□ 楊宇光

展望未來(lái)：深空探索征途漫漫

□ 楊宇光

▲ 中國(guó)未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)中的火星探測(cè)器

人類的深空探測(cè)事業(yè)，是一條漫漫長(zhǎng)途。在可預(yù)見的未來(lái)，人類深空探測(cè)的重點(diǎn)依然是行星，小行星、彗星等太陽(yáng)系小天體。

火星探測(cè)是重中之重

▲ 也許在不久的將來(lái)人類將登陸火星

在深空探測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)取得輝煌成就的情況下，展望未來(lái)，火星仍然是人類深空探索的重中之重。由于每隔26個(gè)月才會(huì)有一次從地球到火星的理想軌道轉(zhuǎn)移窗口，因此，2018年和2020年將迎來(lái)人類探索火星的又一個(gè)高峰。美國(guó)在火星探測(cè)活動(dòng)中一直處于引領(lǐng)地位，但迄今為止人類送達(dá)的最重物體也只是質(zhì)量?jī)H900千克的好奇號(hào)火星車，因此，未來(lái)對(duì)火星的探索還有很長(zhǎng)的路要走。美國(guó)的洞察號(hào)著陸器將在2018年發(fā)射，重點(diǎn)研究火星的內(nèi)部構(gòu)造?；谂c好奇號(hào)相似的設(shè)計(jì)，美國(guó)將在2020年再次發(fā)射巡視車前往火星，它將攜帶與好奇號(hào)有所不同的有效載荷，進(jìn)一步開展巡視勘察。歐洲在獵兔犬二號(hào)和希亞帕萊利號(hào)連續(xù)登陸火星失敗后，將在2020年與俄羅斯再次開展火星登陸任務(wù)，如果能夠取得成功，僅僅其工程方面的意義就非常巨大。除了印度、阿聯(lián)酋即將開展的火星軌道器任務(wù)外，中國(guó)的首次火星探測(cè)，將集成軌道器、著陸器和巡視器為一體，非常高效地開展多方位的探測(cè)活動(dòng)，同時(shí)也將面臨巨大的工程和技術(shù)挑戰(zhàn)。

所有這些火星探測(cè)任務(wù)，都將為人類更加深入了解這顆地球的姊妹行星，了解行星演化與發(fā)展的規(guī)律提供更多的依據(jù)，在工程方面，也將為登陸火星積累更多的經(jīng)驗(yàn)。但對(duì)于未來(lái)載人登陸火星而言，將規(guī)模更大、更重的物體送上火星表面依然是巨大的挑戰(zhàn)。美國(guó)前任宇航局長(zhǎng)查爾斯·博爾登也曾提出利用美國(guó)新研制的太空發(fā)射系統(tǒng)重型運(yùn)載火箭開展火星采樣返回任務(wù)的設(shè)想，但從經(jīng)費(fèi)和技術(shù)準(zhǔn)備上看，美國(guó)公布的未來(lái)載人登陸火星的目標(biāo)，仍然遙遙無(wú)期。

▲ 美國(guó)“火星2020”計(jì)劃的火星漫游車

木星與土星的探測(cè)重點(diǎn)

對(duì)于木星和土星的探索而言，存在大量液體水的木衛(wèi)二、土衛(wèi)二，將是未來(lái)探測(cè)的重點(diǎn)，其中木衛(wèi)二上的總水量比地球還要多。美國(guó)繼伽利略號(hào)和朱諾號(hào)探測(cè)器之后，對(duì)木星系統(tǒng)的探索將以木衛(wèi)二為重點(diǎn)，包括中國(guó)在內(nèi)的其他國(guó)家也提出了未來(lái)對(duì)木衛(wèi)二進(jìn)行探測(cè)的設(shè)想。這些努力都將為人類將自己的足跡向外太陽(yáng)系拓展打前站。

