2013年 世界空間探測回顧

2013年，美國、印度、中國先后發(fā)射了各自的空間探測器。美國先后把“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”（LADEE）、“火星大氣與揮發(fā)物演變”（MAVEN）探測器送上太空，用于探測月球和火星上的氣體；印度第一個(gè)火星探測器“曼加里安”（Mangalyaan）經(jīng)過一番周折已進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，其目的是成為亞洲第一個(gè)成功探測火星的國家；中國嫦娥-3任務(wù)取得圓滿成功，從而成為世界上第一個(gè)同時(shí)開展就位探測、巡視探測的國家，以及第二個(gè)掌握無人月球探測車技術(shù)的國家。

1 美國雙管齊下

2013年，美國既發(fā)射了月球探測器，也發(fā)射了火星探測器，進(jìn)一步顯示出其空間探測的雄厚實(shí)力。

（1）月球探測

2013年9月6日，美國從弗吉尼亞州沃洛普斯島的瓦勒普斯航天發(fā)射場用人牛怪－5火箭成功發(fā)射了“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”。該月球探測器加滿燃料后質(zhì)量為383kg，高2.37m，寬厚均為1.85m，體積有小汽車大小，功率為295W，耗資2.8億美元，設(shè)計(jì)壽命是170天。它用30天抵達(dá)了近月點(diǎn)75km、遠(yuǎn)月點(diǎn)250km的月球軌道，用40天進(jìn)行在軌測試，最終繞飛月球100天，完成預(yù)定的探月任務(wù)，并有望超期服役9個(gè)月，獲得更多的成果。燃料耗盡后，“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”將受控撞擊月球。

被稱之為“吸塵器”的“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”用于研究月球的大氣及月球表面的粉塵作用，對高速率激光通信系統(tǒng)進(jìn)行測試。它采用了一些先進(jìn)技術(shù)，比如采用了艾姆斯研究中心新開發(fā)的“模塊化通用航天器平臺”。該平臺由輕質(zhì)碳復(fù)合材料構(gòu)成，推進(jìn)系統(tǒng)采用商業(yè)現(xiàn)貨系統(tǒng)，系統(tǒng)級組件都是來自經(jīng)過飛行驗(yàn)證的成熟產(chǎn)品。其特點(diǎn)是體積小、成本低、用途廣、易于制造，可以在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)航天器多個(gè)模塊的開發(fā)、裝配和測試，能攜帶各種有效載荷，用于近地軌道、月球軌道等不同軌道航天器，滿足多種探測任務(wù)的需求，從而降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和成本?！澳K化通用航天器平臺”由5個(gè)模塊組成，包括平臺模塊、散熱器模塊、擴(kuò)展模塊、有效載荷模塊、推進(jìn)模塊，這樣的設(shè)計(jì)可簡化集成和測試過程。

該探測器上的月球塵埃分析儀用于分析月球塵埃粒子的樣品，判斷日出前看到的水平面的輝光是否是月球塵埃，太陽紫外線是否使這些月球塵埃帶電；其上的中性粒子質(zhì)譜儀用于測量月球大氣在不同高度、不同空間環(huán)境下的變化情況，尋找由月球巖石釋放的硅、鎂和其他元素，以及由彗星沉積在月球上的其他物質(zhì)，例如甲烷與二氧化碳?xì)怏w；其上的紫外光和可見光光譜儀用于了解月球大氣的成分，發(fā)現(xiàn)被太陽輻射驅(qū)離月球表面的氣體，之前曾認(rèn)為月球上根本沒有大氣，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)月球其實(shí)具有包含了氦和鉀分子的稀薄“外大氣層”；其上的月球激光通信驗(yàn)證裝置用一種新的激光通信系統(tǒng)與地球通信，以便在星際空間傳送寬帶數(shù)據(jù)。

美國“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”探月示意圖

10月6日，“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，將該探測器送入繞月橢圓軌道。10月9日和12日進(jìn)行兩次軌道機(jī)動(dòng)，最后將探測器送入245km高的圓形繞月軌道，這種設(shè)計(jì)方法相對于直接進(jìn)入月球軌道可有效節(jié)約燃料。進(jìn)入最終軌道后，探測器開始為期40天的試運(yùn)行階段，而后進(jìn)行為期100天的科學(xué)探索任務(wù)。

