深空探測歷史進(jìn)程及未來發(fā)展

丁煜朔

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,陜西西安 710072)

深空探測歷史進(jìn)程及未來發(fā)展

丁煜朔

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,陜西西安 710072)

對未知世界的探索是人類發(fā)展的動力,開展深空探測活動,是人類拓展生存空間,開發(fā)地外星球資源的必經(jīng)之路。本世紀(jì)的深空探測以太陽系空間為主(月球、火星、水星和金星、巨行星的衛(wèi)星、小行星和彗星),兼顧宇宙空間的觀測。本文回顧了深空探測的歷史,歷史上對月球、火星等星球探測的典型事件；介紹了未來對不同星球探測的關(guān)注問題；分析了未來深空探測的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

深空探測 月球探測 火星探測 關(guān)鍵技術(shù)

1 概述

深空探測是指脫離地球引力場，進(jìn)入太陽系空間和宇宙空間的探測，是相對于近地軌道航天器而言的。根據(jù)2000年發(fā)布的《中國的航天》白皮書中的定義，國內(nèi)目前將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測。這個定義更加明確了我國深空探測的對象和目的。本世紀(jì)的深空探測以太陽系空間為主(月球、火星、水星和金星、巨行星的衛(wèi)星、小行星和彗星)，兼顧宇宙空間的觀測。隨著深空探測技術(shù)的提高，人類的腳步將會到達(dá)更遠(yuǎn)的地方，深空探測的概念也會繼續(xù)發(fā)展。

深空探測應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下幾個目標(biāo)：利用空間資源(能源、資源、環(huán)境)；擴(kuò)展生存空間；探索太陽系和宇宙(包括生命)的起源和演化；為人類社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

2 深空探測的歷史進(jìn)程

從1958年美國和前蘇聯(lián)啟動探月計劃開始，世界發(fā)達(dá)國家和航天技術(shù)大國都先后開展了多種類型的深空探測活動。至今，深空探測已走過55年的歷史，據(jù)統(tǒng)計，從世界上第一顆月球探測器“先驅(qū)者0號”(Pioneer 0)至2014年12月日本的“隼鳥2號”，世界各國共實(shí)施深空探測任務(wù)243次，成功或部分成功136次，失敗100次，仍在飛行途中的為7次，成功率為56%，這里所說的成功或部分成功的判定依據(jù)主要以是否返回探測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.1月球探測

全世界進(jìn)行過月球探測的國家和地區(qū)有美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲和日本以及中國。已經(jīng)開展月球探測活動126次，其中美國56次、包括10次載人月球探測，成功37次，失敗19次，成功率66%。俄羅斯64次，成功21次，失敗43次。歐洲，日本和印度各1次。中國4次，分別是嫦娥1號，嫦娥2號，嫦娥3號和嫦娥再入返回試驗(yàn)器。

1959年1月2日，前蘇聯(lián)發(fā)射了月球1號探測器，這是人類首顆抵達(dá)月球附近的探測器。1969年7月16日至24日，3名美國航天員乘坐的阿波羅11號飛船于7月20日在月面靜海區(qū)著陸，人類的足跡第一次印在了月球上。1990年1月24日，日本發(fā)射了飛天號探測器。2003年9月，歐洲成功發(fā)射了它的第一顆月球探測器——智慧1號，標(biāo)志著歐洲探月活動正式開始。中國的月球探測經(jīng)過了長期的跟蹤研究和積累，2007年10月，成功發(fā)射“嫦娥一號”，實(shí)現(xiàn)了“精確變軌，成功繞月”的預(yù)定目標(biāo)，獲取了120m分辨率全月圖和大量科學(xué)數(shù)據(jù)。2010年10月發(fā)射了“嫦娥二號”月球探測器，獲得了7m分辨率全月圖和1.5m局部影像圖，發(fā)現(xiàn)了鉻元素和月球微磁場的存在，國際上首次獲得了“圖塔蒂斯”小行星10m分辨率圖像。2013年12月，成功發(fā)射“嫦娥三號”月球探測器，實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸和月面巡視勘察，并首次獲得了地球等離子體層圖像、月基觀測天文圖像和月表淺層剖面圖等。2014年11月1日再入返回飛行試驗(yàn)返回器順利著陸，探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)獲得圓滿成功。

