2014年世界空間探測(cè)回顧

2014年的世界空間探測(cè)活動(dòng)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的局面。飛行了10年的歐洲航天局（E S A）“羅塞塔”（Rosetta）于2014年8月進(jìn)入預(yù)定的67P/丘尤穆夫-杰拉西門克彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko，簡(jiǎn)稱67P彗星）軌道，于11月在世界上首次向該彗星的彗核釋放了著陸器“菲萊”（Philae），并發(fā)回重要數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了巨大影響。美國(guó)“火星大氣與揮發(fā)物演變”（MAVEN）探測(cè)器和印度首個(gè)火星探測(cè)器“曼加里安”（Mangalyaan）于9月先后進(jìn)入火星軌道，創(chuàng)造了多個(gè)首次。我國(guó)在10月成功發(fā)射了探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器（簡(jiǎn)稱試驗(yàn)器），其返回器于11月順利返回地球，使我國(guó)成為繼蘇聯(lián)和美國(guó)之后，世界上第3個(gè)成功回收繞月航天器的國(guó)家。日本在12月把隼鳥－2（ Hayabusa－2）小行星探測(cè)器送入軌道。

1 美國(guó)成就斐然

2014年，美國(guó)在月球和火星探測(cè)方面都取得了顯著進(jìn)展，飛行了約9年的世界第1個(gè)冥王星探測(cè)器—“新地平線”（New Horizons）也走近冥王星，準(zhǔn)備開始工作。

月球探測(cè)

（1）“月球勘測(cè)軌道器”的新貢獻(xiàn)

3月19日，美國(guó)航空航天局（NASA）網(wǎng)站發(fā)布消息稱，美國(guó)科學(xué)家3月份對(duì)“月球勘測(cè)軌道器”（LRO）上的2臺(tái)窄視場(chǎng)相機(jī)4年多來拍攝的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，合成了一份人類迄今最清晰的月球北極照片。天文愛好者可以在網(wǎng)上對(duì)其進(jìn)行放大、縮小、平移等操作，圖像的細(xì)節(jié)足以讓人們看清月球表面的紋理和微妙的陰影，神秘的月球北極近乎一覽無余。

美國(guó)“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”在月球軌道飛行示意圖

（2）“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”結(jié)束使命

4月18日，由于燃料耗盡，“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”（LADEE）按計(jì)劃高速撞擊了月球背面，其中許多零件由于撞擊時(shí)產(chǎn)生的高溫而汽化。其撞擊速度約5800km/h，約3倍于高能步槍子彈的飛行速度。在撞月前的4月1－3日，ESA位于西班牙的光學(xué)地面站接收到了來自“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”的紅外激光數(shù)據(jù)信號(hào)，傳輸速度達(dá)到80Mbit/s（激光通信設(shè)備與無線電通信設(shè)備相比不僅傳輸速率高，而且小而輕）。4月11日，它進(jìn)行最后一次軌道機(jī)動(dòng)在月球背面撞月，撞月區(qū)域遠(yuǎn)離此前“阿波羅”（Apollo）的登月地點(diǎn)。由于延長(zhǎng)飛行時(shí)間，導(dǎo)致該探測(cè)器于4月15日遭遇了一次月全食，但它還是熬過月全食帶來的4h寒冷和黑暗，并意外幸存。由于未攜帶用于長(zhǎng)期維持軌道或持續(xù)科學(xué)研究的燃料，所以美國(guó)有意讓該探測(cè)器主動(dòng)撞向月球背面，以避免其在自主降落時(shí)可能會(huì)撞擊并污染1969－1972年間多次“阿波羅”登月行動(dòng)留下的遺跡。美國(guó)“月球勘測(cè)軌道器”拍攝到了“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”撞擊月面之后形成的撞擊坑，新撞擊坑直徑不超過3m，之所以撞擊坑這么小，是因?yàn)樘綔y(cè)器的大小僅僅和一輛小汽車相當(dāng)，并且其撞擊月面時(shí)的相對(duì)速度也較慢（約6116km/h）。

火星探測(cè)

（1）成功試驗(yàn)“低密度超聲速減速器”

2014年6月28日，測(cè)試完成墜入海中的美國(guó)碟形“低密度超聲速減速器”被吊出海面

6月28日，N A S A完成了“低密度超聲速減速器”（L D S D）的首次超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)（SFDT），降落在夏威夷考艾島海域。到目前為止，在火星表面實(shí)現(xiàn)著陸的最大質(zhì)量是約1t的好奇號(hào)（Curiosity）火星車。為了將質(zhì)量更大的探測(cè)器送抵火星表面，并最終實(shí)現(xiàn)載人登陸火星（質(zhì)量在20t以上），美國(guó)必須研發(fā)可在稀薄火星大氣中快速降低大型航天器速度的減速技術(shù)。“低密度超聲速減速器”技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)旨在驗(yàn)證新的超聲速減速技術(shù)，提高未來火星任務(wù)的著陸載荷質(zhì)量和著陸精度。該減速器主要由“超聲速充氣式氣動(dòng)減速器”（SIAD）和大型降落傘組成。“超聲速充氣式氣動(dòng)減速器”可充氣膨脹，增大“低密度超聲速減速器”的氣動(dòng)阻力，以降低飛行速度；巨型降落傘用于進(jìn)一步降低速度，是目前用于在Ma為2以上速度下展開減速的面積最大的降落傘。按照試驗(yàn)計(jì)劃，“超聲速充氣式氣動(dòng)減速器”在“低密度超聲速減速器”速度到達(dá)Ma為4時(shí)充氣展開，使整個(gè)碟狀“低密度超聲速減速器”的直徑從4.7m增至6m，以降低速度；在“低密度超聲速減速器”速度降低至Ma為2.5時(shí)，巨型降落傘展開，以進(jìn)一步降低速度。

