美國“黎明”小行星探測器抵達谷神星

伍曉京 張揚眉（北京空間科技信息研究所）

2015年3月6日，美國航空航天局(NASA)的“黎明”（Dawn）小行星探測器抵達谷神星，從而成為首個探測矮行星的探測器、首個探測谷神星的探測器，還成為首個探測兩個獨立地外天體的探測器。“黎明”于2007年9月27日由德爾他-2火箭發射。該項目由噴氣推進實驗室（JPL）管理，軌道科學公司（Orbital Sciences Corporation）負責探測器的設計和制造，加州大學洛杉磯分校負責任務的科學運行?！袄杳鳌表椖康目偝杀绢A計為4.46億美元。

1 任務背景

“黎明”任務從立項到發射可謂“幾經波折”。該項目最初計劃的成本為3.71億美元。2005年，“黎明”項目組要求增加4000萬美元的預算，美國航空航天局則將項目定為“擱置”（stand down）模式并開始調查成本超支原因和解決方案。2006年3月，美國航空航天局取消“黎明”任務，但由于此時已經花費了2.57億美元，美國航空航天局的決定遭到了噴氣推進實驗室的質疑，且“黎明”探測器的制造商軌道科學公司提出可以按成本價格向美國航空航天局交付探測器，不賺取利潤。隨后美國航空航天局恢復項目。后來該項目又出現超支，最終總成本預計為4.46億美元。

2 任務目標

科學目標

“黎明”的科學目標是探索小行星帶上質量最大的兩顆星體—灶神星（V e s t a）和谷神星（Ceres），研究其質量、形狀、體積、引力場和自旋狀態等，考察其內部結構并進行對比研究，以揭示太陽系開始形成時的條件和演變過程。

“黎明”任務要解決以下三個科學問題：①捕獲太陽系起源時的最初時刻，使我們能夠研究太陽系物體形成的條件；②確定形成類地行星的元素的特性，增進我們對類地行星形成過程的理解；③對比兩顆有著不同演變路徑的小星體的形成和演變情況，從而使我們理解造成這種演變的因素。

工程目標

“黎明”探測器是美國航空航天局首個采用離子推進發動機的、以深空探測為主要目的的深空探測器[深空－1（DS－1）任務也曾采用離子發動機，但主要目的是進行離子推進技術驗證]?！袄杳鳌比蝿盏墓こ棠繕酥皇沁M一步測試離子推進技術的可行性。

3 目標軌道

“黎明”探測器成功發射后，于2007年12月17日進入行星際巡航階段，開始飛向灶神星。

2009年2月17日，探測器進行火星借力飛行。

2011年7月，探測器在距離灶神星16000km處被其引力捕獲，進入灶神星軌道，成為世界上首個進入太陽系主要小行星軌道的探測器。在到達灶神星之前，探測器就拍攝了大量照片，并利用分幅相機在距離灶神星5200km處拍攝到的圖片制作成視頻。視頻顯示了灶神星的旋轉情況，灶神星每5h20min繞軸旋轉一周。在接近灶神星的過程中，探測器上的導航儀測量了灶神星對探測器的引力大小，從而精確計算出灶神星的質量。

在接下來的數個星期中，探測器降低了軌道高度，并于2011年8月11日在2700km高度開始了第一個科學探測周期（共4個），此后探測器逐漸降低軌道高度進行科學探測，在逐漸靠近灶神星的過程中拍攝多角度照片，以繪制其表面地形圖，獲取科學測量數據等。探測器總共環繞灶神星運行約1年，環繞灶神星的最近探測距離為210km。

2012年9月5日，探測器開始飛向谷神星，于2015年3月6日到達谷神星，并開始對其進行5個月的探測。按計劃，探測器的主任務將于2015年7月結束，屆時探測器將停留在繞谷神星運行的軌道上。

“黎明”探測器飛行了2.8×109km到達灶神星，從地球飛到灶神星再飛到谷神星的總距離大約為4.9×109km。

“黎明”任務是遵照美國航空航天局《行星保護政策》的深空探測任務，要求必須避免探測器在飛越火星時撞擊火星。此外由于谷神星上可能有水，因此要求探測器在完成任務后至少20年內不能撞擊谷神星?！袄杳鳌表椖繄F隊進行的分析預計，“黎明”探測器將在任務完成后至少環繞谷神星運行50年。

“黎明”探測器飛行軌道

4 探測器概況

“黎明”的設計壽命為10年，發射質量1217 k g，其中探測器干質量747 k g，肼燃料45kg，氙氣推進劑425kg。長方體結構，尺寸為1.64m×1.27m×1.77m。探測器兩側對稱裝有雙太陽翼，太陽翼翼展19.7m。

其主推進采用3臺氙離子發動機，輸入功率2300W時，推力為92mN，比沖3100s。探測器使用的離子推進技術還曾經用于深空-1任務。推進系統由噴氣推進實驗室研制、制造和測試。3臺離子推進器單獨安裝，每臺推進器質量為8.9kg。

探測器三軸穩定，姿控系統包括2臺星跟蹤器、3個雙軸慣性參考單元、16臺太陽敏感器和4個反作用輪裝置。探測器通過其星跟蹤器來確定其姿態，通過反作用動量輪來控制姿態，但有時也借助反作用控制系統中的12個0.9N單元肼推力器實現來保持或改變姿態。這些推力器主要作為反作用輪的備份，曾經在發射后被短暫使用，用于使探測器停止自旋，且太陽翼指向太陽。

