在我們的太陽系非常年輕的時候，沒有行星，只有一個瀰漫的氣體和塵埃盤繞著太陽。但是在幾百萬年內，那團原始物質在其自身的引力下坍塌，形成了數百個，甚至數千個新生的行星。其中一些小行星，正如天文學家所稱，隨著它們在旋轉的太陽星雲中捲起更多的灰塵和氣體，它們的直徑增長到數百公里。

一旦它們達到了這樣的大小，它們內部的放射性元素衰變產生的熱量就會被困住，溫度升高到足以融化它們的內部。熔體中密度較大的成分–鐵和其他金屬–沉降到中心，留下較輕的矽酸鹽漂浮到表面。這些較輕的材料最終冷卻，在重金屬核心周圍形成了矽酸鹽岩石的地幔。這樣一來，大量的鐵和鎳合金就被困在了這些行星的深處，永遠地被隱藏起來，無法直接觀察到。

在這個時候，儘管太陽系面積巨大，但它仍然比較擁擠。在接下來的2000萬年左右的時間裡，許多星子相互交叉碰撞。一些合併並成長為更大的原行星，最終形成了我們今天所熟悉的行星。

在這些原行星的每一次碰撞中，金屬核心都被敲打並與硅酸鹽地幔物質重新混合，後來在被吸積的熱量融化後再次分離。有些碰撞具有足夠的能量，可以完全摧毀一顆原行星，留下的碎片促成了現在存在於火星和木星軌道之間的小行星帶。

但是一些原行星可能逃脫了這些命運中的任何一種。天文學家假設，一系列的“肇事逃逸”的撞擊導致這些天體失去了大部分的外殼，只留下了少量的矽酸鹽岩石和大量的金屬。這些材料結合在一起，形成了一種罕見的世界。如果這個理論是正確的，最大的例子將是一顆名為16 Psyche的小行星–以希臘的靈魂女神Psyche命名，因為它是小行星帶中第16個被發現的成員（1852年）。

Psyche（普賽克）也是美國宇航局（NASA）訪問該小行星的任務的名稱。該任務由亞利桑那州立大學的Lindy Elkins-Tanton領導，並由NASA噴氣推進實驗室管理，Psyche任務將測試天文學家關於行星核心形成和組成的理論，同時它將探索一個景觀不同於空間探測器迄今所訪問的任何世界。

Psyche任務計劃於2022年8月發射，航天器將在三年多後到達目的地。它將在那裡發現什麼？天文學家認為，我們可能會看到凍結的金屬收縮產生的巨大表面斷層，綠色結晶地幔礦物的閃亮懸崖，硫磺熔岩的冰凍流，以及千年高速撞擊後散落在表面的大片金屬碎片。毫無疑問，也會有很多驚喜。

這個太空探測器必須經過漫長的旅程才能到達目的地，這對它的要求特別高。16 Psyche位於主要小行星帶的外圍，遠遠超出火星的軌道。探測器將於2026年1月開始環繞這顆小行星，並將對其進行近兩年的研究。

研究人員稱，安排一個探測器圍繞像小行星這樣的小天體運行比圍繞行星運行更難。大行星有很深的“引力井”，這使得航天器可以通過一次低空火箭燃燒進入軌道。小天體的引力很小，基本上不提供“引力槓桿”，所以航天器的推進系統必須做所有的工作。

不久前，NASA在其“黎明號”任務中成功地進行了這一操作，該任務將一個探測器送入小行星灶神星和穀神星的軌道。“黎明號”航天器使用太陽能電力推進。它的三個高效發動機通過電離推進劑氣體並通過高壓電場加速，將來自太陽能電池陣列的電力轉化為推力。

當噴氣推進實驗室的團隊設計Psyche探測器時，他們計劃做類似的事情。主要問題是如何在不超出任務預算的情況下做到這一點。JPL的工程師們通過使用大部分是現有的技術來解決這個問題，這些技術是由位於科羅拉多州威斯敏斯特的Maxar公司製造的。它是世界上最大的商業地球同步通信衛星供應商之一，在位於加州帕洛阿爾託的一個分部生產。

Psyche航天器是在用於這些衛星的“底盤”上建造的，其中包括大功率太陽能電池陣列、電推進推進器以及相關的動力和熱控制元件。在許多方面，Psyche航天器類似於一個標準的Maxar通信衛星。但它也承載了JPL的航空電子設備、飛行軟件和自主深空運行所需的許多故障保護系統。