這次測(cè)試是NASA“低密度超音速減速器”項(xiàng)目3次計(jì)劃測(cè)試中的第1次。2015年再進(jìn)行2次類似的測(cè)試，使用更大的超聲速降落傘進(jìn)一步降低速度，并評(píng)估“低密度超聲速減速器”對(duì)再入航天器的減速效果。如果“低密度超聲速減速器”技術(shù)成熟，它可確保美國(guó)盡早突破目前火星著陸質(zhì)量極限，預(yù)計(jì)2018年NASA即可全面掌握該項(xiàng)技術(shù)。但從需求角度來看，或?qū)⒃?021年才有機(jī)會(huì)應(yīng)用該技術(shù)。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2014年第11期）

（2）機(jī)遇號(hào)火星車行駛創(chuàng)造紀(jì)錄

8月，工作了11年的機(jī)遇號(hào)（Opportunity）火星車上的計(jì)算機(jī)自動(dòng)重啟了十幾次之多，盡管每次排除故障一般只需要1～2天，但這樣的事件仍然嚴(yán)重干擾了預(yù)定科學(xué)考察工作的開展。重啟故障可能來自閃存存儲(chǔ)區(qū)域，在使用了11年之后，其閃存內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)域出現(xiàn)了多次重復(fù)使用磨損，通過格式化可以清除磨損的區(qū)域。據(jù)此，火星車項(xiàng)目組決定將其閃存格式化，清空機(jī)遇號(hào)上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，這相當(dāng)于清除機(jī)遇號(hào)的“記憶”。閃存是一種可以在電力供應(yīng)中斷的情況下繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體，經(jīng)過長(zhǎng)期使用，閃存內(nèi)部的部分存儲(chǔ)模塊會(huì)出現(xiàn)損耗老化。格式化操作可以清除整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，并可以找出那些損壞的存儲(chǔ)區(qū)塊，從而避開這些區(qū)域，減少意外重啟的事故發(fā)生頻率。閃存中損壞的區(qū)塊是導(dǎo)致這些重啟事件的最可能原因，而格式化操作的風(fēng)險(xiǎn)很低，因?yàn)殛P(guān)鍵程序和飛行軟件模塊是被存儲(chǔ)在其他地方的，并不在閃存中。

直至8月，機(jī)遇號(hào)還創(chuàng)造了一項(xiàng)世界紀(jì)錄，即人類到目前為止在地外天體上行駛最遠(yuǎn)的車輛，達(dá)到了40km。第二名是蘇聯(lián)20世紀(jì)70年代發(fā)射的月球車－2（Lunokhod－2），它行駛了39km。美國(guó)在2004年設(shè)定機(jī)遇號(hào)的行駛距離只有大約1km，結(jié)果卻行駛了40km，并還在增加，其設(shè)備可靠性值得稱贊。

（3）好奇號(hào)火星車發(fā)現(xiàn)火星上曾有湖泊

9月11日，NASA宣布，在行駛約2年后，好奇號(hào)火星車終于抵達(dá)主要任務(wù)地點(diǎn)—高約5000m的夏普山的山腳下。按照計(jì)劃，好奇號(hào)將先在名為帕倫普山的巖層處選擇一個(gè)目標(biāo)鉆孔取樣。

這是在美國(guó)好奇號(hào)著陸火星后的第712天（2014年8月7日），使用其右側(cè)桅桿相機(jī)拍攝的圖像。從圖中可以看到夏普山山麓成層性非常良好的沉積巖層露出。這張圖像視野幅寬大約1.5m

12月8日，NASA宣布，好奇號(hào)為火星夏普山拍攝的高清晰度巖石照片顯示，這座位于一個(gè)巨大隕石坑中心的高山，可能是由一個(gè)大型湖床的沉淀物長(zhǎng)期累積與風(fēng)化所形成的。研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)成為火星地質(zhì)歷史上曾存在流動(dòng)水的又一有力證據(jù)。當(dāng)天，NASA網(wǎng)站公布了幾幅好奇號(hào)發(fā)回的照片。在一幅攝于2014年8月7日的照片上，可以清晰看到夏普山底部呈現(xiàn)出均勻分層的巖石。研究人員認(rèn)為，這屬于湖底沉積物形成巖石的典型樣貌，該地應(yīng)當(dāng)距離流水注入湖泊之處不遠(yuǎn)。其他照片也從不同角度證明，蓋爾隕石坑從前可能是個(gè)湖泊，但曾多次蒸發(fā)干涸，夏普山或許就是由來自隕石坑邊緣高地的流水沉積物或風(fēng)化沉積物層層累積而成，沉積物積累到一定高度后受到風(fēng)力侵蝕，最終塑造了夏普山如今的外貌。

12月16日，NASA宣布，好奇號(hào)在大氣層中發(fā)現(xiàn)了甲烷增多現(xiàn)象，并且還首次確認(rèn)在巖石中發(fā)現(xiàn)有機(jī)物。在過去2個(gè)月，好奇號(hào)監(jiān)測(cè)到了平均甲烷含量大幅增長(zhǎng)的跡象，雖然很快消散，且波動(dòng)的原因未知，但仍然激起了人們對(duì)火星上存在生命的猜想。據(jù)悉，一般星球大氣中的甲烷都來自于動(dòng)植物。不過也有人表示，甲烷的增多或來自于火星上地質(zhì)活動(dòng)，或者彗星影響等。好奇號(hào)項(xiàng)目科學(xué)家表示，甲烷陡然增多然后又減少，說明火星上肯定有相對(duì)固定的物質(zhì)，這種物質(zhì)或生物性或非生物性，皆有可能。此外，好奇號(hào)在鉆取巖石過程中還發(fā)現(xiàn)了有機(jī)物。科學(xué)家們表示，這是第一次在火星巖石上發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳，這種物質(zhì)還未能確定身份。

