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坚韧的不死鸟

黎明号项目于2000年被正式提交到美国宇航局（NASA），到2016年结束，共历时17年。从一开始，黎明号的命运就很坎坷。2001年，项目概念开发成功，但2002年就由于经费原因遭遇了第一次项目延迟。随后，先是最初的5个科学载荷中的激光测高仪被削减，紧接着整个项目于2002年圣诞前夜被第一次取消。2003年，在项目核心成员的不懈争取下，重新上马，但是又一个科学载荷磁强计被削减。随后的3年里，项目进行得非常顺利。然而到了2006年，又突然被NASA以经费的理由再次取消。这遭到了喷气推进实验室项目团队的上诉，随后项目再次复活。

图2  2007年9月27日，黎明号在卡纳维拉尔角成功发射。

黎明号原定于2007年7月发射，由于大西洋上远程测量设备的临时故障被延迟。万幸的是，发射黎明号的火箭的第二级还没有来得及加注燃料，否则会花掉更多的经费并造成更大的延迟，极有可能再也没有机会踏上它的星际旅程。2007年9月27日的黎明，黎明号终于在它的最后一个发射窗口，成功地在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空，开始了对太阳系黎明的探索之旅。

旅途中的黎明号也并非一帆风顺。最严重的问题,莫过于4个用于控制探测器姿态的反冲轮中的2个在黎明号即将离开灶神星的时候发生了故障。由于探测器需要3个反冲轮才能稳定地控制三轴姿态，只有2个反冲轮意味着面临姿态失控的危险。项目工程团队开发出了一套使用卫星燃料联合2个反冲轮的控制策略，使得探测器可以保持姿态继续前进，并且保证所有科学目标可以顺利实现。

黎明号是唯一一个被两度取消又两度复活的行星科学探索项目，屡遭延迟但能抓住最后的机会一飞冲天，又在近10年的长途跋涉探险中历经坎坷，是一只不折不扣的坚韧的不死鸟。

为了能够使用最少的经费实现对2个目标天体的环绕考察，黎明号采用了离子发动机，是第一个使用这种动力的科学探测器。传统科学探测器的大部分动力来源于将其发射升空的火箭。与火箭分离以后，探测器在太阳和其他所有星球的引力作用下依靠惯性继续飞行，在到达目标的时候，打开探测器携带的发动机进行制动，由此进入环绕目标天体的轨道。传统发动机利用燃料在氧气里的燃烧提供推力，主要缺点是燃料的供能效率非常低。而离子发动机是一种效率极高的发动机。它采用太阳能帆板提供的电能将作为燃料的氙气电离，然后再使用高电压将离子高速喷出发动机，利用反推产生动力。实验室中的离子发动机喷口发出幽幽的蓝绿色的光，正如科幻电影里常常看到的未来发动机。离子发动机产生的最大推力很小，在地球上只能托起一张纸的重量，将黎明号探测器在空间中从静止加速到90千米/小时的速度将需要4天时间。然而它的燃料使用效率可以高达传统化学燃料发动机的10倍，并且可以长期连续工作，从而产生很高的加速度。从发射到现在，黎明号的离子发动机已经总共工作了4.8年，产生了10.3千米/秒的速度增量，是以往项目中探测器自身发动机产生的最大速度增量的2.5倍。在黎明号项目结束的时候，总速度增量将达到11千米/秒，和一个德尔塔II型火箭产生的速度增量相当。黎明号一共只携带了425千克燃料，而德尔塔II火箭发射一次需要消耗近百吨的燃料。

黎明号配备了3个科学仪器：可见光帧相机、可见光和红外成像光谱仪以及γ射线和中子谱仪，另外还可以通过无线通信实现重力场测量。和罗塞塔、新视野号以及大多数其他科学探测器相比，黎明号的配备可谓非常精简。然而，这3个科学仪器配合，可以基本实现所有黎明号的既定科学探测目标。

可见光相机有2个完全相同、互为冗余的相机，覆盖了从蓝光（0.44微米）到近红外（0.98微米）的光谱范围，配备了7个窄带滤光片和1个全色滤光片，在500千米的高度可以达到48米/像素的分辨率。这是黎明号的主要成像设备，就像是它的眼睛，同时还肩负探测器导航的任务。

可见光和红外成像光谱仪覆盖了从近紫外（0.25微米）到红外波段（5微米）的光谱范围，将目标天体的图像成像到800多个波段上，从而得到天体表面的光谱信息。这个光谱范围包括了硅酸盐矿物类的橄榄石在1微米附近，辉石在1微米和2微米附近，水在3微米、2微米和1.5微米，以及有机物在3～4微米之间的光谱吸收带。同时，它还可以通过分析4～5微米之间的热红外光谱来测量目标天体的表面温度。虽然成像光谱仪的空间分辨率只有可见光相机的大约1/3，但是它得到的关于目标小行星的成分信息却是可见光相机无法企及的。

γ射线和中子谱仪是通过观测由宇宙射线在小行星上激发的γ射线和中子，来测量谷神星和灶神星表层的元素成分。相机以及光谱仪只能测量小行星最表面的成分，而γ射线和中子谱仪却可以穿透表层，测定深达1米的元素成分，并且对很多光谱分析无能为力的微量元素进行测量。

重力场的测量则是通过精确跟踪探测器在谷神星和灶神星轨道上的运行来推算的。从精确的形状以及重力场的测量，我们可以推算出小行星的内部结构，比如是否有分层结构（壳、幔、核结构），以及每一层的大小和平均密度等。黎明号于2012年9月完成对灶神星的全部科学考察任务以后，经过近两年半的星际航行，终于开始缓慢而平稳地接近它的第二个目标谷神星，并于2015年3月6日在距谷神星6万千米左右的地方被其重力场捕获，正式成为谷神星的人造卫星。随后，黎明号的离子发动机继续将探测器减速，使探测器于4月底进入高度1.4万千米的圆轨道。这是黎明号在谷神星的第一个科学轨道（RC3）。它将在这个轨道上停留近约2周，绕谷神星转近1圈，然后继续减速，降低到高度4400千米左右的圆轨道上，于6月初开始为期2周的勘查轨道（HAMO）观测。从6月底开始，黎明号继续降低轨道，7月底到达1500千米左右的轨道高度，开始为期2个多月的高轨道观测。10月上旬，探测器开始向375千米高度的最低轨道下降，12月上旬到达并开始为期至少3个月的低轨道（LAMO）观测。在所有的计划项目完成以后，如果还有足够的燃料来控制探测器姿态，并且得到NASA的批准，那么黎明号将停留在低轨道上，继续采集数据，直到用尽所有燃料。

（本文发表于《科学世界》2015年第4期）