2022深空探測(cè)與探月：多項(xiàng)任務(wù)蓄勢(shì)待發(fā)

文/嚴(yán)南舟

2022年世界深空探測(cè)將進(jìn)入一個(gè)新的高發(fā)期，美國(guó)的靈神號(hào)探測(cè)器將奔赴小行星主帶開(kāi)展對(duì)16號(hào)小行星——靈神星的探測(cè)，俄歐火星探測(cè)器將克服重重困難前往火星，而月球探測(cè)也終于在50年的冷寂后再次開(kāi)始了新的競(jìng)爭(zhēng)。2022是值得期待的一年，或許也是新的深空競(jìng)賽開(kāi)始之年。

靈神星探測(cè)任務(wù)

靈神星探測(cè)任務(wù)是美國(guó)宇航局發(fā)現(xiàn)級(jí)探測(cè)任務(wù)中的第14項(xiàng)，和露西探測(cè)器研究類(lèi)似的目標(biāo)——小行星?！奥段鳌币呀?jīng)在2021年底發(fā)射，奔赴木星軌道的特洛伊小行星帶，而“靈神號(hào)”將在2022年8月搭乘獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，前往位于火星和木星之間的主小行星帶（簡(jiǎn)稱(chēng)主帶），探訪和它同名的16號(hào)小行星靈神星。

靈神星是一顆巨大的M型主帶小行星，其直徑達(dá)到222千米。M型小行星富含金屬元素，幾乎就是一大塊金屬?？茖W(xué)家認(rèn)為，靈神星可能是一顆早期行星，與火星一樣大，它在一系列劇烈碰撞中失去了它的地幔和地殼。因此靈神星可能包含了一些原始行星內(nèi)核的成分，對(duì)于目前仍然無(wú)法鉆到地球內(nèi)核的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，研究靈神星或許可以大大增加人類(lèi)對(duì)類(lèi)地行星核心組成的認(rèn)識(shí)。因此靈神號(hào)探測(cè)器被選定前往這顆巨大的小行星。

靈神號(hào)探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量為2608千克。探測(cè)器由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、勞拉空間公司和亞利桑那大學(xué)負(fù)責(zé)建造。“靈神號(hào)”使用勞拉空間公司的SSL-1300通信衛(wèi)星平臺(tái)，配置有一對(duì)十字形的太陽(yáng)能帆板，在地球附近可以產(chǎn)生20千瓦的電力，在主帶可以產(chǎn)生2.3千瓦的電力，供給其4臺(tái)儀器和電推力器工作。

▲ 靈神號(hào)探測(cè)器

▲ 16號(hào)小行星靈神星

▲ 組裝、測(cè)試靈神號(hào)探測(cè)器

▲ 靈神號(hào)探測(cè)器的伽馬射線和中子光譜儀

靈神號(hào)探測(cè)器使用的是全電推進(jìn)——包括軌道控制和航天器姿態(tài)控制均使用電推力器進(jìn)行，這也是第一個(gè)使用電推進(jìn)行姿態(tài)控制的深空探測(cè)器。靈神號(hào)使用四臺(tái)SPT-140霍爾推力器，比沖1800秒，推力280毫牛。探測(cè)器裝填了多達(dá)922千克的氙氣，以供給這些推力器工作，在計(jì)劃的5年壽命中這些推力器將提供8.2兆牛·秒的總沖。SPT-140推力器最大工作功率為4.5千瓦，用在地球附近的電推加速；而在接近主帶時(shí)，推力器將以最低900瓦的低功率模式工作。

靈神號(hào)探測(cè)器將在2022年8月1日協(xié)調(diào)世界時(shí)18時(shí)，由獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射，獵鷹重型火箭的兩個(gè)助推器進(jìn)行海上回收。此次計(jì)劃中還將攜帶兩項(xiàng)次級(jí)載荷：兩個(gè)Janus小行星探測(cè)器。2023年5月23日，靈神號(hào)探測(cè)器將以最近500千米的距離飛掠火星，借助其重力加速。2026年1月31日，探測(cè)器抵達(dá)靈神星，開(kāi)始其21個(gè)月的探測(cè)。

