“灵神星”探测器开启金属小行星探测之旅

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北京时间2023年10月13日22时19分，载有灵神星（Psyche）探测器的太空探索技术公司（SpaceX）猎鹰重型运载火箭从佛罗里达州美国国家航空航天局（NASA）肯尼迪航天中心LC-39A发射场发射升空。灵神星探测器将开展人类首次抵近观测金属小行星的任务。



▲搭载灵神星探测器的SpaceX猎鹰重型运载火箭发射升空

灵神星的发现之旅

灵神星小行星（16 Psyche，也称赛姬）位于火星和木星之间的主小行星带，尺寸约为279×232×189公里，是已知最大的M型小行星（按小行星的光谱分类）。与以往探测过的由岩石、冰或气体构成的行星不同，来自地球的雷达观测显示，这颗小行星富含铁、镍等金属成分。此前科学家们曾推断，包括地球在内的岩石类地行星深处存在金属核心，但由于这些核心位于遥不可及的行星岩石地幔和地壳的下方，我们无法直接看到或进行测量，而探测灵神星则为我们提供了一个能够了解太阳系类地行星起源的独特窗口。



▲灵神星示意图

灵神星探测器的发射质量为2747公斤，其太阳翼展开时，总尺寸达到24.76×7.34米。2026年5月，探测器将抵达火星附近并利用重力辅助加速后前往灵神星小行星。2029年7月下旬，灵神星探测器将被目标小行星捕获，探测器的飞行距离将达到约36亿公里。2029年8月至2031年11月，探测器将环绕灵神星飞行。



▲灵神星任务计划

作为NASA第14次“发现”级任务，灵神星探测器将探索小行星的性质及其组成和演化。具体来说，该任务科学目标是确定：灵神星是否是行星核心，还是未熔化的物质、灵神星表面的相对年龄、小型金属天体是否含有与地核中预期相同的轻元素、灵神星是在比地核氧化性更强或还原性更强的条件下形成的以及灵神星地形特征等。

为了实现这些目标，探测器携带了四个科学有效载荷——多光谱成像仪将提供灵神星的高分辨率图像；伽马射线和中子光谱仪将分析并绘制小行星的元素组成图；磁力计将测量并绘制小行星的磁场；X波段重力科学探测仪器将利用X波段无线电通信系统测量小行星的重力场并研究其内部结构。



▲探测器靠近灵神星的概念图



探测器的多个看点

灵神星探测器系统的电力将由双侧太阳能电池阵列产生，每侧5个太阳能电池板呈“十”字形安装。该任务太阳能电池阵总面积为75平方米，是NASA喷气推进实验室有史以来安装的最大的太阳能电池阵。该太阳能电池板具有超高效、轻质、抗辐射的特点，在地球附近，太阳能电池阵列可产生21千瓦的电力，在绕小行星运行时将产生2.3~3.4千瓦的电力，这将足以满足航天器在旅途中的所有电力需求。



▲探测器一侧的巨型太阳能电池阵列

探测器的主推进系统采用电推进方案，配备四台霍尔推力器。其推进原理是利用电磁场加速并排出惰性氙气的带电原子或离子，进而产生高效的推力。在前往灵神星的飞行途中，探测器将单次运行单台霍尔推力器，产生240mN的推力。探测器的储罐中携带有1085公斤重的氙气，这将保证霍尔推力器可以几乎不间断地运行数年，而如果使用传统化学推力器，该任务推进剂的消耗量将是目前方案的15倍。值得一提的是，此次灵神星的探测将是霍尔推力器首次执行地月空间之外的深空任务。



▲探测器上的霍尔推力器

探测器发射不久后，还将测试一个名为深空光学通信（Deep Space Optical Communications，DSOC）的激光通信实验，这是NASA首次演示地月系统之外的激光通信。DSOC实验系统由探测器上的飞行激光收发器（FLT）、地面激光发射器（GLT）和地面激光接收器（GLR）组成。从2023年11月到2025年10月，该系统将使用近红外激光在地球和深空之间发送和接收测试数据。相比传统的无线电通信系统，DSOC设备有望将航天器的通信性能和效率提高10到100倍，显著提高了深空通信水平。



▲深空光学通信（DSOC）设备



▲深空光学通信（DSOC）实验系统

国际小行星探测任务

到目前为止，人类对小行星的空间探测已有30多年的历史。回顾历次探测任务，对小行星的探测方式包括：飞越（伽利略号、星尘号、罗塞塔号、卡西尼-惠更斯号、深空1号、露西号）、绕飞（黎明号、灵神星号）、附着（近地小行星交会）、采样返回（隼鸟号、隼鸟2号、奥西里斯-雷克斯号）、防御演示（DART任务）等。美国、欧洲、日本等先后完成了各自独特的标志性任务。未来，日德还将开展“命运+”小行星尘埃探测任务、欧洲将进行“赫拉”双小行星系统探测任务、阿联酋将发射“MBR探索者号”小行星带探索任务……

此前，我国嫦娥2号在拓展任务期间成功飞越图塔蒂斯小行星，国际首次获得了该小行星的高分辨率光学图像。目前，我国已经开始着手准备在2025年前后实施天问二号任务，计划通过一次发射实现近地小行星2016HO3采样返回和主带彗星311P环绕探测。同时，我国也已提出了近地小行星防御的发展规划，并计划在2030年实现一次对小行星的动能撞击防御演示。

在人类探索宇宙的历程中，这些小行星探测任务的实施，不仅为人类研究太阳系形成与演化、生命起源、小行星防御、太空资源开发等具有重要意义，还能进一步推动空间技术、空间科学等领域的创新发展。太空探索永无止境，让我们期待更多的小行星探测成果吧！

作者：薛璐瑶 于   航

编辑：曹令懿

责编：杨   丽

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