2.2 火星探測

人類使用空間探測器進(jìn)行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史。最早期的探測器幾乎都失敗了，而火星探測也就是在一次又一次的失敗中不斷前進(jìn)。

1962年11月，前蘇聯(lián)發(fā)射火星-1探測器，這是人類首次成功的火星探測飛行。1971年，前蘇聯(lián)發(fā)射火星-2和火星-3探測器，火星-2探測器到達(dá)火星后不久便失去了聯(lián)系，火星-3探測器的軌道器沒有成功，但是其著陸器卻成為了有史以來第一個成功在火星表面著陸的探測器，雖然它僅僅火星上工作了大約20秒，甚至沒能發(fā)回一張完整的照片就永遠(yuǎn)與地球失去了通信聯(lián)系。1971年，美國發(fā)射水手9號，成為第一顆繞火星公轉(zhuǎn)的探測器，第一次傳回了大星有關(guān)這顆紅色星球的信息，包括火星表面的巨火山、大峽谷體系及水曾在該星球上流動的證據(jù)。2003年6月2日，歐洲航天局的“火星快車”探測器發(fā)射升空。2004年1月23日，歐洲航天局宣布，“火星快車”探測器發(fā)現(xiàn)火星南極存在冰凍水，這是人類首次直接在火星表面發(fā)現(xiàn)水。2013年11月5日，印度成功發(fā)射“曼加里安”火星探測器；2014年9月24日，印度“曼加里安”火星車成功進(jìn)入火星軌道，印度成為全球第4個成功進(jìn)行火星探測的國家。

2.3 對其他星球的探測

另外，人類對除月球、火星以外的其他星球也進(jìn)行了多次探測，這包括水星、金星、類木行星、彗星和小行星。

1973年，美國發(fā)射水手-10探測器，進(jìn)入近日點(diǎn)在水星軌道上的日心軌道，成為人造行星，經(jīng)過三次飛越水星，對水星45%的表面進(jìn)行了成像探測。但是，人類仍然不能了解這個神秘星球的全貌。2004 年8月3號，美國信使號水星探測器成功發(fā)射，經(jīng)過六年半的飛行于2011年3月進(jìn)入水星軌道?！靶攀固枴睘榛鹦堑难芯刻峁┝舜罅康膱D片和資料，對于人類認(rèn)識水星具有極其重要的意義。2014年，從信使號傳回的圖片中發(fā)現(xiàn)水星北極地區(qū)有冰的存在。

人類對太陽系行星的空間探測首先是從金星開始的，迄今為止，發(fā)往金星或路過金星的各種探測器已經(jīng)超過40個，獲得了大量有關(guān)金星的科學(xué)資料。1990年美國發(fā)射的麥哲倫號金星探測器對金星地表拍攝了非常詳細(xì)的地形照片。2005年11月9日，歐洲空間局的“金星快車”探測器升空。這是歐洲首次發(fā)射金星探測器，也是第一個對金星大氣和等離子環(huán)境進(jìn)行全球研究的探測器。這些空間探測器使科學(xué)家們認(rèn)識到金星的三層大氣結(jié)構(gòu)、亂石縱橫的地質(zhì)地貌以及金星的溫室效應(yīng)等。

