基本介紹
- 中文名：曙光號小行星探測器
- 外文名：Dawn asteroid detectors
- 學科：天文學
- 目標：對灶神星和穀神星進行環繞探測
- 國家：美國
- 發射時間：2007年9月27日
任務目標,灶神星探測,穀神星探測,儀器,平台介紹,結構,通信系統,姿態控制系統,離子推進系統,電源系統,計算機系統,科學儀器,
任務目標
“黎明號”任務的主要目標是利用探測器上同一套科學儀器先後對原行星灶神星和矮行星穀神星進行環繞探測。科學家通過深入分析“黎明號”收集的信息，判斷落入地球的隕石與其母體的關係、目標天體的受熱過程；通過表面圖像了解其他天體對目標天體的撞擊過程、目標天體的外殼構造和火山歷史，分析其形成和演變過程。具體科學目標包括：
- 研究灶神星和穀神星的內部結構、密度和同質性，這兩顆互補的原行星一個是岩石質天體（灶神星），一個是冰質天體（穀神星）；
- 利用三色近全球表面成像，確定灶神星和穀神星表面的形狀和撞擊坑；
- 通過無線電跟蹤，確定灶神星和穀神星的質量、引力場、主軸、旋轉軸和慣性力矩；
- 確定灶神星和穀神星的形狀、尺寸、成分和質量；
- 確定灶神星和穀神星核心的受熱過程和尺寸；
- 確定灶神星和穀神星的自旋軸；
- 了解水在控制小行星演變過程中的作用；
- 驗證灶神星作為一系列石質隕石（古銅鈣長無球粒隕石、鈣長輝長岩隕石和奧長古銅無球粒隕石）母體的科學理論，確定源於穀神星的隕石；
- 提供古銅鈣長無球粒隕石、鈣長輝長岩隕石和奧長古銅無球粒隕石的地質背景；
- 通過0.25～5.0微米波長的繪圖光譜儀獲得表面覆蓋度；
- 獲得中子和伽馬射線光譜，形成各天體表面元素成分圖，包括主要造岩元素（氧、鎂、鋁、矽、鈣、鈦、鐵）、微量元素（釓和釤）以及長壽命放射性元素（釷、鈾）的豐度。
灶神星探測
2011年5月3日，曙光號在距離灶神星1.21百萬公里時拍攝了第一張照片，當中灶神星只有約5像素寬。曙光號進入接近灶神星的探測階段，並於6月12日開始減速，準備在34天后進入環灶神星軌道。
2011年6月1日，曙光號距離灶神星48.3萬公里時，為了導航需要拍攝了20張連續照片，解析度已接近哈勃空間望遠鏡拍攝的灶神星照片。曙光號在抵達灶神星之前開始減速，每周發布更多照片。
美國宇航局證實曙光號在2011年7月16日進入環灶神星軌道，成為首個環繞小行星帶小行星的探測器。曙光號確切入軌時間尚不清楚，這是由於當時天文學家只能估計灶神星質量與重力場，無法準確得知其數據。後來曙光號已進入軌道，便能反過來計算灶神星的質量與重力場。曙光號在7月17日06:30 UTC重新檢測搭載的設備儀器。
曙光號在9月27日進入距離灶神星680公里的公轉軌道，環繞一周的時間為12.3小時。曙光號後來在12月8日進入另一個公轉軌道，距離灶神星只有210公里，環繞一周的時間為4.3小時。美國宇航局在2012年5月首度公開曙光號獲得的灶神星初步數據，估計灶神星的金屬核心直徑為220公里。美國宇航局科學家進一步將灶神星視為獨一無二的一種小行星，認為它是與岩石行星同時形成的大型小行星殘存。
穀神星探測
曙光號在2012年8月26日離開灶神星公轉軌道，繼續前往穀神星。該探測器預計於2015年抵達穀神星，比新視野號抵達冥王星還要早五個月，所以曙光號將成為首個近距離探測矮行星的探測器。