10月22日，該探測器上的月球激光通信驗(yàn)證裝置創(chuàng)造了歷史，以破紀(jì)錄的下載速度—高達(dá)622Mbit/s，利用脈沖激光束完成了月地之間的數(shù)據(jù)傳輸。月球激光通信驗(yàn)證裝置是美國航空航天局首個(gè)利用激光而不是無線電波的雙向通信系統(tǒng)。它還演示了從新墨西哥的主地面站，以20Mbit/s的速度向“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”進(jìn)行了無差錯(cuò)數(shù)據(jù)上傳。自美國航天器首次進(jìn)入太空起，一直依靠射頻通信。但射頻現(xiàn)已無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)容量需求。激光通信的使用，將提高美國航空航天局處理來自深空的高分辨率圖像和三維影像的能力，滿足未來任務(wù)需求。（詳情請看本刊2013年第10期）

另外，在2013年11月25日，美國月球快車公司利用美國馬歇爾航天飛行中心的“強(qiáng)力鷹”（Mighty Eagle）月球著陸器樣機(jī)，成功進(jìn)行了閉環(huán)自由飛行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)是該公司與馬歇爾航天飛行中心近期開展的一系列飛行軟件測試之一，合作的目的是幫助月球快車公司開發(fā)出低成本月球著陸器。根據(jù)與月球快車公司簽署的有償協(xié)議，馬歇爾航天飛行中心需要為月球快車公司提供“強(qiáng)力鷹”月球著陸器樣機(jī)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，以支持其開展月球著陸飛行軟件測試，月球快車公司需要為此支付相應(yīng)報(bào)酬。

美國“火星大氣與揮發(fā)物演變”探火示意圖

（2）火星探測

2013年11月18日，美國從卡納維拉爾角空軍基地用宇宙神－5火箭成功發(fā)射了“火星大氣與揮發(fā)物演變”探測器。它將于2014年9月進(jìn)入近火點(diǎn)150km、遠(yuǎn)火點(diǎn)6200km的火星軌道，經(jīng)過5個(gè)星期的試運(yùn)行后，于2014年11月開始為期1年的火星任務(wù)。為了獲得不同高度的火星大氣數(shù)據(jù)，該探測器將5次下降到距離火星表面125km處，即火星上層大氣的最下邊界，對火星大氣進(jìn)行采樣。

該項(xiàng)目耗資6.7億美元，是世界首個(gè)研究火星上層大氣的探測器，旨在調(diào)查火星的上層大氣，探測火星水消失之謎，幫助了解火星大氣氣體逃逸到太空對火星氣候演變所產(chǎn)生的影響?？茖W(xué)家們預(yù)期這次任務(wù)可獲取大量的有關(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)對氣候變化的影響。

其發(fā)射質(zhì)量為2550kg，干質(zhì)量903kg，為長方體構(gòu)型。它采用三軸穩(wěn)定方式，兩側(cè)各裝配1個(gè)翼展為11.43m的太陽電池翼（末端均裝有磁強(qiáng)計(jì)），總功率為1135W，還有2個(gè)55A ·h的鋰離子電池組。探測器上的高增益天線直徑約為2m，每周2次指向地球進(jìn)行X頻段通信，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)10Mbit/s。它攜帶了3個(gè)有效載荷包，共有8臺科學(xué)探測儀器。

中性氣體和離子質(zhì)譜儀包只有1臺中性氣體和離子質(zhì)譜儀，用于研究火星上層中性大氣的基本結(jié)構(gòu)和成分，測量火星大氣元素同位素比例，測量熱離子和超熱離子。遙感包也只有1臺成像紫外光譜儀，用于測量火星上層大氣和電離層的特性。粒子與場測量包括6臺科學(xué)探測儀器：太陽高能粒子探測儀用于研究太陽高能粒子對火星上層大氣的撞擊情況；超熱與熱粒子成分探測儀用于測量熱離子與中等能量的逃逸離子；太陽風(fēng)離子分析儀用于測量太陽風(fēng)和磁鞘離子的密度和速度；太陽風(fēng)電子分析儀用于測量太陽風(fēng)和電離層電子；磁強(qiáng)計(jì)用于測量行星際太陽風(fēng)和電離層磁場；朗繆爾探針與波探測儀用于測量火星上層大氣的電子溫度、數(shù)量及密度和低頻率電場波功率，研究電離層屬性和逃逸離子的熱量，以及太陽極紫外線對火星大氣的照射情況。

