2020 年國外深空探測領域發(fā)展綜述

張揚眉（北京空間科技信息研究所）

2020 年，全球共發(fā)射5 次深空探測任務，分別是歐洲的“太陽軌道器”（SolO）、阿聯(lián)酋的“阿聯(lián)酋火星任務”（EMM）、中國的天問一號、美國的“火星2020”（Mars 2020）以及中國的嫦娥五號。

截至2020 年底，國外共發(fā)射250 次深空探測任務，其中，月球任務112 次，火星任務46 次，金星任務41 次，太陽任務17 次，土星木星任務7 次，彗星任務7 次，小行星任務6 次，水星任務3 次，其他任務11 次。

截至2020 年底，國外共有34 個深空探測器在軌，按探測器類型分：月球探測器4 個，火星探測器10 個，金星探測器1 個，太陽探測器7 個，木星探測器1 個，小行星探測器2 個，水星探測器2 個，其他探測器7 個；按所屬國家分：美國20 個，歐洲6 個，日本4 個，印度2 個，俄羅斯1 個，阿聯(lián)酋1 個。

1 歐洲發(fā)射“太陽軌道器”，將近距離觀測太陽極區(qū)

2020 年2 月10 日，歐洲航天局（ESA）發(fā)射太陽抵近探測任務—“太陽軌道器”。“太陽軌道器”最近將距離太陽僅60 個太陽半徑，即約0.28AU（約4.2×107km），將首次獲取太陽極區(qū)的圖像，對太陽極區(qū)進行近距離觀測，并對日球層和太陽風進行詳細測量，從而揭示日球層的產(chǎn)生和變化，增進人們對太陽的認知，并幫助更好地了解和預測空間天氣。12月27 日，“太陽軌道器”進行了首次金星借力飛行。

“太陽軌道器”是歐洲首次太陽抵近探測任務，最接近太陽處約為4.2×107km，比水星更接近太陽。此前，美國于2018 年發(fā)射全球首個太陽抵近探測任務—“帕克太陽探測器”（PSP）。盡管其“太陽軌道器”沒有“帕克太陽探測器”距離太陽近，但相對于黃道面的軌道傾角更大，能夠從更高緯度對太陽進行觀測。1990 年發(fā)射的ESA 與美國國家航空航天局（NASA）合作開展的“尤里塞斯”（Ulysses）任務，曾首次對太陽兩極進行了探測，但該任務沒有攜帶相機，因此相關探測數(shù)據(jù)的空白可由“太陽軌道器”補充。

ESA 與NASA 在太陽探測方面有著長期的合作，雙方一直在共同推進人類對于太陽的認知。在ESA牽頭的“太陽軌道器”任務中，NASA 提供了1 個科學儀器以及運載火箭。此外，ESA 的“太陽軌道器”將與NASA 的“帕克太陽探測器”在研究太陽方面緊密配合。

“太陽軌道器”已準備好與太陽近距離接觸（來源：Airbus）

2 阿聯(lián)酋發(fā)射“阿聯(lián)酋火星任務”，阿拉伯世界深空探測首秀

7 月19 日，阿聯(lián)酋首個火星探測任務—“阿聯(lián)酋火星任務”起航，名為希望號（Hope）的火星軌道器搭乘日本H－2A 火箭發(fā)射升空。希望號火星軌道器已于2021 年2 月9 日開始環(huán)火，將研究火星天氣的每日變化和季節(jié)性變化、沙塵暴等低層大氣中的天氣事件，以及火星不同區(qū)域的天氣變化。如果成功，阿聯(lián)酋將成為首個訪問火星的西亞國家。

阿聯(lián)酋希望號火星軌道器在軌飛行示意圖（來源：UAE）

“阿聯(lián)酋火星任務”是在阿聯(lián)酋航天局（UAE Space Agency）成立之后立項的，承載了阿聯(lián)酋發(fā)展航天的決心和希望。阿聯(lián)酋寄希望于通過此次任務的實施，推動其基于知識的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，促進經(jīng)濟的多元化發(fā)展。該任務被描述為阿聯(lián)酋未來發(fā)展的新希望，將促進阿聯(lián)酋后石油經(jīng)濟時代的發(fā)展。本次任務的開展將幫助培養(yǎng)阿聯(lián)酋航天管理人員、工程技術人員和科研人員，推動教育和學術部門的發(fā)展，同時還將激勵年輕一代對科學和創(chuàng)新的熱情，并且向世界傳達阿聯(lián)酋以及阿拉伯人民的雄心和能力。

