科学纪实详解喷气推进实验室的普赛克Ps

该航天器将于今年8月发射，并于年1月抵达与之同名的小行星“普赛克（Psyche）”。

上图：NASA的普赛克飞船的概念图，预计年8月发射。该任务将探索位于火星和木星之间的主要小行星带的富含金属的同名小行星。

本周，位于加利福尼亚州的美国宇航局喷气推进实验室，即将完工的“普赛克（Psyche）”宇宙飞船正静静地躺在无尘室中。这项雄心勃勃的任务以它将要探索的同名小行星命名，预计将于今年8月由猎鹰重型火箭发射。科学家们希望，更多地了解这颗不寻常的小行星，这将促进我们对行星形成和太阳系早期的理解。

年3月，意大利天文学家阿尼巴莱·德·加斯帕里斯（AnnibaledeGasparis）发现了“普赛克16号（16Psyche）”，它是一颗M型小行星（意味着它的金属含量很高），它在主小行星带绕太阳运行，有着不同寻常的土豆形状。长期以来人们偏爱的假说是，从太阳系最早的时候起，普赛克就是原行星（星子）裸露的金属核心，地壳和地幔因与其他物体的碰撞（或多次碰撞）而剥离。近年来，科学家们得出结论，估计的质量和密度与完全金属残余核的情况并不一致。相反，它更有可能是金属和硅酸盐的复杂混合物。

也许，这颗小行星可能曾经是一种特殊的石铁陨石的母体，这种陨石分裂后重新聚集成金属和硅酸盐的混合物。或者，它可能是一个像谷神星1号这样的物体，这是一颗位于火星和木星轨道之间的小行星带中的矮行星——除了普赛克16号可能经历了一段时期的铁火山活动，在冷却时，这些火山中心留下了高富集的金属。

上图：超大望远镜拍摄的16Psyche的多个视图。

长期以来，科学家们一直怀疑金属核潜伏在像地球这样的类地行星的深处。但这些地核深埋在岩石地幔和地壳之下，研究人员无法发现。作为发现的唯一一颗类似金属核的天体，普赛克提供了一个绝佳的机会，来阐明我们太阳系中岩石行星（地球、水星、金星和火星）可能是如何形成的。美国宇航局在年批准了普赛克任务，打算发射一艘航天器绕小行星轨道运行，收集有关其特征的关键数据。

亚利桑那州立大学的琳达·埃尔金斯-坦顿是普赛克任务的首席调查员，她告诉我们说：“在过去的几年里，我们对普赛克可能的理解并没有太大的改变。它必须含有大量的金属，但我们从来不知道有多少。它可能是太阳系早期一颗小行星的金属核心的一部分，也可能是从未熔化并形成核心的东西，但里面混合了金属，就像鹅卵石和岩石一样。直到我们到达那里，我们才能真正知道。”

“普赛克”号宇宙飞船将搭载几台仪器来收集这些宝贵的科学数据。有一个多光谱成像仪能够产生足够高分辨率的图像，以便科学家区分小行星的金属和硅酸盐（矿物）成分之间的区别。绘制小行星的组成图和识别所有元素的工作，就落在伽马射线和中子谱仪上。还有一个磁力计，可以测量和绘制任何残余的磁场。最后，一个微波无线电通信系统也将能够测量小行星的重力场，收集有关其内部结构的线索。

上图：普赛克（Psyche）宇宙飞船的微型模型。

“普赛克”的基础由一家名为MaxarTechnologies的卫星公司制造，于去年4月交付。它的大小大致相当于一辆面包车，主要是利用商业、现成的技术建造。ARS高级空间编辑埃里克·伯杰曾表示：“一旦进入太空，航天器将使用一种创新的推进方式，即霍尔推进器，到达小行星。”这将是宇宙飞船第一次使用霍尔推进器进入深空，如果没有这项技术，普赛克任务很可能不会发生——当然成本不会低于10亿美元。以下是埃里克·伯杰关于这种创新方法的更多信息：

当你需要强大的能量爆发来冲破地球的引力井时，化学推进引擎是将火箭带离地球表面的最佳选择。但是，化学火箭发动机并不是世界上最省油的机器，因为它们会消耗大量的推进剂。而且一旦航天器进入太空，就有了更省油的移动方式。美国国家航空航天局（NASA）试验太阳能电力推进技术已有一段时间了。美国宇航局在年发射的深空一号任务中首次测试了电力推进技术，后来在年的黎明任务中访问了小行星带的灶神星和谷神星。

这些航天器使用离子推进器。相比之下，霍尔推进器的设计更为简单，用磁场限制推进剂的流动。这些推进器是在苏联发明的，后来被Maxar和其他公司用于商业目的。如今，许多在地球静止轨道上运行的最大的通信卫星，比如那些传送DirecTV的卫星，都使用霍尔推进器来保持站位。

