展望未来:深空探索征途漫漫

Space Exploration - - 深空探测专题 - □杨宇光

人类的深空探测事业,是一条漫漫长途。在可预见的未来,人类深空探测的重点依然是行星,小行星、彗星等太阳系小天体。

火星探测是重中之重

在深空探测领域已经取得辉煌成就的情况下,展望未来,火星仍然是人类深空探索的重中之重。由于每隔26个月才会有一次从地球到火星的理想轨道转移窗口,因此,2018年和2020年将迎来人类探索火星的又一个高峰。美国在火星探测活动中一直处于引领地位,但迄今为止人类送达的最重物体也只是质量仅900 千克的好奇号火星车,因此,未来对火星的 探索还有很长的路要走。美国的洞察号着陆器将在 2018 年发射,重点研究火星的内部构造。基于与好奇号相似的设计,美国将在 2020年再次发射巡视车前往火星,它将携带与好奇号有所不同的有效载荷,进一步开展巡视勘察。欧洲在猎兔犬二号和希亚 帕莱利号连续登陆火星失败后,将在2020年与俄罗斯再次开展火星登陆任务,如果能够取得成功,仅仅其工程方面的意义就非常巨大。除了印度、阿联酋即将开展的火星轨道器任务外,中国的首次火星探测,将集成轨道器、着陆器和巡视器为一体,非常高效地

开展多方位的探测活动,同时也将面临巨大的工程和技术挑战。

所有这些火星探测任务,都将为人类更加深入了解这颗地球的姊妹行星,了解行星演化与发展的规律提供更多的依据,在工程方面,也将为登陆火星积累更多的经验。但对于未来载人登陆火星而言,将规模更大、更重的物体送上火星表面依然是巨大的挑战。美国前任宇航局长查尔斯·博尔登也曾提出利用美国新研制的太空发射系统重型运载火箭开展火星采样返回任务的设想,但从经费和技术准备上看,美国公布的未来载人登陆火星的目标,仍然遥遥无期。

木星与土星的探测重点

对于木星和土星的探索而言,存在大量液体水的木卫二、土卫二,将是未来探测的重点,其中木卫二上的总水量比地球还要多。美国继伽利略号和朱诺号探测器之后,对木星系统的探索将以木卫二为重点,包括中国在内的其他国家也提出了未来对木卫二进行探测的设想。这些努力都将为人类将自己的足迹向外太阳系拓展打前站。

虽然美国已经通过“旅行者2号”和“新视野号”对天王星、海王星和 冥王星进行了探测,但受到探测器规模的限制,这些探测器都没有携带较大的推进系统,不能通过变轨进入这些天体的环绕轨道,因此只能进行短暂的飞掠式探测,尽管也取得了辉煌的成果,但还是不能与环绕这些天体、长期进行观测的探测器相比。目前人类对于木星、土星等外太阳系的遥远天体只进行了“伽利略”、“朱诺”、“卡西尼”等有限的几次环绕探测任务,即便如此,其工程规模也远非飞掠式的小探测器相比。虽然美国已经将天王星和海王星的环绕探测任务提上议事日程,但其难度和周期都将是前所未有的挑战。更为重要的是,我们必须借助木星的引力使探测器能够加速飞向天王星或海王星,所以最佳的探测器发射窗口很有限,一旦错过了时机,由于木星漫长的轨道周期,等待下次窗口将是几十年之后的事情,因此,如何抓住这次机会,将是全人类关注的大事。

对太阳系小天体的探测

在小行星和彗星等的探测方面,日本将开展“隼鸟二号”采样返回任务。欧空局、中国也提出了自己的近地小行星和主带小行星探测设想。美 国通过“新边疆”计划实施了一批中等规模的“好、快、省”项目,例如“新视野号”和“朱诺号”任务,正在沿着这一思路研制“奥西里斯-雷克斯”小行星采样返回探测器,计划于2016年 9 月 8日发射。虽然不是人类第一次小天体采样返回飞行器,但其任务复杂程度远大于日本的“隼鸟号”, 它需要在5千米的距离上对采样目标天体“贝努”小行星进行详细的观测和成像,最后利用机械臂从小行星上提取样本。这项任务对了解太阳系和生命的起源可谓意义重大。与近地小行星不同,大部分的小行星都运行在火星和木星之间的轨道,距离地球较远,探测周期和工程难度比较大,其中由于受木星引力的影响,有一类轨道比较特殊的特洛伊小行星,集中在木星轨道附近的特定位置,目前人类还没有对这类小行星展开详细的研究,期待美国的露西小行星探测任务能够取得意想不到的新成果。

在所有这些小天体中,有岩质、冰质,甚至主要由金属构成的。例如小行星带最大的天体——矮行星谷神星就是冰质天体,像灵神星这样巨大的金属小天体并不多见。我们知道太 阳系的前身是由一颗更为巨大的恒星爆炸后的残留物产生的星云,而太阳系中的各种重元素都是在之前的超新星内部产生的,包括在元素周期表中比较靠后的各种金属元素。虽然我们在地球上也能找到各种各样的“陨铁”,也即主要由金属成分构成的各种陨落物,但对于地球以外原始的金属小天体进行探测,则能够获得更多太阳系的早期信息。所以灵神星探测任务与露西探测任务同样引人注目。

美国的深空一号和黎明号探测器已经对太阳系的小天体实施了成功的探测,其中比冲较高的电推进技术在这些任务中大显身手,基于太阳能的电推进系统在木星轨道范围以内基本上都是可用的,在未来的太阳系探测中将发挥更加重要的作用。可以预见,随着人类深空探索的规模越来越大,对放射性同位素热电源需求也将更加旺盛,开发功率达到兆瓦级的空间核反应堆的呼声也越来越高,这些新技术的发展也必将推动深空探索实施更高品质、更加复杂的任务,在深度和广度上不断拓展人类的认知。★

▲中国未来火星探测任务中的火星探测器

▲也许在不久的将来人类将登陆火星

▲美国“火星2020”计划的火星漫游车

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