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太阳系图片 人类如何探索太阳系

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发表于 2016-11-10 22:05:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
  自50年前首次进入太空以来,人类已经向外迈出了一大步,而未来10年我们将更进一步。在半世纪日益深远的太阳系无人探测之后,我们已步入了更高的层次,不再是偶发任务、短暂访问或者单向航行。探测器几乎不间断观测我们感兴趣天体的时代即将到来。虽然第一次“往返”任务已经写入了教科书,但更加雄心勃勃的往返空间飞行指日可待。


  James Oberg 文 Shea 编译


  另一方面,人类重返月球的预言和新形式国际“月球竞赛”的可能性已经落空。下一个十年将是人类无法超越低地球轨道的十年,但如果幸运的话这也将是人类历史上出现这一情况的最后一个十年。
  由于各方的计划和可靠的财政都难以预测,因此预览未来十年的空间探测任务着实是一项挑战。而且,随着探测目标的日益广泛以及参与者的日渐增多,无论今天我们概括出的花名册有多么得令人印象深刻,但到2020年肯定还会有许多的惊喜在等待着我们。

太阳系图片 人类如何探索太阳系

太阳系图片 人类如何探索太阳系

  [图片说明]:土星及其卫星和光环是这个十年我们将要探测的太阳系内众多目标中的一个。版权:JPL/NASA。


  在飞任务


  对201O年往后这十年中任何行星际探测的预言必定都始于目前正在执行中的探测任务。它们要么正在飞往遥远目的地的途中,要么业已完成了主要任务进入了扩展阶段。新一代的探测器中有许多已经延宕多年,它们也将补充到这个舰队中去。在2015年左右会出现两波新的发射浪潮:由政府赞助的更加雄心勃勃的探测任务和一系列为了寻求荣耀和金钱奖励的私人月球任务。在这个十年的后半段会出现种类更为广泛的月球和行星际航天器,它们将壮大已有的队伍、开拓创新、扩展人类对新环境的感知。
  现在,各种各样探测器——大多数由美国制造,其余的则来自欧洲和亚洲——正在行星际轨道上或已位于太阳系其他天体的表面。它们目前所覆盖的范围惊人得完整,预示着机器人探测器将永远遍及几乎整个太阳系。从行星到其他目标,让我们一一数来:

  水星:美国宇航局(NASA)“信使”探测器于2010年3月18日抵达。
  金星:欧洲空间局(ESA)的“金星快车”正在轨道上研究金星大气,日本2010年发射的“晓”探测器则未进入环金星轨道。
  月球:NASA的“月球勘测轨道器”和中国的“嫦娥二号”正在从轨道上探测月球,另外还有两个退役的太阳风探测器正在驶入地月系统附近的稳定轨道。
  火星:三个轨道器(“火星奥德赛”,“火星勘测轨道器”、“火星快车”)和一辆尚存的火星车(“机遇”号)仍活动在这颗红色星球的空中和表面上。
  小行星带:“曙光”探测器正在前往第4号小行星灶神星的路上,在研究灶神星一年之后它会启程前往矮行星谷神星。
  木星:行星之王暂无访客。
  土星:探测任务已经被第二次延长的“卡西尼”土星探测器依然漫游于整个土星系统的卫星和光环间。
  天王星和海王星:这两颗冰冷的巨行星目前还没有被列入探测目标名单。



  冥王星:正在赶路的“新视野”探测器目前处于休眠状态,它将于2015年7月到达;之后,它将前往更为遥远的柯伊伯带天体。
  飞往目的地的旅途并非都是枯燥乏味的。2010年夏天,ESA的“罗塞塔”探测器便穿行于小行星带间,它会在2011年5月进入深空休眠状态并在3年后到达其目的地。它的着陆器将于2014年11月降落到67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上。“罗塞塔”则将在环绕该彗星的轨道上继续开展研究工作。
  此外,令人无法遗忘的“旅行者”1号和2号飞船依然强健,它们正在探测太阳系的边界和星际空间环境。


