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发射“灵神星”小行星探测器的“重型猎鹰”运载火箭

北京时间2023年10月13日22:19，“灵神星”（Psyche）小行星探测器将由“重型猎鹰”运载火箭在佛罗里达州肯尼迪航天中心LC-39A工位发射升空，星箭分离后，探测器将前往火星与木星之间小行星带中的“灵神星”抵近探测。

“灵神星”（Psyche）任务取名自任务目的地“灵神星”（Psyche）小行星，后者名称来自古希腊灵魂女神“普赛克”（Psyche）。

“灵神星”（Psyche）任务是美国国家航空航天局（NASA）发现项目（Discovery Program）的第14次任务，后者由美国航天局马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）管理。“灵神星”任务由亚利桑那州立大学（Arizona State University）领导实施，由加州理工大学为美国航天局代管的喷气推进实验室（JPL）负责任务的总体管理、系统工程、集成和测试以及任务运行，由马克萨技术公司（Maxar Technologies）提供太阳能电力推进平台及大部分工程硬件系统，并由美国航天局发射服务项目（Launch Services Program，LSP）负责管理发射服务、采购“重型猎鹰”发射。

“灵神星”小行星探测器

美国航天局为“灵神星”任务的开发、发射和运行投入了约12亿美元，其中约1.31亿美元用于“灵神星”任务和深空光学通信（Deep Space Optical Communications，DSOC）技术演示发射服务。此外，开发和运营深空光学通信（DSOC）的成本约2.06亿美元。

“灵神星”（Psyche）探测器的目的地是位于火星与木星之间小行星带外侧的“灵神星”，由意大利天文学家安尼巴莱·德·加斯帕里斯（Annibale de Gasparis）于1852年首先发现，因为它是被发现的第16颗小行星，所以有时被称为16“灵神星”（16 Psyche）。“灵神星”距离太阳的距离大约是地日距离的3倍。

“灵神星”（Psyche）小行星示意图

“灵神星”呈现长椭圆形，赤道剖面最大宽度280千米，长度232千米，整个球体表面积16.58万平方千米，接近南美洲国家乌拉圭的国土面积（17.62平方千米）。根据观测研究，该小行星很可能是岩石和金属的混合物，其中金属占其体积的30%至60%，是人类从未抵近观测过的金属小行星。根据研究，小行星演化自太阳系形成初期的微行星（Planetesimal），后者被认为是行星形成过程的半成品，而铁核被认为是水星、金星、地球、火星等类地行星（岩石行星）的核心，所以，研究“灵神星”将有助于人类了解太阳系岩石行星的起源。

“灵神星”（Psyche）小行星探测器太阳翼展开长24.76米，宽7.34米，包含仪器帆桁（2米）在内航天器主体尺寸为4.9米×2.2米×2.4米，发射质量2747千克，其中干质量1616千克。

“灵神星”探测器

“灵神星”探测器使用Maxar 1300改进型平台，推进系统主动力采用电力推进系统，配备4台氙气工质霍尔效应推进器，单次运行单台推进器，单台推力240毫牛顿，配备七个约82升的氙推进剂贮箱，推进剂总质量1085千克；辅助动力采用氮气工质冷气推进系统，配备12台小型推进器，配备3个82升的加压氮气推进剂贮箱，推进剂质量约46千克。能源系统配备2块5面板“十”字形太阳翼，在离开地球初期功率21千瓦，在绕小行星运行期间功率2.3至3.4千瓦。探测器配备3台任务专用仪器——伽马射线和中子光谱仪（gamma-ray and neutron spectrometer）、多光谱成像仪（multispectral imager）和磁力计（magnetometer）。此外，任务还将使用X波段无线电通信系统进行重力科学研究。

由于需要进行遥远的星际航行，“灵神星”探测器需要足够的运力和足够的速度增量，选择运力强大、运载效率高的“重型猎鹰”发射恰到好处。

“重型猎鹰”火箭为两级半三芯并联（CBC）构型，由芯一级、芯二级、与芯一级并排捆绑的两枚芯级模块助推器组成，箭长70米，助推器、一二级直径均为3.66米，起飞推力超过2280吨，地火转移轨道运力16.8吨。本发任务“重型猎鹰”起飞质量1433吨。

“重型猎鹰”发射“灵神星”时间线

点火发射后1小时2分50秒，发射任务将执行星箭分离，“灵神星”将进入地火转移轨道，开启漫长的转移飞行之旅。在地火转移过程中，2023年11月至2025年10月探测器将进行深空光学通信（DSOC）技术演示，将使用近红外激光器在地球和深空之间发送和接收测试数据，这是美国航天局首次在月球更远深空执行高带宽光学通信。

“灵神星”探测器飞行路径

2026年5月，“灵神星”探测器将抵达火星附近并利用引力弹弓效应加速前往目标小行星。2029年7月下旬，“灵神星”探测器将被目标小行星捕获，探测器的飞行距离将达到约36亿千米。2029年8月至2031年11月（1日），航天器将执行其主要任务，绕小行星运行并收集科学数据。

在持续26个月的运行周期内，“灵神星”探测器将先后在高度由高到低编号为A、B（含B1和B2）、C、D四个轨道运行。2029年8月至10月，探测器将运行在高度709千米的A轨道上，预计将持续约56天，将重点对小行星进行成像和测绘，同时进行磁场和重力测量。

“灵神星”探测器绕小行星探测轨道

然后，航天器从轨道A经过17天转移飞行，于2029年10月下旬进入高度303千米的B1轨道，期间将重点绘制小行星至少80%的地形和地质图，并继续评估小行星的磁场和重力，任务将持续约92天到2030年1月下旬。由于探测器在B轨道运行期间，小行星阳照区逐渐缩小，因此该轨道任务被分为B1和B2两部分，以便航天器能够完成其测绘需求。

接下去，探测器将花费98天时间转移到最低的高度75千米的D轨道，于2030年5月开始工作，持续约100天。此时，航天器将由此前绕两极运行转向绕赤道运行，这将有助于聚焦测量小行星的构成，同时将绘制小行星地图，并研究其重力和磁场。

此后，2031年1月中旬，探测器将进入高度190千米的C轨道，与A和B轨道一样绕两极方向运行，期间将测量地形，并执行主任务中最高优先级的磁场和重力测量。

最后，当太阳光重新覆盖小行星表面约80%的区域时，探测器将进入高度303千米的B2轨道，围绕小行星飞行约100天。

“灵神星”探测器示意图

此外，“灵神星”任务团队在主要任务结束时额外增加了67天的时间，为意外的运行需求或科学收集提供额外的时间。“灵神星”主要任务预计将于2031年11月1日结束。

10月11日，执行“灵神星”（Psyche）小行星探测器发射任务的“重型猎鹰”运载火箭已经从总装厂房水平转运至发射工位，原定于10月12日22:16的发射由于天气原因推迟一天，发射窗口期持续到美东时间10月25日，每天只有一个发射时间。

作者：大白高国

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