2018年國(guó)外空間探測(cè)發(fā)展綜述

盧波（北京空間科技信息研究所）

世界空間探測(cè)活動(dòng)經(jīng)歷半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已步入穩(wěn)步和快速發(fā)展階段。2018年主要航天國(guó)家在空間探測(cè)技術(shù)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)方面繼續(xù)取得新的突破和成就，全球?qū)嵤┝?次新的空間探測(cè)任務(wù)，2次任務(wù)取得新成果，另有2個(gè)空間探測(cè)器結(jié)束使命。

截至2018年年底，美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、日本、中國(guó)、印度等國(guó)家和組織先后發(fā)射實(shí)施了250次空間探測(cè)任務(wù)。不考慮搭載任務(wù)，目前全球在軌工作或飛行途中的探測(cè)任務(wù)共有32次（包括34個(gè)探測(cè)器），其中火星探測(cè)器9個(gè)，月球探測(cè)器7個(gè)，小行星探測(cè)器2個(gè)，金星探測(cè)器1個(gè)，水星探測(cè)器1個(gè)，木星探測(cè)器1個(gè)，冥王星探測(cè)器1個(gè)，太陽(yáng)探測(cè)器6個(gè)，星際探測(cè)器2個(gè)，深空技術(shù)試驗(yàn)器1個(gè)以及地球以遠(yuǎn)空間科學(xué)望遠(yuǎn)鏡3個(gè)。按所屬?lài)?guó)家劃分，分別是美國(guó)21個(gè)，歐洲5個(gè)，日本3個(gè)，中國(guó)4個(gè)，印度1個(gè)。

世界各國(guó)家和組織實(shí)施的空間探測(cè)任務(wù)次數(shù)

美國(guó)成功發(fā)射“洞察”火星著陸器

“洞察”（InSight）火星著陸器是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的新型深度鉆巖著陸器，于2018年5月5日在美國(guó)西海岸加利福尼亞州的范登堡空軍基地搭乘宇宙神－5（Atlas－5）運(yùn)載火箭發(fā)射升空。該任務(wù)將首次鉆探火星表面以下5m深處，對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，包括火星地殼、地幔和地核。

隨“洞察”著陸器一起發(fā)射的還有2顆立方體衛(wèi)星—火星立方－1（MarCO－1），首次利用立方體衛(wèi)星進(jìn)行了深空中繼通信能力驗(yàn)證。這2顆立方體衛(wèi)星在飛掠火星完成中繼測(cè)試任務(wù)后，將繼續(xù)飛入深空。這次試驗(yàn)任務(wù)將是立方體衛(wèi)星向深空發(fā)展進(jìn)程中的重要一步。

“洞察”經(jīng)歷6個(gè)月的巡航飛行，于11月27日抵達(dá)火星并成功著陸在火星赤道以北的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。著陸器的進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程持續(xù)6.5min，采用防熱罩、降落傘和反推火箭等綜合手段來(lái)降低下降速度?！岸床臁碧綔y(cè)器的主任務(wù)期約為1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年），即728個(gè)地球日。

MarCO－1成功為“洞察”著陸器的進(jìn)入、下降與著陸提供了實(shí)時(shí)通信中繼，驗(yàn)證了立方體衛(wèi)星在深空探測(cè)任務(wù)中的可行性，為立方體衛(wèi)星在未來(lái)深空任務(wù)中的應(yīng)用開(kāi)辟了新機(jī)遇。MarCO－A在飛越火星的過(guò)程中還進(jìn)行了火星大氣的測(cè)量；MarCO－B在“洞察”著陸后不久傳回了拍攝的火星圖像。

為提升公眾對(duì)空間探索的關(guān)注，NASA還通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在世界范圍為“洞察”征集了公眾簽名活動(dòng)，將全球240多萬(wàn)人的名字刻在硅質(zhì)薄片上，其中包括中國(guó)26萬(wàn)人的名字，隨“洞察”一起飛往火星。

