NASA将于2022年发射Psyche任务旨在探索奇怪的金属小行星

　　在我们的太阳系非常年轻的时候，没有行星，只有一个弥漫的气体和尘埃盘绕着太阳。但是在几百万年内，那团原始物质在其自身的引力下坍塌，形成了数百个，甚至数千个新生的行星。其中一些小行星，正如天文学家所称，随着它们在旋转的太阳星云中卷起更多的灰尘和气体，它们的直径增长到数百公里。
　　一旦它们达到了这样的大小，它们内部的放射性元素衰变产生的热量就会被困住，温度升高到足以融化它们的内部。熔体中密度较大的成分--铁和其他金属--沉降到中心，留下较轻的硅酸盐漂浮到表面。这些较轻的材料最终冷却，在重金属核心周围形成了硅酸盐岩石的地幔。这样一来，大量的铁和镍合金就被困在了这些行星的深处，永远地被隐藏起来，无法直接观察到。
　　在这个时候，尽管太阳系面积巨大，但它仍然比较拥挤。在接下来的2000万年左右的时间里，许多星子相互交叉碰撞。一些合并并成长为更大的原行星，最终形成了我们今天所熟悉的行星。
　　在这些原行星的每一次碰撞中，金属核心都被敲打并与硅酸盐地幔物质重新混合，后来在被吸积的热量融化后再次分离。有些碰撞具有足够的能量，可以完全摧毁一颗原行星，留下的碎片促成了现在存在于火星和木星轨道之间的小行星带。
　　但是一些原行星可能逃脱了这些命运中的任何一种。天文学家假设，一系列的＂肇事逃逸＂的撞击导致这些天体失去了大部分的外壳，只留下了少量的硅酸盐岩石和大量的金属。这些材料结合在一起，形成了一种罕见的世界。如果这个理论是正确的，最大的例子将是一颗名为16 Psyche的小行星--以希腊的灵魂女神Psyche命名，因为它是小行星带中第16个被发现的成员（1852年）。
　　Psyche（普赛克）也是美国宇航局（NASA）访问该小行星的任务的名称。该任务由亚利桑那州立大学的Lindy Elkins-Tanton领导，并由NASA喷气推进实验室管理，Psyche任务将测试天文学家关于行星核心形成和组成的理论，同时它将探索一个景观不同于空间探测器迄今所访问的任何世界。
　　Psyche任务计划于2022年8月发射，航天器将在三年多后到达目的地。它将在那里发现什么？天文学家认为，我们可能会看到冻结的金属收缩产生的巨大表面断层，绿色结晶地幔矿物的闪亮悬崖，硫磺熔岩的冰冻流，以及千年高速撞击后散落在表面的大片金属碎片。毫无疑问，也会有很多惊喜。
　　这个太空探测器必须经过漫长的旅程才能到达目的地，这对它的要求特别高。16 Psyche位于主要小行星带的外围，远远超出火星的轨道。探测器将于2026年1月开始环绕这颗小行星，并将对其进行近两年的研究。
　　研究人员称，安排一个探测器围绕像小行星这样的小天体运行比围绕行星运行更难。大行星有很深的＂引力井＂，这使得航天器可以通过一次低空火箭燃烧进入轨道。小天体的引力很小，基本上不提供＂引力杠杆＂，所以航天器的推进系统必须做所有的工作。
　　不久前，NASA在其＂黎明号＂任务中成功地进行了这一操作，该任务将一个探测器送入小行星灶神星和谷神星的轨道。＂黎明号＂航天器使用太阳能电力推进。它的三个高效发动机通过电离推进剂气体并通过高压电场加速，将来自太阳能电池阵列的电力转化为推力。
　　当喷气推进实验室的团队设计Psyche探测器时，他们计划做类似的事情。主要问题是如何在不超出任务预算的情况下做到这一点。JPL的工程师们通过使用大部分是现有的技术来解决这个问题，这些技术是由位于科罗拉多州威斯敏斯特的Maxar公司制造的。它是世界上最大的商业地球同步通信卫星供应商之一，在位于加州帕洛阿尔托的一个分部生产。
　　Psyche航天器是在用于这些卫星的＂底盘＂上建造的，其中包括大功率太阳能电池阵列、电推进推进器以及相关的动力和热控制元件。在许多方面，Psyche航天器类似于一个标准的Maxar通信卫星。但它也承载了JPL的航空电子设备、飞行软件和自主深空运行所需的许多故障保护系统。