使這一概念發揮作用從一開始就很困難。首先，NASA的管理層對這種削減成本的措施保持警惕是正確的，因為在20世紀90年代執行的”更快、更好、更便宜”的任務模式產生了一些驚人的失敗。其次，在“黎明號”任務中使用地球軌道系統，在開發階段造成了大量的成本超支。最後，許多人認為（錯誤地）深空環境非常特殊，因此Psyche航天器必須與只繞地球運行的通信衛星非常不同。

NASA的許多研究人員通過與Maxar的工程師合作來解決這些問題。他們通過使用該公司的標準產品系列的硬件，並儘量減少對它的改動，從而控制了成本。他們認為可以做到這一點，因為地球同步軌道上的熱環境實際上與Psyche探測器將遇到的情況並無太大差別。

在發射後不久，Psyche航天器將經歷與通信衛星一樣的相對較高的太陽通量。當然，它還將不得不處理深空的寒冷，但是Maxar的衛星在飛過地球的陰影時必須忍受類似的條件，在一年中的某些時候，它們每天都會飛過一次。

由於它們是大功率的電信中繼站，Maxar的衛星必須消散由其微波功率放大器產生的許多千瓦的廢熱。他們通過將熱量輻射到太空來實現這一目的。不過，將大量的熱量輻射出去對太空探測器來說將是一個大問題，因為在16 Psyche附近，來自太陽的光和熱的通量是地球的十分之一。因此，如果不採取任何措施來防止它，一個為環繞地球而設計的航天器很快就會變得太冷，無法在小行星帶的這麼遠的地方運行。

Maxar通過在航天器上安裝多層“熱毯”來應對這一挑戰，這將有助於保持熱量。該公司還在熱輻射器的頂部添加了定制的“百葉窗”。當航天器變得太冷時自動關閉，這些“百葉窗”將熱量困在裡面。但研究人員仍有許多其他工程挑戰，特別是在推進方面。

為了減少到達小行星所需的推進劑質量，Psyche航天器將使用太陽能電力推進器，將離子加速到非常高的速度，是化學火箭所能達到的速度的六倍以上。特別是，它將使用一種被稱為霍爾推進器的離子推進器。

蘇聯工程師在1970年代率先在太空中使用霍爾推進器。而NASA科學家們在Psyche航天器上使用了四個俄羅斯製造的霍爾推進器，原因很簡單，Maxar使用這個數字來維持他們的通信衛星的軌道。

霍爾推進器採用了一種巧妙的策略來加速帶正電的離子。這與“黎明號”航天器上的離子推進器所做的不同，後者使用高壓電網。相比之下，霍爾推進器則使用電場和磁場的組合來加速離子。雖然霍爾推進器在衛星上有很長的使用歷史，但這是它們第一次進入行星際任務。

Psyche探測器將在離太陽三倍多的地方冒險。當它到達目的地時，產生操作航天器和啟動推進器所需的2千瓦電力，需要一個足夠大的太陽能電池陣列，以便在地球附近產生超過20千瓦。就這些東西而言，這是一個很大的功率。

對NASA來說，幸運的是，在過去十年中，太陽能發電的成本已經大幅下降。今天，向全球傳送電視和互聯網信號的商業衛星經常產生這些功率水平。他們的太陽能發電系統是有效的、可靠的，而且相對便宜。但是，它們被設計成在環繞地球時工作，而不是在小行星帶的外部邊緣。

當2013年構思Psyche任務時，Maxar已經成功飛行了20多個功率水平超過20千瓦的航天器。但該公司從未建造過行星際探測器。另一方面，JPL有多年在深空操作設備的經驗，但它從未建造過Psyche任務所需的那種規模的動力系統。因此，JPL和Maxar進行合作。Psyche航天器上的太陽能電池還必須在比正常溫度低得多的條件下工作。這是一個嚴重的問題，因為這種電池的電壓會隨著溫度的升高而上升。

當圍繞地球運行時，Maxar的太陽能電池陣列產生100伏的電壓。如果這些相同的陣列被用於16 Psyche附近，它們將產生有問題的高電壓。雖然研究人員可以添加電子元件來降低陣列的電壓，但新的電路在設計、建造和測試太空方面的成本很高。更糟糕的是，當航天器遠離太陽時，它將降低發電效率，而在這種情況下，產生足夠數量的電力將是非常困難的。

