宇宙穷游指南:曙光号花最少的钱,看最精彩的世界 | 迈向太空

2018年10月11日10时13分内容来源:果壳网

宇宙穷游指南:曙光号花最少的钱,看最精彩的世界 | 迈向太空

2007年9月27日,曙光号(Dawn)探测器从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,开启了它长达11年的奇幻旅程。


11年来,曙光号以一己之力,为人类揭开了小行星带中两颗最大天体——灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)的面纱。而在此之前,虽然人类从十九世纪初就发现了它们的存在,但在随后近200年的漫长岁月里,这两颗天体只不过是夜空中的两个小小光点,看不清任何的细节。


曙光号探测器先后环绕探测过灶神星(右)和谷神星(左) | NASA/JPL-Caltech


而如今,作为唯一环绕过两颗地外天体、第一个环绕小行星带天体、第一个探访矮行星的探测器,曙光号正在走向生命的尽头。用于调整姿态的肼推进剂会在未来几天内耗尽,之后它将再也无法继续观测和传回数据了。


作为NASA知名抠门项目Discovery项目的成员之一,曙光号保持住了该项目一贯的风格和水平:花最少的钱,看最精彩的世界,还要春蚕到死丝方尽,跟残酷的命运死磕到最后一口气。


现在,是时候回顾曙光号的一生了。



第一站

雏形类地行星、陨石之乡、太阳系最高峰……


发射1年半后,曙光号于2009年2月7日飞掠火星,并借助火星的引力助推。又经过2年半的航行,曙光号于2011年7月16日进入环绕灶神星的轨道。


灶神星位于太阳系的小行星带中,这是火星和木星轨道之间的一片小天体聚集带,而灶神星是其中仅次于谷神星的第二大天体,占了主带小行星总质量的9%[1],也是小行星带中唯一一颗亮到可以用肉眼直接看到的天体


环绕一颗天体进行长期探测,或者说成为一枚轨道器,并不是一件容易的事。我们熟知的其他多目标探测器,比如旅行者号和新视野号,都是技术上更容易实现的飞掠器,也就是以一定的距离飞过这颗天体,看到哪儿是哪儿,看不到的也就算了,然后扬长而去,奔向下一个天体。


轨道器则意味着,探测器需要进入这个天体的引力控制范围,还能环绕这颗天体稳定地运转——这对探测器的性能和轨道控制技术都是更大的考验。


进入灶神星轨道后,曙光号多次降低和调整轨道,对灶神星进行了全方位多角度“扫射”。在长达14个月的观测中,曙光号共环绕灶神星1298圈,拍摄了近31000张影像[2],还收集了大量其他科学数据。


从2011年7月1日到2012年9月30日,曙光号环绕灶神星(中间绿点)的轨道(粉色轨迹) | 维基百科 by Phoenix7777,CC4.0


尽管在此之前,灶神星的一些表面特征就已经被哈勃望远镜和一些地基望远镜(比如凯克望远镜)观测过,但直到曙光号抵达那里,人类才真正揭开了灶神星表面的种种细节


哈勃空间望远镜2010年2月拍摄的灶神星(左)和2012年9月曙光号拍摄的灶神星(右) | NASA/JPL-Caltech[3]


虽然都是小行星,但灶神星和谷神星这样直径超过500公里的大型小行星,和绝大多数直径不足十几公里的小行星完全不同——越大的天体越能保持内部的热量,也越可能拥有丰富的地质活动。


不同于绝大多数小行星只是一颗近乎均质的“土豆”,曙光号的重力观测数据[4]确认灶神星早已演化成了一颗“鸡蛋”。灶神星和地球、火星等类地行星(以及月球)相似,内部已经有了壳幔核的分层结构,而且跟类地行星一样,拥有金属的内核、岩质的幔层和壳层。也就是说,灶神星完全就是一颗岩质原行星—— 一颗形成于45.6亿年前,最终没能“发育进阶”的类地行星雏形,而且很可能是目前仅存的一颗。


