2015年　全球空間探測(cè)發(fā)展回顧

盧波 （北京空間科技信息研究所）

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2015年全球空間探測(cè)發(fā)展回顧

2015 Year in Review：Global Space Exploration

盧波 （北京空間科技信息研究所）

2015年，全球空間探測(cè)活動(dòng)穩(wěn)步推進(jìn)，特別是美國(guó)對(duì)太陽(yáng)系矮行星、小行星的探測(cè)實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)突破。2015年7月14日，美國(guó)航空航天局（NASA）“新視野”（New Horizons）探測(cè)器成功飛越冥王星，成為太陽(yáng)系探索的里程碑事件，首次獲得了迄今最清晰的冥王星圖像。而在3月6日，NASA的“黎明”（Dawn）探測(cè)器成功進(jìn)入谷神星（Ceres）環(huán)繞軌道，成為世界首個(gè)環(huán)繞2個(gè)獨(dú)立天體的探測(cè)器。

2015年9月28日，NASA宣布在火星表面發(fā)現(xiàn)有液態(tài)水活動(dòng)的強(qiáng)有力證據(jù)，這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)將對(duì)人類未來的太陽(yáng)系探索、載人探索和地外生命搜尋產(chǎn)生重要影響。

2015年12月3日，歐洲航天局（ESA）成功發(fā)射“激光干涉儀空間天線探路者”（LISA Pathfinder，簡(jiǎn)稱“LISA探路者”），是首次在空間軌道對(duì)觀測(cè)引力波所需技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，有望為未來引力波的空間觀測(cè)提供精確技術(shù)。

2015年12月7日，日本“拂曉”（Akatsuki）金星探測(cè)器成功“復(fù)活”，通過輔助推力器點(diǎn)火制動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞金星的大橢圓軌道，使日本成為世界第4個(gè)成功實(shí)施金星探測(cè)的國(guó)家。“拂曉”還成為目前唯一在軌的金星探測(cè)器。

2015年12月17日，中國(guó)成功將其首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空。該任務(wù)標(biāo)志著中國(guó)空間科學(xué)研究邁出了重要一步，其探測(cè)成果可能帶來人類基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域的重大突破。

截至2015年12月底，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本、中國(guó)、印度等國(guó)家和組織先后發(fā)射了237個(gè)空間探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)系八大行星的探訪。目前，全球有29個(gè)空間探測(cè)器在軌飛行或在星體表面工作。

1 2015年空間探測(cè)成果概述

美國(guó)“新視野”探測(cè)器近距離飛越冥王星

2015年7月14日，美國(guó)“新視野”歷經(jīng)9年多、4.8×109km的深空飛行，首次近距離飛越了位于柯伊伯帶的冥王星，最近距離約12472km，從而完成了太陽(yáng)系除地球外原八大行星的探測(cè)，標(biāo)志著人類行星際觀測(cè)第一階段任務(wù)的完成。此次飛越是人類探索太陽(yáng)系的里程碑，首次傳回了冥王星的高清圖片，發(fā)現(xiàn)了冥王星北極的冰冠，較為精確地測(cè)量了冥王星的直徑，并揭示了冥王星富氮大氣的高度。2015年8月，NASA確定了“新視野”的下一個(gè)探測(cè)目標(biāo)，即太陽(yáng)系柯伊伯帶小天體2014MU69，預(yù)計(jì)將于2019年1月抵達(dá)該天體。“新視野”目前距地球4.9×109km，探測(cè)數(shù)據(jù)的傳回預(yù)計(jì)需要1年才能完成，屆時(shí)將獲得更全面的冥王星特征信息，揭示太陽(yáng)系更多奧秘。

（詳情請(qǐng)看本刊2015年第8期）

美國(guó)“黎明”探測(cè)器進(jìn)入谷神星環(huán)繞軌道

2015年3月6日20：39：00，美國(guó)“黎明”小行星探測(cè)器成功抵達(dá)谷神星，在距離谷神星6.1×104km處被其引力捕獲，成功進(jìn)入繞谷神星運(yùn)行的軌道。在2011年7月，該探測(cè)器先進(jìn)入灶神星（Vesta）環(huán)繞軌道進(jìn)行了1年的探測(cè)，2012年9月飛離灶神星。因此，“黎明”成為世界首個(gè)環(huán)繞探測(cè)2個(gè)獨(dú)立天體的探測(cè)器、首個(gè)探測(cè)矮行星的探測(cè)器和首個(gè)探測(cè)谷神星的探測(cè)器。谷神星原是主帶小行星中最大的天體，直徑約1020km，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）在2006年8月將其升格為矮行星。“黎明”探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)谷神星的高分辨率觀測(cè)，觀測(cè)到其表面存在活躍冰層，證實(shí)了以前分析的其內(nèi)部存在大量冰的結(jié)論。（詳情請(qǐng)看本刊2015年第3期）

各國(guó)實(shí)施的空間探測(cè)任務(wù)次數(shù)1）

歐洲成功發(fā)射“LISA探路者”