美國(guó)成功發(fā)射“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”

NASA“洞察”火星著陸器

NASA“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”示意圖

2018年8月12日，NASA采用德?tīng)査?H（Delta－4H）重型運(yùn)載火箭成功發(fā)射了“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”（Parker Solar Probe）。該探測(cè)器是世界首個(gè)飛進(jìn)太陽(yáng)日冕進(jìn)行探測(cè)的航天器，任務(wù)目的是深入研究日冕和太陽(yáng)風(fēng)，并對(duì)可能影響人類(lèi)日常生活的太陽(yáng)風(fēng)暴和空間天氣進(jìn)行預(yù)警。“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”將于2024年12月最終抵達(dá)距離太陽(yáng)6.0×106km處，是迄今為止人造航天器最接近太陽(yáng)的地方，將獲得比以往太陽(yáng)探測(cè)任務(wù)更清晰、更全面的成果，進(jìn)而揭示日冕的能量和熱量的流動(dòng)機(jī)制，探索太陽(yáng)風(fēng)加速的原因。

“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”將在近7年的時(shí)間里利用7次金星借力飛行逐漸縮小環(huán)繞太陽(yáng)的橢圓軌道，將近日點(diǎn)從35Rs（Rs為太陽(yáng)半徑）逐漸減小到約9.5Rs，最后抵達(dá)距離太陽(yáng)約6.0×106km處。探測(cè)器的最終軌道為（5.9×106）km×（1.1×108）km的大橢圓軌道，相對(duì)于黃道面的軌道傾角為3.4°，軌道周期為88天。

在“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”之前，人類(lèi)有史以來(lái)發(fā)射的距離太陽(yáng)最近的探測(cè)器是1976年德國(guó)和美國(guó)合作發(fā)射太陽(yáng)神－B（Helios－B）探測(cè)器，近日點(diǎn)為0.29AU，而“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”與太陽(yáng)的距離則為太陽(yáng)神－B與太陽(yáng)的距離的1/7。因此，“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”將獲得比以往太陽(yáng)探測(cè)任務(wù)更清晰和更全面的探測(cè)成果。

“貝皮-科倫布”探測(cè)器組合體的飛行狀態(tài)

歐日合作成功發(fā)射 “貝皮-科倫坡”水星探測(cè)器

“貝皮-科倫布”（Bepi-Colombo）是ESA與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作實(shí)施的水星探測(cè)任務(wù)，于2018年10月19日（北京時(shí)間10月20日09：45）搭乘阿里安－5ECA（Ariane－5ECA）運(yùn)載火箭在法屬圭亞那庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。這是人類(lèi)第三次探測(cè)水星，是首次采用2個(gè)軌道器組成的編隊(duì)對(duì)水星展開(kāi)探測(cè)，也是歐洲和日本首次嘗試對(duì)距離太陽(yáng)最近、溫度極高的水星進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)?！柏惼?科倫布”預(yù)計(jì)將于2025年底飛抵水星，將對(duì)水星環(huán)境進(jìn)行全面觀測(cè)，尋找水星上的撞擊坑，探測(cè)水星的大氣、磁層、表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究水星的起源和演化，并驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論。

“貝皮-科倫布”探測(cè)器由“水星行星軌道器”（MPO）、“水星磁層軌道器”（MMO）、“水星轉(zhuǎn)移模塊”（MTM）和“MMO遮光罩及連接機(jī)構(gòu)”（MOSIF）等四部分構(gòu)成。其中，ESA負(fù)責(zé)研制“水星行星軌道器”、“水星轉(zhuǎn)移模塊”和“MMO遮光罩及連接機(jī)構(gòu)”；JAXA負(fù)責(zé)研制“水星磁層軌道器”。