灶神星还是地球上陨石的一大来源。地球上发现的陨石中,有一大类叫作HED的陨石,目前在地球上已经发现了2000多颗。早在曙光号任务之前,人类就已经通过望远镜观测的光谱数据发现,HED陨石极有可能都来自灶神星[4],曙光号任务的探测结果进一步证实了这种推测的合理性。也就是说,落入地球的陨石中可能有6%都来自于灶神星这一颗天体的碎片。


那这些碎片是怎么来的?可能是约10-20亿年前从灶神星上撞出来的。曙光号近距离探测了灶神星的南半球,发现南极附近有两个巨大的撞击盆地:较古老的Veneneia盆地和较年轻的Rheasilvia盆地。这两个撞击盆地实在太过巨大,仅仅是形成Rheasilvia盆地的撞击事件产生的溅射物,就足以产生所有落入地球的HED陨石,以及还在天上飞着的、与HED陨石成分相似的小行星族。


曙光号还发现,如果以从山顶到山脚高度来算的话,Rheasilvia盆地的中央峰高达23公里,是目前太阳系中最高的山峰之一——远高于地球上最高的夏威夷冒纳凯阿火山,和火星上最高的奥林匹斯山不相上下。(珠穆朗玛峰只是地球上海拔最高的山峰,与周围的地势相比,它的相对高度并不是最高的。)不过,它们的成因完全不同,冒纳凯阿火山和奥林匹斯山都是火山作用的结果,而Rheasilvia盆地的中央峰则是剧烈撞击之后在盆地中央产生的岩石回弹。


图A和B:Rheasilvia盆地中央峰的地形和影像图,越蓝表示越低,越红表示越高;图C:Rheasilvia盆地中央峰(黑线)、地球上夏威夷冒纳凯阿火山(绿线),和火星上的奥林匹斯山(红线)的高程剖面 | 参考文献[4]。


第一次“续命”

靠的是离子推进器


环绕一颗天体运行并不需要能量和助推来维持,只靠引力就够了,但改变轨道需要。不管是飞行途中的轨道调整,还是环绕天体时不断变换轨道来观测,都需要消耗燃料(推进剂)。


然而,一颗探测器能携带的燃料,毕竟是有限的


对绝大多数轨道器来说,进入一个天体的轨道,就意味着“从一而终”了,因为它们携带的燃料不足让它们离开这颗天体。


曙光号就腻害了。


2012年9月5日,曙光号不仅离开了灶神星轨道,又花费2年半时间,跋涉了15亿公里前往了它人生中的第二站:谷神星。


这些都有赖于曙光号的离子推进发动机


离子发动机的原理是这样的:将推进剂氙(Xe)电离成氙离子和电子,再用高电压将氙离子加速并喷射出去,于是探测器就可以借助反作用力而加速。不同于传统的推进剂,离子推进剂要节省燃料得多,可以大大减少探测器需要携带燃料的重量,也就大大增加了长途太空旅行的效率。


曙光号并不是第一个使用离子推进发动机的探测器:NASA的深空1号探测器第一次把这个推进技术从科幻小说中带向了现实世界,此后日本JAXA的隼鸟号、隼鸟2号使用的也是离子发动机。


离子发动机运行时会喷出蓝色的“焰尾”,这也是所有使用离子发动机的探测器在艺术假想图中的一大特征。


深空1号(左)和隼鸟号(右)使用离子推进发动机时的假想图 | NASA,JAXA



第二站

亮斑、有机物、地下海……


在离子推进器的帮助下,曙光号于2015年3月6日成功进入环绕谷神星的轨道。


谷神星是小行星带中最大的天体,直径约945公里,质量占主带小行星总质量的35%以上,同时还是小行星带中唯一一颗矮行星


按照国际天文联合会(IAU)的定义,矮行星和行星一样,都需要围绕太阳公转,也需要达到流体静力学平衡(大致来说就是需要非常圆)。两者的唯一区别是,矮行星不像行星那样能够清空自身轨道,比如谷神星所在的轨道附近还有很多其他小行星,冥王星所在的轨道附近也有很多其他小天体,它们都不是这片轨道上唯一的王者。