雖然美國(guó)已經(jīng)通過(guò)“旅行者2號(hào)”和“新視野號(hào)”對(duì)天王星、海王星和冥王星進(jìn)行了探測(cè)，但受到探測(cè)器規(guī)模的限制，這些探測(cè)器都沒有攜帶較大的推進(jìn)系統(tǒng)，不能通過(guò)變軌進(jìn)入這些天體的環(huán)繞軌道，因此只能進(jìn)行短暫的飛掠式探測(cè)，盡管也取得了輝煌的成果，但還是不能與環(huán)繞這些天體、長(zhǎng)期進(jìn)行觀測(cè)的探測(cè)器相比。目前人類對(duì)于木星、土星等外太陽(yáng)系的遙遠(yuǎn)天體只進(jìn)行了“伽利略”、“朱諾”、“卡西尼”等有限的幾次環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，即便如此，其工程規(guī)模也遠(yuǎn)非飛掠式的小探測(cè)器相比。雖然美國(guó)已經(jīng)將天王星和海王星的環(huán)繞探測(cè)任務(wù)提上議事日程，但其難度和周期都將是前所未有的挑戰(zhàn)。更為重要的是，我們必須借助木星的引力使探測(cè)器能夠加速飛向天王星或海王星，所以最佳的探測(cè)器發(fā)射窗口很有限，一旦錯(cuò)過(guò)了時(shí)機(jī)，由于木星漫長(zhǎng)的軌道周期，等待下次窗口將是幾十年之后的事情，因此，如何抓住這次機(jī)會(huì)，將是全人類關(guān)注的大事。

對(duì)太陽(yáng)系小天體的探測(cè)

在小行星和彗星等的探測(cè)方面，日本將開展“隼鳥二號(hào)”采樣返回任務(wù)。歐空局、中國(guó)也提出了自己的近地小行星和主帶小行星探測(cè)設(shè)想。美國(guó)通過(guò)“新邊疆”計(jì)劃實(shí)施了一批中等規(guī)模的“好、快、省”項(xiàng)目，例如“新視野號(hào)”和“朱諾號(hào)”任務(wù)，正在沿著這一思路研制“奧西里斯-雷克斯”小行星采樣返回探測(cè)器，計(jì)劃于2016年9月8日發(fā)射。雖然不是人類第一次小天體采樣返回飛行器，但其任務(wù)復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于日本的“隼鳥號(hào)”，它需要在5千米的距離上對(duì)采樣目標(biāo)天體“貝努”小行星進(jìn)行詳細(xì)的觀測(cè)和成像，最后利用機(jī)械臂從小行星上提取樣本。這項(xiàng)任務(wù)對(duì)了解太陽(yáng)系和生命的起源可謂意義重大。與近地小行星不同，大部分的小行星都運(yùn)行在火星和木星之間的軌道，距離地球較遠(yuǎn)，探測(cè)周期和工程難度比較大，其中由于受木星引力的影響，有一類軌道比較特殊的特洛伊小行星，集中在木星軌道附近的特定位置，目前人類還沒有對(duì)這類小行星展開詳細(xì)的研究，期待美國(guó)的露西小行星探測(cè)任務(wù)能夠取得意想不到的新成果。

在所有這些小天體中，有巖質(zhì)、冰質(zhì)，甚至主要由金屬構(gòu)成的。例如小行星帶最大的天體——矮行星谷神星就是冰質(zhì)天體，像靈神星這樣巨大的金屬小天體并不多見。我們知道太陽(yáng)系的前身是由一顆更為巨大的恒星爆炸后的殘留物產(chǎn)生的星云，而太陽(yáng)系中的各種重元素都是在之前的超新星內(nèi)部產(chǎn)生的，包括在元素周期表中比較靠后的各種金屬元素。雖然我們?cè)诘厍蛏弦材苷业礁鞣N各樣的“隕鐵”，也即主要由金屬成分構(gòu)成的各種隕落物，但對(duì)于地球以外原始的金屬小天體進(jìn)行探測(cè)，則能夠獲得更多太陽(yáng)系的早期信息。所以靈神星探測(cè)任務(wù)與露西探測(cè)任務(wù)同樣引人注目。

美國(guó)的深空一號(hào)和黎明號(hào)探測(cè)器已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)系的小天體實(shí)施了成功的探測(cè)，其中比沖較高的電推進(jìn)技術(shù)在這些任務(wù)中大顯身手，基于太陽(yáng)能的電推進(jìn)系統(tǒng)在木星軌道范圍以內(nèi)基本上都是可用的，在未來(lái)的太陽(yáng)系探測(cè)中將發(fā)揮更加重要的作用。可以預(yù)見，隨著人類深空探索的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)放射性同位素?zé)犭娫葱枨笠矊⒏油?，開發(fā)功率達(dá)到兆瓦級(jí)的空間核反應(yīng)堆的呼聲也越來(lái)越高，這些新技術(shù)的發(fā)展也必將推動(dòng)深空探索實(shí)施更高品質(zhì)、更加復(fù)雜的任務(wù)，在深度和廣度上不斷拓展人類的認(rèn)知?！?/p>