[科普中國(guó)]-深空-1探測(cè)器

探測(cè)器概況

1998年10月24日當(dāng)?shù)貢r(shí)間8時(shí)零8分,在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角,美國(guó)航宇局用1枚小型“德?tīng)査被鸺晒Φ匕l(fā)射了1個(gè)采用離子推進(jìn)器的空間探測(cè)器——深空-1。它是美國(guó)航宇局“ 2000年高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)科技計(jì)劃”中的第一個(gè)項(xiàng)目,也是人類(lèi)迄今為止第一個(gè)以離子推進(jìn)器為主要?jiǎng)恿Φ目臻g探測(cè)器。2

這個(gè)能夠自主運(yùn)行、由離子推進(jìn)的深空-1空間探測(cè)器價(jià)值1.52億美元。盡管這個(gè)探測(cè)器看上去與美國(guó)航宇局發(fā)射的許多其他無(wú)人駕駛探測(cè)器毫無(wú)不同,但它是用1臺(tái)電子計(jì)算機(jī)來(lái)導(dǎo)航的,并由離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)飛越太空的。飛行規(guī)劃人員希望能利用該探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)小行星進(jìn)行一些令人感興趣的觀察,其中包括小行星的構(gòu)成及其表面結(jié)構(gòu)。但深空-1探測(cè)器的主要任務(wù)是驗(yàn)證一系列新技術(shù)。由于美國(guó)航宇局歷來(lái)認(rèn)為這些新技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大,因而不敢在重要的航天計(jì)劃中使用。2

美國(guó)航宇局這次在深空-1探測(cè)器上采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù):其一是一種未經(jīng)檢驗(yàn)的推進(jìn)系統(tǒng),其二是要給這個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力的未經(jīng)檢驗(yàn)的太陽(yáng)電池陣,第三是該探測(cè)器采用的一種未經(jīng)檢驗(yàn)的導(dǎo)航系統(tǒng)。與以往使用液態(tài)燃料的探測(cè)器不同,深空-1探測(cè)器的燃料是無(wú)色的氙氣,其推進(jìn)速度是9.9萬(wàn)千米每小時(shí)。深空-1探測(cè)器僅用大約82kg氙氣燃料,就足以飛往1.89億千米外的小行星,從而大大減少了空間運(yùn)行成本。如不用離子推進(jìn)器,深空-1探測(cè)器要完成同樣任務(wù)所需的燃料將是現(xiàn)在的10倍之多。推進(jìn)器和其他設(shè)備所需的電力由一種新型太陽(yáng)能電池陣生產(chǎn)。電池陣上帶有720面鏡片,把陽(yáng)光聚集到太陽(yáng)能電池中。深空-1探測(cè)器采用的新型“獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)”具有自動(dòng)導(dǎo)航能力,不需人工操作。深空-1探測(cè)器通過(guò)掃描星體和小行星,能知道自己所在的確切位置,甚至有可能在飛往小行星的過(guò)程中自行完成機(jī)動(dòng)動(dòng)作。2

深空-1探測(cè)器此行的第1個(gè)目的地是距離地球1.9億千米處的小行星(1992KD), 1999年7月它將與該小行星相會(huì),并對(duì)其進(jìn)行為期幾個(gè)月的遠(yuǎn)距離觀察。然后,該探測(cè)器將于2001年1月飛往威爾遜-哈林頓彗星,并將于2001年晚些時(shí)候飛往博雷利彗星。

