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深空探测求索宇宙奥秘

2017-07-24 14:42 作者:焦维新 来源:时事资料手册 编辑:常琳
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焦维新,北京大学地球与空间科学学院教授、中国空间科学学会空间探测专业委员会副主任、中国宇航学会返回与再入专业委员会委员、中国气象学会空间天气学专业委员会委员。曾任北京大学地球物理学系副主任。主要研究研究方向是空间探测技术、行星科学以及空间天气学,出版了关于空间科学与技术领域的著作4部,科普书16部。

2017年6月6日,国家主席习近平向2017年“全球航天探索大会”致贺信时强调,中国历来高度重视航天探索和航天科技创新,愿加强同国际社会的合作,和平探索开发和利用太空,让航天探索和航天科技成果为创造人类更加美好的未来贡献力量。

深空探测是指人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动,具体来说,深空探测的对象涉及月球、太阳及太阳系内的行星系统,系外恒星以及系外行星。

作为当今世界最具挑战和广泛带动性的高科技领域之一,深空探测已成为新世纪航天探索的热门领域,并呈现出探测目标多元化、探测形式多样化及国际合作更加广泛的特点。

一、深空探测的意义

图为夜空中的银河系。(图片来源:新华社)

从1958年苏联和美国启动探月计划开始,世界发达国家和航天技术大国都先后开展了多种类型的深空探测,并取得了丰富的成果。深空探测能够促进行星科学、空间天文学、空间物理学、空间材料科学、空间天气学与微重力科学等基础科学的交叉、渗透与创新发展。开展深空探测极大地扩展了人类的知识范围,不仅对进一步了解太阳系和宇宙,探索地球与生命的起源与演化具有重要的科学意义,对于人类文明的发展也具有显著的作用。

目前,人类深空探测的领域不断拓宽,从早期探测月球、火星和太阳系其他行星,扩大到对小行星的探测和空间观测太阳;发射了大量空间天文卫星,如著名的哈勃空间望远镜、空间红外望远镜、钱德拉空间X射线望远镜以及中国的硬X射线调制望远镜等。在人们日常生活中也出现了许多新名词,如黑洞、暗物质、白矮星和引力波等。最近几年,人类还加大了寻找地外生命的力度,开始探测和寻找系外行星,并取得许多成果。深空探测器的应用,可以从几个侧面反映人类深空探测的水平和成就。

二、有代表性的深空探测器

1.“旅行者”号探测器:包括旅行者1号和2号,是由美国航空航天局研制的深空探测器,分别于1977年8月20日和1977年9月5日发射。整个探索活动分为行星际飞行和星际飞行两个阶段。

在行星际飞行阶段,“旅行者”号探索了外太阳系的4颗巨行星、48颗卫星和环系统,极大地提高了人类对太阳系天体的认识。而VIM(旅行者号星际飞行任务)则是外太阳系探索任务的扩展,继续探测外太阳系环境,寻找日球顶的边界、太阳磁场的外部限制和太阳风的外流,并将穿过太阳风和星际介质形成的日球顶边界,探索不受太阳风影响的星际磁场、粒子和波。截至2017年2月,“旅行者”1号距离太阳138AU(天文单位,是太阳到地球的平均年距离),“旅行者”2号距离太阳114AU。相对于太阳的速度分别是每秒17.027千米和15.497千米,每年离开太阳的距离分别是3.6AU和3.3AU。

“旅行者”1号和2号探测器

2.“新视野”号探测器:美国于2006年1月发射的深空探测器,2015年7月14日近距离飞越冥王星,获得了大量关于冥王星及其最大卫星卡戎(冥卫一)的清晰图像,使人类第一次看到冥王星的真面目。在完成对冥王星系统的观测任务后,新视野下一个目标是2014 MU69(位于柯伊伯带外层的天体),目前“新视野”号距离这颗天体4.57AU。

冥王星和“新视野”号探测器

 3.“卡西尼—惠更斯”土星探测计划:是欧洲航天局和美国宇航局的一个合作项目,专门用于探测土星系统,包括土星本身、卫星和环。1997年发射,2004年到达土星,至今仍在运行。“卡西尼”号探测器是由美国方面设计制造的轨道探测器,主要承担对土星及其卫星的空间探索;“惠更斯”号是欧洲航天局设计制造的着陆器,主要承担对“泰坦”(土星最大卫星——土卫六)表面的探测。

“卡西尼—惠更斯”所取得的成果极其辉煌:“惠更斯”号成功地在“泰坦”表面着陆、获得了土星环和极区风暴的大量信息、飞越探测了多颗卫星,发现并详细研究了土卫二(土星的第六大卫星)的极区喷泉,研究了“泰坦”的大气层和表面液体湖。在整个科学探测阶段,“卡西尼”飞越“泰坦”126次,飞越土卫二22次,辨别出土卫二有101个喷泉。

