美國國家航空航天局的深空1號探測器（DS1）最近成為頭條新聞，因為它以每小時約59,400公里的速度飛掠博雷利彗星2,200公里以內，首次拍攝到彗星核的詳細影像，正如一位研究人員所說，“使我們對這些遊移天體的瞭解翻了一番。”
圖片來源：NASA
深空1號利用其太陽能電池板產生的能量來產生電場，從而加速氙推進劑的帶電原子（藍色）。該任務測試了十餘項先進技術。 |
但是，這艘勇敢的探測器——它早在1999年9月就完成了其主要任務的目標，並最終於2001年12月18日停止執行——將被人們銘記，不僅僅是因為它在彗星飛掠期間所做的科學研究，更是因為它所測試的技術所帶來的更廣泛的影響（參見側邊欄）。“它在一天內產生的[影像和測量資料]足以徹底改變我們對彗星的理解，”NASA噴氣推進實驗室（位於加利福尼亞州帕薩迪納）的任務專案經理馬克·D·雷曼說。“但其主要任務將對未來的許多太空任務產生影響。長期的科學回報將是巨大的。”
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DS1於1998年10月發射，是美國國家航空航天局於1994年末啟動的新千年計劃的第一個任務。該任務的目標是測試十餘項先進技術，包括離子推進發動機、取代地面標準航天器完全控制的自主導航系統、先進的太陽能聚光器陣列和微型儀器。該任務總成本略低於1.6億美元，從啟動到發射歷時三年，使其成為現代航天時代最便宜、開發速度最快的行星際任務之一。
在DS1測試的12項技術中，也許離子或太陽能電力推進受到了最多的關注。這是理所當然的：儘管離子發動機已經在科幻小說和電影中使用了幾十年，但在DS1之前，從未在真正的航天器上用作主要推進系統。原理很簡單：電子槍電離進入一個咖啡罐大小的腔室的氙推進劑。另一端的兩個帶負電的鉬網將氙從航天器中抽出以提供推力；陰極向離開的氙新增電子，從而使航天器不會帶負電（見插圖）。氙離子提供微小的推力——大致相當於一張紙放在您手上所施加的壓力，比行星航天器上典型的化學推進系統提供的力小10,000倍——這種推力緩慢但有效地提高了航天器的速度。
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圖片來源：NASA 離子推進是DS1上測試的技術之一。在發射前對離子發動機進行的地面測試中，淡淡的藍色光芒標誌著正在離開的氙推進劑（上圖）。在裝置內部，電子槍電離氙推進劑。另一端的兩個帶負電的鉬網將氙從航天器中抽出以提供推力；陰極向離開的氙新增電子（下圖）。 |
當DS1的離子發動機關閉時，它已經推進了超過677天，並使用了其原始81.5公斤燃料中的73.5公斤。實現基本任務成功的最低執行時間為200小時。由於離子推進比傳統的化學推進效率高10倍，因此DS1能夠比其他方式更頻繁地改變其速度，並使用更少的推進劑——當發射成本為每磅數萬美元時，這一點非常重要。
由於DS1的測試，離子推進現在已成為任務設計師在其未來飛行計劃中可以採用的可接受技術工具包的一部分。例如，正在考慮將其用於一項將與灶神星小行星交會的任務，圍繞其執行九個月，然後繼續與穀神星交會，對其進行九個月的研究。“使用傳統的化學推進絕對不可能做到這一點，”雷曼說。
另一項將再次應用於太空的DS1測試技術是AutoNav，即自主導航系統，該系統使航天器能夠在很長一段時間內自行駕駛。類似的系統將用於深度撞擊任務，該任務將於2004年1月發射，將把一個350公斤的撞擊器撞擊到彗星中，以揭示地下結構以供研究。
藉助AutoNav，DS1在保持航向方面，對地面天線的寶貴且有限的時間的需求大大減少。而以往所有的航天器任務都完全由地面數十甚至數百名地面控制人員操作，而DS1只需要不到十幾人。雷曼認為，對於美國國家航空航天局計劃的未來任務，更多的航天器將不得不展示這種獨立性。“我們不能像過去那樣建造或操作，因為我們沒有相同的條件——也沒有相同的科學問題，”他說。“如果我們想從更困難的地方——彗星、小行星、衛星、其他行星如火星——帶回樣本，我們需要更小、更智慧的航天器。航天器將不得不為自己做決定。我們需要它們更靈活，並適應其環境中不斷變化的情況。如果我們要執行許多[任務]，我們將不得不擁有自主性。”
但這並不是說DS1足夠靈活，可以避免在其航行期間的所有困難和失望。例如，在1999年7月的首次飛掠遭遇中，DS1傳回了小行星布拉ille的令人失望的影像。這顆小行星比最壞情況的預測還要暗淡，並且相機沒有像預期的那樣對微弱的光線做出反應，因此它沒有為跟蹤系統提供有用的訊號。然後，航天器的星 Tracker——使航天器保持航向的關鍵裝置——在1999年11月發生故障；星 Tracker不是測試技術之一，而是一種商業裝置。航天器工程師開發了一種創造性的新軟體和現有裝置新用途的組合，使老化的航天器能夠繼續執行擴充套件任務。AutoNav和科學相機被投入到額外的服務中。“當星 Tracker發生故障時，我們開始使用科學相機作為星 Tracker。自去年年初以來，它每30秒拍攝一張照片[或每年一百萬張照片]，”雷曼說。AutoNav使用這些照片來幫助確定航天器的方向。
““當它到達博雷利彗星時，航天器已經老舊且衰弱，”雷曼說。“用它來返回如此令人興奮的科學成果——這真是太酷了。””
在博雷利彗星飛掠後的最後幾個月裡，DS1仍然繼續執行以進行技術測試，雷曼稱之為“超擴充套件任務”。任務工程師在一些非標準配置中操作了離子推進系統，並測試了它的一些故障模式，以探索老化對系統的影響。事實上，所有九項硬體技術都在超擴充套件任務期間進行了測試。
現在發動機已經關閉，DS1將漂浮在其繞太陽的軌道上，它的工作已經完成；它的無線電接收器將保持開啟，以防後代想要聯絡該航天器。“它只會成為一塊宇宙漂浮物，”雷曼指出，“但這是一塊我們會留下許多美好回憶的漂浮物。”