全拜这个定义所赐,曙光号幸运地成为了“第一个探访矮行星的探测器”,比当时即将飞掠冥王星的新视野号早了4个多月。


进入谷神星轨道后的3年多时间里,曙光号通过10次变轨,把探测高度从1.35万公里慢慢降至最近的35公里,对谷神星进行了全方位深入探测,也揭开了谷神星的诸多重要秘密。


从2015年2月1日到2018年10月6日,曙光号环绕谷神星(中间绿点)的轨道(粉色轨迹)。后半段魔鬼一样的步伐,看得简直停不下来23333 | 维基百科 by Phoenix7777,CC4.0


在曙光号近距离造访谷神星之前,谷神星的一大谜团是它神秘的亮斑。


2015年初,当曙光号开始接近谷神星时,科学家惊讶地发现谷神星上有两块非常明显的亮斑,而且,这两块亮斑的位置和之前哈勃望远镜看到的亮斑并不一样。哈勃没有看到这两个亮斑并不奇怪,毕竟曙光号发现的这两个亮斑只有几公里大,而远在地球轨道上运行的哈勃望远镜只能分辨谷神星上近百公里宽的大型结构。


哈勃望远镜2003年12月-2004年1月间拍摄的谷神星(左)和曙光号拍摄的谷神星(右)。右图中间的两个亮点就是神秘亮斑的位置 | NASA


随着曙光号对谷神星的近距离深入探测,科学家渐渐发现,谷神星上完全不止这两块亮斑。最终,科学家一共在谷神星上发现了约130块亮斑。最早发现的两块因为位于Occator撞击坑中,后来被称为“Occator亮斑”,是谷神星上最亮的区域。


曙光号在谷神星表面发现了大约130块亮斑(位置用蓝色标出),Occator撞击坑中的亮斑是谷神星上最亮的 ,第二亮的亮斑位于Oxo撞击坑中 | NASA


这些亮斑到底是什么?随着曙光号探测的深入,人们不断推翻之前的推测。


最初有人认为是冰火山或者排气作用的结果,后来又认为是水合硫酸镁盐矿物[5]。2016年,曙光号的近红外光谱数据表明,Occator亮斑里含有大量的碳酸钠盐,很可能是因为近期的地质活动才从地下露出表面的[6]。


除了盐类矿物,2017年初,曙光号的光谱仪还在谷神星表面多处发现了脂肪族有机物,最主要的富集地在Ernutet撞击坑西侧边缘[7]。


谷神星上发现的脂肪族有机物,颜色越浅说明含量越高 | 参考文献[7]

不同于干燥的灶神星,谷神星上一点都不缺水(冰),挥发的水蒸气还会产生微弱的大气层。不仅如此,曙光号还在南半球中纬度的Juling撞击坑边缘观察到了水冰的季节性变化[8]:冬季结冰,水冰增加,夏季挥发消融,水冰减少。


谷神星的内部也大有玄机。和差不多同样古老的灶神星一样,谷神星也早已“进化”出了分层结构,但不同于类地行星那样的灶神星,谷神星更像外太阳系的冰卫星:它可能只有一个岩质的内核(而不是灶神星那样的金属内核)。曙光号的重力探测数据显示,谷神星的幔层主要是含水的岩石,而壳层则是岩石、水冰、各种盐类和含水矿物的混合物。这些含水的岩石和矿物可能是远古时候谷神星地下全球性海洋的遗迹,而且可能至今仍有一部分液态海洋没有被冻[9]。


不管是新鲜的碳酸钠盐和有机物,还是水冰的季节性变化,以及地下海洋的遗迹,这些迹象都表明谷神星并不是一颗“死寂”的星球,而是至今依然地质活跃、充满变化、甚至可能具备维持生命条件的地方——就像木卫二或者土卫二那样。


