赛姬:美国宇航局的金属世界任务

当我们的太阳系当时太阳还很年轻，没有行星——只有一团弥漫的气体和尘埃环绕着太阳。但在几百万年的时间里，原始物质的翻腾云团在自身引力的作用下坍塌，形成了数百或数千颗新生行星。天文学家称之为星子的一些星子，随着它们在旋转的太阳星云中席卷更多的尘埃和气体，直径增长到数百公里。

一旦它们达到这样的大小，它们内部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，留下较轻的硅酸盐浮向表面。这些较轻的物质最终冷却，在重金属核周围形成硅酸盐岩石的地幔。通过这种方式，大量的铁和镍合金被困在这些星子的深处，永远无法直接检查。

真的是这样吗?

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在这个时候，太阳系虽然体积巨大，但相对来说还是很拥挤的。在接下来的2000万年左右的时间里，许多星子交叉路径并相撞。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。

在每一次原行星碰撞中，金属内核都被撞击，并与硅酸盐地幔物质重新混合，后来在吸积热融化后再次分离。有些碰撞产生的能量足以完全消灭一颗原行星，留下的碎片形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两种命运。天文学家假设，一系列“打了就跑”的撞击导致这些天体失去了大部分地幔，只留下少量的硅酸盐岩石和大量的金属。这些物质结合在一起形成了一个罕见的世界。如果这个理论是正确的，那么最大的例子就是一颗叫做16个心理——以希腊灵魂女神普赛克命名，因为它是小行星带中被发现的第16个成员(1852年)。

这张艺术家的渲染图显示了小行星普赛克可能拥有的表面。Peter Rubin/ jpl -加州理工学院/亚利桑那州立大学/NASA

赛姬的宽度和马萨诸塞州差不多，密度和金属差不多。这使得它足够大，密度足够大，占小行星带总质量的1%。未来的金属矿工也许有一天会出现对它的权益要求．

赛姬也是美国宇航局访问这颗小行星的任务的名称。由林迪舞elkins - tanton亚利桑那州立大学，由美国宇航局喷气推进实验室在美国，普赛克任务将测试天文学家关于行星核形成和组成的理论，同时它将探索一个与迄今为止任何太空探测器所访问过的世界不同的景观。

林迪舞elkins - tanton亚利桑那州立大学的教授领导着赛姬号任务的科学团队。比尔英格尔斯/美国国家航空航天局

赛姬号任务计划于2022年8月发射，飞船将在三年多后抵达目的地。它会在那里发现什么?天文学家认为，我们可能会看到由于冰冻金属收缩而产生的巨大地表断层、由绿色结晶地幔矿物组成的闪闪发光的悬崖、硫熔岩的冰冻流动，以及由于数千年的高速撞击而散落在地表上的大片金属碎片。毫无疑问，也会有很多惊喜。

漫长的旅程这个太空探测器到达目的地所必须做的工作将是特别艰巨的。赛姬号位于主小行星带的外围，远远超出了火星的轨道。该探测器将于2026年1月开始围绕这颗小行星飞行，并将对其进行近两年的研究。

与直觉相反，安排探测器绕小行星这样的小天体运行比绕行星运行更难。大行星有很深的重力井，可以让航天器通过一次低空火箭燃烧进入轨道。小天体的重力很小，基本上没有引力杠杆，所以航天器的推进系统必须完成所有的工作。

天文学家认为，我们可能会看到巨大的地表断层、由绿色晶体地幔矿物组成的闪闪发光的悬崖、冻结的硫熔岩流，以及大片的金属碎片。

不久之前，NASA成功地用它的黎明的使命它发射了一个探测器绕小行星运行灶神星而且刻瑞斯．曙光号飞船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，将太阳能电池阵列的电能转化为推力。

当我们在喷气推进实验室的团队设计Psyche探测器时，我们计划做一些类似的事情。主要问题是如何在不超出任务预算的情况下完成任务。喷气推进实验室的工程师们解决了这个问题通过使用现有的大部分技术，由Maxar该公司是全球最大的商业地球同步通信卫星供应商之一，其生产部门位于加州帕洛阿尔托。

“Psyche”宇宙飞船是建立在那些卫星使用的“底盘”上的，包括大功率太阳能电池阵列、电力推进推进器以及相关的电源和热控制元件。在许多方面，赛姬飞船类似于标准的Maxar通信卫星。但它也拥有喷气推进实验室的航空电子设备、飞行软件，以及自主深空操作所需的许多故障保护系统。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的技术人员正在研究“Psyche”宇宙飞船。Maxar

实现这个概念从一开始就很困难。首先，NASA管理层对这种削减成本的措施持谨慎态度，因为“更快，更好，更便宜上世纪90年代的任务模式产生了一些令人震惊的失败。其次，在黎明号任务中使用地球轨道系统导致了开发阶段的大量成本超支。最后，许多参与其中的人(错误地)认为，深空的环境非常特殊，因此Psyche航天器必须与仅用于绕地球轨道运行的通信卫星非常不同。