这张效果图显示了“惠更斯”号探测器(金黄色物体)靠近土卫六大气层。(新华社发)

4.“机遇”号火星车:美国于2003年7月发射的火星车,设计寿命3个月,但现在仍正常运行。在长达14年的时间里,“机遇”号获得了许多重大科学发现:发现了碳酸盐、硫酸盐、赤铁矿、针铁矿和黏土矿等含水矿物;首次获得了大气层温度随高度变化的图形;辨别了多种类型的岩石;还在火星表面发现了陨石。另外,还获得了海量高分辨率的火星表面图形数据。这些成果对于研究火星过去和现在是否有水,具有重大科学意义。

“机遇”号火星车

三、未来深空探测方向

1.月球与火星探测是重中之重

按照项目时间表,今年下半年我国嫦娥五号探测器将飞往月球执行采样返回任务,如果成功,这将是人类本世纪首次从月球上采样返回。明年,我国计划发射嫦娥四号探测器,这有望成为有史以来首个在月球背面软着陆的探测器。

印度、日本和俄罗斯也制定了未来几年的月球探测计划。

除月球之外,我国计划于2020年发射火星探测器,并一次实现“环绕、着陆、巡视”3个目标。2020年是火星探测窗口,除中国之外,目前已经有美国、欧洲空间局和印度等国家和地区计划发射火星探测器。美国正在策划载人探测火星计划。

2.加大就近对太阳探测的力度

太阳带来光和热,为地球上所有生命的繁衍提供了能源。但太阳发生的爆发性活动,也给人类带来灾难。这些爆发性活动可影响卫星的正常运行,甚至完全失效;影响导航和通信,甚至使通信中断。太阳爆发性活动的效应涉及很多方面,研究这方面内容的学科叫“空间天气学”。

为了减轻和避免灾害性空间天气的影响,人类需要密切关注太阳表面的变化。以往的太阳观测卫星,有的是位于环绕地球轨道,有的位于地球和太阳之间的一个特殊点,叫第二拉格朗日点,这个点距离地球大约150万千米,可以比地球先感知来袭的太阳风暴。为了使人类更好地了解太阳爆发性活动的规律,未来的太阳观测台要靠近太阳。如欧洲空间局计划2018年发射的太阳轨道器,近日点0.28AU,远地点0.9AU。美国计划在2018年发射的太阳探测器可以深入到太阳的内日冕,直接探测日冕的成分,距离太阳表面只有8.5个太阳半径。

3.小行星探测全面展开

太阳系内的小行星主要分布在3个区域:小行星主带、地球轨道附近和位于木星的轨道上,这三类小行星分别被称为主带小行星、近地小行星和脱罗央小行星。探测小行星的科学目的涉及三方面:了解太阳系的起源和演变、小行星矿物资源以及近地小行星撞击地球的危险性。目前,美国和日本已经发射了近地小行星取样返回探测器,正飞往目标小行星的途中。

四、国际合作将更加广泛

2017年6月6日,中国国家航天局嫦娥四号国际合作伙伴关系建立启动仪式在2017年全球航天探索大会上举行,国家航天局副局长吴艳华(右三)与合作伙伴代表合影。(新华社记者 陈晔华 摄)

中国计划于2018年发射的嫦娥四号,已确定搭载荷兰低频射电探测仪、德国月表中子与辐射剂量探测仪、瑞典中性原子探测仪和沙特月球小型光学成像探测仪4台国际合作科学载荷。

近年来,中国国家航天局积极实施“一带一路”倡议,推进空间领域国际合作,先后与欧洲空间局、俄罗斯、巴西、法国等国家及国际组织建立双边航天合作机制,签署一系列合作大纲,明确在空间科学、空间技术、空间应用等领域,特别是在深空探测方面加强交流与合作。后续,中国还将更广泛地与各航天国家共商空间探索大计、共建合作平台、共享探测成果。

五、注重相关科技成果的应用

当前,“高大上”的航天技术,正越来越多地“飞入寻常百姓家”,服务于老百姓日常生活,中国航天领域已有2000多项技术转为民用。例如,中国航天科技集团公司第八研究院成立56年来,已培育出以动力电池、太阳能光伏、高端汽配、大型智能装备为代表的一批航天民用产业;还有利用导弹雷达技术转化的多车道目标交通监控雷达、地铁防撞预警雷达等产品。

事实上,当前军用、民用技术的界限已十分模糊,军事专用技术比重已不到15%,而军民通用技术超过了80%。国防高技术的“溢出效应”十分显著。从欧美航天产业发展历程来看,航天产业的直接投入产出比约为1∶2,但是对相关产业带动高达17至114。

开展深空探测直接促进航天整体技术水平的提升,新技术的发展将随之诞生一些新兴产业,推动工业和经济的发展。许多技术还可以向民用转化,用以提高人们的生活水平,甚至改变生产和生活方式。