[科普中國]-深空探測

簡介

深空探測指人類對月球及以遠(yuǎn)的天體或空間環(huán)境開展的探測活動，作為人類航天活動的重要方向和空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑，是當(dāng)前和未來航天領(lǐng)域的發(fā)展重點之一。

研究特點開展深空探測的主要研究對象一般由近及遠(yuǎn)：月球是起點和前哨站；火星是月球之后的又一個探測熱點；小天體探測日益受到重視；多目標(biāo)多任務(wù)探測是深空探測的一種重要形式；對太陽系中心天體太陽的探測活動一直未曾間斷過；火星和金星之外的大行星及其衛(wèi)星探測活動任重道遠(yuǎn)。

探測方式上，一般包括飛越、硬著陸(撞擊)、環(huán)繞、軟著陸(+巡視)、無人采樣返回、載人探測等形式。近年來出現(xiàn)的兩個新趨勢：對同一探測對象采取多種探測形式交替進(jìn)行的方式；在一次任務(wù)中多種探測手段組合實現(xiàn)綜合探測。1

關(guān)鍵技術(shù)深控探測的深度與廣度直接取決于一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破和支撐，這些關(guān)鍵技術(shù)包括深空軌道設(shè)計與優(yōu)化、自主技術(shù)、能源與推進(jìn)、深空測控通信、新型結(jié)構(gòu)與機構(gòu)、新型科學(xué)載荷技術(shù)等。其中軌道設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)包括多體系統(tǒng)能量軌道設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)及不規(guī)則弱引力場軌道設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)等；自主技術(shù)包括自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、自主控制技術(shù)、自主故障處理技術(shù)等；新型能源與推進(jìn)技術(shù)包括核能源技術(shù)、電推進(jìn)技術(shù)、太陽帆推進(jìn)技術(shù)等。2

主要意義深空探測意義重大，一是有利于促進(jìn)對太陽系及宇宙的形成與演化、生命起源與進(jìn)化等重大科學(xué)問題的研究,從而進(jìn)已成為人類航天活動的重要方向；二是有利于推動空間技術(shù)的跨越式可持續(xù)發(fā)展，從而不斷提升人類進(jìn)入太空的能力；三是有利于催生一系列基礎(chǔ)性、前瞻性的新學(xué)科、新技術(shù)，從而促進(jìn)一系列相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；四是有利于培養(yǎng)和造就創(chuàng)新型人才隊伍，從而推動人類社會可持續(xù)進(jìn)步。2

研究范疇在行星際探測方面，過去40年來，美國、前蘇聯(lián)、歐洲航天局及日本等先后發(fā)射了100多個行星際探測器，既有發(fā)向月球的，也有發(fā)向金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的，還有把“鏡頭”指向我們地球及周邊環(huán)境的。通過這些深空探測活動所得到的關(guān)于太陽系的認(rèn)識大大超過了人類數(shù)千年來所獲有關(guān)知識總和的千萬倍。

天文觀測在天文觀測方面，今天人類已把各個波段的天文衛(wèi)星送入太空，其中較大的有美國的伽馬射線觀測臺、先進(jìn)X射線天體物理設(shè)施、紅外望遠(yuǎn)鏡設(shè)施、“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡等4項，其中以“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡最引人矚目。

探測未來深空探測是在衛(wèi)星應(yīng)用和載人航天取得重大成就的基礎(chǔ)上，向更廣闊的太陽系空間進(jìn)行的探索。隨著21世紀(jì)的到來，深空探測技術(shù)作為人類保護(hù)地球、進(jìn)入宇宙、尋找新的生活家園的唯一手段，引起了世界各國的極大關(guān)注。

通過深空探測，能幫助人類研究太陽系及宇宙的起源、演變和現(xiàn)狀，進(jìn)一步認(rèn)識地球環(huán)境的形成和演變，認(rèn)識空間現(xiàn)象和地球自然系統(tǒng)之間的關(guān)系。從現(xiàn)實和長遠(yuǎn)來看，對深空的探測和開發(fā)具有十分重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義。深空探測將是21世紀(jì)人類進(jìn)行空間資源開發(fā)與利用、空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。