（4）“火星大氣與揮發(fā)物演變”入軌首探火星上層大氣

9月21日，在太空中航行了約7×108km的“火星大氣與揮發(fā)物演變”探測(cè)器進(jìn)行入軌操作，在火星北極上空大約380km處，其上的6臺(tái)制動(dòng)推力器開始點(diǎn)火制動(dòng)，成功讓探測(cè)器減速至1980km/s，從而被火星引力場(chǎng)捕獲。這一點(diǎn)火過程持續(xù)大約33min，消耗了大約50%的燃料儲(chǔ)備。然后推力器自動(dòng)熄火，探測(cè)器受火星引力的吸引，進(jìn)入一個(gè)運(yùn)行周期為35h的臨時(shí)軌道，即近火點(diǎn)150km、遠(yuǎn)火點(diǎn)6200km的大橢圓軌道。由于火星與地球相距遙遠(yuǎn)，探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)延遲約12min才傳回地球。此后6周，探測(cè)器在臨時(shí)軌道上試運(yùn)行，并檢測(cè)所攜帶的科學(xué)儀器。最終，探測(cè)器進(jìn)入周期為4.5h的科學(xué)任務(wù)軌道，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1年的對(duì)火星上層大氣的考察。

其科學(xué)目標(biāo)是：①了解從大氣逃逸至太空的揮發(fā)物于大氣演化所扮演的角色，進(jìn)而了解火星大氣、氣候、液態(tài)水和行星適居性的歷史；②了解當(dāng)今上層大氣與電離層的狀態(tài)，以及與太陽風(fēng)的交互作用；③了解當(dāng)今中性粒子與離子從大氣逃逸的狀況與相關(guān)機(jī)制；④測(cè)得大氣中穩(wěn)定同位素的比例，以了解大氣隨時(shí)間流失的情況。

“火星大氣與揮發(fā)物演變”是世界首個(gè)研究火星上層大氣的探測(cè)器，旨在調(diào)查火星上層大氣，幫助了解火星大氣氣體逃逸到太空對(duì)火星氣候演變所產(chǎn)生的影響。科學(xué)家們預(yù)期這次任務(wù)可獲取大量有關(guān)火星高層大氣散逸的數(shù)據(jù)，幫助了解這種大氣流失過程在整個(gè)火星氣候演變中所起到的作用，使科學(xué)家更好地理解大氣揮發(fā)對(duì)氣候變化的影響。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2013年第12期）

美國(guó)“火星大氣與揮發(fā)物演變”探測(cè)器進(jìn)入火星軌道示意圖

其他活動(dòng)

（1）“小行星重定向任務(wù)”

6月19日，NASA公布了“小行星重定向任務(wù)”（ARM）在推進(jìn)概念設(shè)計(jì)和確定候選小行星方面取得的最新進(jìn)展。在推進(jìn)概念設(shè)計(jì)方面，NASA正在評(píng)估兩種捕捉方案，第一種是捕捉一顆完整小行星；第二種是從一顆大型小行星表面捕捉一塊巨石。兩種方案的目標(biāo)直徑均不會(huì)超過10m，其中第二種方案更加復(fù)雜，但能驗(yàn)證更多登陸火星所需的技術(shù)，費(fèi)用會(huì)比第一種方案多出1億美元。在確定候選小行星方面，已確定了9個(gè)“有效候選者”，全部適用于捕捉一顆完整小行星的計(jì)劃。NASA將于2018年確定目標(biāo)小行星，并于2019年發(fā)射機(jī)器人探測(cè)器去捕獲并拖至月球軌道，2020年之后派航天員登陸它。

12月17日，NASA說，美國(guó)小行星捕捉最終方案原計(jì)劃在2014年年底前公布，但由于方案的一些細(xì)節(jié)還需要更多時(shí)間進(jìn)一步評(píng)估，所以預(yù)計(jì)最終方案將于2015年年初公布。NASA正在考慮3種不同的小行星，小行星2009 BD、2011 MD和2013 EC20都是第一種方案理想的選擇，而小行星貝努鳥和2008 EV5可能用于第二種方案。

（2）“卡西尼”工作10周年

6月30日，NASA舉行活動(dòng)，慶祝“卡西尼”（Cassini）圍繞土星運(yùn)行10周年。“卡西尼”在2004年抵達(dá)土星系時(shí)，其主要任務(wù)僅計(jì)劃持續(xù)4年。此后，它在這種極端環(huán)境下幸存下來，已經(jīng)進(jìn)行了3項(xiàng)擴(kuò)展任務(wù)，實(shí)施了前所未有的科學(xué)研究。土星圍繞太陽公轉(zhuǎn)1周需要30年，“卡西尼”圍繞土星運(yùn)行的時(shí)間已經(jīng)相當(dāng)于這個(gè)時(shí)長(zhǎng)的1/3，觀測(cè)了土星正在進(jìn)行的季節(jié)變化。

目前，“卡西尼”有十大發(fā)現(xiàn)：①把攜帶的“惠更斯”（Huygens）子探測(cè)器釋放到土衛(wèi)六的表面，使其成為第一個(gè)在外太陽系一天體的衛(wèi)星上著陸的探測(cè)器；②在土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了活躍的冰羽噴射；③揭示土星環(huán)是活躍的、充滿動(dòng)力的，稱得上是一個(gè)研究行星如何形成的實(shí)驗(yàn)室；④揭示土衛(wèi)六是一個(gè)最像地球的世界，那里有雨、河流、湖泊和海洋；⑤在2010－2011年間對(duì)土星北部的巨大風(fēng)暴進(jìn)行了研究；⑥無線電波的模式并不像以前認(rèn)為的依賴于土星的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)；⑦首次拍到了土星環(huán)中的垂直結(jié)構(gòu)；⑧對(duì)土衛(wèi)六上的生命起源化學(xué)元素進(jìn)行了研究；⑨解開了土衛(wèi)八的雙重亮暗面之謎；⑩發(fā)現(xiàn)土星極區(qū)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的六邊形噴射流和兩極出現(xiàn)的2個(gè)類似颶風(fēng)的風(fēng)暴。