“黎明”探測器結構圖

“黎明”探測器攜帶的有效載荷

它在距離地球1AU（1AU為1個天文單位，指地球到太陽的距離，約1.49×108km）時，其太陽電池翼功率為10.3kW；距離地球3AU時（壽命末期），功率為1.3kW。蓄電池采用35A ·h的氫鎳電池組。

“黎明”的通信系統采用X頻段，裝有1副直徑為1.5m的高增益拋物面天線、3副低增益全向天線、2個深空轉發器以及2個100W的行波管放大器，上行數據率7.8bit/s～2.0kbit/s，下行數據率10bit/s～124kbit/s。美國航空航天局的深空網（DSN）對探測器進行追蹤并與其進行通信。

指令與數據處理系統對探測器進行全面控制，并對探測器的工程和科學數據進行管理。該系統包括有備份的RAD6000處理器，每個處理器容量為8Gbit。

探測器攜帶了3種有效載荷，包括分幅相機（2臺）、可見光和紅外測繪光譜儀、伽馬射線中子探測儀。

5 研制特點

（1）完全使用其他科學衛星備份或使用過的部件，具有低風險和高可靠性

“黎明”探測器采用了大量其他探測器或衛星的備份或使用過的部件，例如：

1）高度控制系統采用在“軌道觀測”（Orbview）、“托佩克斯”／“海神”（(Topex／Poseidon)和“遠紫外探索者”（EUVE）衛星曾經使用過的系統；

2）肼發動機采用在“印尼星”(Indostar)上使用12臺0.9N發動機；

3）指令和數據處理使用與“軌道觀測”衛星計劃中相同的部件；

4）飛行軟件與模塊也采用“軌道觀測”衛星計劃中的部件；

5）采用基于軌道科學公司的“星”平臺的集成結構。

（2）改進性地繼承以前深空探測器攜帶的儀器的技術，研制成本低，可靠性高

“黎明”探測器攜帶的科學儀器改進性地繼承了歐洲航天局和美國航空航天局以往的深空探測任務攜帶的儀器的設計，可極大地降低研制成本和風險，且該探測器儀器的研制采取了國際合作的形式，美國、德國和意大利的單位和公司均參與了合作。

（3）采用低成本的離子推進技術，該技術或將成為未來深空探測的主要動力

“黎明”任務是一次真正意義上利用離子推進技術進行科學探測的任務，以前的多目標深空探測任務都采用傳統的推進方式，例如“旅行者”探測器，因此僅能進行飛越探測。

使用離子推進器可以在探測器從地球起飛時使用較小的運載火箭，降低發射成本。離子推進器還有加速時間長、可取得較大的速度變化和便于控制的優點。在傳統的行星際探測器上使用的發動機，可在20min內消耗300kg的燃料，獲得的速度增量為1000m/s。“黎明”探測器上的離子發動機每天只消耗0.25kg的氙氣，獲得的速度變化是10m/s。為了取得1000m/s的速度增量，僅需要25kg氙，但需要用100天的時間。因此采用離子推進技術的飛行時間比較長。

低成本的氙離子推進系統在美國“黎明”探測器上得到成功應用，表明電推進在空間探測領域具有廣闊應用前景，電推進技術不但可用作軌道位置保持．還可用作主推進。電推進或將成為未來深空探測的主要動力。

6 探測成果

灶神星表面“瑪西亞”隕坑立體圖

“黎明”探測器拍攝的灶神星圖像（2011年7月）

2012年7月，“黎明”探測器完成了對灶神星的環繞探測，取得了前所未有的科學探測成果。探測器在約1年的探測期內，拍攝了灶神星不同表面的圖像，發現在灶神星的南半球有2個巨大的撞擊坑，證實了灶神星曾受到巨大撞擊而拋出碎塊成為有關的小行星和隕石。在灶神星南極有一座高約25000m的大型山脈，該山脈的高度遠超地球珠穆朗瑪峰的高度。灶神星表面還有許多不同大小的撞擊坑，在近赤道處有一片連續的山脊和溝壑帶。此外，探測器發現在灶神星沿赤道附近的地區擁有分布廣泛的易揮發物質，這些物質使得灶神星赤道附近表面呈多種顏色，這些易揮發物質（可能是水）存在于灶神星表面的坑洞中，以含水礦物的形式存在。灶神星表面由于揮發性組分的釋放形成坑洼地形，此次“黎明”探測器拍攝了“瑪西亞”（Marcia）隕坑的立體圖，該地區保存有最壯觀的坑洼地形?？偠灾?，“黎明”探測器的探測結果說明了一點，就是含水礦物在塑造灶神星地質歷史并形成我們今天所見地表的過程中起著非常重要的作用。

自2014年12月1日以來，探測器拍攝了大量谷神星的照片。2015年1月3日，探測器對谷神星進行了長達1h的觀測，拍攝了展示谷神星表面明暗區域的圖像，并傳回谷神星表面環形山的首批詳細數據。預計到2015年1月底，探測器拍攝的谷神星圖像像素將超過“哈勃”望遠鏡，可以前所未有的精細度檢視谷神星的表面并對其進行研究。