深空探測(cè)科學(xué)儀器研究進(jìn)展

高震宇 王民建 黃帆 宋愛國(guó) 朱利豐

1 東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京,210096 2 上海衛(wèi)星工程研究所,上海,201109

0 引言

深空探測(cè)指人類對(duì)地球以外較遠(yuǎn)的天體或空間環(huán)境開展的探測(cè)活動(dòng),人類通過對(duì)宇宙中的行星、衛(wèi)星、小行星和彗星等星體或空間環(huán)境進(jìn)行接近與探測(cè),可以了解被測(cè)星體的物理及化學(xué)性質(zhì)、地表地貌、動(dòng)態(tài)特性以及有機(jī)物和水的存在,對(duì)人類了解地外水和生命信息、認(rèn)識(shí)太陽系的起源和演化有著重要意義,為人類走出地球提供了更多的信息準(zhǔn)備,是當(dāng)前和未來航天領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)之一．

美國(guó)、蘇聯(lián)(俄羅斯)、歐洲航天局在現(xiàn)代深空探測(cè)領(lǐng)域起步較早,開展了多次重要探測(cè)任務(wù)并取得了矚目成果．我國(guó)深空探測(cè)起步較晚,但近些年進(jìn)步巨大,在月球和火星探測(cè)方面成果突出．深空探測(cè)任務(wù)主要集中于月球、行星、彗星以及小行星．自1959年起,蘇聯(lián)和美國(guó)分別發(fā)射多臺(tái)探測(cè)器探測(cè)月球．離地球較近的火星是深空探測(cè)的熱門目標(biāo)．20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)邁出探索火星第一步,隨后美國(guó)對(duì)火星進(jìn)行了多次探測(cè),先后實(shí)施了火星探測(cè)漫游者計(jì)劃、火星實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃以及2020年火星探測(cè)計(jì)劃等．1978年后,美國(guó)和歐洲航天局對(duì)彗星展開了多次探測(cè),包括國(guó)際彗星探測(cè)器(International Cometary Explorer,ICE)、星塵號(hào)(Stardust)探測(cè)器、深空1號(hào)(Deep Space 1)探測(cè)器以及羅塞塔彗星探測(cè)計(jì)劃．典型的小行星探測(cè)器有深空1號(hào)、黎明號(hào)，以及目前仍在探測(cè)中的OSIRIS-Rex探測(cè)器．

為實(shí)現(xiàn)對(duì)天體表面信息的探測(cè),深空探測(cè)器除了需要完備的動(dòng)力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等模塊以輔助探測(cè)器移動(dòng)接近地球以外較遠(yuǎn)的天體,還需要搭載不同的科學(xué)儀器來實(shí)現(xiàn)對(duì)天體的物理性質(zhì)、化學(xué)成分等信息進(jìn)行分析與探測(cè)．本文將圍繞深空探測(cè)任務(wù),討論深空探測(cè)中的科學(xué)儀器研究進(jìn)展．針對(duì)地外星球的通性,為輔助深空探測(cè)科學(xué)儀器的設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù),總結(jié)深空探測(cè)的基本科學(xué)目標(biāo),主要探測(cè)和研究地外星球的物理及化學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)組成、地表地貌、動(dòng)態(tài)特性，以及離子與磁場(chǎng)環(huán)境等．根據(jù)探測(cè)的任務(wù)或原理的不同,結(jié)合近50年來典型的深空探測(cè)任務(wù),對(duì)常用的儀器包括光譜儀、質(zhì)譜儀、探地雷達(dá)、磁通門磁力計(jì)、離子環(huán)境探測(cè)儀器、無線電探測(cè)儀器和塵埃探測(cè)儀器等科學(xué)探測(cè)儀器的研究進(jìn)展情況進(jìn)行進(jìn)一步的分類介紹．隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,深空探測(cè)科學(xué)儀器逐漸向小型化和低功耗的方向發(fā)展,更加注重儀器的環(huán)境適應(yīng)能力以及多儀器的聯(lián)合使用.最后具體討論了科學(xué)探測(cè)儀器的發(fā)展趨勢(shì)并對(duì)未來的科學(xué)儀器載荷做出設(shè)想．

1 深空探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)

深空探測(cè)主要集中于月球、行星、小行星以及彗星．依據(jù)近50年來深空探測(cè)計(jì)劃以及不同星體的共同特性,總結(jié)出深空探測(cè)主要的科學(xué)目標(biāo)有:

1)探測(cè)星體的物理性質(zhì):包括大小、形狀、反照率、重力、孔隙度和熱慣量等參數(shù)．

2)探測(cè)星體的化學(xué)元素、同位素組成和有機(jī)物成分．

3)探測(cè)星體的地表和內(nèi)部的地貌、地質(zhì)構(gòu)造特征和組成成分:通過比較不同天體在地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)上的異同以及星體地表不同區(qū)域礦物差異可以幫助我們對(duì)于星體的分類、形成和演化有進(jìn)一步的理解．隨著對(duì)星體表面認(rèn)識(shí)的進(jìn)步,逐漸將探測(cè)內(nèi)容轉(zhuǎn)入地表以下的地質(zhì)構(gòu)造、水冰含量以及介電常數(shù)等信息的探測(cè)．