預(yù)定任務(wù)完成后，如果運(yùn)行狀態(tài)良好，“火星大氣與揮發(fā)物演變”探測器還將作為“火星勘察軌道器”和“火星奧德賽”的備份，為好奇號和機(jī)遇號火星車提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。整個(gè)擴(kuò)展任務(wù)時(shí)間可以達(dá)到9年左右，并且在執(zhí)行擴(kuò)展任務(wù)過程中再進(jìn)行一次降軌活動(dòng)。（詳情請看本刊2013年第12期）

在2013年，美國好奇號火星車出現(xiàn)了幾次故障，好在都被解決了。

2013年2月28日，由于主計(jì)算機(jī)出現(xiàn)存儲(chǔ)故障，好奇號進(jìn)入“安全模式”，即進(jìn)入最小活動(dòng)預(yù)備狀態(tài)。像許多航天器一樣，好奇號攜帶了雙冗余主計(jì)算機(jī)，以便一個(gè)出現(xiàn)故障另一個(gè)可作為備份。其A側(cè)和B側(cè)的計(jì)算機(jī)各有冗余子系統(tǒng)，與主計(jì)算機(jī)相連。從2012年8月著陸之前至2013年2月27日，其A側(cè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。2月27日與28日，其B側(cè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)好奇號停止科學(xué)考察。3月6日，好奇號又中止了工作，導(dǎo)致好奇號進(jìn)入睡眠狀態(tài)的原因是太陽劇烈活動(dòng)產(chǎn)生的耀斑和熾熱氣體，盡管好奇號有能力承受惡劣的宇宙天氣，但是為了預(yù)防萬一，它的處理程序決定讓其斷電。

2013年11月7日，好奇號出現(xiàn)了軟件重啟故障，這是飛行16個(gè)多月以來，好奇號第一次出現(xiàn)因故障重啟的情況。11月10日，好奇號由安全模式調(diào)回到正常運(yùn)行模式。此次故障發(fā)生在好奇號下載新飛行軟件約4h以后，原因是已有機(jī)載軟件引發(fā)目錄文件出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤。11月17日，地面任務(wù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)好奇號的電壓不穩(wěn)定，他們懷疑存在短路問題，因此決定讓這輛火星車休息幾天。排查發(fā)現(xiàn)，好奇號的多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器的設(shè)備可能出現(xiàn)了內(nèi)部短路。由于該設(shè)備采用彈性設(shè)計(jì)，其內(nèi)部短路并不會(huì)影響整個(gè)火星車的安全或健康，所以好奇號于11月23日復(fù)工。當(dāng)天，任務(wù)團(tuán)隊(duì)指揮好奇號操縱機(jī)械臂，把半年前采集、保存的部分粉末狀巖石樣本送入好奇號體內(nèi)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。迄今，這輛火星車已發(fā)現(xiàn)火星在遠(yuǎn)古時(shí)期存在河流以及當(dāng)時(shí)環(huán)境適合原始微生物生存的證據(jù)。目前，好奇號正朝著它在火星上的主要任務(wù)地點(diǎn)—高約5km的夏普山駛?cè)ァ?/p>

在火星表面工作的美國好奇號火星車示意圖

到2013年11月8日，美國“火星勘測軌道器”已經(jīng)向地球傳回了200TB的數(shù)據(jù)，這是10年來美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室其他任務(wù)收到數(shù)據(jù)的3倍，相當(dāng)于3個(gè)月連續(xù)錄像的數(shù)據(jù)量。其中99.9%的數(shù)據(jù)來自“火星勘測軌道器”搭載的6臺科學(xué)儀器。2006年以來，該火星探測器顛覆了人們對火星的認(rèn)識，對火星的表面和大氣進(jìn)行了詳細(xì)勘測，為火星不同時(shí)期地形的變化提供了三維立體影像。

美國在2013年透露，計(jì)劃2016年向火星表面發(fā)射配備地震波檢器和探熱儀的小型火星探測器—洞察號，旨在探索火星的內(nèi)核狀況，并在2020年發(fā)射下一代火星車，以搜集火星表面的巖石標(biāo)本。此外，美國還計(jì)劃在21世紀(jì)30年代派遣航天員登陸火星。

2013年11月25日，美國航空航天局從白沙發(fā)射基地成功發(fā)射了“金星光譜火箭”（VeSpR）探空火箭。它把望遠(yuǎn)鏡帶到離地球110km的高度，在該高度上大氣較稀薄，能夠得到比較準(zhǔn)確的金星紫外線數(shù)據(jù)，測量的數(shù)據(jù)將能夠提供金星水分演化歷史的相關(guān)信息。像這樣的觀測無法使用陸基望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榈厍虼髿鈱幽芪斩鄶?shù)紫外線?！敖鹦枪庾V火箭”對金星進(jìn)行了8min的觀測并實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)。之后，載荷乘降落傘安全返回地球。研究人員將綜合本次數(shù)據(jù)和“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡獲得的相關(guān)金星數(shù)據(jù)開展研究。通過對比目前金星大氣中的氫氣和重氫含量，科學(xué)家們能夠大致了解從金星上消失的水的數(shù)量以及消失的速度。

