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深空探測:2020年開啟火星之旅

  據中國航天科技集團公司五院消息,嫦娥五號探測器系統即將開展正樣熱試驗、採樣封裝專項試驗等多個大型試驗,預計將於年底前完成發射任務。

  航天事業不僅是近地軌道航天器的研究和應用,遙遠的深空更有航天人的詩和遠方。

  前不久,美國特朗普政府透露了重返月球的雄心。我國也公佈了一系列深空探測計劃。從月球、火星到小行星、木星,在不久的將來,中國航天的腳步將不斷邁向深邃的太空。

  月球: 邁向深空第一站

  月球是人類邁向深空的第一站。

  今年12月前後,我國將發射嫦娥五號探測器,在月面著陸並採集2千克月球樣品返回地球。這是我國探月工程「繞、落、回」三步走的最後一步。

  國家航天局副局長吳艷華此前宣佈了我國第四步探月規劃:計劃于2018年發射嫦娥四號探測器,實施世界首次到月球背面的巡視探測;2020年左右發射嫦娥六號探測器,實施月球背面採樣返回任務。

  航天專家、《國際太空》雜誌社執行總編龐之浩表示,人類至今已發射上百個月球探測器,並登上了月球,但對月球的了解並不全面。目前還沒有國家在月球背面進行著陸巡視探測,首要難點是通信測控。

  航天專家、中國航天科工二院二部研究員楊宇光説,由於被地球潮汐鎖定,月球只能永遠以同一面朝向地球。人類在地球上不僅看不到月球背面,通信信號也無法達到。

  為此,我國將向地月拉格朗日2點發射一顆中繼衛星,滿足通信數據傳輸所需。但楊宇光表示,相比地面口徑達數十米的天線,無論是中繼衛星還是月球探測器,天線的口徑都不可能太大,因而只能用窄波束天線實現較大容量的數據傳輸。這對天線的指向精度要求極高。

  龐之浩説,月球背面地形比正面更複雜,隕石坑更多。要找到既有研究價值又適合著陸的地點,進行區域性詳查和精查十分重要。但他表示,深入了解月球背面對研究月球的起源和演變、調查月球地質和資源情況等有重要作用,同時那裏不受來自地球的無線電波干擾,是建造科研基地的理想聖地。

  我國還設想在未來十年內,利用機器人開展月球南北極探測。

  楊宇光介紹,在月面大部分區域,晝夜各長達半個月時間,溫差達300攝氏度,對探測器的能源、散熱、保溫等都是嚴峻挑戰。但在月球兩極有兩種特殊區域:一是永久光照區,可以獲得持續穩定的太陽能;二是永久陰影區,可能存在大量水冰。

  龐之浩認為,如果我國在全球率先用機器人對月球兩極進行區域性詳查,並能確定是否有水和其他資源,不僅能作為月球基地選址的重要參考,也有助於把月球作為跳板進行載人火星探測。因為水能用於航天員的生活,還能分解成氫和氧作為飛船燃料。他表示,開展月球背面和兩極的探測有望獲得一批重大原創性科研成果。

  火星:未來人類的「第二家園」

  除了月球,火星也是全球深空探測的重點目標。中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠曾多次表示,幾百年後,火星或許會被改造為人類的「第二家園」。

  2016年初,我國政府正式批復火星探測任務,計劃于2020年擇機發射火星探測衛星,一步實現「繞、落、巡」工程目標。

  龐之浩説,目前國外對火星的探測都是分別進行環繞、著陸、巡視,歐洲兩度試圖一次發射完成火星環繞探測和著陸探測,都在著陸過程中失敗。如果我國能一次實現「繞、落、巡」,在世界火星探測史上將是首次。

  相比月球,探測火星有許多新的難點,首要問題是距離。龐之浩表示,火星距離地球最近為5500萬公里,最遠4億公里,探測器與地球的信息傳輸延時長達幾十分鐘,這要求火星探測器具有很高的自主能力;從火星發回地球的信號衰減也很厲害,相比從月球發回的信號要差100萬倍,這對火星探測器的測控要求很高。