2015年12月3日，ESA成功發(fā)射“LISA探路者”，運(yùn)行在距離地球1.5×106km的日地格朗日L1點(diǎn)附近的利薩如（Lissajous）軌道，任務(wù)目標(biāo)是為在空間探測(cè)引力波測(cè)試相關(guān)技術(shù)，歐洲科學(xué)家將再次向宇宙引力波的探測(cè)發(fā)起挑戰(zhàn)，可謂是空間天文學(xué)領(lǐng)域的重要事件。目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都在推進(jìn)引力波的探測(cè)，美國(guó)、意大利、法國(guó)和日本等多個(gè)國(guó)家都建立了千米級(jí)的地面激光干涉儀引力波探測(cè)設(shè)施。但地面引力波探測(cè)設(shè)施由于受到各類噪聲的干擾，迄今為止人類還沒有直接探測(cè)到引力波。如果將激光干涉儀分開部署在空間中，則可以極大地增加干涉儀的距離，并且減少受到的干擾，可獲得比地面引力波探測(cè)儀好得多的效果。（詳情請(qǐng)看本刊2015年第12期）

歐洲“LISA探路者”探測(cè)器構(gòu)想圖

日本“拂曉”金星探測(cè)器成功“復(fù)活”

2015年，日本在金星探測(cè)領(lǐng)域取得突破，成功實(shí)現(xiàn)了金星環(huán)繞探測(cè)，成為世界第4個(gè)實(shí)施金星探測(cè)的國(guó)家，而之前只有美國(guó)、俄羅斯和歐洲成功實(shí)施了金星探測(cè)。12月7日，已在空間飛行5年的日本“拂曉”通過輔助推力器點(diǎn)火制動(dòng)，成功進(jìn)入440000km×400km的大橢圓金星環(huán)繞軌道。目前，探測(cè)器在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，已發(fā)回多幅金星圖像，并計(jì)劃于2016年4月正式開始科學(xué)探測(cè)操作。“拂曉”這次成功入軌，使它成為目前唯一環(huán)繞金星運(yùn)行的探測(cè)器。（詳情請(qǐng)看本刊2016年第1期）

日本“拂曉”金星探測(cè)器

中國(guó)成功發(fā)射首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星

2015年12月17日，中國(guó)成功將其首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。該任務(wù)標(biāo)志著中國(guó)空間科學(xué)研究邁出重要一步。

“悟空”是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量1410kg，星上裝載的暗物質(zhì)粒子探測(cè)儀器將在太空中開展高能電子及高能γ射線探測(cè)任務(wù)，探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)，研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律，是目前世界上觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家們稱為“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”。暗物質(zhì)粒子探測(cè)是目前國(guó)際科學(xué)前沿競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的研究領(lǐng)域，目前，中國(guó)和世界各國(guó)已著手籌建或?qū)嵤┒鄠€(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其成果可能帶來人類基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域的重大突破。（詳情請(qǐng)看本刊2016年第1期）

NASA發(fā)現(xiàn)火星表面有液態(tài)水活動(dòng)的強(qiáng)有力證據(jù)

2015年，除了新發(fā)射的空間探測(cè)器，世界主要航天國(guó)家在軌飛行的探測(cè)器也獲得了許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。其中最引人矚目的就是，NASA在9月28日宣布在火星表面發(fā)現(xiàn)有液態(tài)水活動(dòng)的強(qiáng)有力證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)將對(duì)人類未來的太陽(yáng)系探索和地外生命搜尋產(chǎn)生重要影響。NASA根據(jù)目前在軌運(yùn)行的“火星勘測(cè)軌道器”（LRO）獲得的光譜學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火星表面的“奇特溝壑”很可能是高濃度咸水流經(jīng)所產(chǎn)生的痕跡，意味著火星表面很可能有液態(tài)水活動(dòng)。早在2011年，“火星勘測(cè)軌道器”就在火星火山口附近的斜坡上發(fā)現(xiàn)了深色條紋，它會(huì)隨季節(jié)變化，夏季變窄，冬季變寬，符合液態(tài)水的變化規(guī)律，稱為“季節(jié)性斜坡紋線”。這一發(fā)現(xiàn)意味著火星探測(cè)研究又向前推進(jìn)了一大步，無(wú)論是對(duì)于尋找火星上的生命，還是未來的載人火星任務(wù)，都將產(chǎn)生重要影響。

美國(guó)“火星勘測(cè)軌道器”在軌飛行示意圖

火星上的賈尼（Garni）隕坑坑壁上的季節(jié)性坡紋

其他太陽(yáng)系探索任務(wù)的新發(fā)現(xiàn)