4)確定星體的動(dòng)態(tài)特性及其產(chǎn)生機(jī)制:典型的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象包括彗星彗發(fā)的形成和演化、彗核的分裂以及火星的沙塵風(fēng)暴等．

5)探測(cè)星體的離子與磁場(chǎng)環(huán)境．

6)探索地外星球與地球的關(guān)系:在太陽系形成初期,彗星或小行星經(jīng)常撞擊地球,帶來大量的水和揮發(fā)物,對(duì)海洋、大氣乃至生命的形成與演化有著重要影響．

7)研究太陽系的起源和演化:長(zhǎng)期處于低溫狀態(tài)下的彗星等地外星體,內(nèi)部的演化程度小,保留了較多的太陽系形成初期的原始?jí)m埃和凝聚物,是探索太陽系的形成和演化過程的重要線索．

2 典型深空探測(cè)任務(wù)的科學(xué)探測(cè)儀器配置

我國(guó)21世紀(jì)前期的深空探測(cè)主要集中于探月工程,成功實(shí)現(xiàn)月球的環(huán)繞、巡視探測(cè)和月壤的采樣返回．2020年我國(guó)實(shí)施首次火星探測(cè)任務(wù),并將對(duì)火星采樣、小行星探測(cè)、木星系及行星穿越探測(cè)等多種技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)[1]．美國(guó)和歐洲的探測(cè)任務(wù)以行星和彗星探測(cè)為主,起步早、探測(cè)范圍廣且成果矚目,包括火星漫游者探測(cè)計(jì)劃、對(duì)丘留莫夫-格拉西緬科(67P)彗星探測(cè)的羅塞塔計(jì)劃以及正在進(jìn)行中的美國(guó)火星2020探測(cè)計(jì)劃．本部分將總結(jié)典型深空探測(cè)任務(wù)的科學(xué)儀器配置．

2.1 深空探測(cè)光譜儀

深空探測(cè)任務(wù)都配有光學(xué)載荷,對(duì)目標(biāo)星體的有機(jī)物成分、礦物和巖石成分、元素組成和形態(tài)特征等進(jìn)行研究．按照科學(xué)目標(biāo)可將光學(xué)儀器分為成像探測(cè)類和光譜分析類．成像探測(cè)類以各類型相機(jī)為主,負(fù)責(zé)拍攝被測(cè)星體的照片,為科學(xué)研究提供直觀認(rèn)知．光譜分析類通過光譜儀器研究物質(zhì)組成成分、演化以及結(jié)構(gòu)等．根據(jù)光譜儀技術(shù)、探測(cè)范圍和原理的不同,光譜儀可分為可見/紅外成像光譜儀、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀、拉曼光譜儀、X射線熒光/衍射光譜儀和紫外光譜儀等[2]．

1)可見/紅外成像光譜儀

可見/紅外成像光譜儀光譜范圍寬,具有高空間分辨率和高光譜分辨率的特性,廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)任務(wù)中,判斷星體的礦物、巖石、有機(jī)物等組分[3]．羅塞塔號(hào)彗星探測(cè)任務(wù)配置了3個(gè)光譜儀,分別為羅塞塔號(hào)航天器上的光學(xué)分光與紅外遠(yuǎn)程成像系統(tǒng)(Optical,Spectroscopic,and Infrared Remote Imaging System,OSIRIS)、可見光和紅外熱成像光譜儀(Visual and Infrared Thermal Imaging Spectrometer,VIRTIS)以及菲萊號(hào)登陸器上的紅外和可見光分析器(Comet Infrared and Visible Analyser,CIVA)．

OSIRIS由高空間分辨率的窄角相機(jī)和較低分辨率的廣角相機(jī)構(gòu)成,從較遠(yuǎn)的距離(100 km以上)觀測(cè)彗核的結(jié)構(gòu)、表面礦物以及塵埃的噴射[4],其實(shí)物如圖1所示．OSIRIS觀察到彗星表面的“雞皮疙瘩”地貌并在近日點(diǎn)附近觀測(cè)到直徑超過1 m的彗發(fā)噴射物．VIRTIS包括0.25～5 μm范圍的光譜成像通道(VIRTIS-M)和2～5 μm范圍的高光譜通道(VIRTIS-H)[5],主要探測(cè)彗核表面固體、有機(jī)物和氣態(tài)成分的性質(zhì)[6],實(shí)物示于圖2．儀器檢測(cè)出彗核表面存在大量的含碳化合物、少部分的水冰及非揮發(fā)性的有機(jī)高分子物質(zhì),其中C—H和O—H成分較多而N—H成分少．較少的水冰含量表明67P彗星是一個(gè)冰土球,且誕生于太陽系較外層區(qū)域．CIVA儀器由全景立體相機(jī)(CIVA-P)和配有近紅外顯微高光譜成像儀的顯微鏡(CIVA-M)組成．CIVA-P探測(cè)毫米級(jí)到米級(jí)范圍的物質(zhì)[7],識(shí)別彗星地表的形態(tài)結(jié)構(gòu),如裂紋、孔隙、斷層以及彗星演變過程中的侵蝕特征,實(shí)物如圖3所示．CIVA-M可在13.0 mm的位置處對(duì)7 μm以上的顆粒進(jìn)行紅外光譜探測(cè),實(shí)物示于圖4．