重點領(lǐng)域◆月球探測；

◆火星探測；

◆水星與金星的探測；

◆巨行星及其衛(wèi)星的探測；

◆小行星與彗星的探測。

發(fā)展歷程從1958年美國和前蘇聯(lián)啟動探月計劃開始，世界發(fā)達(dá)國家和航天技術(shù)大國都先后開展了多種類型的深空探測活動。

1959年1月2日，前蘇聯(lián)發(fā)射了月球1號探測器。月球1號從距離月球表面5000多千米處飛過，并在飛行過程中測量了月球磁場、宇宙射線等數(shù)據(jù)，這是人類首顆抵達(dá)月球附近的探測器。1959年9月26日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了月球2號探測器，它是首個落在月球上的人造物體。3

全世界進(jìn)行過月球探測的國家和地區(qū)有美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲和日本以及中國。已經(jīng)開展月球探測活動126次，其中美國56次、包括10次載人月球探測，成功37次，失敗19次，成功率66%。俄羅斯64次，成功21次，失敗43次。歐洲，日本和印度各1次。中國4次，分別是嫦娥1號，嫦娥2號，嫦娥3號和嫦娥再入返回試驗器。

深空探測50年的發(fā)展經(jīng)歷了兩個高潮期：一為1958 -1976年，二為1994年至今。1958 - 1976年的深空探測第一個高潮期，是美、蘇兩國在冷戰(zhàn)背景下的空間競賽期，共實施166次探測任務(wù)。其標(biāo)志性成果是實現(xiàn)了無人月球采樣返回和載人登月。1994年美國發(fā)射的“克萊門汀”(Clementine)月球探測器發(fā)現(xiàn)了月球可能存在水冰，掀起了深空探測的第二次高潮，迄今共實施了53次探測任務(wù)。4其顯著標(biāo)志一是歐空局、日本、中國和印度等加入深空探測國家行列，二是實現(xiàn)了小天體采樣返回和火星巡視探測。

發(fā)展趨勢及最新進(jìn)展進(jìn)入21世紀(jì)，各航天國家和組織紛紛制定了深空探測計劃，美國仍以延伸人類活動疆域為長遠(yuǎn)目標(biāo)，通過對太陽系各類主要天體開展持續(xù)探測，全面掌握深空探測技術(shù)，確保和加強在航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，近期探測目標(biāo)重點是火星和小行星。歐洲空間局以實現(xiàn)載人火星飛行為目標(biāo)，與提出同一目標(biāo)的俄羅斯開展合作，將于2020年前實現(xiàn)火星著陸巡視。俄羅斯提出對太陽系其他主要天體實施探測的計劃，以期在短期內(nèi)重整旗鼓，重塑航天強國形象。日本發(fā)展的重點是實施多類型小行星的取樣返回任務(wù)，不斷發(fā)展新技術(shù)，以保持在小行星探測領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。印度把增強航天能力作為實現(xiàn)強國夢想的捷徑，在2013年取得火星探測成功后，更加大了深空探測發(fā)展步伐，計劃2020年前實施月球著陸巡視探測和第二次火星探測。

從各國深空探測的遠(yuǎn)景目標(biāo)和任務(wù)規(guī)劃分析得出國際上深空探測總體表現(xiàn)出5個方面的發(fā)展趨勢和特點：月球探測是開展深空探測的首選目標(biāo)；火星是目前行星探測的最大熱點；小天體探測成為深空探索領(lǐng)域的重點發(fā)展目標(biāo)之一；探測方式日趨多樣，逐步由技術(shù)推動轉(zhuǎn)向科學(xué)帶動；大型探測任務(wù)的國際合作模式成為重要發(fā)展途徑。5

火星作為地球外最適宜人類生存的星球，得到了美國航空航天局的青睞。雖然1992年火星觀測者任務(wù)失敗，但1997年美國發(fā)射了火星全球勘測者號軌道探測器，同年還發(fā)射了探路者號著陸探測器，進(jìn)行了火星軟著陸并釋放了一輛僅僅10.6千克的火星車。此后2001年美國發(fā)射了火星奧德賽號軌道器，然后又成功進(jìn)行了火星探測漫游者號、機遇號和勇氣號火星車的任務(wù)，并發(fā)射了鳳凰號著陸器降落在火星北極勘察水的存在，并試圖尋找是否存在適合微生物生存的環(huán)境。