我们和NASA的许多同事通过与Maxar的工程师合作来解决这些问题。我们通过使用来自公司标准产品线的硬件并最小化对其的更改来控制成本。我们可以这样做，因为地球同步轨道上的热环境实际上与Psyche探测器将遇到的环境并没有太大的不同。

发射后不久，赛姬号宇宙飞船将经历与通信卫星相同的相对较高的太阳通量。当然，它还必须应对深空的寒冷，但Maxar的卫星在飞越地球阴影时也必须承受类似的条件，它们在一年中的特定时间每天都会这样做一次。

因为它们是高功率的电信中继，Maxar的卫星必须消散微波功率放大器产生的许多千瓦的废热。它们通过将热量辐射到太空来做到这一点。然而，对我们的太空探测器来说，将大量热量辐射出去将是一个主要问题，因为在赛姬16号附近，来自太阳的光和热的通量只有地球的十分之一。因此，如果不采取任何措施来防止这种情况，为绕地球飞行而设计的航天器很快就会变得太冷，无法在小行星带这么远的地方运行。

Maxar通过在整个航天器上安装多层热毯来解决这一挑战，这将有助于保留热量。该公司还在热散热器上增加了定制百叶。这些类似于威尼斯百叶窗，当航天器太冷时，会自动关闭以留住热量。但是还有很多其他的工程挑战，尤其是在推进方面。

为了减少到达小行星所需的推进剂质量，赛姬飞船将使用太阳能电推进器，将离子加速到非常高的速度——比化学火箭所能达到的速度快六倍多。特别是，它将使用一种被称为霍尔推进器的离子推进器。

霍尔推进器，其中四个将推动普赛克飞船，在测试中产生怪异的蓝色光芒[左]。该装置由一个环形阳极组成，其直径与餐盘相似，另一个狭窄的圆柱形阴极安装在一侧。NASA的姓名

20世纪70年代，苏联工程师率先在太空中使用霍尔推进器。我们在Psyche飞船上使用了4个俄罗斯制造的霍尔推进器原因很简单Maxar用这个数字来维持他们通信卫星的轨道。

霍尔推进器采用一种聪明的策略来加速带正电荷的离子(见侧栏，“霍尔推进器如何工作”)。这与黎明号飞船上的离子推进器不同，后者使用的是高压电网。相比之下，霍尔推进器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，但这是它们第一次执行星际任务。

我们通过使用Maxar标准产品线的硬件并尽量减少对其的更改来控制成本。

你可能会认为围绕地球的推力与在太空深处的推力没有什么不同。事实上，有一些很大的不同。请记住，驱动推进器的动力来自太阳能电池板，而且这些动力必须在产生时就被使用——没有巨大的电池来储存它。因此，随着航天器远离太阳，用于运行推进器的能量将显著减少。

这是一个问题，因为电动推进器通常被设计成在最大功率水平下运行最好。结果是很容易限制它们，也许是最大输出的一半左右。例如，Maxar在其通信卫星上使用的霍尔推进器在卫星轨道需要上升时可以运行高达4.5千瓦的功率。对于更多的常规站保持，这些推进器运行在3千瓦。当航天器接近目的地时，我们需要这些推进器以低于1千瓦的速度运行。

问题是，当你进行这种节流时，效率会降低。从这个意义上说，霍尔推进器就像你汽车里的发动机。但这种情况比汽车更糟糕:如果功率下降太多，推进器内的放电就会变得不稳定。节流推进器甚至可以完全停止发射，就像喷气式发动机熄火一样。

但通过一些巧妙的工程设计，我们能够对Maxar推进器的运行方式进行修改，使其可以在低至900w的功率水平下稳定运行。然后，我们在美国宇航局格伦研究中心和喷气推进实验室的设施中测试了我们重新设计的推进器，以证明它确实可以可靠地运行六年的Psyche任务。

“赛姬”任务将测试光学发送和接收数据的设备。这种深空光通信(DSOC)系统必须非常精确地指向，并保持与振动隔离。jpl -加州理工学院/亚利桑那州立大学/NASA

赛姬探测器将冒险前往距离太阳三倍于地球距离的地方。当飞船到达目的地并启动推进器时，需要产生2千瓦的电力，这需要一组足够大的太阳能电池，在地球附近产生超过20千瓦的电力。就这些东西而言，这是很大的力量。

对NASA来说幸运的是，太阳能的成本在过去十年中大幅下降。如今，向全球发射电视和互联网信号的商业卫星通常都会产生这样的功率水平。他们的太阳能系统有效、可靠，而且相对便宜。但它们是在绕地球飞行时设计的，而不是在小行星带的外缘。

当2013年构思Psyche任务时，Maxar已经成功飞行了20多艘功率超过20千瓦的航天器。但该公司从未建造过星际探测器。另一方面，喷气推进实验室有多年在深空操作设备的经验，但它从来没有建造过Psyche任务所需的电力系统。所以喷气推进实验室和Maxar联合起来。

