1.1.4 利用太阳帆开展主带小行星探测任务设想
太阳帆与传统推进方式相比具有无需燃料消耗的优势，在进行需长期不断提供推力的深空探测任务中具有显著优势，而太阳帆技术的发展也逐步由理论研究步入工程应用，目前已有多例成功进行的太阳帆技术验证飞行实验，最著名的是日本的IKAROS号和美国的NanoSail-D号，为太阳帆技术的可行性提供了参考。近年来，小行星探测成为深空探测的一个热门研究方向，迄今为止，世界上已有数十例成功实施的小行星探测任务，而已有的小行星探测任务均以传统的化学推进或小推力方式提供动力，太阳帆由于技术的不成熟因而尚未应用到小行星探测中。随着技术的不断发展，太阳帆在进行小行星探测时无需燃料的优势逐渐被关注，特别是对于距离地球更远的空间如主带小行星的探测，利用传统推进方式需要大量燃料消耗，对于发射和推进提出了更高要求，因而太阳帆的优势在此类任务中得以凸显。
1.探测任务简介
提出的利用太阳帆进行主带小行星的探测任务设想为：2020年前后发射，在7年时间内探测至少3颗主带小行星，其中主探测目标尽可能是大质量大体积的小行星从而便于探测。根据上一节目标选择，初步确定的探测目标是：方案一：伴飞健神星，顺途可飞越其他主带小行星；方案二：伴飞灵神星，顺途可以飞越其他主带小行星。
经过计算验证，对于上述初步给定的探测目标：由于太阳帆推进性能较弱，在理想推力的基础上，取推进效率为η＝65%时的太阳帆推进性能，其光压因子为β＝0.126 5。太阳帆总质量200 kg，按照正方形结构，需要160 m见方的太阳帆飞行器。根据太阳帆的性能限制，设计了可行的探测方案，即先选择一颗主带中体积较大的大型小行星作为主探测目标，依据小行星轨道半长轴越大探测器的任务飞行时间一般越长的特性，选择并确定灶神星（4 Vesta）为主探测目标，再利用轨迹优化方法选择另外2颗主带小行星作为中途探测目标，中途目标的选取原则为满足任务要求的前提下总飞行时间最短的为优。后文会有详细介绍。
设计的太阳帆探测器如图1-7所示。
图1-7 太阳帆结构示意图
2.有效载荷建议
根据科学目标和国内外探测经验，选取的有效载荷建议如下：
（1）三维地貌立体测绘相机。
用于测绘小行星表面地形及制作高空间和高度分辨率的三维图集。对小行星整体进行这种高分辨率的测绘将有助于认识小行星的演化过程，并有助于对具有科学意义的各个区域进行详细研究。利用三维地貌立体测绘相机（以下简称地貌测绘相机）测绘数据制作的数字高程模型将会使现有的小行星地形知识得到进一步完善。
地貌测绘相机将在0.5～0.85 μm的全色光谱区内进行拍摄，空间／地面分辨率为0.5 m、幅宽20 km。相机按推扫模式进行配置，像面内有3台线性4 096元探测器，分别用于沿太阳帆运动轨迹方向的前向、星下点和后向观测。前向和后向观测相对于星下点的观测角分别为±25°。相机将测量由小行星表面反射／散射的太阳辐射。反射信号的动态范围相当大，表现为能对两类极端目标新露出的岩石表面进行测量。
该相机采用内置数字化仪的线性有源像素传感器（APS）探测器。单体折射光学系统将覆盖3台探测器的整个视场。探测器输出采取数字化形式。光学系统被设计成单体形式是为了满足沿航迹方向的宽视场要求。前向（＋25°）和后向（-25°）入射光束由几个镜面导向聚焦镜片。为各台探测器配备的模块式相机电子设备是针对系统采用现场可编程门阵列（FPGA）的要求来量身定制的。
下面列出地貌测绘相机的基本参数：
【质量】：5 kg
【体积】：250 mm×250 mm×220 mm
【功率】：8 W
【数据率】：50 Mb／s
（2）X射线／γ射线分光计。
该分光计原理为，太阳光中的X射线会穿过岩石，通过对从岩石中透出的X光进行观测，可以分析出岩石的元素成分。该仪器将测绘小行星表面主要化学元素的全球分布图。X射线光谱计探测小行星表面的元素（Mg，Al，Si，Ca，Ti和Fe）被太阳光激发的X射线荧光（能量在1到10 keV范围）。
γ射线光谱仪（能量在0.3到10 MeV范围）探测小行星表面被宇宙线激发的γ射线的元素（O，Si，Fe，H）丰度和一些放射性元素（K，Th，U）的丰度。测量的分辨率是2 cm，厚度是10 cm。钙长辉长无球陨石是灶神星成分的代表，预期的探测精度足以确定灶神星是否是HED流星体的母体。上述元素占HED流星体质量的99%以上，在预期的探测时间内完全可以被探测到。利用γ射线的探测数据可以绘制小行星的成分分布图。