探測(cè)器組合體預(yù)計(jì)在2025年12月進(jìn)入遠(yuǎn)水點(diǎn)為1.78×105km的繞水星大橢圓軌道，“太陽(yáng)能電推進(jìn)模塊”先從“水星轉(zhuǎn)移模塊”分離出去，之后，啟動(dòng)化學(xué)推力器降低軌道高度，使探測(cè)器組合體進(jìn)入400km×12000km的環(huán)繞水星大橢圓軌道，“水星磁層軌道器”與組合體分離，獨(dú)立運(yùn)行在該軌道上。之后，再啟動(dòng)化學(xué)推力器，使余下的組合體進(jìn)一步降低軌道高度，進(jìn)入400km×1500km的水星極軌道。此時(shí)“水星行星軌道器”與“水星轉(zhuǎn)移模塊”分離，獨(dú)立運(yùn)行在400km×1500km、傾角90°的環(huán)繞水星極軌道上。

目前，“貝皮-科倫布”探測(cè)器組合體飛行正常，在飛往水星的7.2年時(shí)間里將經(jīng)歷1次地球飛越、2次金星飛越和6次水星飛越，飛行大約9.0×109km的距離，預(yù)計(jì)2025年12月5日進(jìn)入環(huán)繞水星軌道，此后將開(kāi)始為期1年的主觀測(cè)任務(wù)。“貝皮-科倫布”任務(wù)將通過(guò)2個(gè)軌道器的編隊(duì)探測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)水星的最全面覆蓋觀測(cè)。

中國(guó)成功向月球發(fā)射2個(gè)探測(cè)器

由于嫦娥－4（Chang’e－4）在月球背面著陸，對(duì)地球不可見(jiàn)，需要通過(guò)中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)著陸器與地面的通信聯(lián)系，以完成地面測(cè)控和科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。

2018年5月21日，承擔(dān)嫦娥－4通信中繼任務(wù)的“鵲橋”（Queqiao）由中國(guó)長(zhǎng)征－4C運(yùn)載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。6月14日，“鵲橋”飛抵距離月球約6.5×104km的地月拉格朗日L2點(diǎn)附近，進(jìn)入環(huán)繞L2點(diǎn)的Halo軌道?！谤o橋”是世界首顆運(yùn)行于地月拉格朗日L2點(diǎn)的通信衛(wèi)星。

“鵲橋”為降落在月球背面的著陸器與巡視器進(jìn)行通信中繼的示意圖

玉兔－2巡視器全景相機(jī)對(duì)嫦娥－4著陸器成像

嫦娥－4著陸器地形地貌相機(jī)對(duì)玉兔－2巡視器成像

2018年12月8日，嫦娥－4由長(zhǎng)征－3B運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。

嫦娥－4于2019年1月3日成功著陸在月球背面馮·卡門(mén)撞擊坑內(nèi)，攜帶的玉兔－2巡視器也在當(dāng)天與著陸器成功分離，順利駛抵月背表面。目前，著陸器和玉兔－2已完成互拍成像，下一步將開(kāi)展對(duì)月球背面著陸點(diǎn)周?chē)h(huán)境的進(jìn)一步探測(cè)。

日本隼鳥(niǎo)－2探測(cè)器在龍宮小行星表面成功部署小型著陸器

2018年10月3日，日本隼鳥(niǎo)－2（Hayabusa－2）小行星探測(cè)器在距離龍宮（Ryugu，即1999JU3）小行星表面51m處，成功將“吉祥物”（MASCOT）小型著陸器投放到龍宮小行星表面。

隼鳥(niǎo)－2是日本第二次小行星采樣返回任務(wù)，任務(wù)目的是對(duì)龍宮小行星進(jìn)行探測(cè)和采樣，并攜帶樣品返回地球。隼鳥(niǎo)－2于2014年12月3日搭乘H－2A運(yùn)載火箭從種子島空間中心發(fā)射。經(jīng)過(guò)3年半的飛行，于2018年6月底進(jìn)入繞龍宮小行星運(yùn)行的軌道。

