综述：赫拉号热红外成像仪（TIRI）

本文系统介绍了搭载于欧空局（ESA）赫拉（Hera）探测任务的热红外成像仪（TIRI）的技术规格、科学目标与在轨操作方案。该仪器基于非制冷微测辐射热计阵列（1024×768像素），配备8位滤光轮（涵盖8-14 μm宽波段及7.8-13.0 μm区间的6个窄波段），旨在对S型近地双小行星系统（65803）Didymos及其卫星Dimorphos开展全球热物理特性（如热惯量Γ=√(kρcp，单位tiu）与表面成分探测。TIRI是隼鸟2号TIR的继承者，其设计兼顾行星防御（验证DART撞击效应）与行星科学（揭示双小行星形成演化机制），将为人类首次获取S型小行星全表面热红外图像及最小天体（Dimorphos）热特征数据。

　　

赫拉任务与TIRI的使命

欧空局的赫拉探测器是国际协同行星防御任务AIDA的重要组成部分，其核心目标是与美国宇航局的DART任务联动，对S型双小行星系统（65803）Didymos及其卫星Dimorphos开展精细探测。DART探测器已于2022年9月成功撞击Dimorphos，使其绕Didymos的公转周期缩短了约33分钟。赫拉探测器则于2024年10月发射，预计2026年底抵达目标，开展为期约半年的近距离观测。搭载于赫拉探测器上的热红外成像仪（TIRI）由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制，其主要科学目标包括精确测量双小行星的热物理特性（如热惯量）、表面物质成分，并评估DART撞击坑的特征及其对Dimorphos内部结构的暴露情况。

TIRI仪器设计：继承与创新

TIRI是一个一体化小型仪器，总质量仅3.94千克，功耗约15瓦。它由传感器单元（BOL）和电子学单元（SHU）构成。BOL的核心是一个基于Lynred PICO1024 Gen2的非制冷微测辐射热计探测器，像元规模为1024（H）×768（V）。其光学系统采用F/1、焦距75毫米的红外镜头（由锗、ZnS和硫系玻璃GASIR1构成），在8-14 μm波段具有高于50%的透光率。TIRI的视场角（FOV）为13.0°×9.9°，瞬时视场角（IFOV）为0.013°/像素（0.23 mrad/像素），可探测的温度范围覆盖150至450 K（-123至177°C），经过校准的精确范围是153至423 K。

TIRI最显著的特点是其8位滤光轮，其中包括：

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  1个宽波段滤光片（8-14 μm），用于热成像。
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  6个窄波段滤光片（中心波长分别为7.8, 8.6, 9.6, 10.6, 11.6, 13.0 μm），用于通过波段比分析表面成分和蚀变程度。
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  1个“关闭”位，用作快门并为仪器提供温度参考板。

SHU负责图像数据读取、在轨处理（如图像叠加、暗帧扣除）和数据包格式化。TIRI内部拥有8 GB的闪存，最多可存储2039幅科学图像和8幅暗场图像。数据在下传前可选择进行JPEG-LS压缩或区域截取（ROI）。

卓越性能：为科学探测保驾护航

在地面标定测试中，TIRI展现了优异的性能。它成功探测了-120°C至+150°C的温度范围。在300 K时，其噪声等效温差（NETD）低于0.1 K，绝对温度精度在图像积分后可达3 K以内。通过图像积分（可积分2^N幅图像，N=0-7），NETD可进一步降低。

几何标定表明，TIRI的畸变在4°视场角内小于1像素，在边缘区域（>7°）最大为3-4像素，满足高精度形状建模需求。多波段成像能力也通过观测石英、橄榄石、辉石等天然样品得到了验证，不同矿物的归一化光谱特征差异明显，证明了其成分识别能力。

揭示S型小行星的物理奥秘

TIRI将首次对S型小行星进行全球尺度的热红外探测。通过观测Didymos一个自转周期（2.26小时）内的温度变化，并结合其形状模型，可以反演其表面热惯量（Γ）的全球分布。热惯量与表面物质的物理状态（如颗粒大小、孔隙度）密切相关。