下面列出X射线／γ射线分光计的基本参数：
【质量】：4 kg
【体积】：250 mm×250 mm×200 mm
【功率】：10 W
（3）超光谱成像仪。
超光谱成像仪旨在获取小行星表面矿物学测绘所需的光谱数据。该仪器所获数据将有助于改善有关小行星表面矿物成分的原有信息。另外，通过研究代表小行星坑区／中央峰数据，将有助于认识小行星内部的矿物学成分。超光谱成像仪的特别之处在于它能在0.4～0.95 μm的红外谱区的64个相邻谱段上对小行星表面进行测绘，光谱分辨率优于15 nm，空间分辨率为20 m，幅宽20 km。它将通过一个远心折射光学系统来采集小行星面反射的阳光，并将其聚焦到相应的APS面阵探测器上。
目标的整个光谱通过在太阳帆沿探测器列向运动的同时以推扫方式获取图像数据来得到。带内置数字化仪的APS面阵探测器将对各谱段进行测绘。
下面列出超光谱成像仪的基本参数：
【质量】：2 kg
【体积】：200 mm×200 mm×200 mm
【功率】：5 W
（4）激光测高仪。
借助激光测高仪制作的小行星高程图将有助于研究小行星盆地和其他地物的形态，研究岩石圈的应力、应变和挠曲特性，而且结合重力研究，还将得到小行星的密度分布。该仪器的科学目标是提供确定探测器与小行星表面之间的高度变化所需的测距数据。
激光测高仪采用飞行时间原理。在这种工作方式下，由大功率激光器产生的一个相干光脉冲会射向要进行测距的目标。部分光线将在激光光源方向上散射回来，由光学接收机采集，并聚焦到光电探测器上。通过精确测定激光脉冲的往返时间，就可以得出非常精确的距离／局地高度测量数据。
激光测高仪采用10 MJ的钕钇铝石榴石激光器。激光器采用1 064 nm波源，以10 Hz脉冲接收方式工作。月面反射的激光脉冲由一台200 mm的里奇-克莱琴光学接收机采集，并聚焦到一台硅雪崩光电探测器上。探测器的输出经放大和阈值检测后，可得出精度优于1 m的距离信息。除距离信息外，4台恒比鉴别器还可提供坡度信息。激光测高仪的不同工作方式和利用探测器输出进行的距离计算由基于FPGA的一台电子设备进行控制。经处理的激光测高仪输出将用于生成高精度的小行星地形数据。
下面列出激光测高仪的基本参数：
【质量】：7 kg
【体积】：250 mm×250 mm×250mm
【功率】：6 W
（5）磁强计。
目前对小行星的磁场强度的测量数据精度不高，根据Eros、Gaspra和Braille的磁场强度测量结果发现：虽然它们均是S型小行星，但磁场强度差别可以达到几个量级。在小行星带，周围的磁场大约是3 nT，月球表面的最大场强为300 nT，木星的卫星Ganymede的极区磁场为1 000 nT，星壳磁场为1 000 nT。预期上灶神星的磁场大约是500 nT。对小行星磁场强度的测量意义重大，并且测量磁场也可以为确定小行星内部结构提供帮助。
磁强计主要用于勘测可能的小行星固有磁场强度，但不能观测太阳风对磁场的作用。为提高测量精度，降低探测器剩磁对传感器的干扰，在探测器上安装两个三轴高精度磁强计探头（磁强计探头A，磁强计探头B），利用传感器探头安装位置的差异，通过数据处理消除卫星剩磁干扰。
下面列出磁强计的基本参数：
【三轴机械正交度】：≤2角秒
【噪声水平】：≤0.01 nT／＠1 Hz
【10 Hz频带内总噪声】：≤0.1 nT（rms）
【分辨率】：≤0.01 nT
【功率】：5 W
【数据率】：1 Kbps
【机械接口】：
电子学箱：200 mm×200 mm×60 mm ＜900 kg
三轴传感器：102.2 mm×58 mm×50 mm ＜100 g
根据以上对小行星有效载荷以及科学目标的分析，可得出如下表格（表1-1）。
表1-1 有效载荷汇总表
以上5种载荷均是对应于小行星科学探测目标而配备的，总重是19 kg。根据太阳帆有效载荷的约束，可以综合选取。建议太阳帆航天器有效载荷方案是三维地貌立体测绘相机、X射线／γ射线分光计和磁强计这三种仪器，总质量10 kg左右。