第二次续命

靠的是肼推进剂


如果说第一次“续命”是拓展了曙光号生命的深度和广度,那么第二次就是名副其实的续命了——因为随着任务的推进,曙光号上的动量轮相继坏掉了


动量轮是一种通过转动来控制探测器姿态的装置,通过供电维持转动,从而保持某个方向上的稳定,有点类似于陀螺仪。现代航天器大多采用三轴稳定的方式,以我们熟悉的飞机为例,当飞机需要左右转向(x轴)、左右翻滚(y轴)或上下俯仰(z轴)时,就需要分别调整对应方向上的姿态。换句话说,探测器最起码需要3个动量轮才行


不同于曙光号上的离子推进发动机,只在需要改变轨道时才需要用到,动量轮却是随时随地都有可能会用到的。曙光号观测的时候,需要把对应的仪器瞄准目标区域;充电的时候,需要调整太阳能板的角度对准太阳;而传回信号的时候,又需要把天线转过来对准地球——而这些,都会随着曙光号位置和工作内容的变化而不断改变。


一言以蔽之,如果剩余能够工作的运量轮不足3个,那么曙光号虽然还可以一直飞着,却仍将无法探测、无法充电、无法传回数据。



好在,曙光号一共带了4个动量轮,就算坏掉一个,估计也问题不大。


然而,第一个动量轮早在2010年6月就坏了[10],此时距曙光号抵达第一站灶神星还有……1年多的时间。不过,探测器在飞行途中基本不需要控制姿态,所以不碍事。事实上,好的3个动量轮也一直是关着的,直到曙光号快要抵达灶神星时才打开。


探测灶神星的14个月里,一切顺利。


到了2012年8月,曙光号开始准备离开灶神星时,第二个动量轮坏了。


对于深空探测器,出了啥故障都要靠地面指挥才能应对是不现实的——信号以光速传播单程还要20多分钟呢,黄花菜都凉了。所以,深空探测器都很智能,或者说有自主应对突发事件的能力。


于是,机智的曙光号直接关掉了所有的动量轮,通过离子推进配合化学推进离开了灶神星轨道。当故障信号传回地球时,曙光号项目组也觉得这个应对非常明智,决定让动量轮就这么关着吧,反正路上用得着的时候也不多。


但问题是,只有两个动量轮终究是不行的,何况剩下的两个也早晚会在不久的将来坏掉,因为4个动量轮是一模一样的设计,而同样设计的动量轮在其他探测器上也陆续有故障发生。事实上,2005年时,隼鸟号就是因为坏掉了2个动量轮而严重影响了观测。


怎么办呢?


还好,曙光号还携带了少量传统火箭推进剂,称为肼(N2H4,又叫联氨),也可以用来调整姿态。于是,曙光号项目组决定采用“混合推进”模式,让两个动量轮配合肼推进剂一起工作。就是在这样的状态下,曙光号对谷神星展开了长达3年的环绕探测。


尽管遇到了动量轮的致命故障,但到2016年初,曙光号还是成功完成了所有预定目标,并在2016年6月中旬开始了扩展任务。毕竟,让完成任务的探测器超期服役,已经是NASA一以贯之的优良传统了。


然而,要是再坏一个动量轮的话,混合模式也会不管用了。早在2010年,项目组就决定,一旦第3个动量轮也出现故障,就将不再使用动量轮了。


到了2017年4月,第3个动量轮坏掉之后,最后一个动量轮也被关掉,再也没有使用过。


从那时起,曙光号完全靠肼推进剂续命


神龟虽寿,犹有竟时


11年,在平均设计寿命不超过36个月的Discovery项目里绝对算是长寿了。


只是,神龟虽寿,犹有竟时。


刚刚度过11岁生日的曙光号,正在不可避免地走向生命的尽头,而这一切从2012年8月,第二个反应轮故障时就已经注定了。硬生生续了6年多的命,已经非常难得了。


2018年6月,曙光号借助离子推进器完成了最后一次变轨,到达了最终轨道。这是一个大椭圆轨道,距离谷神星表面最近时只有35公里。曙光号要抓住这最后一次机会,以前所未有的近距离探测谷神星的表面。


曙光号在最终工作轨道上近距离拍到了Occator亮斑的超清晰细节 | NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/Roman Tkachenko.