  在靠近地球的地方,几个早就完成了它们主要任务的小型探测器仍在运作并且被指派了新的探测目标。2010年11月,作为“太阳系外行星观测与深度撞击扩展研究”任务的一部分,“深度撞击”探测器在释放撞击器击中9P/坦普尔1号彗星之后5年多飞掠了103P/哈特利彗星,目前它正在等待进一步的命令。坦普尔1号彗星也是“星尘”探测器的目标,它于2006年成功地把收集到的彗星尘埃样本送回了地球。2011年2月14日“星尘”飞掠了坦普尔1号彗星,此后它可能还会有其他的探测目标。2010年5月搭载在“晓”上一同发射的“太阳辐射加速行星际风筝”(Ikaros)是日本具有革命性的太阳帆实验航天器,它的目标是以阳光为燃料持续数年的内太阳系之旅并最终将飞向太阳。
  即使未来几年没有再进一步发射,现有的探测器舰队也可以在未来十年为我们带来许多的发现。


  近期发射


  除了已经在太空中的探测任务,还有许多即将要发射。对2011年来说,最有新闻价值的应该是俄罗斯在苏联解体之后20年重塑其在空间探测中所扮演的重要角色。
  一系列中小型的探测任务将使得发射平台在2011年的大部分时间里余温不散。NASA的下一个木星探测器“朱诺”定于2011年8月发射,开始其飞往木星的5年之旅。使用新的超高性能太阳能电池板(首次用于外太阳系探测器),“朱诺”将会进入大范围的木星越极轨道花至少一年的时间来研究它的大气和磁层。

  2011年9月,NASA将发射“重力反演和内部实验”(GRAIL)任务,其中的双个探测器将一前一后地绕月球飞行3个月来以前所未有的精度来测量它的重力场。而2010年夏天日本小行星采样探测器“隼”的成功也将小行星列入了可行的探测目标,2014年可能会发射第二个探测器。如果按期发射,该任务的目标将会是1999 JU3,它是一颗C型富碳的小行星。

  到2011年年底时,两个大型任务将利用这个火星的发射窗口。这个短暂的窗口每2.2年才打开一次,届时地球和火星会“排成一线”,这样可以减少探测器飞抵火星所需的能量。一个任务计划把土壤样本送回地球的实验室,而另一个则希望把一个世界顶尖的生物实验室送上火星。这两个任务都由前一个发射窗口推迟至今,而由于这一推迟它们有了更大的成功几率。
  第一个任务是俄罗斯的“火卫一-土壤”探测器,它将会通过获取并返回火星卫星火卫一的土壤来结束俄罗斯这个世界空间飞行先驱在这四分之一个世纪中的缺位。它还将释放出搭载的中国火星探测器“荧火一号”。在奋力推进到2009年的发射窗口之后,俄罗斯航天官员判定他们的探测器还没有为这样一个雄心勃勃的任务做好准备。从那时起,他们整个重新制造了土壤采集系统并且完善了其他硬件的可靠性。


  第二个任务是NASA的“火星科学实验室”,又称“好奇”号,它将在火星表面上寻找火星生物化学(甚至是生命)的迹象。“好奇”号的科学载荷比目前的火星车重约10倍,有4倍的电力(核电系统能够持续超过14年)。在其计划的2年寿命里,它会穿越约19千米,大致和“机遇”号在7年内行驶的距离相当。

太阳系图片 人类如何探索太阳系

太阳系图片 人类如何探索太阳系

  [图片说明]:ESA的“罗塞塔”探测器,它的最终目的地是67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星。版权:ESA/AOES Medialab。


  月球复兴和X大奖


  月球任务主宰了2012年及以后的计划。自第一个俄罗斯的月球探测器发射40年来,其“月球”1号应该会在明年发射来从轨道上研究月球的地震特性。此外,印度的“月船”2号计划于2013年发射,将携带俄制的“月球资源”着陆器,后者将装有一辆俄制月球车。中国的“嫦娥三号”将尝试其第一个月球着陆器并部署月球车,之后日本将在2015年发射“月亮女神”2号,其包含了月球轨道器、着陆器和月球车。

  月球探测浪潮反映了各国家空间机构的精心决策,但第二波次的机器人月球探测任务将紧随其后。私人X大奖基金会组织了谷歌月球X大奖,它将为成功的月球机器人提供2,000万美元的奖金。一大批的民间团体挺身而出宣布参加角逐。有总部设在10多个国家的超过20支队伍参赛。它们大多数是跨国的,各个队伍中的队员分别工作在65个不同的国家。
  参赛队伍的数量和实力都超出了预期。第一个在月球上着陆一个可以运动超过500米的机器人并发回高清晰图像和视频的队伍将成为获胜者。但要赢得全额奖金,该团队必须要在2013年之前完成,此后2,000万美元将下降到1,500万美元,整个比赛将在2015年到期。