　　使这一概念发挥作用从一开始就很困难。首先，NASA的管理层对这种削减成本的措施保持警惕是正确的，因为在20世纪90年代执行的＂更快、更好、更便宜＂的任务模式产生了一些惊人的失败。其次，在＂黎明号＂任务中使用地球轨道系统，在开发阶段造成了大量的成本超支。最后，许多人认为（错误地）深空环境非常特殊，因此Psyche航天器必须与只绕地球运行的通信卫星非常不同。
　　NASA的许多研究人员通过与Maxar的工程师合作来解决这些问题。他们通过使用该公司的标准产品系列的硬件，并尽量减少对它的改动，从而控制了成本。他们认为可以做到这一点，因为地球同步轨道上的热环境实际上与Psyche探测器将遇到的情况并无太大差别。
　　在发射后不久，Psyche航天器将经历与通信卫星一样的相对较高的太阳通量。当然，它还将不得不处理深空的寒冷，但是Maxar的卫星在飞过地球的阴影时必须忍受类似的条件，在一年中的某些时候，它们每天都会飞过一次。
　　由于它们是大功率的电信中继站，Maxar的卫星必须消散由其微波功率放大器产生的许多千瓦的废热。他们通过将热量辐射到太空来实现这一目的。不过，将大量的热量辐射出去对太空探测器来说将是一个大问题，因为在16 Psyche附近，来自太阳的光和热的通量是地球的十分之一。因此，如果不采取任何措施来防止它，一个为环绕地球而设计的航天器很快就会变得太冷，无法在小行星带的这么远的地方运行。
　　Maxar通过在航天器上安装多层＂热毯＂来应对这一挑战，这将有助于保持热量。该公司还在热辐射器的顶部添加了定制的＂百叶窗＂。当航天器变得太冷时自动关闭，这些＂百叶窗＂将热量困在里面。但研究人员仍有许多其他工程挑战，特别是在推进方面。
　　为了减少到达小行星所需的推进剂质量，Psyche航天器将使用太阳能电力推进器，将离子加速到非常高的速度，是化学火箭所能达到的速度的六倍以上。特别是，它将使用一种被称为霍尔推进器的离子推进器。
　　苏联工程师在1970年代率先在太空中使用霍尔推进器。而NASA科学家们在Psyche航天器上使用了四个俄罗斯制造的霍尔推进器，原因很简单，Maxar使用这个数字来维持他们的通信卫星的轨道。
　　霍尔推进器采用了一种巧妙的策略来加速带正电的离子。这与＂黎明号＂航天器上的离子推进器所做的不同，后者使用高压电网。相比之下，霍尔推进器则使用电场和磁场的组合来加速离子。虽然霍尔推进器在卫星上有很长的使用历史，但这是它们第一次进入行星际任务。
　　Psyche探测器将在离太阳三倍多的地方冒险。当它到达目的地时，产生操作航天器和启动推进器所需的2千瓦电力，需要一个足够大的太阳能电池阵列，以便在地球附近产生超过20千瓦。就这些东西而言，这是一个很大的功率。
　　对NASA来说，幸运的是，在过去十年中，太阳能发电的成本已经大幅下降。今天，向全球传送电视和互联网信号的商业卫星经常产生这些功率水平。他们的太阳能发电系统是有效的、可靠的，而且相对便宜。但是，它们被设计成在环绕地球时工作，而不是在小行星带的外部边缘。
　　当2013年构思Psyche任务时，Maxar已经成功飞行了20多个功率水平超过20千瓦的航天器。但该公司从未建造过行星际探测器。另一方面，JPL有多年在深空操作设备的经验，但它从未建造过Psyche任务所需的那种规模的动力系统。因此，JPL和Maxar进行合作。Psyche航天器上的太阳能电池还必须在比正常温度低得多的条件下工作。这是一个严重的问题，因为这种电池的电压会随着温度的升高而上升。
　　当围绕地球运行时，Maxar的太阳能电池阵列产生100伏的电压。如果这些相同的阵列被用于16 Psyche附近，它们将产生有问题的高电压。虽然研究人员可以添加电子元件来降低阵列的电压，但新的电路在设计、建造和测试太空方面的成本很高。更糟糕的是，当航天器远离太阳时，它将降低发电效率，而在这种情况下，产生足够数量的电力将是非常困难的。