利用基于霍尔推进器的技术，该任务的科学家和工程师能够设计出更小、更经济的航天器。普赛克号上的每个霍尔推进器产生的推力是黎明号离子推进器的三倍，并能产生两倍的能量。这将使宇宙飞船在经过3.5年的飞行后，于年1月到达位于主带的普赛克小行星。

普赛克团队在3月份测试了两个太阳能电池板，将它们连接到飞船机身上，然后纵向展开，直到8月份发射。这个由五个面板组成的十字形太阳能电池板，是喷气推进实验室安装的最大的太阳能电池板，面积为平方英尺（75平方米）。它们是专门为在远离太阳的弱光条件下工作而设计的。

上图：3月，在JPL著名的HighBay2洁净室中，普赛克航天器上的两个太阳能电池阵列之一，成功部署。在任务期间，双阵列将为航天器及其科学仪器提供动力。

今年8月，“普赛克”号宇宙飞船将从美国宇航局的肯尼迪航天中心发射升空，它将与霍尔推进器一起运行，直到年5月抵达火星。然后，它会绕着这颗红色行星弹射，以获得引力的帮助，完成通往同名小行星的最后一段旅程。

喷气推进实验室（JPL）的项目经理亨利·斯通解释道：“最重要的是让引擎和推进器立即启动。这不是化学推进，这是一次电力推进任务。这意味着除了在火星周围做重力辅助外，我们还在为飞行器提供动力，一路推进到普赛克。我们需要发射飞行器，迅速将其置于安全状态，并准备好启动发动机并运行，这样我们才能到达最终目的地。”

一旦一切就绪并开始运行，一项名为深空光通信（DSOC）的激光通信实验将开始测试，该实验将运行大约一年。这种光学系统的目标是，大大提高航天器通信的性能超过传统的无线电频率（RF）系统，类似于光纤电缆取代老式的电话线。

上图：研究人员在JPL的洁净室。

喷气推进实验室的阿比吉特·比斯瓦斯表示：“这存在巨大的带宽紧缩。由于近地卫星的需求，我们的带宽快用完了。转向光学技术会打开一个很好的频谱。在相同质量和功率的情况下，你可以获得比射频高得多的数据速率（对于大距离来说，大约是10倍）。一旦我们解决了所有问题。我们在目标距离上有目标数据速率，所以如果我们能够达到这些数据速率，那么它肯定是有效的。”

DSOC拥有一个飞行激光收发器、一个地面激光发射器和一个地面激光接收器。在普赛克宇宙飞船上的实验是对原理的一个证明。需要在地面上发展大量的基础设施，以便在今后的任务中部署类似的光学系统。阿比吉特·比斯瓦斯说：“必须在这方面进行一些投资，因为对于深空来说，你需要大孔径地面收集器，而这在今天是不存在的。”

在普赛克的技术演示中，比斯瓦斯的团队依靠喷气推进实验室TableMountain设施的近红外激光发射器，加州帕洛玛天文台的海尔望远镜作为接收器。但在未来的深空任务中，如载人火星任务中，这在操作上是不可行的。根据比斯瓦斯的说法，喷气推进实验室目前正在试验在戈德斯通天线上安装镜子，希望使用相同的基础设施在光学和射频系统上运行。

上图：在洁净室设备的下方是Psyche首席研究员、亚利桑那州立大学的琳达·埃尔金斯-坦顿（右）。

预计，该航天器将于年1月抵达这颗小行星，并在接下来的21个月里在轨道上绘制该天体的地图并测量其属性。随着航天器逐渐进入较低的轨道，直到它在离小行星表面仅53英里（85千米）的轨道上运行，将会有三个轨道阶段。

由于小行星普赛克的形状非常奇特，此次任务的科学家们预计，它极有可能有一个非常不规则的重力场。喷气推进实验室（JPL）的项目经理亨利·斯通说：“我们必须设计航天器，从导航和控制的角度考虑这一点。这就是我们从非常高的高度出发的部分原因，这样我们就可以安全地在很远的地方运行，并测量引力场。然后，我们可以建立这个模型，并实时改进它，这样我们就知道如何让这些越来越近的轨道连续下降。”

然后，我们等待所有的数据被科学家分析，这样小行星普赛克（Psyche）就可以揭开它的神秘面纱。普赛克任务的首席调查员埃尔金斯-坦顿说：“我的秘密希望是，普赛克不是金属核的一部分，它是某种非常不同寻常的东西。我希望它能被‘还原’：一些材料的所有氧气都被剥离，这样金属就由剩下的铁组成了。一些以前未被发现的行星的组成部分，一些我们在陨石收藏中没有看到的东西。这对我们来说这才是最大的刺激。”

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