  不过比赛组织者并不希望私人月球飞行在比赛结束后就此终止。他们正在试图推动正在进行的活动,这意味着在今后的几年中每年至少都会有几次发射。简约和廉价的私人飞行任务将会打开各类市场,其客户包括了国家空间机构、私营公司、大学甚至是娱乐产业。小型机器人可以勘察登陆地点,提供物资运输服务,获得(和销售)图像,并提供其他科学测量服务,当然还有不可预测的其他用途。不同团队开发出的硬件可以建立永久性的月球导航和通信服务,使得其他任务所需面对的技术挑战大为降低。

  但参与进去并不便宜。从历史上看,航空竞赛参与者花掉的钱往往是他们所赢得的2至5倍,但是他们所期望的是占得后续商业开发的先机。尽管有一些队伍认为他们能够花费小于奖金数额的资金赢得比赛,但大多数队伍都将花费5,000万~7,500万美元,这其中包括了发射费用。但这仍远远低于更为复杂的由政府出资的探测任务。

  私人月球机器人在可靠性和及时性上是否能达到可接受的水平眼下还是一个悬而未决的问题。但到2020年时它们也许将主导地月间的交通。
  NASA也鼓励在月球轨道上开展商业导航和通信服务。在2010年中期,NASA宣布计划购买由私人测试和验证的小型技术演示着陆器所获得的具体数据。这一被称为“创新月球演示数据”的项目将会为购买飞行系统功能和技术测试的工程数据提供资金。


  更遥远的地方


  尽管由私人资助的去往月球和其他可能目的地的空间任务正在崛起,但庞大的政府空间机构仍计划在这个十年的后半段发射尖端的行星际探测器。

  自20世纪70年代初一系列惨痛的失败以来,俄罗斯第一次决定在2016年重返火星表面。它的“火星气象网”(MetNet)将部署许多小型的传感器——一些静止在地表,另一些则会深入地下数米——来对火星的地震和环境进行研究。与此同时,ESA和NASA的两个联合任务将组成“火星生命”(ExoMars)计划,研究火星上潜在的生物学条件。其第一个任务包含了一个轨道器和一个静态的气象站,计划于2016年发射;第二个任务计划于2018年发射,它会把两辆火星车送上火星表面,这将是首次有两辆火星车在如此靠近的区域中活动。

  有几个国家也正在计划把探测器送达比以往更靠近太阳的地方。NASA计划于2018年发射的“太阳探测器+”是首个将进入太阳大气层的任务。ESA则将于2015年发射“太阳轨道器”,以此来研究难以被观测到的太阳极区。俄罗斯则打算在2020年前发射“内太阳区”探测器,它会在距离太阳不到30个太阳半径(2,100万千米)的范围内飞掠太阳。

  虽然这个十年末的探测计划依稀只有一个轮廓,但其中一些计划已经在进行中了。俄罗斯预计将会发射一个和法国合作建造的金星探测器“金星-D”。工程师们为它设计了一个可以工作数天的着陆器,它还将释放出两辆小型的探测车。日本则希望通过太阳帆推进(类似Ikaros)发射一个木星探测器。在“伽利略”探测器和“旅行者”探测器对木卫二作出了重大发现——尤其是发现了木卫二上可能遍及全球的冰下海洋——之后,NASA/ESA的“木卫二-木星系统任务”(EJSM)可能会于2020年发射。在前往木卫二的途中,EJSM将探测木星系统,对木星及其他卫星进行频繁的观测。当然,目前这些还都只是可能性。


  这一切意味着什么


  未来十年将见证的不仅仅是行星际交通的单纯扩张。随着时间的推移,空间飞行的持久性和往返性将成为主宰。现在看来令人惊讶的事情——向太阳系中每个感兴趣的目标发射探测器或者有探测器在其周围执行探测任务——到2020年兴许将成为常态。
  2020年前硬件的完善也使得我们可以预期,目前看似不可思议的探测任务也将获得资金并最终目睹自己发射升空的那一天。最让人着迷的是,也许这十年的空间探测任务将成为人类自身进入深空时代的前身。

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