表1

類木行星為類似木星的氣體行星，體積較其他巖質(zhì)的行星來的大，包括木星，土星，天王星以及海王星等四個行星。最早探測木星的是發(fā)射于1972年的先驅(qū)者-10；1973年發(fā)射的先驅(qū)者-11在飛越木星時，利用木星的引力飛越土星；1977年發(fā)射的旅行者-2對木星、土星、天王星進(jìn)行了聯(lián)合探測；1989年，美國和歐洲航天局聯(lián)合發(fā)射“伽利略”探測器，探測木星及它的四顆衛(wèi)星；1997年，“卡西尼”探測器發(fā)射成功，用于探測土星和它的衛(wèi)星——泰坦。對類木行星的探測也取得了許多成功：在木衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了冰層和海洋，其洋底存在火山，有著豐富的海洋熱能，這說明木衛(wèi)二有可能存在原始生命活動。在木衛(wèi)三表面發(fā)現(xiàn)有水和泥漿從表層裂縫中涌出，表明其覆蓋有冰層，冰層下可能存在咸水海洋。在泰坦上發(fā)現(xiàn)液體甲烷湖泊，科學(xué)家指出在其冰封的地下可能存在液態(tài)水層。

從二十世紀(jì)七十年代開始，在一些探測項(xiàng)目中出現(xiàn)了對彗星及小行星探測的任務(wù)。1985年ESA發(fā)射了第一個專門探測彗星的探測器——喬托號，該探測器飛越哈雷彗星后暫停工作。于1990年恢復(fù)，并在1992年7月10日與Grigg-Skjellerup彗星相遇。日本于1985年發(fā)射“先鋒”和“彗星”兩個相同的探測器，并與1986年分別飛越彗星。2004年3月2號，歐洲空間局發(fā)射羅塞塔號彗星探測器，主要任務(wù)是探索46億年前太陽系的起源之謎，以及彗星是否為地球“提供”生命誕生時所必需的水分和有機(jī)物質(zhì)。2014年11月13日凌晨，由羅塞塔彗星探測器釋放的“菲萊”著陸器成功登陸，成為人類首個登上彗核的航天器。

3 深空探測的未來發(fā)展

深空探測是在衛(wèi)星應(yīng)用和載人航天取得重大成就的基礎(chǔ)上，向更廣闊的太陽系空間進(jìn)行的探索。盡管探索之路困難重重，但人類邁向宇宙的步伐從未減緩。面對未知的茫茫宇宙，人類沒有退縮，而是在探索未知的路上攻難克險、勇往直前。二十一世紀(jì)，深空探測必然會取得更多成果。

3.1 未來關(guān)注問題

未來的深空探測將主要重點(diǎn)圍繞太陽系和行星系統(tǒng)的起源與演化，尋找地外生命和宜居環(huán)境。針對不同的星球，側(cè)重點(diǎn)有所不同，具體情況列表如1：

深空探測以月球及火星的探測為主，同時將適當(dāng)開展類木行星及其衛(wèi)星、水星、金星、彗星及小行星探測。探月未來的發(fā)展趨勢是探測月球資源并利用；開發(fā)利用月球特殊空間環(huán)境資源(超高真空、無大氣活動、無磁場、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、弱重力、超潔凈)， 建立月基天文臺、特殊生物制品和特種新型材料生產(chǎn)基地、基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等；建立月球長期居留基地并利用月球進(jìn)行深空探測。目前，火星探測的技術(shù)能力日趨成熟，對火星全球的了解也已不輸月球，未來將朝著重點(diǎn)地區(qū)精細(xì)探測、采樣返回、載人環(huán)繞和登陸的方向邁進(jìn)。美國計劃在2020年前后發(fā)射空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、火星鉆探漫游者，并于2037年派宇航員登上火星。

3.2 深空探測的未來技術(shù)