“卡西尼”工作一直都很順利，從工程學(xué)立場(chǎng)而言，現(xiàn)在限制該探測(cè)器壽命的主要因素就是其燃料箱里還剩下多少推進(jìn)劑。該任務(wù)的導(dǎo)航和操作組通過嫻熟、有效地操控，很好地延長(zhǎng)了“卡西尼”的壽命。該任務(wù)將在2017年告一段落，屆時(shí)，“卡西尼”將沒有足夠的燃料用來供它繼續(xù)圍繞土星飛行。因此，為了避免它意外發(fā)生撞擊事故，并污染其中一顆衛(wèi)星，美國(guó)將會(huì)促使其進(jìn)入土星大氣層。在這個(gè)過程中，“卡西尼”將會(huì)被壓碎，并被摧毀。

（3）“新地平線”被喚醒

12月7日，美國(guó)“新地平線”冥王星探測(cè)器從休眠中被喚醒，并將開始執(zhí)行探測(cè)冥王星的任務(wù)，第一次近距離觀察這顆遙遠(yuǎn)的星球。

從現(xiàn)在開始，“新地平線”一直保持“清醒”狀態(tài)，地面團(tuán)隊(duì)全面檢查了該探測(cè)器，測(cè)試了它在飛越冥王星時(shí)需用的各種電腦程序，以確保各種系統(tǒng)和科學(xué)儀器正常工作。它已從2015年1月15日起開始探測(cè)冥王星。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2015年第3期）

2 歐洲“羅塞塔”首次釋放彗星著陸器

2014年，歐洲在空間探測(cè)領(lǐng)域創(chuàng)造了新的奇跡，首次釋放了世界上第1個(gè)彗星著陸器就成功著陸，并獲得重要科研成果。

完成“火星生物學(xué)”防熱罩研制

美國(guó)“新地平線”飛行器飛向柯伊伯帶探測(cè)示意圖（其左邊黑色圓柱體為核電源）

7月9日，歐洲空客防務(wù)與空間系統(tǒng)公司（E A D S）研制完成歐洲首次“火星生物學(xué)”（ExoMars）任務(wù)（2016年發(fā)射）用的2個(gè)防熱罩，它們的作用是在“斯基亞帕雷利”（Schiaparelli）艙穿過火星大氣下降的過程中為其提供保護(hù)。該艙的前防熱罩直徑為2.4m，質(zhì)量為80kg，由覆蓋90片Norcoat liege防熱瓦的碳夾層結(jié)構(gòu)組成。在進(jìn)入大氣階段，該材料要承受超過1850℃的溫度。在質(zhì)量?jī)H20kg的后防熱罩中，包含一個(gè)下降段展開的降落傘，后防熱罩由固定在碳結(jié)構(gòu)上的12種不同型號(hào)的93片防熱瓦構(gòu)成。探測(cè)載荷集成在前防熱罩中，并在發(fā)射準(zhǔn)備的最終組裝前完成后防熱罩的裝配。“斯基亞帕雷利”艙也被稱為“再入、下降與著陸演示器模塊”（EDM），它不僅用于演示歐洲在火星表面著陸的能力，還能通過其上的科學(xué)設(shè)備增進(jìn)對(duì)火星的了解。在這類任務(wù)中，大氣再入段是至關(guān)重要的，2個(gè)防熱罩在本次驗(yàn)證中起重要作用。歐洲首次“火星生物學(xué)”任務(wù)計(jì)劃于2016年1月利用“質(zhì)子”火箭發(fā)射，任務(wù)中除了試驗(yàn)用于火星著陸的“斯基亞帕雷利”艙外，還有環(huán)繞火星飛行的“跟蹤氣體軌道器”（TGO）。

“羅塞塔”探測(cè)彗星大放異彩

8月6日，飛行了10年多的歐洲“羅塞塔”彗星探測(cè)器進(jìn)入67P彗星軌道。在經(jīng)過2個(gè)月對(duì)67P彗星表面的繪圖，探測(cè)其引力、質(zhì)量、形狀和大氣等。在挑選著陸地點(diǎn)后，11月12日，“羅塞塔”向67P彗星的彗核投放了其所攜帶的世界上第1個(gè)彗星著陸器“菲萊”。“羅塞塔”還首次實(shí)現(xiàn)了近距離繞彗星運(yùn)行、首次伴彗星一起在接近太陽的過程中邊飛行邊觀測(cè)。

2014年8月－2015年底，“羅塞塔”會(huì)伴隨著67P彗星逐漸接近太陽，從而探測(cè)在太陽光的加熱作用下彗星生成的氣體和塵埃（即彗發(fā)），并對(duì)彗星的重力場(chǎng)、質(zhì)量和外形等進(jìn)行全面的探測(cè)。

