向着更远的深空迈进

Space Exploration - - 星海观潮 - □杨宇光

40年前即1977年9月5日发射的旅行者1号深空探测器,已经成为目前飞行最远的人造物体。美国宇航局认为它已经进入了恒星际空间。截至 2017 年 6 月 1日,它与太阳的距离已经达到 208 亿千米。

近年来,人类在深空探测和空间天文学领域取得了越来越多的重大成果。这些成果不但极大地吸引了公众的目光,更使人类对我们所存在的宇宙、太阳系有了更加深入的了解,让我们能够更好地知晓过去曾经的历史,更加准确地把握明天的发展。

从航天时代的早期开始,天文学与空间技术就产生了密不可分的关联。航天活动赖以进行的时间基准、空间姿态基准等的建立,得益于早期天文学家对宇宙和地球自转规律的观察。从大航海时代开始,直到如今的太空时代,无论是航船还是太空飞行器,都要依靠天文学家确定的精确恒星星历来获知自己的位置或准确的姿态。

航天技术开始起步的阶段,就与天文学产生了相辅相成的促进关系。1957年苏联把第一颗人造卫星送入地球轨道之后,马上就开始了探索月球之旅。尽管第一次撞月的尝试未能成功,只是从月球旁边飞掠而过,但也获得了靠单纯的天文观测无法获知的重要参数。随着美国和苏联太空竞赛的不断深入,不但载人航天技术突飞猛进,在月球、水星、金星和火星的探测中也不断获得大量的研究成果。其中非常重要的就是获得了这些 天体的精确运动参数和物理参数,使得人类获得了比以往单纯靠地面天文观测更加精确的行星轨道预报,同时还获得了这些天体的详细表面图像,从而使天文学的研究也因为技术的进步获得了脱胎换骨的飞跃。

冷战结束以来,深空探测和太空天文观测的步伐向着更加实用、更加高效的方向发展。无论是口径巨大的哈勃空间望远镜、环绕金星的麦哲伦探测器、考察木星的伽利略探测器,还是考察土星/土卫六的卡西尼- 惠更斯探测器,考察太阳极地区域的尤利西斯探测器等,都在单次探测任务中获得了海量的探测成果,一次任务积累的数据量甚至比大型图书馆的藏书量都要大。这些持续时间长、质量高的空间探索活动,尽管都是投入高达十亿美元以上的庞大任务,但考虑到这些丰硕的成果,的确是非常“超值”的。

随着技术的进步,利用航天技术进行深空探测活动的步伐越来越快,效率也越来越高。其中,电推进的出现和广泛应用给深空探测器插上了翅膀。由于离子推进器的比冲比化学燃料火箭高出数倍,因此在完成相同探测任务时所需要的探测器尺寸和质量变得比以往更小。从美国的“深空一号”,到欧空局的“灵巧一号”,再到后来的“黎明号”,都得益于电推进技术的实用。另外,利用行星引力的借力飞行技术也越来越成熟。在探索外太阳系的行星时,探测器往往不是直接向外发射,而是先向太阳系内 侧的金星发射,利用探测器掠过金星、地球等的过程实现加速,这样能够省不少燃料。此外,电子技术的发展也使得深空探测器的功能今非昔比,今天的深空探测器所使用的电子元件比过去更加强大,尺寸、质量和功耗也比过去更小,图像压缩等方面的技术也使得探测数据能够以更高的码速率、更高的效率传回地球。

由于深空探测活动无法产生直接的经济效益,我们可以预见,未来一段时间的深空探测活动将比过去更加注重效费比。类似于电推进这样可以大大缩小探测器规模的新技术将得到更广阔的应用。另一方面,随着美国等国家以载人登陆火星为终极目的的科研投入,会出现类似 SLS-1 这样运载能力达百吨以上的重型运载器,也有可能出现达到兆瓦级以上输出功率的空间核反应堆和以此为基础的大推力核热推进系统或核电推进系统。虽然这样的系统耗资都非常巨大,但的确也为人类提供了新的选择与技术手段,有可能进行更大规模的深空探测。我们期待着未来能够有口径比“哈勃”大数倍的超级天文望远镜出现在太空,也期待着比“好奇号”更大、携带更多科学考察仪器的探测器能够在火星表面巡视,以及更多的探测器像日本的“隼鸟号”那样能够把小行星、彗星甚至大行星表面的样本送回地球供我们研究。所有这些,将为人类加深对宇宙和太阳系的认识带来更大的飞跃,为人类的文明与进步做出重要贡献。★

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