“阿聯(lián)酋火星任務”采用了一種新穎的研制方法，即與具有長期深空探測經(jīng)驗的團隊進行合作，避免本土開發(fā)技術花費過長的時間。同時，相比于直接購買探測器，還可以培養(yǎng)本國的人才、快速構建深空探測能力。該任務團隊包括150 名阿聯(lián)酋工程師，以及200 名來自美國的工程師和科學家。

3 美國發(fā)射毅力號火星車，邁出火星采樣返回第一步

2020 年7 月30 日，美國用宇宙神－ 5 － 541（Atlas－5－541）運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射“火星2020”探測器。該探測器攜帶毅力號（Perseverance）火星車，已于2021 年2 月19 日成功著陸火星表面，工作時間為至少1 個火星年（687個地球日）。“火星2020”任務的科學探測目的是為探尋火星過去的宜居條件，探索火星表面遠古的生命痕跡，并采集火星巖石和土壤樣品，將其存儲在容器中，供未來的火星采樣返回任務帶回地球。

美國毅力號火星車及攜帶的一架名為機智號（Ingenuity）的火星直升機（來源：JPL）

4 在軌深空探測任務實現(xiàn)多項里程碑，并繼續(xù)取得大量科學成果

2020 年，國外1 個深空探測器失效，即美國“斯皮策空間望遠鏡”（SST）；其他在軌的34 個深空探測器實現(xiàn)多項里程碑，并繼續(xù)取得大量科學成果。

月球探測方面，10 月，NASA 宣布其“平流層紅外天文學觀測臺”（SOFIA）首次在月球表面上有陽光照射處發(fā)現(xiàn)了水。該發(fā)現(xiàn)表明，水可能廣泛分布于月球表面，而不僅限于那些寒冷并位于陰影中的區(qū)域。在月球極區(qū)以外的區(qū)域發(fā)現(xiàn)水，為未來在極區(qū)以外進行載人探月活動提供了新的機遇。

火星探測方面，NASA“火星奧德賽”（Mars Odyssey）軌道器于2019 年冬季和2020 年春季共拍攝了3 張火衛(wèi)一（Phobos）的新圖像，捕捉到火衛(wèi)一進入和離開火星陰影的圖像，有助于研究火衛(wèi)一是否是火星捕獲的一顆小行星或者是經(jīng)歷碰撞后從火星脫離的一部分；6 月，歐洲的“火星生物學”（ExoMars）“示蹤氣體軌道器”（TGO）探測到火星大氣中發(fā)光的綠色氧原子，這是首次在除地球之外的星體上觀察到此類現(xiàn)象；NASA 的洞察號（InSight）著陸器“火星地震”探測數(shù)據(jù)獲得新成果，有助于對行星的內(nèi)部地質結構進行建模和監(jiān)測，以及火星上例如水冰等資源勘探。

在火星表面運行的洞察號火星著陸器（來源：NASA）

美國“歐西里斯-雷克斯”探測器（來源：Lockheed Martin）

小行星探測方面，10 月20 日，美國“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）小行星探測器以“一觸即離”（Touch and Go）方式接觸貝努（Bennu）小行星表面，停留數(shù)秒后，按預定計劃飛離小行星，完成小行星的首次采樣，并將樣品封存在樣品返回艙中，準備2021 年3 月離開貝努小行星，最終將于2023 年9月返回地球。

12 月5 日，日本隼鳥－2（Hayabusa－2）小行星探測器的樣品返回艙成功著陸在澳大利亞伍默拉禁區(qū)，帶回了從龍宮（Ryugu）小行星采集的樣品，實現(xiàn)了人類第二次小行星采樣返回。隼鳥－2 于2014 年12 月3 日發(fā)射，是日本第二個小行星采樣返回探測器，也是日本2003 年發(fā)射的“隼鳥”探測器的后繼型號。此前，隼鳥－2 向龍宮小行星投放了多個小型機器人，并采用“一觸即離”的采樣方式，從撞擊坑內(nèi)成功采集到小行星樣品。