幸運的是，Maxar公司已經有了一個解決方案。當他們的一顆通信衛星進入地球的陰影時，它由一組鋰離子電池供電，其大小與電動汽車中的電池差不多。這足以讓衛星在地球後方的黑暗中保持運行，而這一時間絕不會超過一個小時。但是這種電池的電壓會隨著時間的推移而變化，當電池深度放電時，一些衛星上的電壓可能會低至40伏，一直到100伏。為了處理這種變化，Maxar的衛星包括”放電轉換器”，它可以提高電壓以提供恆定的100伏的電力。

此外，關鍵是要重新連接太陽能電池陣列，將其在地球附近產生的電壓降低到大約60伏。隨著航天器遠離太陽，電壓將隨著陣列的變冷而逐漸上升，直到在16 Psyche達到約100V。Maxar公司的“放電轉換器”，通常連接在電池上，而是連接到太陽能電池陣列上，用於在整個任務期間為航天器提供恆定的100V的電力。

這種方法會產生一些能量損失，但當航天器靠近地球，電力充足時，這些損失是最大的。當航天器接近16 Psyche時，該系統將以最高的效率運行，在那裡發電將是非常困難的。它使用的是經過飛行驗證的硬件，比在整個深空任務中從太陽能陣列中獲取峰值電力的複雜系統要經濟得多。

除了將用於研究小行星的一套科學儀器外，Psyche航天器還將攜帶NASA所謂的“技術演示”有效載荷。像NASA的許多任務一樣，它有一個首字母縮寫。DSOC，代表著深空光學通信。

DSOC是一個基於激光的通信系統，旨在超越目前的無線電技術100倍之多。DSOC將通過從火星軌道之外以每秒2兆比特的速度傳輸數據來證明其能力。有一天，類似的技術可能使人們能夠以高清晰度的視頻觀看宇航員在紅色星球上的活動。

DSOC儀器有一個”地面部分”和一個”飛行部分”，其中每個部分都包括一個激光發射器和一個接收器。地面部分的發射器是一個7千瓦的激光器，將被安裝在JPL的光通信望遠鏡實驗室，位於洛杉磯東北約60公里處。此外還有一個敏感的接收器，這是一個能夠計算單個光子的接收器，將被安裝在加州理工學院帕洛瑪天文台的5.1米寬的黑爾望遠鏡上，位於聖地亞哥東北方向的類似距離。

DSOC的飛行部分，即航天器上的部分，包含相同類型的設備，但規模大大縮小：一個平均功率為4瓦的激光器和一個22厘米的望遠鏡。飛行部分聽起來很簡單，就像你可以自己在家裡拼湊出來的東西。事實上，它並不簡單。

首先，它需要一些相當複雜的裝備來指向正確的方向。Psyche航天器本身能夠將DSOC指向地球的方向保持在幾毫米以內–大約十分之一的程度。利用內置的推桿，DSOC然後搜索從地面發出的激光信標。在探測到它之後，執行器將DSOC自己的激光穩定地指向地球，其精確度以微弧度計算。

飛行部分能夠如此穩定地指向同一方向，因為它被安置在一個特殊的外殼中，與航天器的其他部分進行熱和機械隔離。DSOC還使用了一個長的遮陽板來消除激光接收器上的雜散光，並有一個可展開的光圈罩以確保該裝置保持清潔。

在DSOC的太空操作中，航天器不能使用其推進器或萬向節的太陽能電池組，這將帶來有問題的運動。相反，它將保持其在一個方向上的固定姿態，並將使用其星際跟踪系統來確定這個方向是什麼。不過，對航天器在這些時候能做什麼的限制並不是一個障礙，因為DSOC將只在任務的第一年用於測試，同時行駛到剛過火星的軌道。當航天器到達16 Psyche時，它將通過微波無線電鏈接將數據傳回地球。

經過近十年的規劃，並經過三年多的旅行，Psyche航天器將最終在2026年初到達其目的地。如果一切按計劃進行，在接下來的兩年裡，這個由通信衛星變成的太空探測器將為科學家們提供對這個奇怪的金屬世界的近距離觀察，它已經展示了一個用於高數據速率通信的先進光學系統。這些成就對研究人員來說是一個漫長的過程–但他們期望所學到的東西將非常值得他們為確保這項任務的成功而投入多年的努力。