圖1 OSIRIS[4]Fig.1 OSIRIS[4]

圖2 VIRTIS[5] Fig.2 VIRTIS[5]

圖3 CIVA-P[7]Fig.3 CIVA-P[7]

圖4 CIVA-M[7]Fig.4 CIVA-M[7]

2)X射線熒光/衍射光譜儀

基于X射線熒光效應(yīng)以及衍射效應(yīng)的探測(cè)儀器被廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)中,用于分析星球表面的元素組成和巖石土壤成分．典型的儀器有α粒子X射線光譜儀(Alpha Proton X-ray Spectrometer,APXS),實(shí)物如圖5所示．APXS儀器通過近距離接觸分析巖石和土壤中存在的元素,提供有關(guān)地表形成、氣候變化以及水活動(dòng)的信息[8]．1997年美國(guó)火星探路者登陸車搭載第一臺(tái)小型化低功耗的APXS儀器,可以探測(cè)鎂、鋁、硅、鉀、鈣、鐵、鈉、硼、硫、碳等元素,6.4 keV鐵元素譜線的能量分辨率為260 eV．2003年美國(guó)火星漫游者項(xiàng)目搭載了改進(jìn)了的APXS,加入α粒子熒光光譜儀輔助分析,6.4 keV鐵元素譜線的能量分辨率提高到160 eV,但是儀器只能在夜間運(yùn)行,且每次檢測(cè)至少需要10 h[9]．2004年發(fā)射的羅塞塔號(hào)配備的APXS儀器采用了硅漂移檢測(cè)器,可顯著提高能量分辨率,更好地分離低能X射線[10]．

圖5 APXS[8]Fig.5 APXS[8]

美國(guó)火星2020探測(cè)計(jì)劃的毅力號(hào)火星車搭載了改進(jìn)的X射線巖石化學(xué)行星儀器(Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry,PIXL)．儀器實(shí)物如圖6所示,核心是X射線熒光光譜儀和拍攝巖石、土壤紋理細(xì)節(jié)的特寫相機(jī),兩者共同尋找火星上存在微生物的跡象[11]．PIXL的感應(yīng)探頭安裝在火星車機(jī)械臂上,探測(cè)時(shí)放置在地面上方2 cm處,針對(duì)不同的地面情況和目標(biāo)特征,有粗略勘探方式、線掃描模式、網(wǎng)格模式和點(diǎn)分析模式．

圖6 PIXL[11]Fig.6 PIXL[11]

3)激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀和拉曼光譜儀

激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)具有可遠(yuǎn)程分析、高效、可改變被測(cè)物體表面的優(yōu)勢(shì)[12]．美國(guó)火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的ChemCam(Chemistry & Camera)儀器首次搭載LIBS研究火星土壤和巖石的化學(xué)與礦物組成,但是無法獲取具體的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu),其實(shí)物如圖7所示．探測(cè)時(shí)機(jī)械臂上的激光發(fā)射器向9 m外的巖石發(fā)射激光使其蒸發(fā),由火星車體內(nèi)部的3臺(tái)光譜儀分析,分別覆蓋240～340 nm的紫外譜段、340～540 nm的可見光譜段以及540～850 nm的近紅外譜段[13]．

圖7 ChemCam[13]Fig.7 ChemCam[13]

拉曼光譜儀利用光子散射頻率變化受到分子內(nèi)部和分子間振動(dòng)的影響確定物質(zhì)種類,可識(shí)別無機(jī)物、有機(jī)物和生物組分．目前主要的拉曼光譜儀為靠近式拉曼光譜儀[14],通過移動(dòng)機(jī)械臂對(duì)焦被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)近距離(10 m內(nèi))探測(cè)．美國(guó)火星2020探測(cè)任務(wù)中搭載的有機(jī)物與化學(xué)物質(zhì)光譜儀(Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals,SHERLOC)由拉曼光譜儀、激光發(fā)射器和相機(jī)組成．激發(fā)光源發(fā)射波長(zhǎng)為248.6 nm,可將拉曼散射強(qiáng)度提高100～10 000倍[15],實(shí)物如圖8所示．美國(guó)火星2020探測(cè)任務(wù)搭載的SuperCam儀器在LIBS的基礎(chǔ)上增加了拉曼光譜儀．LIBS負(fù)責(zé)探測(cè)礦物的元素種類,拉曼光譜儀負(fù)責(zé)檢測(cè)有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)礦物的組分[16]．

圖8 SHERLOC[15]Fig.8 SHERLOC[15]