这里的挑战比处理普赛克16号的阳光如此昏暗的事实要复杂得多。普赛克飞船上的太阳能电池也必须在比正常温度低得多的温度下工作。这是一个严重的问题，因为这种电池的电压会随着温度的降低而上升。

在绕地球轨道运行时，Maxar的太阳能电池阵列产生100伏特的电压。如果在16普赛克附近使用同样的阵列，就会产生高电压。虽然我们可以添加电子设备来降低阵列产生的电压，但新电路的设计、制造和太空测试成本很高。更糟糕的是，当航天器远离太阳时，它会降低发电效率，在那里，无论如何都很难产生足够的电力。

幸运的是，Maxar已经有了解决方案。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，大约是电动汽车的大小。这足以让卫星在地球后面的黑暗中运行，而这段时间永远不会超过一个小时。但是这种电池的电压随着时间的推移而变化——在一些卫星上，当电池深度放电时，电压可能会从低至40伏一直上升到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，以恒定的100 V提供电力。这些转换器是飞行证明和高效的理想重新为普赛克。

关键是重新布线太阳能电池阵列，将其在地球附近产生的电压降低到60伏左右。当航天器远离太阳时，电压会随着阵列的变冷而逐渐上升，直到在16普赛克时达到100伏左右。Maxar的放电转换器通常连接在电池上，现在连接到太阳能电池阵列上，在整个任务期间为航天器提供恒定100伏的电力。

这种方法会产生一些能量损失，但当航天器接近地球且电力充足时，能量损失最大。当飞船接近赛姬16号时，该系统将以最高效率运行，在那里发电将会困难得多。它使用经过飞行验证的硬件，比复杂的系统要经济得多，这些系统旨在在深空任务中利用太阳能阵列的峰值功率。

有一天，这项正在测试的技术可能会让你在高清视频中看到宇航员在这颗红色星球上漫步。

除了除了用于研究小行星的科学仪器外，赛姬号宇宙飞船还将携带美国宇航局所谓的“技术演示”有效载荷。就像NASA的很多东西一样，它的首字母缩写是DSOC，代表深空光通信．

DSOC是一种基于激光的通信系统，旨在超过目前的无线电技术一百倍。DSOC将通过在火星轨道之外以每秒2兆比特的速度传输数据来展示其能力。有一天，类似的技术可能会让你在高清视频中看到宇航员在火星上漫步。

DSOC仪器有一个“地面部分”和一个“飞行部分”，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，一个7千瓦的激光器，将安装在喷气推进实验室光通信望远镜实验室位于洛杉矶东北约60公里处。一个能够计数单个光子的灵敏接收器将连接到5.1米宽的天线上海尔望远镜加州理工学院的帕洛马天文台位于圣地亚哥市东北方向类似的距离。

Psyche飞船的高增益无线电天线，如图所示，正在加州帕洛阿尔托的Maxar设施中进行测试，将在整个任务中提供数据通信。Maxar

DSOC的飞行部分，即航天器上的部分，包含相同类型的设备，但缩小了很多:平均功率为4瓦的激光器和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拼凑起来一样。事实上，一点也不。

首先，它需要一些相当复杂的装置来指引它正确的方向。赛姬飞船本身能够将DSOC指向地球的距离保持在几毫弧度以内——大约十分之一度。DSOC使用内置执行器，然后搜索从地面发送的激光信标。在探测到它之后，执行器将DSOC自身的激光指向稳定在地球上，其精度以微辐射线为单位。

飞行部分之所以能够如此稳定地指向同一个方向，是因为它被安置在一个特殊的外壳中，与航天器的其他部分提供了热和机械隔离。DSOC还使用一个长遮阳板来消除激光接收器上的杂散光，并使用一个可展开的孔径盖来确保设备保持清洁。

在太空中进行DSOC操作时，航天器不能使用其推进器或太阳能电池阵列的万向节，这将引入有问题的运动。相反，它将在一个方向上保持固定的姿态，并使用其恒星跟踪系统来确定该方向。不过，航天器在这些时候所能做的限制并不是一个障碍，因为DSOC只会在任务的第一年用于测试，同时飞行到刚刚经过火星轨道的地方。当飞船到达赛姬16号时，它将通过微波无线电链路将数据传回地球。

从经过近十年的规划和三年多的旅行，Psyche宇宙飞船最终将在2026年初到达目标。毫无疑问，当喷气推进实验室的控制人员操纵航天器进入轨道时，空气中会充满紧张气氛，等待信号返回的数分钟时间，以查明小行星带这个遥远的角落是否一切顺利。

如果一切按计划进行，在接下来的两年里，这个由通信卫星改造的太空探测器将为科学家们提供一个近距离观察这个奇怪的金属世界的机会，它已经展示了一个先进的用于高数据速率通信的光学系统。对我们来说，取得这些成就需要很长一段时间，但我们希望，我们所学到的东西将非常值得我们多年来努力确保这一使命的成功。