12月15日，ESA公布了“羅塞塔”獲取的首幅67P彗星真色圖像。該彗星并不像科學(xué)家最初認(rèn)為的那樣呈炭黑色，而是呈紅色。自“羅塞塔”任務(wù)實(shí)施以來，公眾看到的所有引人注目的彗星景象都由“羅塞塔”上的導(dǎo)航相機(jī)拍攝，此相機(jī)只能拍攝灰度照片。9月，“羅塞塔”上的紫外成像光譜儀（Alice）對(duì)彗星表面進(jìn)行了測(cè)試，首次記錄下彗星表面的遠(yuǎn)紫外光譜。在紫外波長(zhǎng)下進(jìn)行觀察時(shí)，這顆彗星的暗度異乎尋常，甚至超過炭黑色。用肉眼能看到的第一幅真色圖像是由“羅塞塔”上的光學(xué)分光與紅外遙感成像系統(tǒng)（OSIRIS）拍攝的，它是一個(gè)雙重成像系統(tǒng)，能夠在可見光、近紅外和近紫外條件下拍攝。ESA尚未證實(shí)圖像中的色彩是否真實(shí)。

12月，ESA還宣布，根據(jù)“羅塞塔”最新勘測(cè)結(jié)果顯示，地球水資源并非來自于彗星。之前，科學(xué)家曾認(rèn)為地球40億年前水資源來自于彗星。“菲萊”勘測(cè)數(shù)據(jù)表明，該彗星的水比地球水“更重”，包含較多的重氫。所以有的科學(xué)家認(rèn)為，地球上的水很可能來自小行星。

“羅塞塔”的研究成果及“菲萊”成功著陸彗星，被《科學(xué)》等多家權(quán)威媒體評(píng)為2014年十大科學(xué)成就。（詳情請(qǐng)看本期另文）

“金星快車”探測(cè)器燃料耗盡與地球失聯(lián)

12月，ESA宣布，由于“金星快車”（Venus Express）探測(cè)器燃料耗盡，所以無法繼續(xù)與地球聯(lián)絡(luò)。該探測(cè)器是在執(zhí)行金星大氣層的研究中耗盡燃料的。除了“金星快車”之外，目前還沒有其他探測(cè)器圍繞金星運(yùn)轉(zhuǎn)。該探測(cè)器研發(fā)工作耗時(shí)4年，造價(jià)3億歐元，2005年11月9日發(fā)射，2006年4月11日進(jìn)入金星軌道。它攜帶有7種儀器，其主要任務(wù)是對(duì)神秘的金星大氣層進(jìn)行更精確的探測(cè)，分析其化學(xué)成分。此外，探測(cè)器還就太陽風(fēng)對(duì)金星大氣和磁場(chǎng)的影響進(jìn)行分析，并觀測(cè)金星氣候變化。“金星快車”是ESA最成功的探測(cè)器之一，取得了巨大的成績(jī)，揭示出了金星的地質(zhì)活動(dòng)可能還很活躍。它原計(jì)劃設(shè)計(jì)壽命僅為2年，但實(shí)際繞飛金星工作8年。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2014年第11期）

歐洲“菲萊”登陸后傳回的首張與彗星表面的“自拍”合照（用彗星核紅外與可見光分析儀拍攝）

3 印度成為首個(gè)探測(cè)火星的國(guó)家

9月24日，印度第一個(gè)火星探測(cè)器“曼加里安”成功進(jìn)入火星軌道，從而成為繼蘇聯(lián)、美國(guó)和歐洲之后世界上第4個(gè)、亞洲第1個(gè)實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的國(guó)家。“曼加里安”的工程目標(biāo)是：驗(yàn)證火星探測(cè)器設(shè)計(jì)、規(guī)劃、管理和運(yùn)行所需的各項(xiàng)技術(shù)，比如火星探測(cè)器所有階段的導(dǎo)航技術(shù)、火星探測(cè)器在出現(xiàn)意外情況時(shí)的自主運(yùn)行能力、用于軌道和姿態(tài)計(jì)算與分析的力學(xué)模型和算法、從地球軌道到日心軌道再到火星軌道所需的軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)。其科學(xué)目標(biāo)是：研究火星的氣候、地質(zhì)、起源和演變以及火星上可維持生命的元素。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2013年第11期）

4 我國(guó)成功回收繞月航天器

2014年，我國(guó)空間探測(cè)的突出成就是成功開展了探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)。另外，嫦娥－3著陸器將在月面穩(wěn)定工作1年。

嫦娥－3落月探測(cè)器轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期管理模式

1月15日20：00許，在北京航天飛行控制中心（簡(jiǎn)稱飛控中心）精心組織下，嫦娥－3著陸器飛控工作從飛控大廳轉(zhuǎn)移到了長(zhǎng)期管理機(jī)房，順利轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期管理模式。

從1月15日晚起，北京飛控中心飛管室開始實(shí)施對(duì)嫦娥－3長(zhǎng)達(dá)1年的長(zhǎng)期管理任務(wù)，嫦娥－3后續(xù)的“起居生活”、月面工作都由飛管室統(tǒng)一安排。嫦娥－3的長(zhǎng)期管理工作主要包括三項(xiàng)：一是要監(jiān)視嫦娥－3平臺(tái)各分系統(tǒng)的設(shè)備工況，使它始終保持良好的工作狀態(tài)；二是配合地面應(yīng)用系統(tǒng)開展月面科學(xué)探測(cè)工作，主要包括月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡巡天觀測(cè)、極紫外相機(jī)對(duì)地成像和月塵測(cè)量等；三是控制嫦娥－3按照月面晝夜變化，適時(shí)開展月晝喚醒和月夜休眠工作。由于受月面日照條件約束，嫦娥－3長(zhǎng)期管理工作都是在晚上進(jìn)行。

1月23日00：04許，玉兔號(hào)月球車與相距24m的嫦娥－3著陸器進(jìn)行了首次通信，為未來深空探測(cè)和建立空間站等打好通信基礎(chǔ)。它們通過特高頻（UHF）通信鏈路傳遞信息，這是一種單向通信設(shè)備，即只能由玉兔號(hào)月球車給嫦娥－3著陸器發(fā)送信息，著陸器可以接收，然后轉(zhuǎn)發(fā)給地球上的接收站，但不能發(fā)信息給玉兔號(hào)。這使我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了地外天體表面的器間無線電通信。