4)紫外成像光譜儀

紫外譜段包含了各類星體的重要信息,如大氣活動(dòng)、表面的電離層與太陽風(fēng)的相互作用以及碳、氫、氧、氮、硫等生命相關(guān)的元素和物質(zhì)的存在．羅塞塔號(hào)配備的紫外成像光譜儀ALICE是一種輕型、低功耗和低成本的紫外光譜儀,用于探測(cè)彗星的遠(yuǎn)紫外和極紫外光譜,覆蓋范圍從70～205 nm．ALICE儀器發(fā)現(xiàn)彗核上方1 km內(nèi)的電子是水受輻射降解產(chǎn)生的:來自太陽的紫外線擊中水分子并將其電離,射出高能電子同時(shí)分解出氫原子和氧原子[17]．

5)其他深空探測(cè)任務(wù)中的光譜儀

其他典型的光譜儀器還有:專門用于含鐵礦物探測(cè)的穆斯堡爾(M?ssbauer)光譜儀,但是因?yàn)槠錅y(cè)量元素有限,應(yīng)用不是很廣泛[18];利用X射線衍射和X射線熒光光譜分析原理的化學(xué)與礦物學(xué)分析儀(Chemistry & Mineralogy,CheMin)[19]和X射線成像光譜儀(REgolith X-Ray Imaging Spectrometer,REXIS)[20];利用熱輻射原理進(jìn)行探測(cè)的微型熱輻射光譜儀Mini-TES[21]和熱輻射光譜儀(OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer,OTES)[22];黎明號(hào)可見光與紅外光譜儀(Visual and Infrared Spectrometer,VIR)[23]等．這些光譜儀器的具體參數(shù)和探測(cè)目的在表1中列出．

表1 深空探測(cè)任務(wù)光譜儀

2.2 深空探測(cè)質(zhì)譜儀

早期的深空探測(cè)任務(wù)主要集中于獲取星體圖像、研究星體的地形地貌等,因此探測(cè)器搭載的儀器以光譜儀等光學(xué)儀器為主．直到20世紀(jì)70年代質(zhì)譜儀才逐漸被各種探測(cè)任務(wù)采用,根據(jù)檢測(cè)原理可分為:四極桿質(zhì)譜儀、離子阱質(zhì)譜儀和飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等．航天器上的質(zhì)譜儀可以探測(cè)星體的大氣、土壤吸附氣體和揮發(fā)成分的元素以及同位素組成;登陸器搭載的質(zhì)譜儀可以測(cè)定星球表面大氣、土壤和巖石的成分等[25]．

1)四極桿質(zhì)譜儀

四極桿質(zhì)譜儀測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)荷比,質(zhì)量較輕、分辨率較高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)．典型的儀器有美國(guó)好奇號(hào)火星樣本分析儀(Sample Analysis at Mars,SAM),由四極質(zhì)譜儀、氣相色譜儀和可調(diào)諧激光分光計(jì)組成,儀器負(fù)責(zé)搜尋火星表面的有機(jī)化合物以及與生命構(gòu)成相關(guān)的輕量元素,例如氫、氧和氮等,質(zhì)量檢測(cè)范圍為1.5～535.5 u[26]．

2)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀根據(jù)離子飛行時(shí)間確定物質(zhì)成分,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需外加電場(chǎng)、掃描速度快且質(zhì)量檢測(cè)范圍大．羅塞塔號(hào)彗星次級(jí)離子質(zhì)量分析儀(Com-etary Secondary Ion Mass Analyser,COSIMA)檢測(cè)次級(jí)離子飛行時(shí)間,質(zhì)量范圍為1～3 500 u,分辨率(m/Δm)>2 000[27],實(shí)物如圖9所示．COSIMA儀器發(fā)現(xiàn)67P彗星塵埃顆粒中并不含冰,這表明彗發(fā)中的塵埃顆粒是彗星經(jīng)過近日點(diǎn)后慢慢集聚到彗星表面的．此外COSIMA在塵埃顆粒中發(fā)現(xiàn)了大量的鈉離子以及鎂、鋁、鐵、鈣等元素和復(fù)雜含碳有機(jī)物．

圖9 COSIMA[27]Fig.9 COSIMA[27]

羅塞塔號(hào)離子與中性分子分析儀(Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis,ROSINA)對(duì)彗星大氣和電離層所含元素、同位素和分子成分進(jìn)行分析,由雙聚焦磁場(chǎng)質(zhì)譜儀(Double Focusing Mass Spectrometer,DFMS)和反射式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(Reflection Time of Flight,RTOF)組成[28],實(shí)物示于圖10．DFMS檢測(cè)的質(zhì)量范圍為12～150 u,分辨率高(m/Δm=3 000)且動(dòng)態(tài)范圍較大．RTOF作為DFMS儀器的補(bǔ)充,將質(zhì)量檢測(cè)范圍擴(kuò)大至1～350 u,保證在較大的質(zhì)量范圍內(nèi)仍有較高靈敏度(m/Δm>500)．兩個(gè)質(zhì)譜儀各有一個(gè)氣體檢測(cè)通道和一個(gè)離子檢測(cè)通道[28]．ROSINA儀器的主要探測(cè)到彗星存在一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻鍤狻⒀鯕夂秃⒘蛴袡C(jī)物,并發(fā)現(xiàn)彗星上水的氘氫比與地球顯著不同,排除地球水來源于彗星的可能性．

