(wù)，以往小行星探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)天體大都是巖質(zhì)或硅質(zhì)小行星。根據(jù)地面雷達(dá)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)推測(cè)，靈神星可能是一顆尚未形成的行星的金屬內(nèi)核，在形成初期與其他的大型天體相撞，失去了巖石外殼。由于地球的內(nèi)地核主要由鐵、鎳等金屬元素構(gòu)成，因此研究靈神星為研究地球內(nèi)地核提供了一條獨(dú)特的捷徑。

地球、火星和金星上的巖石都含有大量的鐵氧化物，而根據(jù)目前的觀測(cè)，靈神星表面的鐵氧化物不多。這表明靈神星的形成和演化歷史不同于普遍的行星形成過(guò)程。如果靈神星被證明是行星形成過(guò)程中遺留下來(lái)的核心物質(zhì)，那么科學(xué)家們將研究其演化歷史與巖質(zhì)行星演化史的異同。如果研究發(fā)現(xiàn)靈神星并不是一個(gè)裸露的內(nèi)核，那么靈神星則可能是一種前所未見(jiàn)的原始太陽(yáng)系天體，也具有重大的科學(xué)探測(cè)意義。

首次在月球以遠(yuǎn)采用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器提供動(dòng)力

“賽琪”是NASA首次使用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的深空探測(cè)任務(wù)?；魻栃?yīng)推進(jìn)器是一種離子推進(jìn)器，利用磁場(chǎng)限制電子的軸向運(yùn)動(dòng)，然后利用這些電子使氙氣推進(jìn)劑電離，有效地加速離子產(chǎn)生推力。電離氣體在太空中跟隨在探測(cè)器后方時(shí)，會(huì)發(fā)出藍(lán)色光芒。“賽琪”共配備4臺(tái)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，每次運(yùn)行1臺(tái)，產(chǎn)生的推力相當(dāng)于人的手掌握住一節(jié)五號(hào)電池所需的力。在沒(méi)有摩擦的太空中，探測(cè)器將緩慢而持續(xù)地加速?；魻栃?yīng)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，節(jié)省推進(jìn)劑，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的深空探測(cè)任務(wù)具有較大優(yōu)勢(shì)。

“一舉兩得”，同時(shí)兼顧科學(xué)探測(cè)和新型技術(shù)演示驗(yàn)證

“賽琪”任務(wù)在進(jìn)行小行星科學(xué)探測(cè)活動(dòng)的同時(shí)，還將演示驗(yàn)證一種新型“深空光學(xué)通信”技術(shù)，在單次任務(wù)中兼顧了科學(xué)探測(cè)和技術(shù)試驗(yàn)的雙重目的，并且這也是NASA有史以來(lái)進(jìn)行的速率最快的高帶寬光學(xué)通信測(cè)試?！吧羁展鈱W(xué)通信”技術(shù)是NASA在空間技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)預(yù)研項(xiàng)目，對(duì)美國(guó)未來(lái)的載人火星探測(cè)任務(wù)具有重要意義，并且可以廣泛地應(yīng)用于火星、木星以及其他深空探測(cè)任務(wù)中。

在深空探測(cè)任務(wù)中搭載新型技術(shù)演示驗(yàn)證設(shè)備，一方面可提高任務(wù)的成本效益率，另一方面也為NASA前沿任務(wù)的研發(fā)提供了飛行實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

4 幾點(diǎn)啟示

小行星探測(cè)已成為全球深空探測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)目標(biāo)

目前，全球各主要航天國(guó)家對(duì)小行星探測(cè)都極為重視，美國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本等國(guó)家和地區(qū)都在未來(lái)深空探索計(jì)劃中涵蓋了小行星探測(cè)，阿聯(lián)酋、韓國(guó)等也在近年提出要實(shí)施小行星探測(cè)任務(wù)。太陽(yáng)系內(nèi)小行星眾多，這些小行星中蘊(yùn)含很多能夠回答太陽(yáng)系起源和演化等重要問(wèn)題的線索，還有大量小行星具有極高的資源開采價(jià)值。小行星數(shù)據(jù)網(wǎng)站Asterank針對(duì)超過(guò)60萬(wàn)顆小行星建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)各方面獲得的數(shù)據(jù)，估算小行星采礦的成本效益，如之前日本、美國(guó)探測(cè)過(guò)的龍宮（Ryugu）、貝努（Bennu）、迪蒂莫斯（Didymos）小行星位列最具開采成本效益的小行星前十名榜單。據(jù)該公司評(píng)估，靈神星價(jià)值也高達(dá)277億美元（然而在該公司數(shù)據(jù)庫(kù)的小行星價(jià)值排名中，靈神星排名并不靠前，價(jià)值最高小行星前十名的量級(jí)超過(guò)100萬(wàn)億美元)，可見(jiàn)未來(lái)小行星資源開采具有廣闊的前景。此外，還有一些近地小行星是可能與地球碰撞的危險(xiǎn)小行星，研究其運(yùn)行軌道和規(guī)律對(duì)于規(guī)避與地球的碰撞風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。綜上所述，小行星探測(cè)具有重大的科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前小行星探測(cè)也已成為全球深空探測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)目標(biāo)。