美國(guó)“奧西里斯-雷克斯”探測(cè)器成功進(jìn)入環(huán)繞貝努小行星的軌道

2018年12月31日，美國(guó)NASA于2016年發(fā)射的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex）小行星探測(cè)器成功進(jìn)入環(huán)繞貝努（Bennu）小行星的軌道，距離該小行星中心約1.75km，創(chuàng)造了記錄，此前尚無(wú)航天器如此近距離環(huán)繞這種小天體。貝努小行星直徑僅500m，是人類(lèi)航天器迄今在軌繞行的最小天體。

進(jìn)入環(huán)繞貝努小行星軌道后，探測(cè)器將進(jìn)行多次降軌機(jī)動(dòng)，對(duì)貝努小行星進(jìn)行1年半左右的詳細(xì)測(cè)繪和采樣點(diǎn)考察。2020年7月，探測(cè)器將根據(jù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)確定的采樣地點(diǎn)，進(jìn)行下降和接近小行星表面的一系列操作，但并不著陸，而是利用TAGSAM機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂采集約60g的小行星樣品。

完成采樣后，探測(cè)器計(jì)劃于2021年3月開(kāi)始返回地球的旅程，預(yù)計(jì)于2023年9月到達(dá)地球。

美國(guó)“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡因燃料耗盡結(jié)束使命

2018年10月30日，美國(guó)NASA宣布其2009年發(fā)射的“開(kāi)普勒”（Kepler）空間望遠(yuǎn)鏡因燃料耗盡結(jié)束任務(wù)使命?！伴_(kāi)普勒”望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)軌道壽命為4年，實(shí)際在軌運(yùn)行了9年多。

Hayabusa－2抵達(dá)龍宮小行星

“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡在軌飛行示意圖

“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡是NASA于2009年3月7日用德?tīng)査?型運(yùn)載火箭發(fā)射的天文觀測(cè)空間望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)入環(huán)繞太陽(yáng)的日心軌道，是世界首個(gè)用于搜尋太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的空間探測(cè)器。

在“開(kāi)普勒”任務(wù)之前，人們只發(fā)現(xiàn)了大約80顆系外行星。截至2018年底，人類(lèi)已確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了約3800顆系外行星，其中有2662顆是“開(kāi)普勒”發(fā)現(xiàn)的，約占被發(fā)現(xiàn)類(lèi)地行星總數(shù)的70%。“開(kāi)普勒”的觀測(cè)結(jié)果使我們可以將太陽(yáng)系同銀河系的其他行星系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合比較研究。

美國(guó)“黎明”小行星探測(cè)器因燃料耗盡結(jié)束使命

2018年11月1日，美國(guó)NASA宣布其2007年發(fā)射的“黎明”（Dawn）小行星探測(cè)器因燃料耗盡結(jié)束任務(wù)使命?！袄杳鳌笔鞘讉€(gè)進(jìn)入主帶小行星軌道的探測(cè)器和首個(gè)環(huán)繞探測(cè)2個(gè)獨(dú)立天體的探測(cè)器。

“黎明”探測(cè)器是NASA于2007年9月27日采用德?tīng)査?運(yùn)載火箭發(fā)射的小行星探測(cè)器。任務(wù)目標(biāo)是探測(cè)太陽(yáng)系2顆最大的小行星灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres），考察這2顆小行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行對(duì)比研究，以確定小行星演化歷史及水在演化過(guò)程中的作用，并最終揭示太陽(yáng)系形成初期時(shí)的條件和過(guò)程。

“黎明”探測(cè)器是首次對(duì)灶神星和谷神星進(jìn)行全面的探測(cè)，獲得的數(shù)據(jù)資料對(duì)研究太陽(yáng)系起源和演變、類(lèi)地行星的形成過(guò)程等都具有重要科學(xué)意義。