圖10 ROSINA[28]Fig.10 ROSINA[28]

菲萊號(hào)彗星采樣與樣本成分分析設(shè)備(Cometary Sampling and Composition,COSAC)測(cè)量彗星表面和地下產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)的元素、同位素組成并識(shí)別化學(xué)和礦物成分．如圖11所示,儀器由一個(gè)氣相色譜儀和一個(gè)高分辨率多通道的飛行時(shí)間測(cè)量質(zhì)譜儀組成[29]．COSAC分析了登陸器采集到的樣品,發(fā)現(xiàn)彗核表面主要是由含冰量少的揮發(fā)性塵埃顆粒組成,共有16種富含碳和氮的有機(jī)化合物,包括4種在彗星中從未發(fā)現(xiàn)過的物質(zhì):異氰酸甲酯、丙酮、丙醛和乙酰胺．

圖11 COSAC[29] Fig.11 COSAC[29]

3)離子阱質(zhì)譜儀

離子阱質(zhì)譜儀具有結(jié)構(gòu)小巧、質(zhì)量輕的特點(diǎn),多出現(xiàn)在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的場(chǎng)合．菲萊號(hào)穩(wěn)定同位素探測(cè)儀Ptolemy由氣相色譜儀和離子阱質(zhì)譜儀組成,質(zhì)量檢測(cè)范圍為12～150 u[30]．Ptolemy通過加熱固體樣本或直接采集氣體檢測(cè)揮發(fā)性物質(zhì)并對(duì)碳、氫、氧、氮的同位素進(jìn)行分析[31],實(shí)物示于圖12．Ptolemy檢測(cè)出了彗發(fā)氣體的主要成分為水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳以及少量含碳的有機(jī)化合物,包括甲醛等．Ptolemy和COSAC共同檢測(cè)到了與生命構(gòu)成相關(guān)的含碳氮有機(jī)物成分,包括氨基酸、糖和堿基,這為探索地球的生命起源提供了新的線索．

圖12 Ptolemy[30]Fig.12 Ptolemy[30]

4)其他深空探測(cè)任務(wù)中的質(zhì)譜儀

磁質(zhì)譜儀和離子中性質(zhì)譜儀也常見于各種深空探測(cè)任務(wù)中．帶電離子在磁質(zhì)譜儀的磁場(chǎng)內(nèi)受到不同的洛倫茲力后分離,以此區(qū)分離子種類;離子中性質(zhì)譜儀通常是以四極桿質(zhì)譜儀為質(zhì)量檢測(cè)器的探測(cè)儀器．其他深空探測(cè)任務(wù)的質(zhì)譜儀參數(shù)和探測(cè)目標(biāo)如表2所示[32]．

表2 深空探測(cè)任務(wù)質(zhì)譜儀

2.3 探地雷達(dá)

早期探測(cè)任務(wù)將雷達(dá)搭載在環(huán)繞器上,從較近距離對(duì)待測(cè)星體的淺表層和次表層實(shí)現(xiàn)全方位探測(cè)．典型的有歐洲航天局火星快車搭載的火星次表層和電離層探測(cè)先進(jìn)雷達(dá)(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding,MARSIS)、我國(guó)“嫦娥三號(hào)”搭載的測(cè)月雷達(dá)和美國(guó)航空航天局火星勘測(cè)軌道器搭載的淺表層雷達(dá)(Shallow Radar,SHARAD)[40]．隨著對(duì)地外星球認(rèn)知的深入,逐漸以就位探測(cè)方式為主,在登陸器上搭載探地雷達(dá),通過雷達(dá)波極化方式的變化獲取星體地表以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水冰土壤分布和介電常數(shù)等信息．我國(guó)“玉兔號(hào)”月球探測(cè)器搭載了一部探月雷達(dá),分為兩個(gè)通道:通道一分辨率為米級(jí),探測(cè)深度大于100 m;通道二分辨率可達(dá)到30 cm,探測(cè)深度小于30 m[41]．美國(guó)2020火星探測(cè)計(jì)劃選用的火星地下實(shí)驗(yàn)的雷達(dá)成像儀(Radar Imager for Mars’ Subsurface Experiment,RIMFAX)是首個(gè)探測(cè)火星淺層地表的儀器,實(shí)物示于圖13．RIMFAX的首要目標(biāo)是獲取火星地表結(jié)構(gòu)的圖像,并提供有關(guān)地表組成成分的信息[42]．雷達(dá)工作頻率范圍是150 GHz到1.2 GHz,每發(fā)射一次電磁波需要100 ms,在自由空間的垂直分辨率可達(dá)到14.2 cm．探測(cè)時(shí)火星車每前進(jìn)10 cm,RIMFAX就會(huì)進(jìn)行一次淺層深層交替測(cè)量,預(yù)期的信號(hào)的穿透深度可達(dá)10 m．我國(guó)“天問一號(hào)”火星任務(wù)的軌道器和巡視器各搭載了一部探測(cè)雷達(dá)共同研究火星土壤層和冰層的結(jié)構(gòu),分辨率可到米級(jí)至毫米級(jí)[43]．