到2014年底，嫦娥－3著陸器工作正常，但玉兔號(hào)月球車在進(jìn)入第二個(gè)月夜休眠前出現(xiàn)了機(jī)構(gòu)控制異常情況，只能停在原地進(jìn)行就位探測(cè)，主要原因是對(duì)月球環(huán)境仍然缺乏了解。除了移動(dòng)系統(tǒng)外，月球車所載的四大科學(xué)儀器運(yùn)行正常。

嫦娥－3探測(cè)器在月面工作期間，開展了“觀天、看地、測(cè)月”的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，獲得大量探測(cè)數(shù)據(jù)，取得了階段成果。

12月15日，嫦娥－3著陸器圓滿完成第13個(gè)月晝的全部預(yù)定工作，順利進(jìn)入月夜休眠。截至12月14日21：14，嫦娥－3登陸月球已滿1年。1年來，北京飛控中心精心護(hù)航嫦娥－3，先后進(jìn)行了13次月夜休眠和月晝喚醒，成功經(jīng)受住歷次月夜極寒環(huán)境的考驗(yàn)；分別于2014年4月5日和10月8日，安全度過2次月食；完成了30余次無線電測(cè)量試驗(yàn)，地面科技人員通過數(shù)據(jù)處理分析獲取高精度觀測(cè)量，從而驗(yàn)證了北京飛控中心深空干涉測(cè)量系統(tǒng)的性能。從12月15日起，嫦娥－3著陸器開始超期服役。

我國(guó)返回器采用半彈道跳躍式再入返回

探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)獲得圓滿成功

10月24日，長(zhǎng)征－3C改二型火箭發(fā)射，成功將返回試驗(yàn)器送入太空。11月1日，試驗(yàn)器的返回部分在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸。這是我國(guó)航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，它的成功表明，我國(guó)已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)，為確保未來的嫦娥－5任務(wù)順利實(shí)施和探月工程持續(xù)推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（1）探路先鋒

2017年前后，我國(guó)將執(zhí)行嫦娥－5月球采樣返回任務(wù)，即用返回艙把月球上的2kg樣品帶回地球進(jìn)行精查。不過，與“神舟”飛船返回艙以大約7.9km/s的第一宇宙速度返回不同，未來的嫦娥－5返回器將以接近11.2km/s的第二宇宙速度返回再入大氣層。這項(xiàng)技術(shù)十分復(fù)雜，無法通過地面模擬得到充分驗(yàn)證，所以是未來嫦娥－5月面采樣、月面上升、月球軌道交會(huì)對(duì)接、再入返回四大關(guān)鍵技術(shù)中最難的一項(xiàng)，風(fēng)險(xiǎn)很大。

為此，我國(guó)先發(fā)射試驗(yàn)器探路。它先飛抵月球附近，接著，自動(dòng)返回地球，最后采用半彈道跳躍式以接近第二宇宙速度再入大氣層，在內(nèi)蒙古中部地區(qū)以傘降形式著陸。

我國(guó)返回器成功著陸在預(yù)定區(qū)域

通過試驗(yàn)器的飛行試驗(yàn)，我國(guó)驗(yàn)證了跳躍式返回再入關(guān)鍵技術(shù)，獲取了月球探測(cè)高速再入返回地球的相關(guān)軌道設(shè)計(jì)、氣動(dòng)、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)此前的研究、分析、設(shè)計(jì)、制造等工作進(jìn)行了檢驗(yàn)。

（2）最佳組合

試驗(yàn)器由服務(wù)艙和返回器兩部分組成，返回器安裝在服務(wù)艙上部。服務(wù)艙以嫦娥－2繞月探測(cè)器平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，具備留軌開展科研試驗(yàn)功能；返回器為新研產(chǎn)品，具備返回著陸功能，與探月三期正式任務(wù)中返回器的狀態(tài)基本保持一致。

這次飛行任務(wù)驗(yàn)證了探月三期的六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升了我國(guó)對(duì)高速條件下高空稀薄大氣的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等技術(shù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，提高高速再入、稀薄大氣條件下的數(shù)學(xué)模型、物理模型精度，積累高速近外層大氣飛行工程經(jīng)驗(yàn)，帶動(dòng)了新材料的研制和航天裝備設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新。

（3）六步凱旋

試驗(yàn)器采用繞月自由返回軌道，在經(jīng)過發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、月球近旁轉(zhuǎn)向段、月地轉(zhuǎn)移段、返回再入段和回收著陸段6個(gè)階段后，在內(nèi)蒙古四子王旗著陸。這次任務(wù)的完成實(shí)現(xiàn)了四大技術(shù)突破：高速的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱技術(shù)；高熱量、大熱流的熱防護(hù)技術(shù)；高精度、高動(dòng)態(tài)的制導(dǎo)導(dǎo)航控制技術(shù)；長(zhǎng)距離、大范圍的再入回收測(cè)控技術(shù)。

回收后，科研人員對(duì)返回器及此次再入返回飛行試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入研究，為優(yōu)化完善嫦娥－5任務(wù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2014年第11期）

（4）初步成果

此次飛行試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)主要通過外測(cè)和內(nèi)測(cè)方式獲得，外測(cè)就是經(jīng)過地面測(cè)控站測(cè)出的數(shù)據(jù)；內(nèi)測(cè)是飛行器內(nèi)部載入的一些傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)。從返回器表面來看，一面呈現(xiàn)燒灼，一面基本正常，甚至還殘留一些白漆。能夠呈現(xiàn)目前的效果，主要是返回器表面采用了7種新材料。這在我國(guó)航天史上也是第一次，以前一般都是采用同一種材料。比如，在返回器的迎風(fēng)面和背風(fēng)面就采用不同材料。采用新的材料主要是為了減輕比重，把密度降低。