美國(guó)深空探測(cè)任務(wù)關(guān)注科學(xué)前沿，注重“首次”

不同于應(yīng)用類衛(wèi)星關(guān)注性能提升和應(yīng)用普及，科學(xué)探測(cè)任務(wù)的核心是完成科學(xué)探索，幫助解決科學(xué)問(wèn)題，首次開拓某個(gè)領(lǐng)域、揭示某個(gè)現(xiàn)象或者解答某個(gè)問(wèn)題，具有重大顛覆性和推動(dòng)性的科學(xué)意義。美國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)非常關(guān)注科學(xué)前沿，通常針對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的重大科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，且注重“首次”，旨在填補(bǔ)研究空白，取得里程碑式的科學(xué)認(rèn)知和突破。

美國(guó)高度重視新興前沿航天技術(shù)的預(yù)研和儲(chǔ)備

美國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)十分重視深空探測(cè)的技術(shù)預(yù)研與儲(chǔ)備，制定了具有持續(xù)性的技術(shù)領(lǐng)域投資規(guī)劃。美國(guó)NASA行星科學(xué)部門與空間技術(shù)任務(wù)部合作，對(duì)深空探測(cè)技術(shù)的研發(fā)和投資進(jìn)行統(tǒng)籌管理，并尋求在行星任務(wù)中驗(yàn)證新技術(shù)的機(jī)會(huì)，包括共性技術(shù)和專用技術(shù)，提前投入大量預(yù)算進(jìn)行新型能源、推進(jìn)、導(dǎo)航、大氣捕獲、儀器化、小型化、輻射減緩、行星保護(hù)、樣品采集、返回和處理等新技術(shù)的研發(fā)，如高能太陽(yáng)電推進(jìn)系統(tǒng)、進(jìn)入/下降和著陸系統(tǒng)（EDL）、空間機(jī)器人系統(tǒng)、激光通信中繼驗(yàn)證、低密度超聲速減速器等項(xiàng)目。此次任務(wù)就將重點(diǎn)演示驗(yàn)證“深空光學(xué)通信”技術(shù)，并首次在月球以遠(yuǎn)采用霍爾效應(yīng)推進(jìn)技術(shù)為探測(cè)器提供動(dòng)力，為美國(guó)未來(lái)的深空探索任務(wù)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

任務(wù)延期發(fā)射會(huì)對(duì)探測(cè)計(jì)劃、任務(wù)成本、搭載載荷等造成巨大影響

“賽琪”任務(wù)原計(jì)劃在2022年8月1日～10月11日的窗口發(fā)射，但由于探測(cè)器的飛行軟件和測(cè)試設(shè)備交付較晚，無(wú)法按時(shí)完成相關(guān)測(cè)試，因此NASA將任務(wù)發(fā)射時(shí)間延期一年。此次延期對(duì)既定科學(xué)探測(cè)進(jìn)度、任務(wù)成本、搭載發(fā)射任務(wù)等造成了巨大的影響。探測(cè)器抵達(dá)目標(biāo)小行星的時(shí)間推遲了3.5年；任務(wù)成本大幅增加進(jìn)而影響到NASA的其他深空探測(cè)任務(wù)，例如：“真相”（VERITAS）金星任務(wù)的發(fā)射時(shí)間也受其影響被推遲3年；原計(jì)劃搭載“賽琪”發(fā)射的“雙面神”（Janus）雙小行星系統(tǒng)探測(cè)任務(wù)，由于“賽琪”延期后無(wú)法按照原計(jì)劃軌道飛行，被取消搭載發(fā)射，不得不另尋搭載發(fā)射機(jī)會(huì)。

“賽琪”的延期發(fā)射反映出NASA的項(xiàng)目管理存在一定問(wèn)題，NASA為此成立了獨(dú)立審查委員會(huì)進(jìn)行調(diào)查研究，對(duì)如何應(yīng)對(duì)項(xiàng)目延期和解決噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的制度性問(wèn)題提出了建議，進(jìn)而在人力資源管理、進(jìn)度定量監(jiān)測(cè)和監(jiān)督等方面采取了多項(xiàng)措施，取得了較為顯著的成果。