2015年1月26日之後，從曙光號拍攝的穀神星圖像超過哈勃空間望遠鏡的解析度；而由新視野號拍攝冥王星圖像在2015年5月15日超過了哈勃空間望遠鏡的解析度。
儀器
平台介紹
“曙光號”採用了一些在此前任務中經過驗證的先進技術和商業現貨（COTS），還使用了一部分以往探測任務的備用部件和儀器設備。探測器上的絕大多數系統都設有備份，以備主系統發生故障時使用，自動星上故障保護軟體可檢測出任何異常情況並嘗試切換到備份設備。探測器如圖所示。
結構
“曙光號”平台尺寸為1.64米×1.27米×1.77米，發射總質量為1217.7千克，結構核心為石墨複合材料製成的圓柱體，離子推進器的氙（425千克）貯箱和傳統推力器的肼燃料（45.6千克）貯箱安裝在圓柱體內部（圖）。該圓柱體由鋁製面板環繞而成，許多其他部件安裝在這些面板上。探測器其他面板是由複合材料或鋁製成。隔熱氈、表面輻射器、塗層和加熱器用於控制探測器的溫度。
通信系統
通信子系統通過3個低增益天線和1個直徑1.52米的高增益天線實現與地球的通信，主要使“曙光號”探測器概念圖和構型示意圖用高增益天線進行通信，當探測器的高增益天線不指向地球時，才會啟用低增益天線進行通信。每次只能使用1個天線。
姿態控制系統
姿態控制系統負責確定探測器在太空中的方向或姿態，並控制姿態的保持和變化。姿態控制系統由2個星跟蹤器、3個兩軸慣性參考單元、16個太陽敏感器和4個反作用輪組成。該系統控制萬向架以保持太陽帆板朝向太陽；另外，還通過控制離子推進器的萬向架，使其能夠在兩軸方向移動。該系統通常使用星跟蹤器來確定探測器的姿態。探測器的姿態通常由反作用輪控制，以保持或改變探測器的方向。不過，姿態也可能通過一組被稱之為反應控制系統的12個0.9牛的肼推力器來保持和改變。“曙光號”探測器目前只用3個反作用輪來進行姿態控制，有1個反作用輪在2010年6月時報廢。依靠3個反作用輪的構型也可以使“曙光號”完成其科學目標。但是，為了提高在另一個反作用輪出現異常情況下的靈活性，工程師也更新了探測器的軟體，因此“曙光號”可以使用與推力器相結合的2個反作用輪來幫助控制姿態。
離子推進系統
“曙光號”首次在太陽系內沿兩個不同行星軌道執行飛行任務。“曙光號”的主推進系統——氙離子推進器（圖）由噴氣推進實驗室提供。美國曾在“深空”1號任務中驗證過離子推進器，而“曙光號”任務則是NASA真正意義上第一次採用離子推進作為動力的科學探測任務。此前，歐洲“智慧”1號月球探測器和日本“隼鳥號”小行星探測器也曾成功使用過離子推進器。“曙光號”有3台長33厘米、直徑30厘米、質量8.9千克的離子推進器，每台可經受數百次開關循環，均可在兩軸方向上移動，以便在飛行過程中調整探測器的質心。姿態控制系統也可以使用離子推進器來幫助控制探測器的姿態。在整個任務期間，3台離子推進器在同一時間內最多有一台保持工作，總工作時間將超過2000天。離子推進器的工作原理（圖）是向氙推進劑施加少量電荷形成氙離子，隨後利用強大的電場加速，使離子束以14.5萬千米/小時的速度噴射出去，從而產生推力。儘管離子推進器的推力較小，只有19～91毫牛，但這種推進器的燃料利用效率極高，氙推進劑在最大推力時的消耗速率只有3.25毫克/秒。當“曙光號”到達穀神星時，離子推進器氙推進劑還剩餘40千克，而工作時間已達1885天（遠超“深空”1號的678天），提供的總速度變數與“德爾它”2運載火箭相當。
電源系統