美國(guó)航宇局負(fù)責(zé)此次發(fā)射的官員雷·盧戈說(shuō):深空-1的成功發(fā)射揭開(kāi)了美國(guó)航宇局從下個(gè)世紀(jì)開(kāi)始實(shí)施“高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)”的高技術(shù)航天計(jì)劃的序幕。美國(guó)航宇局希望深空-1探測(cè)器采用的一系列新技術(shù)將使今后經(jīng)常進(jìn)行類(lèi)似的航天發(fā)射成為可能。但1998年11月10日當(dāng)該探測(cè)器距地球約321.8萬(wàn)千米處時(shí),安裝在深空-1探測(cè)器上的氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)在首次啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)4.5分鐘后,突然停止工作。地面控制人員曾多次試圖令其恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn),但均未獲成功。直到1998年11月25日,當(dāng)?shù)孛嫒藛T對(duì)其重新啟動(dòng)后,該離子發(fā)動(dòng)機(jī)才恢復(fù)了正常。美國(guó)航宇局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室11月25日稱(chēng),離子發(fā)動(dòng)機(jī)突然關(guān)閉可能是由金屬微粒摩擦引起的,也可能是由兩個(gè)高壓栓之間存在的其他物質(zhì)造成的。2

目標(biāo)任務(wù)新技術(shù)試驗(yàn)深空1號(hào)與其說(shuō)是科學(xué)航天器，不如說(shuō)是技術(shù)開(kāi)發(fā)航天器，因?yàn)樗闹饕蝿?wù)是在月球以外的深太空試驗(yàn)12項(xiàng)可能用于未來(lái)科學(xué)計(jì)劃的新型推進(jìn)技術(shù)。這也就是它被命名為“深空1號(hào)”的原因。其中兩項(xiàng)新技術(shù)在發(fā)射后12小時(shí)生效，太陽(yáng)聚光器的功能是用圓柱體透鏡將陽(yáng)光集中到3600塊太陽(yáng)能電池上;另一項(xiàng)是一個(gè)小的深空應(yīng)答器.此外,一個(gè)人工智能系統(tǒng)使航天器的自控能力比以前有了很大提高,從而減少了地面控制人員和設(shè)備所需的經(jīng)費(fèi)。當(dāng)然最為重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是首次使用回轉(zhuǎn)離于發(fā)動(dòng)機(jī)。其工作原理是:撞擊氨原子中的電子,使之由氦原子核中被剝離出來(lái),成為等離子的氨原子.用電極加速,使其形成速度達(dá)到28km/s。的迅猛噴射,這種噴射的反作用力使探測(cè)加速;由于可提供幾乎連續(xù)的推力,因此其效率是傳統(tǒng)火箭的10倍以上。這是一項(xiàng)前景十分看好的新型火箭技術(shù)。按照計(jì)劃時(shí)間表,離子發(fā)動(dòng)機(jī)在1998年11月9日開(kāi)始試運(yùn)轉(zhuǎn)。3

考察小行星及彗星盡管“深空1號(hào)”的主要目的是新技術(shù)實(shí)驗(yàn),但同時(shí)也擔(dān)負(fù)著考察近地小行星1992KD和另外兩顆彗星的科學(xué)任務(wù)。近地小行星199ZKD是美國(guó)天文學(xué)家E·赫林和K·羅連斯(女)于1992年5月27日發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)他們使用帕洛馬山天文臺(tái)的46cm施密特望遠(yuǎn)鏡對(duì)著天秤座方向的同一天區(qū),相隔34分鐘拍攝了兩張照片,發(fā)現(xiàn)照片中一個(gè)暗至15.5等的星點(diǎn)位置發(fā)生移動(dòng),從而確認(rèn)這是一顆新找到的小行星。將其命名為1992KD。其時(shí)它距離我們地球3860萬(wàn)km,相當(dāng)于月球與地球之間距離的100倍。后來(lái)的連續(xù)觀測(cè)和計(jì)算表明,這是一顆近地小行星,對(duì)地球有一定潛在威脅，從而被選為“深空1號(hào)”的考察目標(biāo)?！吧羁?號(hào)’,是在一條飛近近地小行星1992KD的軌道上運(yùn)行,2009年7月28日至29日它可接近199ZKD至5km到10km,屆時(shí)可對(duì)這顆小行星的大小、形狀、礦物結(jié)構(gòu)等項(xiàng)目進(jìn)行近距離考察。盡管“深空1號(hào)”的主要技術(shù)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)考察計(jì)劃將于1999年9月18日結(jié)束,但其壽命還會(huì)延長(zhǎng)2年,并對(duì)兩顆彗星進(jìn)行考察；如果一切順利，2001年1月20日將與威爾遜-哈林頓彗星相會(huì),2001年9月21日至25日與波萊利彗星相會(huì),進(jìn)行一系列太空物理量的測(cè)量,為科學(xué)家研究彗星和太陽(yáng)風(fēng)之間的相互作用提供科學(xué)數(shù)據(jù)?！吧羁?號(hào)”和全部探測(cè)計(jì)劃將于2001年12月結(jié)束。3

