2019年國外空間探測發(fā)展綜述

張揚眉

（北京空間科技信息研究所）

2019年，全球共發(fā)射3次深空探測任務(wù)，即以色列的“創(chuàng)世紀(jì)”（Beresheet）、印度的月船-2（Chandrayaan-2）、俄德聯(lián)合的“光譜-倫琴-伽馬”（Spektr-RG）任務(wù)。其中以色列和印度的兩次月球著陸任務(wù)均失敗，再次印證了月球軟著陸的高技術(shù)難度和低成功率。

截至2019年12月31日，國外共發(fā)射247次深空探測任務(wù)，其中月球任務(wù)112次，火星任務(wù)44次，金星任務(wù)41次，小行星任務(wù)6次，土星木星任務(wù)7次，水星任務(wù)3次，彗星任務(wù)7次，太陽任務(wù)16次，其他任務(wù)11次。

截至2019年12月31日，國外共有31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8個、金星探測器1個、太陽探測器6個、木星探測器1個、小行星探測器2個、水星探測器1個、其他探測器8個；按所屬國家/地區(qū)分：美國20個，歐洲3個，日本3個，印度2個，歐日合作1個，歐俄合作1個，俄德合作1個。

1 以色列發(fā)射月球著陸器，全球商業(yè)月球探測萌芽

2月22日，太空以色列公司（SpaceIL）研制的“創(chuàng)世紀(jì)”月球著陸器搭乘美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭成功發(fā)射。同年4月12日，“創(chuàng)世紀(jì)”在著陸月球的過程中主發(fā)動機發(fā)生故障，最終墜毀在月球表面。

“創(chuàng)世紀(jì)”是非傳統(tǒng)航天大國開展的首次月球探測任務(wù)，也是全球首次由私人資助的月球探測任務(wù)，推動了商業(yè)月球探測的萌芽。盡管探測器未能成功著陸月球表面，但其成功進入了環(huán)月軌道，使以色列成為了世界上第7個成功實施月球環(huán)繞的國家。

“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)只是一次探索和試驗性任務(wù)，沒有實質(zhì)上的商業(yè)行為，但其開辟了月球探索公私合作的道路。2018年10月，美國國家航空航天局（NASA）在“月球發(fā)現(xiàn)和探索計劃”的支持下，開始參與“創(chuàng)世紀(jì)”任務(wù)。NASA向任務(wù)提供了激光后向反射器陣列、任務(wù)期間的通信支持等。此次任務(wù)在一定程度上踐行了NASA商業(yè)月球探測的模式，探測器搭載了NASA的載荷，由NASA提供深空通信支持，同時雙方共享探測數(shù)據(jù)。

“創(chuàng)世紀(jì)”月球著陸器在月球表面示意圖

印度月船-2攜帶的“維克拉姆”著陸器著陸月球示意圖

2 印度月船-2軟著陸失敗，軌道器繼續(xù)繞月探測

9月7日，印度月船-2攜帶的“維克拉姆”（Vikram）著陸器在嘗試進行月球表面軟著陸過程中，在距離月面約2.1km處失去聯(lián)系，軟著陸任務(wù)失敗。印度空間研究組織（ISRO）在月船-2著陸失敗后發(fā)布消息，稱“月船-2是一項高度復(fù)雜的任務(wù)，目前軌道器正在既定軌道上運行并將開展長達7年的探測活動，其攜帶的相機是目前探月任務(wù)中分辨率最高的（0.3m）；‘維克拉姆’著陸器順利完成從35km到2km的下降，失聯(lián)前系統(tǒng)工作正常，證明了包括變推力發(fā)動機技術(shù)在內(nèi)的大量新技術(shù)。成功標(biāo)準(zhǔn)是針對任務(wù)的每個階段確定的，直到目前月船-2任務(wù)已經(jīng)完成了90%～95%的目標(biāo)，并將繼續(xù)為月球科學(xué)作貢獻?！?1月，印度首次承認(rèn)其月船-2著陸器已于9月墜毀月球表面。

10月17日，印度ISRO公布了由月船-2軌道器攜帶的紅外成像光譜儀拍攝的首幅月球背面北半球表面的照明條件下的圖像，此外還公布了其攜帶的高分辨率相機拍攝的月球表面圖像。