對(duì)月球及其他天體的探測(cè)和科學(xué)研究也取得了多項(xiàng)進(jìn)展。2015年8月，科學(xué)家通過對(duì)NASA“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”（LADEE）傳回探測(cè)數(shù)據(jù)的分析，證實(shí)月球稀薄的大氣外逸層中含氖、氦、氬等元素。數(shù)十年來，科學(xué)家一直推測(cè)月球大氣中含有氖，“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”數(shù)據(jù)首次證實(shí)了氖的存在。嫦娥－3著陸器2013年12月著陸在月球雨海北部地區(qū)，2015年3月《科學(xué)》雜志發(fā)表了科學(xué)家對(duì)嫦娥－3著陸器和“玉兔”月球車探測(cè)數(shù)據(jù)的分析成果，發(fā)現(xiàn)著陸區(qū)表面以下至少分為9層結(jié)構(gòu)，表明有多個(gè)地質(zhì)過程發(fā)生，月球地質(zhì)史要比人們此前認(rèn)為的更為復(fù)雜。

2015年10月，歐洲“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測(cè)器的科學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布在67彗星噴出的氣體中識(shí)別出氧分子成分，這一發(fā)現(xiàn)很容易讓人們聯(lián)想到生命存在的環(huán)境，盡管彗星存在生命的可能性很低。

目前，在軌的“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）土星探測(cè)器也在2015年10月成功從土衛(wèi)二噴泉中穿過，并對(duì)其中的物質(zhì)成分進(jìn)行了取樣分析，盡管成果尚未發(fā)表，預(yù)計(jì)將獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。11月，NASA宣布“卡西尼”探測(cè)器在土衛(wèi)六南極上空探測(cè)到一個(gè)巨大冰云，該發(fā)現(xiàn)暗示土衛(wèi)六的南極會(huì)更冷。“卡西尼”于1997年10月15日發(fā)射，是美歐合作的土星探測(cè)任務(wù)，2004年7月“卡西尼”探測(cè)器進(jìn)入土星軌道，已在軌飛行11年多，預(yù)計(jì)探測(cè)任務(wù)可持續(xù)到2017年，將發(fā)回更多關(guān)于土星的信息。

2 空間探測(cè)未來規(guī)劃

空間探測(cè)面向太陽(yáng)系和宇宙空間，能夠推進(jìn)航天技術(shù)向更高水平發(fā)展，成為主要航天國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的重要航天領(lǐng)域。目前，人類空間探測(cè)活動(dòng)進(jìn)入空前活躍的新發(fā)展時(shí)期。

火星表面發(fā)現(xiàn)有液態(tài)水

2015年10月，美國(guó)發(fā)布了《火星之路—開啟太空探索新旅程》戰(zhàn)略報(bào)告，規(guī)劃了美國(guó)未來深空探索的發(fā)展路徑和“三步走”戰(zhàn)略，即依賴地球階段、地月空間試驗(yàn)場(chǎng)階段和不依賴地球階段，不斷開拓集科學(xué)探索、技術(shù)研發(fā)、能力驗(yàn)證和載人飛行為一體的深空探索能力，持續(xù)拓展人類在太陽(yáng)系的活動(dòng)疆域和生存范圍。NASA通過該報(bào)告規(guī)劃了在21世紀(jì)30年代末實(shí)現(xiàn)載人登陸火星的遠(yuǎn)期目標(biāo)，即未來20年NASA將建立以低地球軌道為起點(diǎn)，集“國(guó)際空間站”應(yīng)用、載人登月、小行星重定向、機(jī)器人火星探測(cè)和載人登陸火星多條路徑的靈活、彈性的漸進(jìn)式一體化架構(gòu)。該戰(zhàn)略規(guī)劃將地月空間、月球軌道、月球表面和小行星任務(wù)等作為未來載人火星任務(wù)的必要階段和技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)。

2015年11月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬簽署通過了《2015年美國(guó)商業(yè)太空競(jìng)爭(zhēng)法案》，允許商業(yè)公司開采宇宙礦物質(zhì)和其他物質(zhì)，包括來自小行星和月球上的資源。該法案的簽署意味著商業(yè)化的空間探測(cè)將迅速成長(zhǎng)。目前，國(guó)外已有多家公司表示未來將勘探和開發(fā)月球。例如，美國(guó)比格羅航天公司（Bigelow Aerospace）在2015年宣布，將于2025年前后在月球表面建立多個(gè)基地點(diǎn)，通過鉆探機(jī)器人進(jìn)行月球資源勘探。

除美國(guó)外，俄羅斯、歐洲和日本也表現(xiàn)出對(duì)月球及其資源的高度重視。2015年4月，俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roskosmos）局長(zhǎng)卡馬洛夫表示，俄羅斯將加大航天發(fā)展力度，并將月球探測(cè)列入未來10年重點(diǎn)發(fā)展方向；2015年6月，ESA新任局長(zhǎng)沃爾納宣布，歐洲計(jì)劃2018年向月球極區(qū)發(fā)射著陸器，并計(jì)劃利用3D打印技術(shù)最早于2024年開始在月球南極沙克爾頓（Shackleton）隕坑打造月球基地；日本也在4月宣布，2018年將發(fā)射小型月球著陸器，驗(yàn)證百米級(jí)的精確著陸技術(shù)，以用于未來的月球環(huán)境探測(cè)和資源勘探。