美国“黎明”小行星探测器抵达谷神星

伍晓京 张扬眉（北京空间科技信息研究所）

2015年3月6日，美国航空航天局(NASA)的“黎明”（Dawn）小行星探测器抵达谷神星，从而成为首个探测矮行星的探测器、首个探测谷神星的探测器，还成为首个探测两个独立地外天体的探测器。“黎明”于2007年9月27日由德尔他-2火箭发射。该项目由喷气推进实验室（JPL）管理，轨道科学公司（Orbital Sciences Corporation）负责探测器的设计和制造，加州大学洛杉矶分校负责任务的科学运行。“黎明”项目的总成本预计为4.46亿美元。

1 任务背景

“黎明”任务从立项到发射可谓“几经波折”。该项目最初计划的成本为3.71亿美元。2005年，“黎明”项目组要求增加4000万美元的预算，美国航空航天局则将项目定为“搁置”（stand down）模式并开始调查成本超支原因和解决方案。2006年3月，美国航空航天局取消“黎明”任务，但由于此时已经花费了2.57亿美元，美国航空航天局的决定遭到了喷气推进实验室的质疑，且“黎明”探测器的制造商轨道科学公司提出可以按成本价格向美国航空航天局交付探测器，不赚取利润。随后美国航空航天局恢复项目。后来该项目又出现超支，最终总成本预计为4.46亿美元。

2 任务目标

科学目标

“黎明”的科学目标是探索小行星带上质量最大的两颗星体—灶神星（V e s t a）和谷神星（Ceres），研究其质量、形状、体积、引力场和自旋状态等，考察其内部结构并进行对比研究，以揭示太阳系开始形成时的条件和演变过程。

“黎明”任务要解决以下三个科学问题：①捕获太阳系起源时的最初时刻，使我们能够研究太阳系物体形成的条件；②确定形成类地行星的元素的特性，增进我们对类地行星形成过程的理解；③对比两颗有着不同演变路径的小星体的形成和演变情况，从而使我们理解造成这种演变的因素。

工程目标

“黎明”探测器是美国航空航天局首个采用离子推进发动机的、以深空探测为主要目的的深空探测器[深空－1（DS－1）任务也曾采用离子发动机，但主要目的是进行离子推进技术验证]。“黎明”任务的工程目标之一是进一步测试离子推进技术的可行性。

3 目标轨道

“黎明”探测器成功发射后，于2007年12月17日进入行星际巡航阶段，开始飞向灶神星。

2009年2月17日，探测器进行火星借力飞行。

2011年7月，探测器在距离灶神星16000km处被其引力捕获，进入灶神星轨道，成为世界上首个进入太阳系主要小行星轨道的探测器。在到达灶神星之前，探测器就拍摄了大量照片，并利用分幅相机在距离灶神星5200km处拍摄到的图片制作成视频。视频显示了灶神星的旋转情况，灶神星每5h20min绕轴旋转一周。在接近灶神星的过程中，探测器上的导航仪测量了灶神星对探测器的引力大小，从而精确计算出灶神星的质量。

在接下来的数个星期中，探测器降低了轨道高度，并于2011年8月11日在2700km高度开始了第一个科学探测周期（共4个），此后探测器逐渐降低轨道高度进行科学探测，在逐渐靠近灶神星的过程中拍摄多角度照片，以绘制其表面地形图，获取科学测量数据等。探测器总共环绕灶神星运行约1年，环绕灶神星的最近探测距离为210km。

2012年9月5日，探测器开始飞向谷神星，于2015年3月6日到达谷神星，并开始对其进行5个月的探测。按计划，探测器的主任务将于2015年7月结束，届时探测器将停留在绕谷神星运行的轨道上。

“黎明”探测器飞行了2.8×109km到达灶神星，从地球飞到灶神星再飞到谷神星的总距离大约为4.9×109km。

“黎明”任务是遵照美国航空航天局《行星保护政策》的深空探测任务，要求必须避免探测器在飞越火星时撞击火星。此外由于谷神星上可能有水，因此要求探测器在完成任务后至少20年内不能撞击谷神星。“黎明”项目团队进行的分析预计，“黎明”探测器将在任务完成后至少环绕谷神星运行50年。

“黎明”探测器飞行轨道

4 探测器概况

“黎明”的设计寿命为10年，发射质量1217 k g，其中探测器干质量747 k g，肼燃料45kg，氙气推进剂425kg。长方体结构，尺寸为1.64m×1.27m×1.77m。探测器两侧对称装有双太阳翼，太阳翼翼展19.7m。

其主推进采用3台氙离子发动机，输入功率2300W时，推力为92mN，比冲3100s。探测器使用的离子推进技术还曾经用于深空-1任务。推进系统由喷气推进实验室研制、制造和测试。3台离子推进器单独安装，每台推进器质量为8.9kg。

探测器三轴稳定，姿控系统包括2台星跟踪器、3个双轴惯性参考单元、16台太阳敏感器和4个反作用轮装置。探测器通过其星跟踪器来确定其姿态，通过反作用动量轮来控制姿态，但有时也借助反作用控制系统中的12个0.9N单元肼推力器实现来保持或改变姿态。这些推力器主要作为反作用轮的备份，曾经在发射后被短暂使用，用于使探测器停止自旋，且太阳翼指向太阳。