SIMPLEx-3雙小行星伴飛任務(wù)

作為比發(fā)現(xiàn)級(jí)更小一級(jí)的任務(wù)，SIMPLEx行星科學(xué)探測(cè)計(jì)劃的航天器更加小巧且廉價(jià)。兩個(gè)Janus航天器的目的是使用相機(jī)對(duì)雙小行星進(jìn)行成像，研究雙小行星是如何形成的，并評(píng)估有關(guān)這些系統(tǒng)如何演化的現(xiàn)有理論。

▲ 神靈號(hào)探測(cè)器的轉(zhuǎn)移軌道示意圖

▲ 兩個(gè)Janus航天器

▲ 羅莎琳德·富蘭克林號(hào)巡視器和哥薩克舞號(hào)著陸器

▲ 羅莎琳德·富蘭克林號(hào)巡視器和哥薩克舞號(hào)著陸器在廠房

Janus A和Janus B是兩個(gè)相同的航天器，將搭乘用于發(fā)射“靈神號(hào)”的重型獵鷹運(yùn)載火箭前往深空。這兩個(gè)航天器與獵鷹重型火箭的第二級(jí)分離后，將在2023年借助一次地球重力助推，以在2026年分別探訪兩顆不同類(lèi)別的雙小行星。Janus項(xiàng)目?jī)H耗資5500萬(wàn)美元。

俄歐火星聯(lián)合探測(cè)任務(wù)

俄歐火星聯(lián)合探測(cè)任務(wù)-2022，包括歐洲的羅莎琳德·富蘭克林號(hào)火星巡視器，以及俄羅斯的火星著陸器哥薩克舞號(hào)。這個(gè)探測(cè)器原計(jì)劃在2020年7月的奔火窗口和阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”、美國(guó)的Mars2020以及中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器一起奔赴火星，但由于疫情和無(wú)法解決的巨大主傘開(kāi)傘問(wèn)題，發(fā)射被推遲至2022年9月。俄歐火星聯(lián)合探測(cè)任務(wù)-2022由質(zhì)子M-微風(fēng)M型火箭發(fā)射，這也是該型火箭的最后一發(fā)。

俄歐火星聯(lián)合探測(cè)任務(wù)-2022計(jì)劃是歐洲“外空火星”的第二次發(fā)射，第一次發(fā)射ExoMars-2016，也就是痕量氣體軌道器和斯基亞帕雷利著陸器，已于2016年發(fā)射升空。痕量氣體軌道器將為羅莎琳德·富蘭克林和哥薩克舞提供數(shù)據(jù)中繼，而“斯基亞帕雷利”驗(yàn)證進(jìn)入、下降和著陸期間的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制。雖然斯基亞帕雷利著陸器在進(jìn)入火星時(shí)，因?yàn)槌霈F(xiàn)慣性導(dǎo)航單元故障而損失，但歐洲人仍然在努力推進(jìn)俄歐火星聯(lián)合探測(cè)任務(wù)-2022的發(fā)射。

“哥薩克舞號(hào)”是一個(gè)俄羅斯制造的著陸器，重827.9千克。著陸器的80%由拉沃奇金設(shè)計(jì)局建造，20%由歐空局建造。拉沃奇金將生產(chǎn)著陸系統(tǒng)的大部分硬件，而歐空局將處理導(dǎo)航、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)等要素。2023年6月航天器將著陸在火星北部的奧西亞平原后，火星巡視器將通過(guò)坡道從哥薩克舞號(hào)著陸器上駛下。預(yù)計(jì)著陸器將對(duì)著陸地點(diǎn)進(jìn)行成像、監(jiān)測(cè)氣候、調(diào)查大氣、分析輻射環(huán)境、研究著陸地點(diǎn)的地下水分布，并對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行地球物理調(diào)查。探測(cè)器最后攜帶了13項(xiàng)總計(jì)45千克的科研儀器。哥薩克舞號(hào)著陸器預(yù)計(jì)將運(yùn)行至少一個(gè)地球年，其儀器將由太陽(yáng)能電池板供電。