探測(cè)器運(yùn)行情況1998年11月24日，探測(cè)器進(jìn)行了離子推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)驗(yàn)證；1999年7月29日，探測(cè)器飛越9969號(hào)小行星“布雷爾”，與該小行星相距26km，速度15.5km/s，這是目前探測(cè)器飛越小行星的最近距離；同年9月18日，探測(cè)器主任務(wù)結(jié)束探測(cè)器原計(jì)劃的擴(kuò)展任務(wù)是先后飛越“威爾遜-哈靈頓”彗星和“包瑞利”彗星，但1999年11月，探測(cè)器的星跟蹤器失效，因此NASA修改了原飛行計(jì)劃，使探測(cè)器只飛往“包瑞利”彗星；2001年9月22日，探測(cè)器以16.5km/s的速度飛越“包瑞利”彗星的彗發(fā)，并獲得其彗核的圖像和紅外光譜；2001年12月18日，地面發(fā)送指令關(guān)閉了探測(cè)器的離子發(fā)動(dòng)機(jī)，任務(wù)結(jié)束。1

主要性能參數(shù)探測(cè)器的發(fā)射質(zhì)量為486kg，其中探測(cè)器質(zhì)量374kg，肼燃料31.1kg，氙氣81.5kg。主平臺(tái)為八邊形柱體結(jié)構(gòu)，尺寸為1.1 m×1.1m×1.5m，探測(cè)器是世界上首個(gè)使用離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主推進(jìn)器的空間探測(cè)器，該離子發(fā)動(dòng)機(jī)于質(zhì)量為48kg，高推力模式功率2300W，推力92mN；高比沖模式功率500W，推力20mN。1

探測(cè)器的太陽(yáng)翼是一種高效聚光式太陽(yáng)陣，其尺寸和質(zhì)量均小于傳統(tǒng)太陽(yáng)翼。該太陽(yáng)翼面積約9.9m2，任務(wù)初期的最大功率為2500W通信采用X頻段，高增益天線信噪比為24.6dB，在地球附近的通信數(shù)據(jù)率為19.9kbit/s。探測(cè)器攜帶了新型“小型深空轉(zhuǎn)發(fā)器”，該設(shè)備集成了接收機(jī)、指令檢測(cè)裝置、遙測(cè)調(diào)制器、激勵(lì)器、信標(biāo)側(cè)音發(fā)生器和相關(guān)控制功能，質(zhì)量為3kg，采用X頻段上行和X/Ka頻段下行。探測(cè)器還對(duì)“多功能結(jié)構(gòu)”進(jìn)行了測(cè)試，即在結(jié)構(gòu)板里鑲嵌電子設(shè)備，這一技術(shù)可簡(jiǎn)化未來(lái)航天器的結(jié)構(gòu)。1

探測(cè)器攜帶了2種有效載荷，其中輕型集成相機(jī)/成像光譜儀用于觀測(cè)小行星和彗星，并拍攝用于光學(xué)導(dǎo)航的圖像；行星際探測(cè)等離子體光譜儀用于科學(xué)觀測(cè)和測(cè)量離子發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)星上儀器的影響。