英雄遲暮——「黎明號」的黃昏

在航天史上，「邂逅」（飛掠）多顆天體（行星、衛星、彗星）的探測器大有「器」在，而能先後長期「陪伴」（環繞）兩位天體的探測器則不多見。

我們的主角，就是歷史上第一位這樣風流的浪子，一轉眼，已經11年。

現如今，他已經老了，「腿腳」（發動機）無法動彈，「身體」也漸漸難以控制，等待油燈枯盡的時刻。那時，他仍將安詳的陪伴在第二位伴侶的身邊。

生老病死，不僅僅是人類的話題，也是宇宙中永恆的話題。我們的地球、太陽也有自己的壽命，慶幸的是他們正值壯年。

我們發射的探測器也都有壽命，待到他們壽終正寢時，我們或是能看到了「卡西尼」（Cassini）號在土星大氣層絢爛的隕落，或是像「信使號」（MESSANGER）那樣，在水星地表製造了一個新的撞擊坑，並安眠於此，或是像「先驅者10號/11號」（Pioneer 10/11）那樣寂靜的漂泊天際。

2018年11月1日，「黎明號」（Dawn）小行星探測器正式和我們告別了，他的燃料已經全部耗盡。

時間回到2000年，NASA的「探索」（Discovery）計劃徵集新一批的2艘深空探測器，可憐的「探索」計劃的預算只有3億美元，相當於NASA當年（2000年）財政預算的2.2%，是最廉價的深空探測計劃。但是，那一次報名的項目多達26項！

如何從26項中脫穎而出，「黎明號」小行星探測器選擇了當時很少有人涉及的區域——小行星帶。而「黎明號」的主要探測對象是小行星帶最大的兩顆天體——灶神星和穀神星，兩顆天體佔了小行星帶45%的總質量。

這片區域向來是人類最陌生的區域，看上去不起眼的小行星帶，卻蘊含著大量的信息。

一個重要原因是，體積小巧的小行星幾乎未經歷過行星分化，保留了大量太陽系早期的信息。舉一個例子：雖然地球已經46億歲了，但很難在地表找到一顆30億年以上的岩石，月球上就多得多，整個小行星幾乎都是這樣古老的岩石。

而具體到穀神星和灶神星這兩顆天體中，一顆很「濕」，蘊含著水冰，另一顆卻很「干」。究竟什麼樣條件的岩石行星才能hold住生命之源的水，這是個和地球生命起源有關的問題，畢竟，地球也是一顆岩石行星。

「黎明號」探測器也成功的拉開了NASA探測小行星的序幕：

「冥界暴龍號」（OSIRIS-REx）探測器正在小行星「貝努」附近，準備伺機採樣返回。最新的第13個和第14個「探索」計劃全部選中了小行星探測器。

除了NASA之外，專註小行星探測的日本JAXA也耕耘這片天地，「隼鳥號」是世界上最早的小行星環繞和採樣返回探測器，如今的「隼鳥二號」正在進行「龍宮」小行星的採樣返回。更多的小行星探測器正在規劃和設計中。

「黎明號」探測器這一先驅者的努力早已開花結果，但當我們回顧其歷程時，仍然不免感嘆項目的跌宕起伏，慶幸「黎明號」的團隊最終克服種種困難，讓探測器飛向太空。

2001年1月，在同一批的26個競選項目中，有3個項目脫穎而出，進入A階段的方案設計，分別是：「開普勒」（Kepler）太空望遠鏡，INSIDE Jupiter木星探測器，以及本文介紹的對象——「黎明號」小行星探測器。

「最終」的3選2結果於2001年12月揭曉，成功入選的分別是第9個「探索」計劃探測器「開普勒」太空望遠鏡和第10個「探索」計劃探測器「黎明號」小行星探測器，預計於2006年發射升空。

但很快，「探索」計劃卻遭遇了意外，「黎明號」踏上征程的道路異常坎坷。

2002年7月，早些年入選「探索」計劃的「彗核之旅」號（CONTOUR: COmet Nucleus TOUR）在發射後不久便遭遇了不測，儘管火箭已經成功將「彗核之旅」號送入預定軌道，但是，地面於探測器失聯了！