热惯量Γ (J m^-2 K^-1 s^-0.5)

表面物理状态

实例

~10

非常疏松，高孔隙度(>80%)

谷神星、火星土壤

~50

细沙(d<100μm)

月球风化层

100~200

沙质风化层(d~mm)

爱神星土壤

200~400

卵石(d~cm)

糸川小行星平坦区域

400~1000

巨石、岩石碎片(d< m)

糸川小行星粗糙区域

此前，隼鸟2号任务发现C型小行星龙宫的平均热惯量为200-400 tiu，高于月球细风化层（~50 tiu）但低于原始碳质球粒陨石（600-1000 tiu），并发现了热异常区域（“热点”和“冷点”）。OSIRIS-REx任务也发现B型小行星贝努的巨石具有较低的热惯量。TIRI对Didymos的探测将为了解S型小行星的表面特性提供关键比较数据。结合多波段成像获得的成分信息，将有助于理解小行星的水蚀变、热蚀变和化学演化历史。

探测最小天体Dimorphos的内部秘密

Dimorphos直径仅约177米，是人类探测过的最小小行星。DART任务的近距离图像显示其表面布满巨石，是一个碎石堆结构。TIRI将绘制其表面热惯量和成分图，探究其巨石的密度和孔隙度。Dimorphos和Didymos物理特性的相似性或差异性，是判断这个双星系统是源于同一母体分裂形成，还是捕获形成的关键证据。此外，对DART撞击坑（或撞击遗迹）区域的热特性和成分探测，将揭示Dimorphos的内部结构，这对于理解微小天体的强度和内部构造至关重要。

撞击现象、动力学与空间风化

DART撞击是一次独特的实验。TIRI将观测可能形成的人工撞击坑的形态、尺寸，以及坑内外的热物理性质和成分，这有助于在微重力、低强度条件下验证撞击坑的标度律。如果撞击导致表面 catastrophic 破碎，TIRI将能观测到新暴露的内部物质。

TIRI还能通过拍摄小行星的夜面图像，帮助构建更精确的形状模型，从而更好地确定双星系统的质心和轨道动力学状态。基于TIRI数据构建的全球热物理模型，还可用于研究雅科夫斯基（Yarkovsky）效应和YORP效应等非引力加速度对小行星轨道和自转的长期演化影响。

此外，TIRI与赫拉上的高光谱成像仪（HyperScout-H）以及Milani立方星上的ASPECT光谱仪协同观测，将结合热惯量（反映表面颗粒状况）和近红外光谱（对空间风化敏感）数据，共同揭示S型小行星的空间风化过程。

从校准到科学探测的征程

TIRI在赫拉发射后不久即成功开机，并拍摄了地球和月球的热图像用于初始校准。在2025年3月飞越火星期间，TIRI对火星及其卫星火卫一、火卫二进行了观测，用于仪器性能验证和科学研究。

在2026年底抵达目标后，TIRI将按计划开展系统观测：

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  早期表征阶段（ECP，距Didymos 20-30公里）：获取双小行星全自转周期的热图像，空间分辨率达4.5-6.9米/像素，绘制全球热惯量图。
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  详细表征阶段（DCP，距Didymos 8-20公里）：从更近的距离以更高分辨率（最佳1.8米/像素）进行热成像和多波段成像。
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  近距离操作阶段（COP，距Didymos 4-22公里）与实验阶段（EXP，最近距1公里）：对DART撞击坑等局部区域进行高分辨率（<0.25米/像素）精细观测，并开展连续成像以捕捉阴影区快速冷却等过程。

结语

赫拉号热红外成像仪（TIRI）作为一款高性能的热红外探测设备，将为人类首次揭开S型双小行星系统Didymos和Dimorphos的热物理特性与成分奥秘。其探测结果不仅对评估DART动能撞击的偏转效果、完善行星防御策略至关重要，也必将深化我们对双小行星系统的形成演化、撞击过程、表面现象以及微重力环境下物理规律的认识，推动行星科学的进一步发展。