電源系統為所有星上系統提供電能，包括離子推進系統推進時。太陽能帆板處於摺疊狀態（即發射狀態）時，“曙光號”探測器長2.36米；太陽能帆板展開後，探測器長為19.7米。每個太陽能帆板有18平方米，覆蓋了5740片獨立的光電池。2個太陽能帆板總計可產生10千瓦的電能，被安裝在探測器的兩邊，萬向接頭可使其以任何角度朝向太陽。容量為35安培時的鎳氫電池組能在探測器發射和太陽能帆板遠離太陽時供電。
計算機系統
“曙光號”的指令和數據處理系統可為探測器提供全面控制，並管理工程與科學數據的傳輸。該系統由冗餘的RAD6000處理器組成，每個可提供8吉比特的存儲容量。
科學儀器
為了獲得灶神星和穀神星的科學數據，“曙光號”攜帶了3台科學儀器。
分幅相機（FC）分幅相機
（圖）採用20毫米光圈，焦距為150毫米的f/7.9折射式光學系統。幀傳遞電荷耦合器件（CCD）焦平面1024×1024像素，視場為5.5°×5.5°。8方位濾波盤允許全色（暢通濾波器）和光譜可選成像（7個窄帶濾波器）。最寬的濾波器成像範圍是400～1050納米。另外，分幅相機將在灶神星和穀神星的附近獲得光學導航成像。分幅相機具有8吉比特的存儲容量。相機可提供灶神星17米解析度和穀神星66米解析度的圖像。因為分幅相機對於科學探測和導航是極其重要的，因此有2個完全相同的相機（FC1和FC2）互為備份，每個相機具有獨立的光學系統、電子器件和結構。德國馬克斯.普朗克太陽系研究所負責相機的設計和製造工作，參與機構還有德國航天局的行星研究所和不倫瑞克理工大學的計算機與通信網路工程研究所。
伽馬射線與中子探測器（GRaND）
伽馬射線與中子探測器是以“月球勘測者”和“火星奧德賽”探測器上相似儀器為基礎研製的，可用於測量灶神星和穀神星的元素組成。該儀器利用21台感測器，能夠以寬視場測量天體反射或輻射的伽馬射線和中子能量。伽馬射線和中子可共同揭示天體表面下方1米處許多重要的原子成分。從灶神星和穀神星表面傳出的伽馬射線和中子能夠幫助人們了解它們的元素組成。科學家認為，穀神星富含水物質，如果事實果真如此，儀器的數據中將反映出水的特徵。與“曙光號”攜帶的其他儀器不同，該探測器沒有內置數據存儲系統。美國洛斯.阿拉莫斯國家實驗室負責該儀器的研製。
可見光與紅外繪圖光譜儀（VIR）
可見光與紅外繪圖光譜儀（圖7）是歐空局“羅塞塔”和“金星快車”上同類儀器的改進型。它也借鑑了NASA“卡西尼”土星軌道器上可見光與紅外繪圖光譜儀的技術。該儀器可用於測量灶神星和穀神星表面礦物質，光譜範圍為256（空間）×432（光譜）。繪圖光譜儀包含2個通道，CCD（可見光）視場範圍為0.25～1.0微米，銻鉻汞光電二極體陣列（紅外）光譜範圍為0.95～5.0微米。該儀器拍攝的每張圖片能夠在每個像元上記錄400納米波長範圍的光照強度。通過與各種礦物樣本的對比，科學家能夠測定灶神星和穀神星表面的礦物質種類。該儀器內置容量為6吉比特的數據存儲系統，其中2吉比特可作為冗餘數據存儲器。該儀器由義大利航天局提供，並由義大利國家天體物理研究所和伽利略航空公司聯合製造。此外，科學家還利用“曙光號”的無線電發射機和靈敏的地基天線，進行額外的科學探測。通過“曙光號”傳回的信息，探測兩個目標天體引力場的微妙變化，揭示並分析其質量分布與內部結構。從事該研究的引力科學試驗團隊由噴氣推進實驗室的亞歷克斯.卡諾普利夫領導。
