黎明号:小行星探测的一缕曙光

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预计9月发射的小行星探测器黎明号(Dawn)如其名,既是为了研究太阳系的黎明时代,又被人们寄予希望,期待着它能为小行星的探测带来新的曙光。这是第一架旨在近距离研究主带小行星的探测器,是NASA发现计划的10个任务中的第9个,有望作出一批划时代的发现。</>黎明号:小行星探测的一缕曙光艺术家笔下的黎明号小行星探测器。(图片提供:William K. Hartmann Courtesy of UCLA) 任务概述简单说来,黎明的根本探测目的是了解太阳系早期历史,也就是黎明期的环境和物理过程。探测器名“黎明”即是由此而来。另外,此项任务还有可能为研究太阳系以外的行星系提供线索。众所周知,受木星的引力影响,木星和火星之间的小行星带没有进一步形成更大的天体,因此其自诞生以来就基本保留着初始信息,而并未象大行星那样经历过太多的演化,因此人们认为其中保存着太阳系的历史记录。此番为黎明探测器选择的是4号小行星灶神星和1号小行星谷神星(或者按IAU去年的决议,应该叫矮行星了吧)。这是主带小行星中最大的两颗,有着截然不同的特性。如果一切顺利,探测器将于本月15日之后发射,2009年飞掠火星并借助其引力加速(如果我没有记错的话,借助火星引力加速似乎还是深空探测史上的头一遭),2011年9月抵达灶神星,并在7个月的探测任务后离开前往谷神星。抵达谷神星是在2015年初,整个任务将于同年夏季结束。黎明号:小行星探测的一缕曙光黎明号的飞行路线。(图片提供:NASA) 命途多舛作为第一架专门用于探测主带小行星的探测器(先前的NEAR-舒梅克和隼鸟号都以近地小行星为探测目标),黎明号从计划出笼到走上发射架可以算是命途多舛。黎明号的探测计划最早是在2001年批准的,预计2006年夏季发射。但出于预算超支和技术障碍的考虑(貌似这是历次探测任务的被砍理由),NASA在2006年3月初决定终止该计划。万幸的是,时隔不久,作为新任行政长官Michael Griffin就职工作的一部分,有关黎明号的事宜被重新评估,计划得以恢复。事情还不算完。接下来的研发组装过程还算顺利,探测器于今年的4月10日运抵卡纳维拉尔角的发射场,预计在7月初发射。但探测器的电池帆板偏偏在发射前的节骨眼上出了毛病。6月11日,在准备旋转平衡测试的过程中,电池帆板的背面被某大意的技术员用工具划伤,虽然是无大碍的小故障,也还是让发射时间拖延到了7月15日之后。又因为凤凰号火星登陆器发射的原因,黎明号最终被推迟到了9月发射。只是希望在最后的发射过程中就不要再出什么问题了吧……黎明号:小行星探测的一缕曙光用于发射黎明号探测器的德尔他II型火箭。(图片提供:NASA/KSC) 灶神星和谷神星黎明号:小行星探测的一缕曙光哈勃空间望远镜拍摄的灶神星(中)和谷神星(右)。左侧为最大的近地小行星——爱神星,2000年曾为NEAR探测器造访过。(图片提供:Dawn)选择灶神星和谷神星作为探测目标,除却其较大的体积外,当然还有科学目标的考虑。两者虽然都位于小行星带内,却经历过截然不同的演化过程。1807年发现的灶神星是最明亮的小行星,直径约520千米,有着干燥的玄武岩表面和致密的金属内核,似乎经历过熔融过程带来的地表更新。从某种意义上说,它与太阳系的类地行星更为接近。由于灶神星的体积过小,熔融不大可能由于自身的引力作用导致。有理论认为,热源是太阳系形成初期邻近超新星产生的放射性元素。黎明号获取的数据可以对次加以检验,也将平息关于灶神星结构的争端。另外,先前已研究过来自灶神星的陨石,表明该天体形成所花费的时间只及类地行星的1/10,之后吸积过程就因为新生木星的引力作用而过早地停止了。黎明号探测器可以进一步探明灶神星的特性,进而更详细地了解小行星的形成历史。