中國(guó)探月工程三期再入返回飛行器的服務(wù)器環(huán)繞地月L2點(diǎn)飛行示意圖

在這次飛行試驗(yàn)過程中，主要獲取了三方面的數(shù)據(jù)：安全數(shù)據(jù)記錄器（黑匣子）存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；返回器防熱層測(cè)量數(shù)據(jù)；地面測(cè)控站對(duì)返回器直接測(cè)量和接收的數(shù)據(jù)。目前，獲得了以下初步結(jié)論：航程、開傘點(diǎn)位置精度和落點(diǎn)位置精度均滿足要求；飛行過程中，力學(xué)過載滿足要求；實(shí)際飛行氣動(dòng)特性符合理論預(yù)期；回收系統(tǒng)工作正常，著陸速度符合設(shè)計(jì)預(yù)期；返回器燒蝕形貌符合預(yù)期；返回器內(nèi)部溫度符合要求；返回器內(nèi)部設(shè)備工作正常，落地后結(jié)構(gòu)完整；獲取了全部飛行數(shù)據(jù)，內(nèi)容完整、有效。總體來看，實(shí)現(xiàn)了全部飛行目標(biāo)，全面突破和掌握了高速半彈道跳躍式再入返回技術(shù)。

這次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天多個(gè)“首次”：火箭的精準(zhǔn)入軌讓試驗(yàn)器順利完成了首次8.4×105km地月往返；首次讓航天器從月球回到地球；首次采用“半彈道跳躍式再入”方式返回地球；首次突破了第二宇宙速度再入情況下的一些防熱技術(shù)（采用首個(gè)國(guó)產(chǎn)宇航級(jí)環(huán)路熱管來調(diào)節(jié)冷暖）；我國(guó)航天史上第一個(gè)采用多種材料設(shè)計(jì)的飛行器；首次驗(yàn)證了在大范圍內(nèi)的小目標(biāo)搜索能力，因?yàn)樵囼?yàn)器的返回器體積只有“神舟”飛船返回艙的1/8；首次采用“8”字形的繞月自由返回軌道；首次應(yīng)用了深空探測(cè)可視化系統(tǒng)；執(zhí)行此次發(fā)射任務(wù)的運(yùn)載火箭首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭測(cè)量技術(shù)的升級(jí)換代；試驗(yàn)器的服務(wù)艙首次開展拓展試驗(yàn)。

首次再入返回飛行試驗(yàn)的圓滿成功，為全面完成探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)月球及深空探測(cè)乃至航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

（5）拓展試驗(yàn)

返回器安全準(zhǔn)確著陸在預(yù)定著陸后，為了最大限度利用服務(wù)艙的能力，對(duì)嫦娥－5任務(wù)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，又用服務(wù)艙進(jìn)一步開展了以下幾項(xiàng)拓展試驗(yàn)：①地月拉格朗日－2點(diǎn)（簡(jiǎn)稱地月L2點(diǎn)）軌道飛行試驗(yàn)；②傾斜環(huán)月軌道近月制動(dòng)飛行驗(yàn)證；③月球軌道交會(huì)對(duì)接遠(yuǎn)程導(dǎo)引飛行過程驗(yàn)證；④環(huán)月圓軌道演化特性和軌道環(huán)境探測(cè)；⑤服務(wù)艙搭載設(shè)備在軌試驗(yàn)。

在服務(wù)艙拓展試驗(yàn)中，通過實(shí)施43°軌道傾角的多次近月制動(dòng)，驗(yàn)證嫦娥－5近月制動(dòng)方案的合理性；通過服務(wù)艙模擬嫦娥－5月球軌道交會(huì)對(duì)接遠(yuǎn)程導(dǎo)引變軌方案和飛行時(shí)序，驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)安排的正確性，同時(shí)獲取月球軌道交會(huì)對(duì)接環(huán)月軌道的測(cè)定軌精度，并對(duì)各系統(tǒng)協(xié)同配合及飛控實(shí)施流程進(jìn)行演練；通過在高200km、傾角43°的環(huán)月圓軌道飛行，獲取該軌道演化特性和測(cè)定軌精度數(shù)據(jù)，為嫦娥－5環(huán)月飛行控制提供支持；通過對(duì)采樣區(qū)進(jìn)行遙感探測(cè)，盡量獲取該區(qū)域及動(dòng)力下降航跡區(qū)的地形地貌，以降低嫦娥－5著陸的風(fēng)險(xiǎn)。

服務(wù)艙上的設(shè)備有：GPS、GLONASS兼容導(dǎo)航接收機(jī)；雙分辨率相機(jī)；制導(dǎo)導(dǎo)航與控制中心控制單元；小型星敏感器；星敏防塵機(jī)構(gòu)；技術(shù)試驗(yàn)相機(jī)。服務(wù)艙在繞地月L2點(diǎn)飛行期間，開展了軌道設(shè)計(jì)、軌道控制策略以及測(cè)定軌支持的飛行試驗(yàn)。