2 歐俄探測火星

2013年3月14，歐洲航天局局長與俄羅斯航天局局長簽署了一項(xiàng)正式協(xié)議，合作開展“火星生物”（ExoMars）探測計(jì)劃，在2016年和2018年分別發(fā)射2個(gè)火星探測器，最終目的是把火星表面采集的灰塵樣本返回地球進(jìn)行分析，讓科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)分析，確定火星上是否曾存在生命。該火星探測項(xiàng)目最初是歐洲航天局和美國航空航天局的聯(lián)合項(xiàng)目，但是美國方面近年退出了該項(xiàng)目，隨后歐洲與俄羅斯開始合作。

歐洲航天局負(fù)責(zé)研制2016年任務(wù)中的“跟蹤氣體軌道器”（TGO）和“再入、下降及著陸演示器模塊”（EDM），以及2018年任務(wù)中的巡航級和“火星生物”巡視器；俄羅斯航天局負(fù)責(zé)研制2018年任務(wù)中的下降級，并為2次任務(wù)提供運(yùn)載火箭。

“跟蹤氣體軌道器”將搜尋甲烷和其他大氣氣體存在的證據(jù)，兩者是存在活性生物或地質(zhì)作用的標(biāo)志，并為“火星生物”巡視器選址?！霸偃?、下降及著陸演示器模塊”用于驗(yàn)證在火星著陸的關(guān)鍵技術(shù)。

歐洲“火星生物”巡視器工作示意圖

“火星生物”巡視器用于搜尋生命跡象。它將成為首個(gè)能在火星上鉆探地下2m深的巡視探測器，可采集不受輻射和氧化劑破壞的樣品，從而分析火星是否具備維持生命存活的重要元素。它由俄羅斯研制的下降級攜帶在火星表面著陸，后者包括一個(gè)配備有科學(xué)儀器的表面平臺。

美國航空航天局也將為“火星生物”提供重要的支持，包括為“跟蹤氣體軌道器”提供特高頻（UHF）無線電，為“再入、下降及著陸演示器模塊”提供火星近距離鏈路通信和工程技術(shù)支持。

3 印度想當(dāng)?shù)谝?/h2>

2013年11月5日，印度從南部安德拉邦的斯里哈里科塔（Sriharikota）發(fā)射場，用極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭－C25（PSLV－C25）成功發(fā)射了印度第一個(gè)火星探測器“曼加里安”，使它進(jìn)入近地點(diǎn)248km、遠(yuǎn)地點(diǎn)23550km的地球軌道。據(jù)悉，印度“曼加里安”的研制只用了15個(gè)月的時(shí)間，而且耗資僅為45億盧比（約合7300萬美元）。其工程目標(biāo)是：驗(yàn)證火星探測器設(shè)計(jì)、規(guī)劃、管理和運(yùn)行所需的各項(xiàng)技術(shù)，比如火星探測器所有階段的導(dǎo)航技術(shù)、火星探測器在出現(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。

“曼加里安”的體積與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)冰箱差不多，質(zhì)量1340kg，其干質(zhì)量為500kg，其他為燃料質(zhì)量。它攜帶了5臺國產(chǎn)科學(xué)探測儀器，總質(zhì)量為15kg，用于研究火星表面、大氣和礦物特征，探尋火星上是否有甲烷以及生命跡象，拍攝火星照片，繪制火星表面地圖，研究火星環(huán)境。這5臺科學(xué)探測儀器是：測量火星大氣中的氫原子量的萊曼-阿爾法光度計(jì)（LAP），探查火星上層大氣逃逸過程，此前的火星任務(wù)顯示火星上曾經(jīng)存在水，印度將探測為什么火星會(huì)失去原有的水和二氧化碳；用于探測火星甲烷的火星甲烷探測儀（MSM），甲烷可能隱藏著火星曾經(jīng)擁有或可能依然擁有生命的線索；研究火星上層大氣中性成分的火星外大氣層成分探測器分析儀（MENCA）；拍攝火星表面的火星彩色相機(jī)（MCC）；測繪火星表面成分和礦物特征的火星紅外光譜探測儀（PRISM）。