3 俄德聯(lián)合開展“光譜—倫琴—伽馬”X射線天文觀測任務(wù)

7月13日，俄羅斯和德國聯(lián)合開展的X射線天文觀測任務(wù)Spektr-RG搭乘質(zhì)子-M（Proton-M）運載火箭發(fā)射升空，開始飛向位于日地拉格朗日L2點的目標(biāo)軌道。Spektr-RG在3個月時間內(nèi)完成了軌道轉(zhuǎn)移，并將開展為期6.5年的X射線天文觀測。該任務(wù)由俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）和德國航空航天中心（DLR）聯(lián)合開展，俄方提供航天器平臺和運載火箭，以及“天文倫琴望遠(yuǎn)鏡-X射線聚光器”（ART-XC）；德方則提供“攜帶成像望遠(yuǎn)鏡陣列的擴展倫琴調(diào)查儀”（eROSITA）。Spektr-RG任務(wù)的主要目標(biāo)為研究星系團、黑洞和暗物質(zhì)，相比于當(dāng)前最為先進的X射線天文觀測任務(wù)—“錢德拉”（Chandra）和“X射線多鏡面-牛頓”（XMM-Newton）望遠(yuǎn)鏡，Spektr-RG任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)全天巡視觀測，并且在L2點運行將具備低1個數(shù)量級的粒子背景，從而允許對于低表面亮度的漫射物體進行詳細(xì)研究。

Spektr-RG飛行示意圖

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

2019年，國外1個深空探測器失效，即美國機遇號（Opportunity）火星車結(jié)束了長達近16年的探測任務(wù)；其他在軌的30個深空探測器實現(xiàn)多項里程碑目標(biāo)，并繼續(xù)取得大量科學(xué)成果。

美國機遇號火星車

在月球探測方面，3月，NASA發(fā)布消息稱，“月球勘察軌道器”（LRO）的觀測數(shù)據(jù)顯示，月球表面的水隨地形、時間和溫度的變化而變化，該項發(fā)現(xiàn)有助于了解月球水循環(huán)的規(guī)律，從而在未來的月球探索任務(wù)中有效地利用水資源。

在火星探測方面，2月13日，NASA宣布停止嘗試與機遇號火星車的聯(lián)絡(luò)，機遇號任務(wù)正式結(jié)束。此前，機遇號可能出現(xiàn)了低功率故障、任務(wù)時鐘故障和其他故障，項目團隊一直在嘗試恢復(fù)同機遇號的聯(lián)系，但最終并未成功。設(shè)計壽命僅為90個火星日、計劃行駛1km的機遇號火星車大大超出設(shè)計壽命，實際行駛距離超過45km，探測時間長達15年。

4月6日，美國洞察號（Insight）火星著陸器攜帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗儀（SEIS）首次測量并記錄了可能的“火星地震”。該儀器檢測到微弱地震信號，這是首次記錄來自火星內(nèi)部的震動。洞察號的此次發(fā)現(xiàn)或?qū)㈤_啟一個新的領(lǐng)域—“火星地震學(xué)”。此外，洞察號自2018年利用“鼴鼠”（Mole）熱探測儀開始火星土壤挖掘工作以來，由于遇到超出預(yù)期的硬質(zhì)土壤，挖掘深度一直無法超過35cm，項目團隊一直嘗試找出解決方法，希望利用機械臂將“鼴鼠”探測儀“釘”在火星土壤的洞壁上，從而增加足夠的摩擦力，使探測儀能夠繼續(xù)深入火星土壤內(nèi)部。最終，項目團隊于10月17日獲得成功，重新恢復(fù)了“鼴鼠”的向下挖掘工作。