這艘探測器很可能仍將按照預定的飛行計劃，飛往目標彗星，中途甚至會藉助地球的引力彈弓，但是，人們再也沒能聯繫上這一斷了線的風箏。

受到「彗核之旅」號失敗的影響，以及新的「探索」計劃項目總是超出預算（畢竟給的錢真的總是不夠用啊！）。諸多因素一起發酵下，「黎明號」探測器的項目進入了一場坎坷的拉鋸戰：

2003年12月，「黎明號」探測器的項目被取消；

2004年2月，僅僅3個月後，項目又被重新啟動；

2005年10月，項目處於暫停狀態；

2006年1月，項目狀態被修改成「無限期推延」；

2006年3月2日，項目被再一次取消。

「黎明號」的初始財政預算的3.73億美元，到2007年，一共花費了4.46億美元，超出20%。但3億美元真的不夠飛這麼遠啊！21世紀的「探索」計劃項目全部都超預算了，說明這個90年代制定的預算該調整了吧。

此外，這個價格和其他同期的「探索」計劃探測器價格比起來差不多：2005年發射的第7號探測器「信使號」花銷4.5億美元、同期的第9個探測器「開普勒」號花銷6億美元、「聖杯號」第11個花銷5億美元、「洞察號」第12個花銷8.3億美元。

不過這些都不是關鍵。這艘探測器並不像大多數探測器那樣，由波音或洛克希德·馬丁的宇航部門設計製造，而是由軌道科學公司（Orbital，如今已合併成為Orbital ATK，其代表作是「米諾陶」Minotaur系列火箭）完成。

這家有著美國國防部背景的私人商業航天公司並沒有多少探測器的設計經歷，因此這次純屬「賠本賺吆喝」。但眼下項目被取消，探測器卻已經做的差不多了。這下連「吆喝」都賺不到了，於是「黎明號」設計方不幹了，起訴了NASA。

之後這個項目就順利了很多，僅僅兩周後的3月16日，NASA決定重新審時度勢的考慮是否取消這個項目。3月27日，NASA宣布保留這個項目。

吃了定心丸的軌道科學公司在僅僅半年後，就完成了「黎明號」的製作和加工，接下來就是各種環境試驗和性能測試，2007年就可以發射了。

在如此一波三折、一度取消的項目中，這個努力的乙方最終拯救了這一項目，進度也沒怎麼落下。要知道，同期的「開普勒」號推遲了3年之久。

2007年4月，「黎明號」抵達發射場，並計劃於6月發射。可能是「黎明號」太向外太空，不羈於地面的束縛，發射前的準備仍然是好事多磨。

由於運輸配送不及時，「黎明號」推遲了10天；

再由於發射場起重機壞了，助推火箭無法按時安裝，於是又推遲了7天；

一把扳手不幸砸壞了「黎明號」太陽能帆板的一小塊，發射再次推遲；

天氣因素+1；

由於這次發射太耽誤時間了，8月讓位於發射窗口更緊張的「鳳凰號」火星探測器，發射推遲到了9月；

天氣因素+2；

最終的發射時間定格在了2007年9月27日。這一天，德爾塔II型火箭將「黎明號」送上了期待已久的太空。

在地球上的「黎明號」，由一群人精心打造，並獲得了很多人的幫助，但在太空之上，「黎明號」就基本只能依靠自己1.64m*1.27m*1.77m的小房間了。

探測器的基本框架則借鑒了軌道科學公司（Orbital）的第一款探測器「深空1號」，預計設計壽命10年，所有系統都有備份和自動錯誤檢測，當其中一套系統故障時，會自動切到另一套系統中。

探測器的核心是一個巨大的石墨複合材料圓罐和一個小罐，用於存放巨量的氙（425kg）和少量的肼（45.6kg）。

圍繞著這個圓罐，工程師們用鋁芯的石墨環氧樹脂面板搭建了內部的基礎框架，所有處於內部的子系統都安裝在框架上。

和絕大多數探測器不同的是，「黎明號」小行星探測器是NASA的第一艘用離子推進器取代常規化學推進器的深空探測器（世界上第一個離子推進的探測器，是多災多難的不死鳥「隼鳥號」，離子推進器在關鍵時刻坑了它，也最終在離子推進器的作用下返回地球）。