按照拓展試驗(yàn)計(jì)劃時(shí)間表，服務(wù)艙與返回器分離后，經(jīng)過2次軌道控制，返回到遠(yuǎn)地點(diǎn)5.4×105km、近地點(diǎn)600km的大橢圓軌道，開展拓展試驗(yàn)任務(wù)。11月9日和17日，服務(wù)艙先后完成繞地大橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌控制和近地點(diǎn)變軌控制，繼續(xù)按照預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道飛行。11月21日，實(shí)施了地月轉(zhuǎn)移軌道中途修正控制。11月23日，到達(dá)近月點(diǎn)，并實(shí)施月球借力軌道機(jī)動(dòng)控制，飛向地月L2點(diǎn)。11月27日，服務(wù)艙進(jìn)入環(huán)繞地月L2點(diǎn)的李薩如軌道，軌道振幅X軸2×104km，Y軸4×104km，Z軸3.5×104km，周期14天。11月28日，實(shí)施了地月L2點(diǎn)繞飛期間首次軌道維持控制，目前飛行正常。已開展關(guān)于地月L2點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)、控制策略以及測(cè)定軌支持等方面的飛行試驗(yàn)，為后續(xù)月球及深空探測(cè)任務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。2015年1月4日，服務(wù)艙在完成地月L2點(diǎn)拓展任務(wù)后實(shí)施逃逸機(jī)動(dòng)，飛離地月L2點(diǎn)，1月11日飛回月球軌道，繼續(xù)為嫦娥－5開展在軌驗(yàn)證試驗(yàn)；2月、3月各開展一次月球軌道交會(huì)對(duì)接遠(yuǎn)程導(dǎo)引試驗(yàn)；4月對(duì)月成像，拍攝預(yù)設(shè)采樣著陸區(qū)形貌。之后，再視情況研究后續(xù)試驗(yàn)或處置。

通過拓展試驗(yàn)，有望獲得三項(xiàng)成果：獲取地月L2點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道、使命軌道的軌道特性與控制經(jīng)驗(yàn)，為嫦娥－5的軌道控制進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證；驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接方案中快速測(cè)定軌精度和遠(yuǎn)程導(dǎo)引過程中多次機(jī)動(dòng)飛向控制時(shí)序設(shè)計(jì)的正確性，為降低嫦娥－5的著陸風(fēng)險(xiǎn)和提高安全性提供支持；考核工程設(shè)備的在軌工作情況。此外，還可以利用雙分辨率相機(jī)對(duì)嫦娥－5采樣區(qū)開展觀測(cè)，盡可能獲取采樣區(qū)動(dòng)力下降航跡區(qū)的地形地貌。

5 日本再發(fā)小行星采樣返回探測(cè)器

2014年，日本在空間探測(cè)領(lǐng)域的最大活動(dòng)就是發(fā)射了隼鳥－2。

12月3日，H－2A火箭成功將隼鳥－2小行星探測(cè)器送入太空。該探測(cè)器將于2018年到達(dá)小行星1999JU3，2019年開始采樣，最終在2020年將樣本返回。

隼鳥－2的工程目標(biāo)是：進(jìn)一步驗(yàn)證隼鳥－2所采用的新技術(shù)，提高其魯棒性、可靠性以及可應(yīng)用性，使這些技術(shù)日臻成熟、完善；驗(yàn)證利用轟擊裝置撞擊天體的技術(shù)。其科學(xué)目標(biāo)是：調(diào)查C型小行星在物質(zhì)科學(xué)方面的特性，進(jìn)一步確認(rèn)小行星1999JU3上含礦物質(zhì)、水和有機(jī)物的情況，特別是要搞楚它們之間的相互作用；通過對(duì)小行星1999JU3的直接探測(cè)，調(diào)查其再集成過程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地下物質(zhì)等，為搞清小行星的形成過程提供第一手材料。

隼鳥－2仍采用此前發(fā)射的“隼鳥”探測(cè)器的平臺(tái)，但對(duì)天線、推力、姿控等進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，增加了推進(jìn)劑，研制了轟擊裝置，改進(jìn)了采樣器彈丸的設(shè)計(jì)，調(diào)整了有效載荷配置。它將采用自主式下達(dá)投放跳躍式機(jī)器人指令的方式，還增加了著陸器等。其離子發(fā)動(dòng)機(jī)推力增強(qiáng)了25%，并可使用更長(zhǎng)時(shí)間。其轟擊裝置可投擲金屬塊制造出人工凹陷，旨在采集表層以下的新鮮物質(zhì)。

該探測(cè)器配備了多光譜可視攝像敏感器、近紅外分光器、中紅外攝像敏感器、激光高度計(jì)、采樣器、轟擊裝置、分離監(jiān)控?cái)z像敏感器7種儀器以及小型跳躍式機(jī)器人、小型著陸器。

在隼鳥－2于2018年6月進(jìn)入小行星1999JU3軌道后，先對(duì)該小行星進(jìn)行近距離詳細(xì)觀測(cè)。接著，向小行星表面投放跳躍式機(jī)器人和小型著陸器。然后，俯沖飛近小行星表面進(jìn)行轟擊、拍攝和采樣。“隼鳥”只采集了10mg樣品，隼鳥－2擬采集100mg以上的物質(zhì)。完成任務(wù)后，隼鳥－2于2019年12月飛離小行星1999JU3，2020年歲末返回地球。返回密封艙的著陸地點(diǎn)與隼鳥－1相同，仍為澳大利亞區(qū)域。據(jù)悉，日本還在規(guī)劃隼鳥－Mk2與ESA合作的計(jì)劃，它更大，預(yù)定將前往D型小行星。（詳情請(qǐng)看《國(guó)際太空》2014年第11期）

簡(jiǎn)言之，2014年的世界空間探測(cè)活動(dòng)精彩紛呈，它表明人類對(duì)宇宙的探索正全面而深入，各國(guó)對(duì)深空探測(cè)越來越重視，探測(cè)的次數(shù)和目標(biāo)越來越多，探測(cè)的技術(shù)水平越來越高，參與探測(cè)的國(guó)家也越來越多，深空探測(cè)的前景十分廣闊。