由于哥薩克舞著陸器的推進(jìn)系統(tǒng)僅為8臺(tái)400牛推力器，導(dǎo)致其并不能提供足夠的減速能力。為了將這個(gè)組合體減速至低速來(lái)讓平臺(tái)完成著陸，歐洲人別出心裁地設(shè)計(jì)了2級(jí)主傘——引導(dǎo)傘先牽引出第一級(jí)主傘提供減速，減速至亞音速后展開(kāi)35米直徑的第二級(jí)主傘。主傘在2020年的測(cè)試中頻繁撕裂，把任務(wù)推到了下一個(gè)窗口。

▲ 2021年12月，降落傘終于測(cè)試成功了

310千克的羅莎琳德·富蘭克林號(hào)巡視器從哥薩克舞平臺(tái)上下來(lái)后，將開(kāi)始它的火星旅行。它配置有一對(duì)1200瓦的太陽(yáng)能帆板，設(shè)計(jì)壽命7個(gè)月。巡視器在火星表面使用自主導(dǎo)航，并且開(kāi)展火星表面探測(cè)。巡視器最主要的儀器為外生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件，稱(chēng)為“巴斯德分析實(shí)驗(yàn)室”，用于尋找過(guò)去生命中生物分子和生物信號(hào)的跡象。除9臺(tái)儀器外，巡視器還將攜帶一個(gè)2米的地下巖心鉆，為其車(chē)載實(shí)驗(yàn)室提取樣本。

俄歐火星聯(lián)合探測(cè)任務(wù)-2022雖然代表著歐洲人雄心勃勃的火星探測(cè)之夢(mèng)，以及俄羅斯人重返火星的希冀，但其仍然面對(duì)巨大的挑戰(zhàn)。其降落傘撕裂的隱患仍然存在，而哥薩克舞著陸器的飛控軟件存在bug，尚未解決。2022年的窗口進(jìn)入速度相當(dāng)大，且處于火星的反日照點(diǎn)，著陸器勉強(qiáng)挨到了火星表面之后，還需要等待數(shù)個(gè)小時(shí)以獲得電力，讓任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提升。

IM-1/NOVA-C商業(yè)月球著陸器

作為2018年3月美國(guó)宇航局啟動(dòng)的“商業(yè)月球載荷服務(wù)（CLPS)”計(jì)劃的成果，2022年將會(huì)有多個(gè)月球著陸探測(cè)器發(fā)射升空。

IM-1/NOVA-C商業(yè)月球著陸器是由直覺(jué)機(jī)器人公司開(kāi)發(fā)的月球著陸器。IM-1/NOVA-C航天器發(fā)射質(zhì)量為1908千克。作為CLPS商業(yè)月球有效載荷服務(wù)的第一個(gè)航天器，NOVA-C將攜帶5項(xiàng)來(lái)自美國(guó)宇航局的科學(xué)載荷，以及一些商業(yè)載荷，以提供月表探測(cè)和一些處理原位資源的技術(shù)。

IM-1/NOVA-C使用低溫的液態(tài)氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，不同于此前所有的月球探測(cè)器。探測(cè)器器使用一臺(tái)15.6千牛主推力器和冷氦推力器，探測(cè)器高2.98米，直徑約2米，計(jì)劃在月表工作14個(gè)地球日。

▲ 測(cè)試中的羅莎琳德·富蘭克林號(hào)巡視器

IM-1/NOVA-C探測(cè)器計(jì)劃使用太空探索技術(shù)公司的獵鷹9火箭在2022年晚些時(shí)候發(fā)射?？夏岬虾教熘行腖C-39A已經(jīng)開(kāi)始改造以適配IM-1/NOVA-C的整流罩內(nèi)加注需求。美國(guó)宇航局為該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)撥款7700萬(wàn)美元。

IM-2 商業(yè)月球著陸器

2020年10月，直覺(jué)機(jī)器人公司被選中，要求在2022年12月之前在月球南極附近著陸其第二個(gè)NOVA-C著陸器，也就是IM-2著陸器。IM-2的結(jié)構(gòu)和IM-1幾乎相同，其主要有效載荷將是PRIME-1冰鉆，它將試圖借助質(zhì)譜儀從月球表面下方收集冰。

