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國際航天前沿回望:美國的2017,中國的2018

7月
10
2018

2018年7月10日17時 今日科學 觀察者網

觀察者網

文/觀察者網專欄作者 石豪

歲末年初,辭舊迎新,又到了盤點與展望的時候。在過去的2017年,國際航天前沿都發生了哪些大事?新的一年裡,又有什麼值得我們期待的航天任務?請跟隨筆者一起探索。

卡西尼號——難說再見

2017年9月15日,服役長達20年的卡西尼號土星探測器,在地面指令下主動墜入土星,這項舉世矚目的地外行星探測任務以壯麗的方式謝幕。

卡西尼號

發射於1997年10月15日的卡西尼號,由美國航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)聯合研製,從各種意義上說,都是一個可以成為「行業標準」的深空探測器:

在宇宙中,直達目標天體往往要付出巨大的燃料消耗,這不是目前技術水平所能接受的。因此,往往要通過巧妙的軌道設計,藉助其他行星的引力場,對太空飛行器進行加速——這就是著名的引力加速方案。為了抵達土星,同時消耗更少的燃料,卡西尼號發射後反而向著相反方向的金星飛行,通過兩次金星加速回到地球附近,經過地月系統加速飛向木星,再通過木星加速最終抵達土星軌道。這種藉助其他天體加速的軌道設計方案,是深空探測中必不可少。

卡西尼號飛往土星的軌跡

由於工作區域距離地球太遠,傳統的通信手段不足以滿足深空探測器的通信與測控需求,因此卡西尼號安裝了一個足足4米直徑的高增益天線,這是它外觀最典型的特徵,也是過去和未來深空探測器的標配。

同樣由於距離太遠,地球軌道適用的太陽能電池在土星軌道就顯得力不從心,並且距離太陽過遠還使太空飛行器長時間處於太空的極度深寒中,因此卡西尼號裝備了三台放射性同位素熱電機,在持續提供電能的同時,也能支持熱控系統的工作。

卡西尼號攜帶了多種科學探測載荷,能夠對土星、土星衛星和星際空間進行持續探測。值得一提的是,卡西尼攜帶了由ESA研製的惠更斯號著陸器,成功地在被濃厚大氣包圍的土衛六上降落,為科學家帶來了許多關於這顆神秘衛星的第一手資料。這種多科學儀器加著陸器的載荷模式,已經成為國際深空探測的潮流。

卡西尼號探測器布局

當然,惠更斯號著陸器由於低級失誤導致大量寶貴數據丟失的事情,也可以說是深空探測繞不開的「保留節目」,所謂人類總是重複著相同的悲劇,我們能做的是通過先進的管理模式和嚴肅的工作態度,讓探測器不帶一個隱患上天。

截止到2017年8月29日,卡西尼號探測器累計飛行了79億公里,執行了2500萬條指令,收集了635GB的科學數據,拍攝了453048張照片。老兵不死,只是凋零,我們有理由向這顆凝結了人類探索宇宙夢想的探測器致以崇高敬意。並且,在不會太遙遠的未來,那些遙遠的巨大行星將迎來來自中國的客人。

卡西尼號20年任務期統計數據

深空之門——從月球出發

卡西尼號任務終結的感傷還未褪去,美國人已經把目光重新投向了月球。

在川普簽署太空政策指令,高調宣布重返月球之前,2017年6月30日,美國國家太空委員會重新成立,該委員會的任務就是確保國家的太空政策由總統團隊協調。而在歷史上,正是第一代國家太空委員會促成了阿波羅登月計劃立項,川普如今重建該委員會,風向標意義不可謂不大。

在之前的文章中http://www.guancha.cn/ShiHao/2017_12_17_439448_s.shtml,筆者曾經介紹過美國航天政策路線的搖擺對任務規劃和太空飛行器研製的危害。在經歷過政策的不斷反覆後,美國的航天工作者已經開始考慮如何利用既有項目為總統「讓美國再次偉大」的雄心鋪路。

2017年9月27日,在澳大利亞阿德萊德舉行的第68屆國際宇航大會(IAC-68)上,NASA宣布將與俄羅斯共同建造名為深空之門(Deep Space Gateway)的月球空間站,作為載人火星探測和探索太陽系的前進基地。

深空之門空間站(左)與獵戶座飛船(右)

深空之門空間站方案的提出,源自歐巴馬政府的小行星重定向任務(ARM),該方案擬「綁架」一顆數米直徑的小行星到月球軌道,並送航天員去小行星表面進行研究。在ARM被取消後,深空之門的設計方案又要為川普政府的重返月球計劃進行修改。

根據NASA於7月17日發布的信息邀請書,深空之門的電力和推進組件(PPE)應當在發射後100天內進入近直線暈軌道(NRHO)。暈軌道是一種運行在地月系統拉格朗日點附近的軌道,能夠以較小的軌道修正穩定運行,即將於2018年發射的嫦娥4號中繼星就會在地月拉格朗日點L2附近的暈軌道工作。而NRHO,則是一種更為特殊的暈軌道,其軌道周期在6到8天,繞拉格朗日點做大橢圓運動,近點距離2000km左右,遠點距離75000km左右,軌道面幾乎垂直於地月系平面。