深空探測相比較近地航天任務(wù)來說，具有距離遙遠(yuǎn)、飛行時間長、數(shù)據(jù)傳輸速率有限、深空環(huán)境復(fù)雜等一系列難題，需要強(qiáng)大的技術(shù)支持。未來，深空探測將不斷發(fā)展，因此航天技術(shù)水平必須得到提升，以適應(yīng)人類向更高更遠(yuǎn)的太空探索。下面，主要介紹幾項(xiàng)深空探測的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)高效推進(jìn)技術(shù)。隨著深空探測的發(fā)展，人類將會到達(dá)更遠(yuǎn)的地方，為了實(shí)現(xiàn)飛行器在較短的時間中攜帶較多的儀器到達(dá)指定軌道，高效的推進(jìn)技術(shù)必將得到迅猛發(fā)展。其中電推進(jìn)具有比沖高、壽命長、重復(fù)啟動可達(dá)上萬次的優(yōu)點(diǎn)。電推進(jìn)器的推力一般小于100N，因而適合深空探測。

(2)智能自主技術(shù)。NASA的“新盛世”計劃把智能自主技術(shù)放在首位，使深空探測器能自主完成導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)處理、故障判斷和部分重構(gòu)與維修工作。歐空局、俄羅斯、日本和印度在自主技術(shù)方面也都開展了研發(fā)工作。

(3)測控通信技術(shù)。深空跟蹤測量與通信技術(shù)是探測活動成敗的關(guān)鍵。它包括：在整個飛行過程中進(jìn)行高精度跟蹤測量，以準(zhǔn)確確定軌道并進(jìn)行軌道機(jī)動控制和狀態(tài)監(jiān)視；在達(dá)到目標(biāo)后進(jìn)行制動和入軌等操作；在探測過程中通過深空通信系統(tǒng)將操作指令發(fā)送給科學(xué)儀器，以控制其進(jìn)行科學(xué)探測，并將所獲取的科學(xué)探測數(shù)據(jù)傳回地球。

其中，光學(xué)通信可以將深空探測數(shù)據(jù)的傳輸速率提高幾個數(shù)量級，在光學(xué)通信中，信息通過激光和望遠(yuǎn)鏡傳輸，性能更高，而且航天器上的通信設(shè)備更輕巧。

(4)新型軌道設(shè)計技術(shù)。飛行器在進(jìn)行深空探測時，由于飛行距離遠(yuǎn)、飛行環(huán)境復(fù)雜多樣，這就需要發(fā)展新型軌道設(shè)計技術(shù)，確保飛行器成功入軌。

借力飛行技術(shù)是指借助大天體如行星的引力調(diào)整或改變探測器飛行軌道的軌道設(shè)計技術(shù)。很多探測器都采用了借力飛行技術(shù)，從而節(jié)省了大量推進(jìn)劑。氣動減速技術(shù)是指利用行星大氣特性實(shí)現(xiàn)氣動減速的軌道設(shè)計技術(shù)。小推力過渡軌道設(shè)計技術(shù)是新型軌道設(shè)計技術(shù)與新型推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以利用新型推進(jìn)器的推力實(shí)現(xiàn)軌道加速。

4 結(jié)語

經(jīng)過55年的太空探索，人類向著宇宙深處邁進(jìn)。從1958年探月計劃開始，深空探索已經(jīng)取得了舉世矚目的成果，但是，面對茫茫宇宙，人類只是滄海一粟，宇宙深處的奧秘等待著人類的不斷探究。二十一世紀(jì)，深空探索必將迎來新的高潮。

我國航天技術(shù)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已經(jīng)掌握了衛(wèi)星和運(yùn)載技術(shù)、近地空間探測，空間科學(xué)研究具備一定的實(shí)力，載人航天取得了巨大成就，探月工程穩(wěn)步推進(jìn)。但是，我國深空探測起步較晚，與航天強(qiáng)國存在一定的差距。因此，一定要抓住機(jī)遇，制定規(guī)劃，以科學(xué)為驅(qū)動力，突破關(guān)鍵技術(shù)，開拓外太空新領(lǐng)域。

[1]中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室.中國的航天[R].2000-11,北京.

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[3]徐偉彪,趙海濱.小行星科學(xué)探測的歷史意義和展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(11):1183-1190.

[4]吳偉仁,于登云.深空探測發(fā)展與未來關(guān)鍵技術(shù)[J].深空探測學(xué)報, 2014,1(1):5-17.