  進入火星軌道並在火星表面著陸也是一大難點。「該過程被稱為恐怖7分鐘,國外很多火星探測器都倒在這一關。」龐之浩説。

  楊宇光介紹,航天器在天體著陸有不同方式。比如地球大氣稠密,飛船可以利用降落傘減速,但要做好熱防護,抵禦大氣摩擦産生的高溫。月球幾乎沒有大氣,不涉及熱防護,但需全程借助火箭反推減速降落。火星大氣密度只有地球的1%,只靠降落傘不足以安全降落,要將火箭和降落傘結合;但探測器以第二宇宙速度進入火星大氣時,氣動加熱也很厲害,仍需採取熱防護措施。加上通訊延時、信號衰弱,在火星降落十分困難。

  此外龐之浩表示,火星距離太陽遠,光照強度小,加上火星大氣對陽光的削減,火星車能源供給也比月球車更困難。他介紹,綜合考慮地形複雜度、高程、光照條件、溫度等因素,我國火星探測器著陸區初步選定在火星北緯5度至39度一帶。

  如果首次任務成功,我國將進一步實施火星表面採樣返回任務,最終實現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遞進。龐之浩介紹,我國火星探測計劃總體科學目標包括研究確定火星著陸和生命存在的條件與地區,火星土壤特性及其水冰、氣體 與物質組成,火星大氣及氣候特徵,火星地質特徵、演化與比較行星學等。

  楊宇光説,目前人類還沒有實施過火星採樣返回任務,其任務非常複雜。首先需要通過多次發射或借助重型火箭,才能把任務所需的軌道器、返回器、著陸器等載荷發送到火星。另外,探測器完成採樣後要從火星表面起飛,對火箭要求很高。目前人類還沒有飛行器從火星上起飛過。

  木星系統:太陽系中的「小太陽系」

  中科院紫金山天文台研究員季江徽近日透露,我國專家計劃發射一顆小行星探測器,對三顆近地小行星進行飛越、伴飛,並落在小行星表面,進行原位採樣分析。

  龐之浩介紹,我國科學家已制定了「小行星探測」計劃,即以伴飛、附著、取樣返回等探測方式,對近地目標小行星進行整體性探測和局部區域的就位分析。其科學目標為:精確測定近地小行星軌道參數、自轉參數和形狀大小等物理參數,為規避小行星撞擊地球提供科學依據;測量目標小行星的形狀、大小、表面形態、自轉狀態等基本性質,繪製小行星的地形地貌圖,建立其形狀結構模型;獲取小行星的礦物含量、元素種類、次表層物質成分、空間風化層、內部結構等,為太陽系起源與演化提供線索;探測小行星次表層以下的有機物、水等信息,深化生命起源的認識;獲取小行星臨近空間環境參數,研究太陽風對小行星表面的空間風化作用。

  此外,我國還在醞釀對木星及木衛系統的探測。

  楊宇光介紹,太陽系裏除了太陽,其他天體的質量加起來也沒有木星大,它對穩定太陽系的運行非常重要。木星擁有數十顆衛星,整個系統被天文學家稱為「小太陽系」,其幾大衛星都非常活躍,甚至有人認為木星衛星上可能存在生命。因此對木星及其衛星進行探測,對研究太陽系的演化很有意義。

  龐之浩表示,木星距離地球比火星還遠得多,所以其發射、軌道、通信、電源等許多技術非常複雜,成本也高。至今只有美國發射過2個專用木星探測器。他介紹,我國科學家從長遠考慮,提出了「木星系統探測」計劃建議,主要將研究木星磁層結構、「木衛二」大氣模型、「木衛二」表面冰層形貌及厚度、金星—地球—木星間的太陽風結構,以及地球生命的地外生存狀態及其演變特性等。

  此外楊宇光表示,木星的引力巨大,從工程角度來説,能成為人類探索外太陽系的重要跳板。他説,先驅者10號、11號,旅行者1號、2號,卡西尼號,新視野號等,都是借助木星引力加速後飛向深空。有科學家預測,未來人類要開發外太陽系,可能要首先在木星的衛星上建立前哨基地。

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