地月系統中拉格朗日點、暈軌道和近直線暈軌道NRHO的相對位置

儘管對近直線暈軌道的詳細研究不過10年,但科學家已經發現了它許多有意義的性質。在所有月球軌道中,NRHO可以很容易地作為地月軌道轉移的過渡,從NRHO進入月球極地軌道只需要730m/s的速度增量,耗時12小時左右,顯著優於其他過渡軌道,而保持軌道所需的速度增量每年小於10m/s。同時,在NRHO上的載人飛船與地球的通信可以不受月球屏蔽干擾,對飛船熱控系統的要求也更少。

未來的深空之門空間站,不出意外將運行在這種近直線暈軌道上。它的第一個部件——電力和推進組件PPE,將在2022年的EM-2任務中,同首艘載人獵戶座飛船一起,由SLS運載火箭發射進入月球軌道。四名太空人將搭乘獵戶座飛船,在月球軌道停留不超過3周。PPE本身重量不超過7.5噸,能為空間站提供24kW電力,能攜帶2噸氙供50kW級離子發動機使用,同時具有接受在軌補給的能力,設計壽命15年。這是一個非常有挑戰的指標,但只要能夠實現,人類將會走進深空探測的新時代。

深空之門的建設規劃

在過去的數十年間,世界各國所進行的深空項目,都沒有考慮或者說不會考慮任務的可持續性,因為完成任務尚且困難重重,更遑論持續發展。深空之門空間站的建設,將是月球任務常態化的先導,如果連近在咫尺的月球都不能做到常態化登陸,執行風險遠高於月球任務的載人探火顯然缺乏技術上的說服力。因此,月球任務的常態化將是人類走出地球,成為「星際公民」的第一步。

儘管面臨諸多不確定性因素,但美國對月球和火星探測的動向,依然值得我們密切關注。中國不是超級大國,不會像蘇聯那樣與美國展開太空競賽,但在對太空的探索中,我們不能自甘人後。合理而明確的目標,雄心勃勃且腳踏實地的規劃,加上持續而穩定的投入,才是追上世界領先水平的不二法門。

嫦娥四號——整裝待發

2018年,我們將迎來月球探測的一個小高峰:我國的嫦娥4號,印度與俄羅斯合作的月船-2號都將進行發射。隨著Google月球X大獎最後期限的臨近,私人公司探月活動也將迎來爆發:印度團隊Team Indus和日本團隊Hakuto的月球探測器,將由印度PSLV火箭發射;美國團隊Moon

Express的探測器將由紐西蘭的電子火箭發射;德國團隊PTScientists的月球車也可能在2018年由SpaceX公司的獵鷹火箭發射。

這其中,最受人關注的無疑是嫦娥4號任務,這將是人類歷史上首次月球背面著陸和表面巡視探測。儘管早先的探測器已經完成了對月球表面的完全成像,但對月球背面的著陸探測卻極為困難。由於月球自轉與繞地球公轉周期幾乎相同,因此月球背面始終「背對」地球,地球無法與降落在月球背面的探測器建立通信,因此也就不能接收月球背面發出的任何數據,也無法對著陸後的探測器發號施令。

還記得上一節提到的暈軌道嗎?解決方案就在其中——如果事先將一顆中繼星發射到月球遠端拉格朗日點L2的暈軌道上,選擇合適的軌道半徑,就能像下圖那樣建立地球-中繼星-月球背面的通信鏈路,實現對著陸器的遙測遙控。從地球上看來,中繼星就好像月球的「光暈」一樣,在月球的輪廓之外旋轉,而這也是「暈軌道」名字的由來。

位於地月L2點的中繼星示意圖

因此,嫦娥4號任務其實包含中繼星和著陸/巡視器兩部分。中繼星的明顯特徵是頂部巨大的展開式傘狀拋物面天線,直徑達到4.2米,將承擔對月雙向中繼的重任。除基本的中繼任務以外,星上配備了與荷蘭聯合研製的低頻射電探測儀,用於探測來自太陽系內天體和銀河系的低頻電磁輻射。星上還搭載了一個大孔徑角錐反射鏡,進行雷射測距,為中繼星的軌道校驗提供數據,真正做到多功能高收益。中繼星將在2018年早些時候發射,進入振幅13000km,周期14天的L2暈軌道。

論文中公開發表的嫦娥4號中繼星外形

如果一切測試順利的話,嫦娥4號探測器將於2018年年底發射,目標初步選定在月球背面的馮卡門撞擊坑。嫦娥4號的著陸器配置了降落相機、地形地貌相機、低頻射電頻譜儀和與德國合作研製的月表中子與輻射劑量探測儀等科學載荷。巡視器也配置了4台科學載荷,包括全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達和與瑞典合作研製的中性原子分析儀。

論文中公開發表的嫦娥4號著巡組合體構型

除此之外,嫦娥4號任務還為多個試驗項目提供了搭載,包括兩顆月球軌道長波天文觀測微衛星,和一個面向全國學生徵集的月面微型生態圈科普載荷。

長波天文觀測微衛星

作為歷史上的第一次月球背面著陸,嫦娥4號無疑是一項高風險任務,但其帶來的回報也是巨大的,人類有機會獲得從月球背面發來的第一手科學數據,進一步認識月球的早期演化歷史。而從嫦娥3號的備份,到書寫太空探索歷史的「第一次」,嫦娥4號任務的背後,是中國航天人自我挑戰的決心,和勇攀高峰的堅韌。筆者有理由相信,2018年的太空,值得你我期待;2018年的太空,將因五星紅旗格外精彩。

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