圖13 RIMFAX[42]Fig.13 RIMFAX antenna[42]

2.4 磁通門磁力計(jì)

太陽系星體周邊的磁場(chǎng)主要來源可以分為:行星內(nèi)核驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的主磁場(chǎng)、星體內(nèi)層物質(zhì)的剩余磁場(chǎng)、太陽風(fēng)與星體作用產(chǎn)生的外源場(chǎng)和外源場(chǎng)在導(dǎo)電行星內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)．搭載磁通門磁強(qiáng)計(jì)可以充分了解地外星球的磁場(chǎng)信息以及太陽系形成初期小粒子組合成各類行星、衛(wèi)星和彗星的過程．羅塞塔號(hào)裝配磁力計(jì)和離子檢測(cè)儀器(Rosetta Magnetometer and Plasma Monitor,ROMAP)和離子聯(lián)合探測(cè)儀器(Rosetta Plasma Consortium,RPC)都帶有磁通門磁力計(jì),測(cè)量彗星本身的磁場(chǎng)和太陽風(fēng)作用下產(chǎn)生的磁場(chǎng).兩個(gè)儀器探測(cè)發(fā)現(xiàn)67P彗核本身幾乎沒有磁場(chǎng)(小于0.9 nT),還觀察到彗星的逃逸大氣與太陽風(fēng)相互作用形成了一個(gè)電磁空腔[44-45]．我國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)車和環(huán)繞器都裝載了磁力計(jì)探測(cè)火星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度[46],其中火星車搭載磁力計(jì)可探測(cè)范圍為±65 000 nT,分辨率為0.01 nT．ROMAP儀器的磁力計(jì)實(shí)物如圖14所示[45]．

圖14 磁通門磁力計(jì)[45]Fig.14 Fluxgate magnetometer[45]

2.5 離子環(huán)境探測(cè)儀器

太陽風(fēng)將太陽的磁場(chǎng)帶到整個(gè)太陽系中,與各類星體相互作用形成了特殊的動(dòng)態(tài)特性,如彗星表層揮發(fā)物噴發(fā)后受到太陽風(fēng)照射電離構(gòu)成彗星的離子彗尾．探測(cè)地外星球的離子環(huán)境可以揭示太陽風(fēng)的作用機(jī)制,了解星球的離子環(huán)境變化規(guī)律．羅塞塔號(hào)的RPC儀器除了負(fù)責(zé)探測(cè)彗星磁場(chǎng),另一個(gè)主要任務(wù)是探測(cè)彗星的離子環(huán)境,包括離子的速度、質(zhì)量、密度、溫度,監(jiān)視彗核中的塵埃和氣體活動(dòng)以及觀察彗發(fā)各分層的形成．RPC在67P彗星上測(cè)到了弓形波形成的跡象,并發(fā)現(xiàn)彗星離子與太陽風(fēng)的相互作用是產(chǎn)生電磁空腔的主要因素．

2.6 無線電探測(cè)儀器

通過提取無線電通信發(fā)射器和接收器(被測(cè)星體、地球、登陸器等)之間的信號(hào)擾動(dòng),可以獲取各類星體的大小、重力、表面形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)．該類探測(cè)使用通信天線,不需要額外搭載探測(cè)儀器,在深空探測(cè)任務(wù)中應(yīng)用廣泛.我國(guó)“嫦娥”探月項(xiàng)目運(yùn)用無線電探測(cè)科學(xué)探測(cè)了月球的重力場(chǎng)．歐洲航天局的火星快車和金星快車探測(cè)任務(wù)在掩星階段探測(cè)了火星與金星的大氣和電離層[47]．羅塞塔號(hào)無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)(Rosetta Radio Science Investigations,RSI)對(duì)67P彗星的重力場(chǎng)、慣性和運(yùn)行軌道等進(jìn)行研究[48]．羅塞塔探測(cè)任務(wù)還選配了無線電波傳輸探測(cè)彗核實(shí)驗(yàn)儀器(Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission,CONSERT),分別搭載在航天器和登陸器上．實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量發(fā)送和接收信號(hào)之間的時(shí)間差,確定彗核的平均介電特性,進(jìn)一步建模可對(duì)彗核的組成成分和孔隙度有初步認(rèn)知并識(shí)別彗星內(nèi)部的塊狀、間隙或者空隙區(qū)域．CONSERT儀器選用寬葉天線,軌道器的天線示于圖15,在自由空間中的分辨率為30 m,在彗星上的分辨率為20 m[49]．RSI和CONSERT儀器研究表明67P彗星“頭部”的孔隙率約為75%～85%,高孔隙率表明67P彗星的形成是一個(gè)相對(duì)平緩的過程,許多小彗星以不到1 m/s的速度下降結(jié)合在一起．

圖15 CONSERT軌道器天線[49]Fig.15 CONSERT orbiter antenna[49]