美國也在繼續(xù)發(fā)射火星軌道器，2005年美國發(fā)射了火星偵查軌道器獲取了分辨率超過0.3米的超高精度火星影像。美國2011年還發(fā)射了空前先進(jìn)和復(fù)雜的好奇號火星車，在火星軟著陸和火星車探測領(lǐng)域?qū)⑵渌麌疫h(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后。美國通過軌道器的高精度照片，著陸器和火星車的實地勘察，確認(rèn)火星上過去存在河流，現(xiàn)在也存在一定的水資源，這對目前由于技術(shù)和預(yù)算問題困難重重的載人探測火星來說可謂雪中送炭。6美國和歐洲非常注重在火星探測領(lǐng)域的持續(xù)投入，并將載人火星探測作為深空探索的長遠(yuǎn)目標(biāo)。美國計劃在2030年左右將宇航員送上火星。

蘇聯(lián)解體后，力求復(fù)興的俄羅斯再次發(fā)起火星探測項目，遠(yuǎn)期目標(biāo)也是宇航員登陸；歐盟在“火星快車”探測飛船釋放著陸器失敗后，2016年3月又發(fā)射了探測火星大氣環(huán)境的“痕量氣體軌道探測器”（TGO），并且再次嘗試釋放著陸器。

印度在深空探測領(lǐng)域“一鳴驚人”。2014年，印度“曼加里安”探測飛船成功進(jìn)入火星軌道，成為第一個探索火星的亞洲國家，也是唯一一個首探火星即獲成功的國家。印度在每年航天預(yù)算僅七八億美元的條件下確保月球和火星兩個重點深空項目成功，其中“曼加里安”的成本僅為7000多萬美元，令人矚目。7

日本近十幾年來在深空探測方面也有很多進(jìn)展，2003年，發(fā)射“隼鳥”號小行星探測器，這次任務(wù)比較有趣，在兩顆小衛(wèi)星失敗的情況下，母星親自降落，一度與地球喪失聯(lián)系，控制人員宣布任務(wù)失敗，后來又奇跡復(fù)活，破天荒地取到了小行星樣本，并于2010年返回地球，降落在澳大利亞?！蚌励B”號取得的成就包括利用耗能低的離子引擎，電離氙氣噴射提供動力，實現(xiàn)了長距離運行；近距離的拍攝了小行星的照片，研究了小行星結(jié)構(gòu)，以及從小行星上抓取了巖土樣本等，但是對樣本的研究目前尚未有重大的科研進(jìn)展的消息傳出。2006年，和美國合作，發(fā)射“日之出”太陽探測器。2007年，發(fā)射“輝夜姬”月球探測器。8

中國是近年來深空探測領(lǐng)域的“新星”，其中探月是近期主要任務(wù)，火星探測計劃在2020年之后。2016年初，我國政府正式批復(fù)火星探測任務(wù)，計劃于2020年擇機發(fā)射火星探測衛(wèi)星，一步實現(xiàn)“繞、落、巡”工程目標(biāo)。如果首次任務(wù)成功，我國將進(jìn)一步實施火星表面采樣返回任務(wù)，最終實現(xiàn)對火星從全球普查到局部詳查、著陸就位分析、再到樣品實驗室分析的科學(xué)遞進(jìn)。中國科學(xué)家還提出了多項空間探測計劃。如“小行星探測”計劃，以伴飛、附著、取樣返回等探測方式，對近地目標(biāo)小行星進(jìn)行整體性探測和局部區(qū)域的就位分析。還有“木星系統(tǒng)探測”計劃等，9主要將研究木星磁層結(jié)構(gòu)、“木衛(wèi)二”大氣模型、“木衛(wèi)二”表面冰層形貌及厚度、金星—地球—木星間的太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)，以及地球生命的地外生存狀態(tài)及其演變特性等。10