探測甲烷有可能成為印度“曼加里安”的亮點(diǎn)，因?yàn)榧淄槭翘蓟囊粋€(gè)明顯的副產(chǎn)品。另外，“曼加里安”上的光度計(jì)可檢測火星大氣中的氘氫比例，這正好是對同月發(fā)射的美國“火星大氣與揮發(fā)物演變”項(xiàng)目的補(bǔ)充。印度火星探測器還能證實(shí)火星大氣成分、標(biāo)注火星表面的熱點(diǎn)和冰雪區(qū)域，并可見證一個(gè)十分稀有的天文現(xiàn)象：彗星與火星的相撞，因?yàn)樵?014年年底，彗星2013 A1可能會(huì)撞擊火星，可能會(huì)激起大量的塵埃云，所以，“曼加里安”能享受一場視覺“盛宴”。

印度“曼加里安”火星探測器示意圖

中國嫦娥－3著陸器拍攝的玉兔號月球車在月面工作實(shí)景

由于印度火箭推力較小，所以“曼加里安”不能靠火箭推力直接進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，而是先繞地球轉(zhuǎn)20多天，靠探測器自身的發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火加速才能逐漸達(dá)到第二宇宙速度。2013年12月1日，“曼加里安”成功進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道。此后，它擬在深空中飛行大約10個(gè)月，經(jīng)歷6.8×108km的“火星之旅”，于2014年9月24日進(jìn)入近火點(diǎn)372km、遠(yuǎn)火點(diǎn)80000km的橢圓形火星軌道。如能成功，印度將成為繼俄羅斯、美國和歐洲之后世界第4個(gè)，也是亞洲第1個(gè)實(shí)現(xiàn)火星探測的國家。（詳情請看本刊2013年第12期）

4 中國創(chuàng)造奇跡

2013年1月18日，嫦娥－2月球探測工程被授予國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。嫦娥－2升空后全面實(shí)現(xiàn)既定的六大工程目標(biāo)和四大科學(xué)探測任務(wù)。隨后開展4項(xiàng)拓展試驗(yàn)，其中包括受控從月球軌道出發(fā)飛往日地拉格朗日2點(diǎn)（L2點(diǎn)），然后又飛往圖塔蒂斯小行星，首次實(shí)現(xiàn)了中國對小行星的飛越探測，在國際上首次實(shí)現(xiàn)對圖塔蒂斯小行星的近距離探測，使中國成為世界第4個(gè)探測小行星的國家。至此，嫦娥－2再拓展試驗(yàn)圓滿成功，嫦娥－2工程完美收官。此后，它用于探測試驗(yàn)，到2014年2月14日，嫦娥-2已飛離地球7×107km。

2013年12月2日，我國用長征－3B改進(jìn)型火箭成功將嫦娥－3落月探測器直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月6日，嫦娥－3實(shí)施一次近月制動(dòng)，進(jìn)入距月面100km高的環(huán)月軌道。12月10日，嫦娥－3變軌，進(jìn)入近月點(diǎn)15km、遠(yuǎn)月點(diǎn)100km橢圓軌道。12月14日，嫦娥－3在月面軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)了我國對地球以外天體的軟著陸。12月15日，玉兔號月球車與嫦娥－3著陸器分離，踏上月面。同時(shí)，嫦娥－3著陸器與玉兔號月球車互相拍照，它標(biāo)志著嫦娥－3任務(wù)取得圓滿成功，使我國成為世界第3個(gè)掌握落月探測技術(shù)的國家，從而在世界探月第二集團(tuán)中處于領(lǐng)先地位。

嫦娥－3任務(wù)突破了月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運(yùn)載火箭發(fā)射等一系列關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了七大創(chuàng)新；首次同時(shí)運(yùn)行了月球軟著陸探測器和巡視探測器，在世界上首次使用了極紫外相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和測月雷達(dá)3種科學(xué)探測儀器；首次實(shí)現(xiàn)了對月面探測器的遙操作；首次實(shí)現(xiàn)了探測器在極端溫度環(huán)境下的月面生存等。這些使我國航天技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，有力地推動(dòng)了空間科學(xué)研究的進(jìn)步。

目前，嫦娥－3正在完成“觀天、看地、測月”三大科學(xué)任務(wù)，從而幫助我國更加準(zhǔn)確、更加直接地了解神秘的月球。（詳情請看本刊2013年第12期）