这也是曙光号最后一次使用离子推进器——毕竟,等到肼推进器耗完了,留着离子推进器燃料也没用了。


2018年6月21日,曙光号关闭离子推进器。这片闪耀在小行星带中的蓝光永远熄灭了。


曙光号环绕谷神星的假想图 | NASA


之后,曙光号将在这条最终轨道上一直观测,直到肼推进剂完全耗尽为止。


飞翔的丰碑


在不远的将来,或许就是10月中旬的某一天,当指令告诉曙光号需要消耗一点点肼来调整姿态时,曙光号将不再有能力完成指令,因为再也没有燃料可用了。


当然,机智的曙光号会尝试自动修复这个问题,比如选择用备用喷口代替主喷口,但无论如何反应都将是徒劳的。曙光号将会发现自己无法修复这个问题,接下来便会切换到安全模式,同时切断仪器的电源,等待来自地球的帮助。


地球上的项目组很快就会发现,曙光号的信号消失了。当然,人们也不会轻易就放弃,因为谁也无法确定曙光号就一定已经油尽灯枯了。万一,曙光号只是出了其他故障呢?负责与探测器通信的地面深空网络DSN还将花上几天时间来努力信号,直到确认信号彻底消失为止。


面对油尽灯枯这样的状况,地球上的人类也只能是爱莫能助了。接下来,项目组会宣告任务终结,而曙光号则会继续在那条最终轨道上运行,哪怕它已经永远沉睡不醒了。


曙光号最后一阶段的大椭圆轨道,最近时距离谷神星表面只有35公里。图中虚线是之前轨道的最低高度 | NASA/JPL-Caltech

曙光号的最终轨道是项目组精心设计的距离谷神星最近的“安全轨道”,可以确保曙光号在无法变轨的状态下,至少短时间内不会撞上谷神星,以防不慎污染了这颗矮行星。


而人类则应该抓紧接下来的这段时间,法再派出一枚探测器前往谷神星,来确认那里是否真的具备维持生命的条件,甚至存在生命。


这个期限是20年


在接下来的这20年里,曙光号将成为一座丰碑,环绕在谷神星上空,等待新的访客自地球远道而来。


如果20年时间不够,那还可以略微放宽到50年,曙光号在此期间仍有99%的概率会继续环绕谷神星运转,而不至于坠毁在它的表面。


如果50年时间都不够……


恐怕曙光号在天有灵,也会对人类引以自豪的探索精神表示失望了吧。


不过话说回来,大概也不至于如此悲观。虽然目前还没有重访谷神星的计划,但在太阳系的其他地方,JAXA的隼鸟2号和NASA的冥王号已经对另外两颗小行星展开了探测。而在不远的将来,NASA的Lucy和Psyche探测器也将于2023年前后发射升空,开始属于它们的小行星奇幻旅程。


这代表着人类对太空的探索,前赴后继,生生不息。


参考文献:


[1].Pitjeva, E. V. "High-precision ephemerides of planets—EPM and determination of some astronomical constants." Solar System Research 39.3 (2005): 176-186.

[2].http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/marc-rayman/dawn-journal-10-years-in-space.html

[3].https://dawn.jpl.nasa.gov/features/what-we-knew/

Russell, C. T., et al. "Dawn at Vesta: Testing the protoplanetary paradigm." Science 336.6082 (2012): 684-686.

[4].Nathues, A., et al. "Sublimation in bright spots on (1) Ceres." Nature 528.7581 (2015): 237.

[5].De Sanctis, M. C., et al. "Bright carbonate deposits as evidence of aqueous alteration on (1) Ceres." Nature 536.7614 (2016): 54.

[6].De Sanctis, M. C., et al. "Localized aliphatic organic material on the surface of Ceres." Science 355.6326 (2017): 719-722.

[7].Raponi, Andrea, et al. "Variations in the amount of water ice on Ceres’ surface suggest a seasonal water cycle." Science advances 4.3 (2018): eaao3757.

[8].https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6982

[9].http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/marc-rayman/20170530-dawn-journal-adaptations.html



作者:灰原哀博士

编辑:Steed、东风


一个AI

可以说是宇宙级别的穷游达人了!

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