“黎明”探测器结构图

“黎明”探测器携带的有效载荷

它在距离地球1AU（1AU为1个天文单位，指地球到太阳的距离，约1.49×108km）时，其太阳电池翼功率为10.3kW；距离地球3AU时（寿命末期），功率为1.3kW。蓄电池采用35A ·h的氢镍电池组。

“黎明”的通信系统采用X频段，装有1副直径为1.5m的高增益抛物面天线、3副低增益全向天线、2个深空转发器以及2个100W的行波管放大器，上行数据率7.8bit/s～2.0kbit/s，下行数据率10bit/s～124kbit/s。美国航空航天局的深空网（DSN）对探测器进行追踪并与其进行通信。

指令与数据处理系统对探测器进行全面控制，并对探测器的工程和科学数据进行管理。该系统包括有备份的RAD6000处理器，每个处理器容量为8Gbit。

探测器携带了3种有效载荷，包括分幅相机（2台）、可见光和红外测绘光谱仪、伽马射线中子探测仪。

5 研制特点

（1）完全使用其他科学卫星备份或使用过的部件，具有低风险和高可靠性

“黎明”探测器采用了大量其他探测器或卫星的备份或使用过的部件，例如：

1）高度控制系统采用在“轨道观测”（Orbview）、“托佩克斯”／“海神”（(Topex／Poseidon)和“远紫外探索者”（EUVE）卫星曾经使用过的系统；

2）肼发动机采用在“印尼星”(Indostar)上使用12台0.9N发动机；

3）指令和数据处理使用与“轨道观测”卫星计划中相同的部件；

4）飞行软件与模块也采用“轨道观测”卫星计划中的部件；

5）采用基于轨道科学公司的“星”平台的集成结构。

（2）改进性地继承以前深空探测器携带的仪器的技术，研制成本低，可靠性高

“黎明”探测器携带的科学仪器改进性地继承了欧洲航天局和美国航空航天局以往的深空探测任务携带的仪器的设计，可极大地降低研制成本和风险，且该探测器仪器的研制采取了国际合作的形式，美国、德国和意大利的单位和公司均参与了合作。

（3）采用低成本的离子推进技术，该技术或将成为未来深空探测的主要动力

“黎明”任务是一次真正意义上利用离子推进技术进行科学探测的任务，以前的多目标深空探测任务都采用传统的推进方式，例如“旅行者”探测器，因此仅能进行飞越探测。

使用离子推进器可以在探测器从地球起飞时使用较小的运载火箭，降低发射成本。离子推进器还有加速时间长、可取得较大的速度变化和便于控制的优点。在传统的行星际探测器上使用的发动机，可在20min内消耗300kg的燃料，获得的速度增量为1000m/s。“黎明”探测器上的离子发动机每天只消耗0.25kg的氙气，获得的速度变化是10m/s。为了取得1000m/s的速度增量，仅需要25kg氙，但需要用100天的时间。因此采用离子推进技术的飞行时间比较长。

低成本的氙离子推进系统在美国“黎明”探测器上得到成功应用，表明电推进在空间探测领域具有广阔应用前景，电推进技术不但可用作轨道位置保持．还可用作主推进。电推进或将成为未来深空探测的主要动力。

6 探测成果

灶神星表面“玛西亚”陨坑立体图

“黎明”探测器拍摄的灶神星图像（2011年7月）

2012年7月，“黎明”探测器完成了对灶神星的环绕探测，取得了前所未有的科学探测成果。探测器在约1年的探测期内，拍摄了灶神星不同表面的图像，发现在灶神星的南半球有2个巨大的撞击坑，证实了灶神星曾受到巨大撞击而抛出碎块成为有关的小行星和陨石。在灶神星南极有一座高约25000m的大型山脉，该山脉的高度远超地球珠穆朗玛峰的高度。灶神星表面还有许多不同大小的撞击坑，在近赤道处有一片连续的山脊和沟壑带。此外，探测器发现在灶神星沿赤道附近的地区拥有分布广泛的易挥发物质，这些物质使得灶神星赤道附近表面呈多种颜色，这些易挥发物质（可能是水）存在于灶神星表面的坑洞中，以含水矿物的形式存在。灶神星表面由于挥发性组分的释放形成坑洼地形，此次“黎明”探测器拍摄了“玛西亚”（Marcia）陨坑的立体图，该地区保存有最壮观的坑洼地形。总而言之，“黎明”探测器的探测结果说明了一点，就是含水矿物在塑造灶神星地质历史并形成我们今天所见地表的过程中起着非常重要的作用。

自2014年12月1日以来，探测器拍摄了大量谷神星的照片。2015年1月3日，探测器对谷神星进行了长达1h的观测，拍摄了展示谷神星表面明暗区域的图像，并传回谷神星表面环形山的首批详细数据。预计到2015年1月底，探测器拍摄的谷神星图像像素将超过“哈勃”望远镜，可以前所未有的精细度检视谷神星的表面并对其进行研究。