20 世纪 80年代至今:如火如荼的深空探索

Space Exploration - - 深空探测专题 - □杨宇光

从上世纪80年代中后期开始,人类的深空探索进入了一个崭新的发展阶段。除了推进技术由于化学火箭发动机比冲的限制没有明显的性能提高外,航天工程在测控与数据传输、传感器、制导控制精度、能源系统、有效载荷等方面都有了长足的进步。从这一时期开始到现在,人类深空探测从深度到广度均有不同程度的拓展,使得人类对自己所居住的太阳系家园有了全方位、多角度的认识。

彗星成为探测目标

在深空探测的早期,重点是太阳系的各大行星,对彗星的探测并不是重点。由于彗星处于偏心率极高的大椭圆轨道,长周期彗星的轨道周期甚至可以长达数千年,即便是哈雷彗星这样的短周期彗星,其周期也达到76年。因此,彗星的早期发现本身就 比较困难,规划与实施与这些彗星的交会则难度更大。1985—1986 年回归的哈雷彗星,可以说是人类历史上最为著名的彗星,苏联和欧空局分别发射了维加探测器和乔托号探测器,其中乔托号探测器对哈雷彗星的彗核进行了就近探测,接近到距离彗核仅596千米的地方,取得了丰富的成果。2005年美国宇航局发射的深度撞击号,经过半年的飞行后与坦佩尔1 号彗星交会,并释放撞击器撞击该彗星的彗核,而深度撞击号通过观察撞击器溅起的尘埃云,详细分析了该彗星的物质组成,开创了小天体探测的新方式。欧空局主导的“罗塞塔/菲莱”任务,实现了对丘留莫夫-格拉西缅科彗星的环绕探测,虽然“菲莱”在着陆过程中出现问题,但整个任务还是非常成功的,特别是在2016 年 9月 30日,“罗塞塔号”主动受控撞击彗星表面,在下降过程中也获得了丰 富的探测数据。

小行星探测各显身手

除了对彗星的探测,世界各主要航天大国在小行星探测方面也各显身手。日本的“隼鸟号”实现了人类历史上第一次小行星采样返回任务。美国“新千年计划”的深空1号探测器实现了对小行星的飞越探测,更为重要的是第一次使用了高比冲的电推进

系统,开创了电推进深空探测的先河。而黎明号探测器由于使用了强大的离子推进系统,使其有能力实现对谷神星和灶神星两个天体的环绕探测。值得一提的是中国的嫦娥二号探测器,虽然其主任务是为探月设计的,但通过任务拓展,对图塔提斯小行星进行了就近探测,为中国后续深空探测器的发展积累了经验。

行星探测成就巨大

在行星探测方面,美国的火星探路者、勇气号、机遇号和好奇号火星车相继成功登陆火星,在行星表面巡视探测方面成就巨大。但印度、欧洲等发射的火星探测器,仅能实现对火星的环绕探测,在火星表面着陆仍然只有美国成功。而麦哲伦号探测器通过承载先进的雷达获得了金星浓密云层下的精确图像,信使号探测器通过 复杂的轨道转移,在速度增量有限的条件下实现了进入水星轨道探测。“伽利略号”、“卡西尼号”和“朱诺号”实现了对木星、土星这些外太阳系巨行星的环绕探测,所获得的数据量远非过去的飞掠式探测可比。“卡西尼号”还释放了欧空局制造的惠更斯号着陆器,成为第一个在土卫六着陆的探测器,揭开了这颗存在着甲烷的海洋,有可能存在原始生命的天体神秘的面纱。为了不污染潜在孕育生命的环境, “卡西尼号”将主动陨落到土星表面。

2006年发射的新视野号探测器,成为人类历史上飞得最快的探测器,这主要是为了能够赶上宝贵的木星引力加速窗口,缩短到达遥远的冥王星的时间。尽管这颗神秘的行星被从太阳系的九大行星中除名,降级为矮行星,但作为柯伊伯带最重的天体,对它的探测仍然具有不可替代的科学价值。虽然受到探测器规模的限制,“新 视野号”仅能进行飞掠式探测,但依旧获得了前所未有的成功,完全刷新了人类对这颗遥远天体的认知。由于距离达数十亿千米,几天时间飞越过程获得的探测数据需要近一年时间才能发送回地球。

对太阳的全方位探测

在所有这些探测器中,尤利西斯号太阳极区探测器是一次特点非常突出的任务,它是人类历史上第一个远离太阳系平面的飞行器。由于将飞行器的速度方向改变到垂直于自己的轨道面方向非常困难,“尤利西斯号”也是利用了木星的巨大引力做到这一点,可以说是利用其引力弹弓效应“甩”出太阳系平面的,从而获得了以前任何天文望远镜和探测器都无法达到的视角,实现了人类对太阳的全方位探测。

回顾从上世纪80年代至今,人类深空探测第二阶段的各个项目,是在之前深空探测已经取得了很多重要的太阳系天体基本参数,且航天领域各方面技术有了长足进步的情况下开展的。大多数任务都具有载荷种类和功能丰富、项目效费比高等突出特点,是在太空竞赛之后人类更加注重科研活动的实效这一大背景下进行的,目前还有很多任务正在有序地进行中,将为人类深入了解太阳系作出更大的贡献。★

▲新视野号探测器 ▲罗塞塔探测器在接近探测目标时向其释放菲莱登陆舱

▲ “乔托号”接近哈雷彗星

▲黎明号探测器

▲ 隼鸟号探测器的返回舱携带小行星样本返回地面

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