黎明号:小行星探测的一缕曙光据信来自灶神星的陨石。(图片提供:R. Kempton, New England Meteoritical Services)谷神星是1801年元旦发现的,直径约960千米。在去年的IAU决议中,由于其近圆形的外观满足流体平衡,故被升级为矮行星。与大行星相似,谷神星的内部也是分层的,其表面的矿物中则含有水分,可能还有厚达60至120千米的水冰层存在,星体含水量高达25%左右,表面应该经历过很剧烈的变化,这类似木卫二等外太阳系卫星。虽然不大可能通过探测谷神星来了解太阳系的极早期环境,水分的存在却是个关键,人们希望能籍此了解水在行星演化中发挥的作用。小行星带可以说是联系内外太阳系的桥梁,对其进行的探测有望揭示类地和类木行星不同的演化途径。而灶神星和谷神星的历史可能分别与这两者有关。为此,黎明号将测绘这两颗小行星的表面,确定其形状、内部结构、组分、自转轴取向和热演化史。人们对其数据拭目以待。 关于探测器黎明号所采用的大多数技术都已在先前的卫星或探测器上试验过,如基于Star Bus卫星的复合材料结构、基于水文卫星Topex/Poseidon的姿态控制系统、基于IndoStar卫星的肼控制系统等,这一切的目的是降低任务的风险。尤其值得一提的是黎明号的另一项第一。它是NASA第一架以纯粹科学探测为目标的离子引擎探测器。其推进系统于2003年由波音公司承造,装备有3台推进器,以425千克氙气体为推进剂,用途除却为探测器加速,还有在抵达目标时的精密变轨。关于离子引擎,本站曾经有专文介绍,这里不赘述。不论如何,这说明离子引擎作为一种新的推进技术已经日趋成熟。实际上,探测过程中的一系列变轨任务也必须靠离子引擎才能完成。黎明号:小行星探测的一缕曙光黎明号的结构示意图。(图片提供:NASA)探测器搭载的科学仪器有三:帧式照相机(Framing Camera)、光学/红外成象摄谱仪(Visible and IR Mapping Spectrometer),以及伽玛射线和中子探测器(Gamma Ray and Neutron Detector),分别由德国、意大利、美国的科研机构研制开发。不过最初计划的激光高度计和磁力计没有搭载。其中帧式照相机由两架单独的折射系统组成,配备有7种滤镜,用于拍摄光学图象,同时兼作导航相机。光学/红外成象摄谱仪与金星快车和罗塞塔号彗星探测器的摄谱仪类似,可以在400个波段上拍摄图象。伽玛射线和中子探测器利用21个传感器探测天体反射的高能辐射,可用于化学组分的分析。需要返回的数据主要包括小行星表面的光学/红外图象、表面重力分布以及星体核区尺度,另外还有铁、钛、氧、硅、钙、铀、钍、钾、氢、铝、镁等元素的丰度,这与小行星演化的历史直接相关。 包括小行星探测的太阳系探测计划才算完整,而小行星的大部头又集中在主带上。这样看来,黎明号的一大意义在于填补太阳系深空探测的空白,也拥有拓荒新疆域的绝好机会。当然,如前所述,黎明号也会为小行星和太阳系演化历史的研究带来新的曙光。So here’s wishing you a happy voyage…… 参考资料[1] http://www.nasa.gov/mission_pages/dawn/main/index.html
[2] 任务主页:http://dawn.jpl.nasa.gov/
[3] Dawn: A Journey to the Beginning of the Solar System
[4] Voyage to the Giant Asteroids, Science@NASA, June 15, 2007内容来自 Bo Zhang's Homepage

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