　　幸运的是，Maxar公司已经有了一个解决方案。当他们的一颗通信卫星进入地球的阴影时，它由一组锂离子电池供电，其大小与电动汽车中的电池差不多。这足以让卫星在地球后方的黑暗中保持运行，而这一时间绝不会超过一个小时。但是这种电池的电压会随着时间的推移而变化，当电池深度放电时，一些卫星上的电压可能会低至40伏，一直到100伏。为了处理这种变化，Maxar的卫星包括＂放电转换器＂，它可以提高电压以提供恒定的100伏的电力。
　　此外，关键是要重新连接太阳能电池阵列，将其在地球附近产生的电压降低到大约60伏。随着航天器远离太阳，电压将随着阵列的变冷而逐渐上升，直到在16 Psyche达到约100V。Maxar公司的＂放电转换器＂，通常连接在电池上，而是连接到太阳能电池阵列上，用于在整个任务期间为航天器提供恒定的100V的电力。
　　这种方法会产生一些能量损失，但当航天器靠近地球，电力充足时，这些损失是最大的。当航天器接近16 Psyche时，该系统将以最高的效率运行，在那里发电将是非常困难的。它使用的是经过飞行验证的硬件，比在整个深空任务中从太阳能阵列中获取峰值电力的复杂系统要经济得多。
　　除了将用于研究小行星的一套科学仪器外，Psyche航天器还将携带NASA所谓的 ＂技术演示＂有效载荷。像NASA的许多任务一样，它有一个首字母缩写。DSOC，代表着深空光学通信。
　　DSOC是一个基于激光的通信系统，旨在超越目前的无线电技术100倍之多。DSOC将通过从火星轨道之外以每秒2兆比特的速度传输数据来证明其能力。有一天，类似的技术可能使人们能够以高清晰度的视频观看宇航员在红色星球上的活动。
　　DSOC仪器有一个＂地面部分＂和一个＂飞行部分＂，其中每个部分都包括一个激光发射器和一个接收器。地面部分的发射器是一个7千瓦的激光器，将被安装在JPL的光通信望远镜实验室，位于洛杉矶东北约60公里处。此外还有一个敏感的接收器，这是一个能够计算单个光子的接收器，将被安装在加州理工学院帕洛玛天文台的5.1米宽的黑尔望远镜上，位于圣地亚哥东北方向的类似距离。
　　DSOC的飞行部分，即航天器上的部分，包含相同类型的设备，但规模大大缩小：一个平均功率为4瓦的激光器和一个22厘米的望远镜。飞行部分听起来很简单，就像你可以自己在家里拼凑出来的东西。事实上，它并不简单。
　　首先，它需要一些相当复杂的装备来指向正确的方向。Psyche航天器本身能够将DSOC指向地球的方向保持在几毫米以内--大约十分之一的程度。利用内置的推杆，DSOC然后搜索从地面发出的激光信标。在探测到它之后，执行器将DSOC自己的激光稳定地指向地球，其精确度以微弧度计算。
　　飞行部分能够如此稳定地指向同一方向，因为它被安置在一个特殊的外壳中，与航天器的其他部分进行热和机械隔离。DSOC还使用了一个长的遮阳板来消除激光接收器上的杂散光，并有一个可展开的光圈罩以确保该装置保持清洁。
　　在DSOC的太空操作中，航天器不能使用其推进器或万向节的太阳能电池组，这将带来有问题的运动。相反，它将保持其在一个方向上的固定姿态，并将使用其星际跟踪系统来确定这个方向是什么。不过，对航天器在这些时候能做什么的限制并不是一个障碍，因为DSOC将只在任务的第一年用于测试，同时行驶到刚过火星的轨道。当航天器到达16 Psyche时，它将通过微波无线电链接将数据传回地球。
　　经过近十年的规划，并经过三年多的旅行，Psyche航天器将最终在2026年初到达其目的地。如果一切按计划进行，在接下来的两年里，这个由通信卫星变成的太空探测器将为科学家们提供对这个奇怪的金属世界的近距离观察，它已经展示了一个用于高数据速率通信的先进光学系统。这些成就对研究人员来说是一个漫长的过程--但他们期望所学到的东西将非常值得他们为确保这项任务的成功而投入多年的努力。