2.7 塵埃探測(cè)儀器

月球塵埃的存在會(huì)干擾光學(xué)設(shè)備的視野、附著于儀器表面產(chǎn)生污染、影響光電陣列和散熱器的工作．火星塵埃會(huì)影響電池的輸出功率和儀器的正常工作[50]．彗星的塵埃主要來源于彗核表面附著的揮發(fā)物噴發(fā),對(duì)認(rèn)識(shí)彗發(fā)現(xiàn)象和形成機(jī)制有著重要的意義．羅塞塔號(hào)搭載顆粒沖擊分析儀和集塵器(Grain Impact Analyser and Dust Accumulator,GIADA)和顯微成像灰塵分析系統(tǒng)(Micro-Imaging Dust Analysis System,MIDAS)．GIADA研究彗星塵埃顆粒的物理特性、化學(xué)特性以及動(dòng)態(tài)演化的過程,發(fā)現(xiàn)彗發(fā)的塵埃顆粒可分為直徑0.03～1 mm內(nèi)的緊湊顆粒和直徑0.2～2.5 mm之間的較大的蓬松聚集體[51]．MIDAS儀器配有61個(gè)塵埃采集表面,使用原子力顯微鏡獲取塵埃的紋理、形狀、大小和通量等信息,精度可達(dá)毫米甚至微米級(jí)[52],實(shí)物示于圖16．美國(guó)國(guó)家航天局的星塵號(hào)彗星探測(cè)航天器搭載星塵樣本收集器(Stardust Sample Collection,SSC)收集WILD2彗星的塵埃顆粒,塵埃通量檢測(cè)儀器(Dust Flux Monitor Instrument,DFMI)負(fù)責(zé)記錄塵埃顆粒的數(shù)量、質(zhì)量以及飛越彗星過程中的撞擊率,了解塵埃噴發(fā)形成彗發(fā)的物理過程,它還負(fù)責(zé)研究塵埃顆粒對(duì)航天器以及搭載儀器的干擾[53]．

圖16 MIDAS[52]Fig.16 MIDAS[52]

3 深空探測(cè)科學(xué)儀器的發(fā)展趨勢(shì)

最初的深空探測(cè)載荷僅有光學(xué)儀器,到20世紀(jì)70年代質(zhì)譜儀加入到了探測(cè)任務(wù)中．隨著科技的進(jìn)步和探測(cè)要求的提高,更多類型的載荷投入使用．為提高探測(cè)效果,科學(xué)載荷儀器的發(fā)展趨勢(shì)集中于小型化、提升環(huán)境適應(yīng)能力和多儀器聯(lián)合使用等方面．

3.1 小型化和低功耗

出于節(jié)省空間、降低功耗和燃料的考慮,深空探測(cè)的科學(xué)儀器應(yīng)盡量滿足小型化、低功耗和高集成度的要求．由于技術(shù)進(jìn)步,質(zhì)譜儀的小型化程度已經(jīng)很高,大部分質(zhì)量可控制在10 kg左右．裝載在星體環(huán)繞器上的光譜儀為了獲取高分辨率的圖像,存在質(zhì)量大、體積大的缺點(diǎn),相比之下登陸器上的光譜儀質(zhì)量一般不超過10 kg,功耗在10 W左右,但是含有激光發(fā)射器的光譜儀器功耗都在20 W以上．探地雷達(dá)、磁通門磁力計(jì)等儀器都能滿足小型化和低功耗的要求:RIMFAX[42]質(zhì)量為3 kg,功率5～10 W,體積為196 mm×120 mm×66 mm;“天問一號(hào)”火星探測(cè)車磁力計(jì)的傳感器質(zhì)量為86 g、電路元件質(zhì)量為628.9 g,工作時(shí)功率為5.48 W．

3.2 環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)

深空探測(cè)航天器和登陸器一般都處于惡劣環(huán)境下,儀器受到干擾多,需要具有足夠的環(huán)境適應(yīng)能力．有些星體如火星大氣稀薄、晝夜交替過快導(dǎo)致星球表面晝夜溫差較大,而彗星等星體長(zhǎng)期處于低溫下且地表存在永久陰影區(qū)．在這些環(huán)境下儀器會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不可靠的問題,例如美國(guó)火星漫游者儀器發(fā)熱導(dǎo)致APXS只能在夜間檢測(cè),極大地降低了探測(cè)效率.因此探測(cè)儀器的熱管理能力非常重要,加入珀耳帖效應(yīng)冷卻器或者熱控元件可以有效解決儀器過熱產(chǎn)生的問題,如VIRTIS[5]儀器配備低溫冷卻器用于冷卻紅外探測(cè)器．

塵埃顆粒對(duì)航天器以及搭載儀器的干擾不可忽略,如美國(guó)火星漫游者的APXS儀器因受塵埃干擾未能準(zhǔn)確探測(cè)出火星表面的巖石和礦物成分．可使用塵埃探測(cè)儀器確定星體塵埃的物理特性,如撞擊率、速度、尺寸、質(zhì)量和流量等并研究塵埃對(duì)航天器和各種實(shí)驗(yàn)儀器的干擾．另外可以配備加熱裝置,從儀器表面去除揮發(fā)性的塵埃物質(zhì)．