因此，動力子系統是「黎明號」最特別的地方。

常規探測器使用化學能推進，這一推進方式推力大，但消耗大，能持續的推進時間短，攜帶的燃料往往會受到限制。而離子推進這一方式的缺點是推力小，但卻可以穩定、長時間的推進，消耗的工質也不多，十分適合工作時間長，?v並不是很大的軌道，這正是「黎明號」探測器所具備的。

3台離子推進器，一台安裝於前方，一台位於後方，還有一台位於正下方。每台推進器的噴嘴直徑有33cm，長41cm，重8.9kg。

至於推力么……推進器在高比衝下工作3100s的能提供92毫牛頓的推力，但離子推進器可以連續開機好幾個星期，累積產生的?v足以滿足需要。實際的推力在19毫牛頓到92毫牛頓之間，並且分了112個檔位，可以說做的非常細緻了。

當推進器開機時，「燃料」氙以每秒3.25mg的速度進入推進器。

隨後，這些氙氣會與被加速的電子碰撞，氙原子的核外電子會被撞出，氙原子會變成帶正電荷的氙離子，從而被電離。

電離之後的氙原子會被高壓電場加速，然後從推進劑噴嘴中排出，高速的氙離子的反推力將推動探測器前進。

為了保障航天器不受過量氙離子的影響，噴嘴處還有專門的電子束，使得氙離子被中和成惰性的氙原子。

為了了解小行星，「黎明號」一共攜帶了3款儀器：可見光與紅外光譜儀VIR、相機FC和γ射線及中子探測儀GRaND。而由於經費原因，原本計劃攜帶的磁力計和激光高度計並沒有成行，令人惋惜。

北京時間2007年9月27日19:34，搭載「黎明號」探測器的德爾塔II 型火箭發射升空。

和所有節約成本的探測器一樣，「黎明號」並沒有徑直奔向探測目標，這種廉價的路線需要更多的耐心、更遠的距離和更漫長的時間。

這個更省力省錢的軌道就是——霍曼轉移軌道。

當然了，地球和小行星帶之間還有火星呢，這個機會不能浪費。

於是乎，「黎明號」探測器的旅程可以描繪成多段霍曼轉移軌道和一段火星引力彈弓加速：

地球-火星霍曼轉移軌道

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火星引力彈弓加速（2009年2月17日）

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火星-灶神星霍曼轉移軌道

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灶神星捕獲及環繞軌道（2011年7月16日~2012年9月5日）

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灶神星-穀神星霍曼轉移軌道

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穀神星環繞軌道（2015年3月6日~至今）

2007年12月17日，完成了各項太空測試的「黎明號」正式開始奔赴火星，在從地球到火星的這段時間中，離子推進器工作了270天，佔了85%的時間，不過漫長的推進僅僅消耗了72kg的氙，可見這一推進方式的經濟性。

2009年2月17日，「黎明號」從距離火星549km的高度擦肩而過，這個距離大約相當於從深圳到廈門。這次火星飛掠也是檢測探測器上儀器的好機會，不過由於軟體錯誤，直到飛掠後兩天，探測器才從安全模式恢復過來，匆匆地看了火星幾眼，就踏上了下一程的旅行。

每一段霍曼轉移軌道都是漫長的等待，但從這裡開始，終點就是人類未知的世界了，每一段旅程都充滿新奇。由於無法精確的了解灶神星，工程師們只能給「黎明號」一個大致的軌道，而具體的行動則十分依賴探測器自己的本領。

2011年5月3日，「黎明號」在120萬km之外看到了灶神星，未知的廣闊世界從此被揭開。

2011年7月16日，興奮的「黎明號」第一次投入灶神星的懷抱時，由於專心於被灶神星俘獲而調整自己軌道和姿態中，天線並沒有朝向地球，完全忘了地球和人類這回事。

直到一天後，「黎明號」才緩過神來，向地球報了聲「洞房花燭夜」的喜訊。

這是人類第一次近距離看到灶神星——小行星帶第二大的天體。由於在2006年，國際天文聯合會IAU定義了矮行星，穀神星和冥王星一升一降，都成為了矮行星，因此灶神星成為這裡最大的一顆小行星。

2011年12月8日， 「黎明號」開始和灶神星最親密的一段時間，最近的距離只有210km，這個距離只有灶神星長半軸半徑的長度。在這個距離上，灶神星的「黑斑」（黑點）和「皺紋」（裂縫）都清晰可見。