另一項(xiàng)μN(yùn)ova載荷將在著陸后與IM-2著陸器分離，并作為一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器，探索多個(gè)難以到達(dá)的區(qū)域，如月球表面的深隕石坑。

IM-2任務(wù)還將部署一顆月球通信衛(wèi)星，以保證著陸器和地球地面站之間的通信。

▲ IM-1NOVA-C月球著陸器

▲ “游隼”在月表

▲ 降落在月球表面的“月球25號(hào)”效果圖

游隼商業(yè)月球著陸器

游隼月球著陸器（Peregrine)是由Astrobotic公司和美國(guó)宇航局合作研制的CLPS商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計(jì)劃中的一個(gè)探測(cè)器。游隼著陸器高1.9米，寬2.5米，使用5臺(tái)一甲基肼-MON25的推力器完成著陸。“游隼”攜帶14項(xiàng)有效載荷，總計(jì)重35千克。Astrobotic公司稱(chēng)未來(lái)可攜帶最多265千克的有效載荷完成著陸。

游隼月球著陸器將搭乘火神運(yùn)載火箭的首飛箭飛往月球，不早于2022年6月。

俄羅斯月球25號(hào)著陸器

自1976年月球24號(hào)采樣返回任務(wù)以來(lái)，蘇聯(lián)/俄羅斯都沒(méi)有開(kāi)展過(guò)任何月球任務(wù)，而計(jì)劃中的月球25號(hào)將是俄羅斯的第一個(gè)月球著陸器。俄羅斯人將其名字從月球全球著陸器改為月球25號(hào)，以強(qiáng)調(diào)蘇聯(lián)月球計(jì)劃自20世紀(jì)70年代以來(lái)的延續(xù)性，盡管它仍然是月球全球探月計(jì)劃的一部分。

月球25號(hào)計(jì)劃始于20世紀(jì)90年代末，到1998年完成了設(shè)計(jì)評(píng)審，探測(cè)器器使用拉沃契金的新深空平臺(tái)。這也是俄羅斯的首個(gè)系列非加壓深空平臺(tái)——通用于火星、金星和月球。但是這個(gè)平臺(tái)的首秀是2011年的“福布斯-土壤”，探測(cè)器甚至沒(méi)有離開(kāi)低地球軌道，失敗對(duì)“月球25號(hào)”的研發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

月球25號(hào)發(fā)射質(zhì)量為1750千克，攜帶30千克科學(xué)儀器，設(shè)計(jì)壽命為1個(gè)地球年。探測(cè)器攜帶9項(xiàng)科學(xué)儀器，以及采樣分析機(jī)械臂?！霸虑?5號(hào)”將在月球南極附近的博古斯拉夫斯基隕石坑著陸，旨在探測(cè)那里的水冰沉積。這將是俄45年來(lái)的首次月面探測(cè)任務(wù)，也將是其在蘇聯(lián)解體后首次實(shí)施落月探測(cè)。該探測(cè)器仍然使用相當(dāng)落后的著陸方式——即主發(fā)動(dòng)機(jī)第一次點(diǎn)火消除大部分水平速度，第二次點(diǎn)火消除幾乎所有速度后關(guān)機(jī)，2臺(tái)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)完成著陸。70年代的蘇聯(lián)月球探測(cè)器也使用了這種動(dòng)力下降方式。

由于資金限制、超支、著陸器硬件故障等多重因素，“月球25號(hào)”的發(fā)射已經(jīng)推遲數(shù)年，目前探測(cè)器計(jì)劃于2022年7月22日使用聯(lián)盟2.1b-弗雷蓋特M火箭在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射。但據(jù)一些消息，其飛控軟件完成全部測(cè)試仍然需要2~3年，意味著這次它可能會(huì)和“福布斯-土壤”一樣，是一次趕鴨子上架的任務(wù)。

▲ 組裝中的月球25號(hào)著陸器