太陽光過強(qiáng)會(huì)影響成像儀器的成像清晰度和光譜儀器的探測(cè)性能．合理選擇光譜儀覆蓋的波段和成像距離可以盡量避免太陽光的影響,例如SHERLOC[15]設(shè)定工作距離為48 mm,可以盡量避免熒光和太陽光的干擾．星球表面光照較弱或存在永久陰影區(qū)也會(huì)造成儀器探測(cè)失敗,而雷達(dá)的穿透能力強(qiáng)且不受光照限制,可實(shí)現(xiàn)陰影區(qū)的探測(cè)．

其他的環(huán)境適應(yīng)手段包括在儀器外層放置覆蓋罩,防止電磁輻射干擾，如勇氣號(hào)火星探測(cè)車的穆斯堡爾光譜儀[18]、OSIRIS-Rex探測(cè)器[22]的風(fēng)化層X射線成像光譜儀和黎明號(hào)小行星探測(cè)器的可見光與紅外光譜儀．探測(cè)器還可搭載壓力表測(cè)量周圍區(qū)域的氣流速率和氣體密度,壓力過高時(shí)發(fā)出預(yù)警．

3.3 多儀器聯(lián)合使用

隨著對(duì)地外星球認(rèn)識(shí)的深入,深空探測(cè)任務(wù)的復(fù)雜度也逐漸提高,多儀器聯(lián)合使用可以節(jié)約空間、擴(kuò)大探測(cè)范圍、提升探測(cè)效果．多級(jí)質(zhì)譜儀聯(lián)用或氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀具有選擇性強(qiáng)以及質(zhì)量檢測(cè)范圍廣的優(yōu)點(diǎn),而某些質(zhì)譜儀也承擔(dān)了分析塵埃顆粒的功能,包括羅塞塔號(hào)的COSIMA和星塵號(hào)的彗星星際塵埃分析儀(Cometary and Interstellar Dust Analyzer,CIDA)[35]．此外,離子探測(cè)儀器可以搭配質(zhì)譜儀進(jìn)行聯(lián)合分析，如深空一號(hào)的行星探測(cè)等離子體實(shí)驗(yàn)儀器(Plasma Experiment for Planetary Exploration,PEPE),核心是一臺(tái)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀,測(cè)量離子和電子的能量、方向以及通量[54]．

光譜儀聯(lián)用的典型范例是LIBS與拉曼光譜儀的結(jié)合,具有遠(yuǎn)距離探測(cè)、可改變環(huán)境、特異性好等優(yōu)點(diǎn),將原子層面的元素探測(cè)和分子層面的物質(zhì)檢測(cè)結(jié)合,是探測(cè)星體表面有機(jī)物、礦物、巖石和土壤組成成分的重要儀器．美國(guó)2020火星探測(cè)計(jì)劃和歐洲航天局的ExoMars探測(cè)項(xiàng)目計(jì)劃都搭載了激光拉曼光譜儀,尋找火星生命存在的證據(jù)．

探地雷達(dá)可以獲得有關(guān)星體的形成、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水冰分布、有機(jī)物分布等信息,彌補(bǔ)此前深空探測(cè)任務(wù)對(duì)于星體地表以下研究的不足;中子譜儀可獲取星體地表以下水冰含量和分布,進(jìn)一步推斷含水礦物的含量與深度分布;無線電探測(cè)儀器可以識(shí)別星體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)．將這3種儀器聯(lián)合,開展地外星球探測(cè),將會(huì)獲得更加完善的地表地層與水冰分布的信息．此外,各類星球在太陽風(fēng)的作用下,磁場(chǎng)和離子環(huán)境有著密切的關(guān)聯(lián)性,因此離子探測(cè)儀器可與磁場(chǎng)探測(cè)儀器聯(lián)合使用,更加全面地獲取地外星球的磁場(chǎng)、離子環(huán)境以及它們的動(dòng)態(tài)特性,進(jìn)一步了解太陽風(fēng)的運(yùn)行機(jī)制．

4 總結(jié)

基于現(xiàn)階段深空探測(cè)的技術(shù)水平和探測(cè)能力,深空探測(cè)科學(xué)儀器主要是以光譜儀、質(zhì)譜儀、探地雷達(dá)、磁通門磁力計(jì)、離子環(huán)境探測(cè)儀器、無線電探測(cè)儀器和塵埃探測(cè)儀器為主,負(fù)責(zé)對(duì)地外星球的物理性質(zhì)、化學(xué)組成、有機(jī)物成分、地形地貌、離子與磁場(chǎng)環(huán)境等進(jìn)行全面探測(cè),研究地外星球與地球的關(guān)系以及太陽系的起源和演化．基于以往深空探測(cè)經(jīng)驗(yàn),所有探測(cè)儀器在設(shè)計(jì)時(shí)都要對(duì)小型化、集成化、抗干擾等方面進(jìn)行考慮．深空探測(cè)有效載荷配置時(shí)應(yīng)考慮多儀器的聯(lián)合探測(cè),保證探測(cè)儀器能相互補(bǔ)充、取長(zhǎng)補(bǔ)短,對(duì)太陽系和更遠(yuǎn)范圍的宇宙空間進(jìn)行全面探測(cè)．