在科學家們看來，這些裂縫溝壑可能是被液態水侵蝕的結果。灶神星，可能是太陽系形成岩石行星的過程中唯一剩下的大型小行星了，剩餘的同類大多通過碰撞，形成了如今內太陽系的大行星（水星、金星、地球、火星）。

到了2012年8月26日，這是地球指派「黎明號」告別灶神星的日期。「黎明號」可能有些依依不捨，於是上演了一場動量輪故障的戲份，成功的將告別推遲了10天。

然而，灶神星送君千里，終須一別。「黎明號」暫游萬里，少別千年。

為什麼一定要在此處分別呢？灶神星的軌道近日點和遠日點分別是2.15AU和2.57AU，而穀神星的軌道近日點和遠日點分別是2.56AU和2.97AU，1AU相當於地球到太陽的平均距離。而灶神星的遠日點和穀神星的近日點在空間上也非常近，方便探測器前往穀神星。

不過「黎明號」在路上卻明顯不配合，撇開那個陸陸續續有故障的動量輪不說。2014年9月。「黎明號」又壞了一個離子推進器，地面的工程師們不得不緊急更新轉移軌道，由於離子發動機的推力很低，因此任何調整也需要慢慢實現，即一定要和「黎明號」比性子慢。

除了性子慢，「黎明號」的脾氣也有點犟，人們硬生生的拆散了「黎明號」和灶神星的陪伴。「黎明號」也開始不願和地面交流。在離子推進器壞了之後，高增益天線就沒怎麼對準過地球，僅依靠低增益天線來維持三言兩語。

好在，2014年12月1日，「黎明號」就拍到了穀神星的第一張照片，不過直到2015年1月29日，「黎明號」才拍到了比哈勃太空望遠鏡更清晰的圖像。

由於已經陸續壞了兩個動量輪，「黎明號」也不怎麼正眼看過穀神星幾眼。

地面的工程師們自然很著急，他們重啟了「黎明號」的計算機，增加肼推進器調整探測器姿態的作用，這才逐漸把「黎明號」的脾氣撫平了一些。

2015年3月6日，「黎明號」在61000km遠的地方被穀神星俘獲，這是人類第一次拜訪一顆矮行星。不過僅僅三個月後，「新視野號」就做了人類的第二次矮行星拜訪——飛掠冥王星。

接下來，「黎明號」也像一步一步走近灶神星那樣，一步一步環繞著貼近穀神星，從13500km，到4430km，到1480km的高程地圖測繪高度，以及最近的375km低程地圖測繪高度，這個高度要低於穀神星的半徑。

就這樣，漸漸的，「黎明號」和穀神星相互伴隨在一起。

2016年6月30日，「黎明號」圓滿完成了穀神星的探測任務，開始了每年一次的返聘生活。

有人說，讓「黎明號」去2號小行星智神星如何？不了，智神星的軌道傾角太大，路不好走，「黎明號」腿腳不太方便；

又有人說，去145號小行星導神星如何？根據計算，到導神星的時間要到2019年5月，科學價值可能也不太高。

NASA的科學家們最終還是覺得，繼續長期陪伴和觀察穀神星吧，「黎明號」已經老了。

到了2017年的6月30日，「黎明號」已經返聘一周年了，這時的「黎明號」收到了返聘的續約，繼續發揮餘熱。

2018年6月29日，地面工作人員遙控關閉了「黎明號」的離子推進器，這一次，是永遠的關封存了。從2007年10月6日離子推進器啟動，已經接近11個年頭，其中，離子推進器一共運行了5.87年。

「黎明號」是真的老了。

在「手腳」已經停止工作之後，「黎明號」繼續用「眼睛」來觀測穀神星，用「嘴」和「耳朵」繼續和地球聯絡，

如今的「黎明號」，還在繼續堅持對穀神星長期信息的收集，他離穀神星表面最近的高度只有35km，只相當於黑鳥偵察機的飛行高度。

在離子發動機關機之後4個月，用於調整自己姿態的肼燃料消耗殆盡，可能隨時進入不能動彈和改變姿態了。

為了保護「黎明號」和穀神星，工程師們為其設計了最終的軌道，確保至少再未來20年內，「黎明號」不會撞向穀神星，在這個軌道上，「黎明號」將安享晚年，直到寂靜之後，也還陪伴的穀神星周圍，那裡，是他的歸宿。