2021年7月,NASA拍摄了在JPL任务组装、测试和发射操作阶段的普赛克航天器。霍尔推进器——其中两个在红色的圆形保护罩下可见——将推动航天器到达其在主小行星带的目标。
影像来源:美国宇航局/JPL-加州理工学院

编者注:普赛克航天器最终飞行的速度,相对于普赛克将使用的氙气量,传统化学推进器需要多少推进剂,都已进行了修正。

当NASA的普赛克航天器为自己提供动力穿越深空的时候,它的工作将更多地由脑而不是体力来完成。曾经是科幻小说中的东西,高效和安静的电力推进将提供力量,推动普赛克航天器一路到达火星木星之间的主小行星带。轨道器的目标是一个富含金属的小行星,也叫普赛克。

该航天器将于2022年8月发射,并在三年半的时间里飞行约15亿英里(24亿公里)到达这颗小行星。科学家认为,这可能是一个星子的核心的一部分,而星子是早期岩质行星的组成部分。一旦进入轨道,任务小组将使用科学仪器的有效载荷来调查这个独特的目标可以揭示像地球这样的岩石行星的形成。

在三年半的时间里飞行约15亿英里(24亿公里)到达这颗小行星。科学家们认为,这可能是一个星子的核心的一部分,而星子是早期岩石行星的组成部分。一旦进入轨道,任务团队将使用科学仪器的有效载荷来调查这个独特的目标可以揭示关于像地球这样的岩石行星的形成。

2021年7月,NASA喷气推进实验室的工程师努力将霍尔推进器整合到普赛克航天器中。其中一个推进器在飞船侧面的红色保护罩下可见。
影像来源:美国宇航局/JPL-加州理工学院

该航天器将依靠猎鹰重型运载火箭的大型化学箭发动机从发射台起飞并摆脱地球的引力。但是一旦普赛克与运载火箭分离,剩下的旅程将依靠太阳能电力推进。这种推进形式始于大型太阳能电池阵列,将阳光转化为电能,为航天器的推进器提供动力源。它们被称为霍尔推进器,普赛克航天器将是第一个在月球轨道之外使用它们的航天器。

对于推进剂,普赛克将携带装满氙气的罐子,与汽车头灯和等离子电视中使用的中性气体相同。航天器的四个推进器将使用电磁场来加速并排出氙气的带电原子或离子。当这些离子被排出时,它们产生推力,温和地推动普赛克穿过太空,发射出电离的氙气蓝色光束。

在NASA的喷气推进实验室,工程师们准备将四个霍尔推进器(在红色保护罩下)集成到NASA的普赛克宇宙飞船上。推进器将推动普赛克到达主小行星带的目标。
影像来源:美国宇航局/JPL-加州理工学院

事实上,这种推力非常温和,它所施加的压力与你用手握住25分硬币的感觉差不多。但这足以加速普赛克穿越外太空。在没有大气阻力的情况下,航天器最终将加速到每小时124,000英里(每小时200,000公里),相对于地球的速度。

由于霍尔推进器的效率很高,普赛克的霍尔推进器几乎可以不间断地运行数年而不会耗尽燃料。普赛克的燃料箱里将携带2030磅(922公斤)的氙气;工程师们估计,如果必须使用传统的化学推进器,该任务将消耗大约15倍的推进剂。

“甚至在一开始,当我们在2012年第一次设计任务时,我们就在讨论将太阳能电力推进作为计划的一部分。亚利桑那州立大学的林迪·埃尔金斯-坦顿说,他是此次任务的主要负责人。“这已经成为这次任务的一部分。它需要一个专门的团队来计算使用太阳能电力推进的轨迹和轨道。”

这幅插图描绘了NASA的普赛克航天器,将于2022年8月发射。
影像来源:美国宇航局/JPL-加州理工学院/亚利桑那州立大学

普赛克将从NASA肯尼迪航天中心具有历史意义的39A发射台发射。7个月后,也就是2023年5月,猎鹰重型火箭将把飞船送入火星轨道,进行重力辅助飞行。在2026年早期,推进器将做一些精细的工作,将航天器送入小行星普赛克的轨道,用一点芭蕾舞动作回到其目标的轨道。

这项任务将特别棘手,因为科学家们对这颗小行星知之甚少,它在望远镜中只显示为一个小光点。地面雷达显示它大约有140英里(226公里)宽,呈土豆状,这意味着科学家在到达那里之前不会知道它的重力场究竟是如何运作的。在为期21个月的科学调查中,导航工程师将使用电力推进推进器,让飞船通过一系列的轨道,逐渐使飞船离普赛克越来越近。

NASA位于南加州的喷气推进实验室负责此次任务,该实验室使用的推进系统与深空1号类似。深空1号于1998年发射,在2001年任务结束前飞过一颗小行星和一颗彗星。它使用了太阳能电力推进器前往小行星灶神星并绕原行星谷神星运行。黎明号是首个绕两个地外目标飞行的航天器,任务持续了11年,于2018年结束,当时它用完了用于维持其方向的肼推进剂。

在左边,氙气等离子体从霍尔推进器发出蓝色的光芒,霍尔推进器与推动NASA普赛克宇宙飞船前往主小行星带的推进器相同。右边是一个类似的非操作推进器。
图片来源:NASA/JPL-Caltech

推进器的合作伙伴

几十年来,Maxar Technologies一直在使用太阳能电力推进为商业通信卫星提供动力。但对于普赛克来说,他们需要调整超级高效的霍尔推进器,以便在深空飞行,这就是喷气推进实验室的工程师们需要做的。两个团队都希望普赛克通过首次在月球轨道之外使用霍尔推进器,将有助于推动太阳能电力推进的极限。

Maxar的普赛克项目经理史蒂文·斯科特说:“太阳能电力推进技术提供了成本节约、效率和功率的正确组合,可以在支持未来的火星及其他科学任务中发挥重要作用。”

除了提供推进器外,Maxar在加州帕洛阿尔托的团队还负责建造该航天器的面包车大小的底盘,里面装有电气系统、推进系统、热系统以及制导和导航系统。当完全组装好后,普赛克将进入JPL的巨大热真空室进行测试,模拟深空环境。到明年春天,该航天器将从JPL运往卡纳维拉尔角发射。

关于该任务的更多信息

亚利桑那州立大学领导这项任务。JPL负责该任务的整体管理、系统工程、集成和测试以及任务操作。普赛克是NASA发现计划中的第14项任务。

如欲了解有关NASA普赛克任务的更多信息,请访问。

http://www.nasa.gov/psyche

https://psyche.asu.edu/

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/solar-electric-propulsion-makes-nasa-s-psyche-spacecraft-go

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