水星探測方面，歐日合作的“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）水星探測器成功完成了地球借力飛行和金星借力飛行，首次飛越金星，并拍攝到了金星的圖像，預計2025 年抵達水星。

金星探測方面，9 月，來自多國的研究團隊發(fā)表論文稱，在金星大氣層中發(fā)現(xiàn)了磷化氫，這為人類突破性發(fā)現(xiàn)地外生命提供了積極信號。此次發(fā)現(xiàn)對金星是否存在生命的科學主題意義重大，該研究團隊后續(xù)將繼續(xù)進行進一步的研究和分析。

木星探測方面，美國“朱諾”（Juno）探測器原計劃于2021 年7 月終結任務，但目前NASA 正在研究將任務延期到2025 年9 月。

其他探測方面，歐洲“系外行星特征衛(wèi)星”（CHEOPS）完成試運行階段，進入科學運行階段；俄羅斯“光譜-倫琴-伽馬”（Spektr-RG）探測器完成巡航飛行后，抵達L2 點，開始科學探測活動。

日本隼鳥－2 探測器（來源：JAXA）

“貝皮-科倫坡”水星探測器計劃于2025 年抵達水星（來源：ESA）

5 在研任務取得穩(wěn)步進展，全球深空探測活動未來可期

2020 年，國外在研的深空探測任務取得穩(wěn)步進展。任務規(guī)劃方面，美國與歐洲繼續(xù)推進火星采樣返回任務方案研究，提出2032 年采樣返回任務框架的修訂版本；篩選出4 項“發(fā)現(xiàn)計劃”（Discovery Program）的候選方案，探測目標包括金星、火衛(wèi)一和海衛(wèi)一；篩選出“行星探測小行星創(chuàng)新任務”（SIMPLEx）計劃下的三項任務，即“雙面神”（Janus）、“月球拓荒者”（Lunar Trailblazer）、“逃離與等離子體加速和動力學探測器”（EscaPADE）。其中，“月球拓荒者”將拍攝月球表面蘊含了水冰或水的巖石的高分辨率圖像，以支持NASA 的“阿爾忒彌斯”（Artemis）載人登月任務；“雙面神”任務將探測雙元小行星系統(tǒng)，研究其形成和演化歷史，建立雙元小行星系統(tǒng)的精確模型；“逃離與等離子體加速和動力學探測器”將研究火星大氣逃逸的加速過程，以及火星大氣是如何受到太陽風持續(xù)影響的，目前該任務仍處于規(guī)劃階段。任務研發(fā)方面，受到新冠疫情和技術問題因素的影響，“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）延期至2021 年10 月發(fā)射；“露西”（Lucy）小行星探測任務將于2021 年10－11 月發(fā)射。

“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”示意圖（來源：ESA）

歐俄合作的“火星生物學2020”任務延期至2022 年發(fā)射，其火星車降落傘通過高空墜落測試；歐洲繼續(xù)與美國合作推進“小行星撞擊與偏轉評估”（AIDA）任務，其“赫拉”（Hera）探測器計劃于2024 年10 月發(fā)射。

俄羅斯繼續(xù)推進其無人月球探測任務，將于2025 年前開展3 次落月任務，分別為月球－25、26和27（Luna－25、26 和27），都將有ESA 的合作參與。其中月球－25 任務計劃于2021 年10 月發(fā)射。

印度繼月船－2（Chandrayaan－2）著陸失敗后，積極研發(fā)其后繼型號，將于2021 年底或2022 年初發(fā)射月船－3，攜帶著陸器和月球車在月球表面著陸。此外，印度將“舒克拉安”（Shukrayaan）金星探測任務推遲至2024 年發(fā)射，該任務將重點研究金星地表、地下、大氣化學，以及與太陽輻射或太陽風的相互作用。

未來，全球深空探測將繼續(xù)保持高熱狀態(tài)，集中于多類型月球任務、小行星采樣返回和火星采樣返回任務，任務類型更趨復雜，深空探測技術不斷創(chuàng)新，科學探測的深度和廣度不斷擴展。