在火星表面運行的洞察號火星著陸器

美國好奇號（Curiosity）火星車?yán)^續(xù)在火星表面進行探測活動，目前正前往位于蓋爾（Gale）隕石坑的夏普山脈一側(cè)的“黏土區(qū)域”。數(shù)十億年前，火星隕石坑內(nèi)曾經(jīng)有過溪流和湖泊，水流改變了湖泊中的沉積物，在該地區(qū)留下了許多黏土物質(zhì)。美國的“火星勘察軌道器”（MRO）數(shù)年前首次觀測到了該情況，因此好奇號將對該區(qū)域進行詳細(xì)探測。2019年6月，好奇號探測到任務(wù)期間測量到的最高濃度甲烷，體積濃度比達到約21ppbv（1ppbv指如果在火星上吸入1體積的空氣，那么其中十億分之一體積是甲烷），目前仍不清楚這些甲烷源自何處，但它可能是火星生命的潛在指標(biāo)；同年10月7日，NASA在其網(wǎng)站上宣布好奇號發(fā)現(xiàn)了火星上的遠(yuǎn)古綠洲，火星表面存在從潮濕到干燥的整體趨勢，好奇號發(fā)現(xiàn)了富含礦物鹽質(zhì)的巖石，證明了這些含鹽的低淺池塘曾經(jīng)經(jīng)歷了從滿溢到干涸的過程，相關(guān)文章發(fā)表在《自然地球科學(xué)》雜志上。截至2019年10月30日，好奇號火星車已經(jīng)在火星表面行駛了約22km，拍攝了61萬余張火星表面的照片，采集到22份火星樣品。

在小行星探測方面，1月1日，美國“歐西里斯”（OSIRIS-Rex）小行星探測器成功進入貝努（Bennu）小行星軌道，使得貝努成為有史以來被航天器環(huán)繞飛行的最小天體，創(chuàng)造了深空探測紀(jì)錄。在此之前，從來沒有一個航天器能夠環(huán)繞如此小的天體運行。而在此前的2018年12月11日，NASA還宣布了“歐西里斯”的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，即在貝努小行星表面探測到水的痕跡。2019年8月13日，NASA為“歐西里斯”任務(wù)選擇了4個采樣返回的候選著陸地點—“夜鶯”（Nightingale）、“翠鳥”（Kingfisher）、“魚鷹”（Osprey）和“鷸”（Sandpiper），這4個地點具有不同的地質(zhì)特點。2019年12月，NASA選定“夜鶯”為主要著陸點，“魚鷹”為備用著陸點，并開始為計劃于2020年下半年實施的樣品采集工作做準(zhǔn)備。

2月22日，日本隼鳥-2（Hayabusa-2）小行星探測器在距離地球約3.0×108km的龍宮（Ryugu）小行星表面成功著陸并完成采樣，這是繼2005年日本“隼鳥”探測器成功從糸川（Itokawa）小行星表面采集到樣品以來，人類探測器第二次采集到小行星樣品，成為全球小行星采樣返回探測的又一里程碑。4月5日，隼鳥-2搭載的“小型搭載撞擊器”（SCI）成功撞擊龍宮小行星，在小行星表面產(chǎn)生人工隕石坑；7月11日，隼鳥-2完成第二次采樣任務(wù)；10月3日，隼鳥-2向龍宮小行星釋放其第三個也是最后一個機器人—密涅瓦-II2（Minerva-II2）；11月，隼鳥-2攜帶樣品開始返回地球旅程，計劃于2020年底返回地球。

好奇號火星車降落火星示意圖

日本隼鳥-2小行星探測器成功著陸龍宮小行星并完成采樣

“歐西里斯”小行星探測器飛行示意圖

ESA“貝皮-科倫坡”水星探測器計劃于2021年抵達水星

在水星探測方面，4月5日，歐洲航天局（ESA）宣布其與日本合作研制的“貝皮-科倫坡”（Bepi Colombo）水星探測器結(jié)束了近地軌道在軌試運行階段，完成了所有的儀器檢測工作，正式進入深空巡航階段，計劃于2021年抵達水星，2025年進入水星軌道?！柏惼?科倫坡”是ESA“地平線2000+”（Horizon 2000+）計劃的最后一項任務(wù)，該計劃的前兩項任務(wù)為“蓋亞”（Gaia）和“LISA探路者”（LISA Pathfinder）。

在其他探測方面，1月1日，美國“新視野”（New Horizons）探測器完成對太陽系柯伊伯帶(Kuiper belt)的探索，采集的數(shù)據(jù)可能對認(rèn)知太陽系的形成有重要幫助?！靶乱曇啊憋w越了一顆名為終極北地（Ultimate Thule）的小行星，當(dāng)時距離該小行星距離不到3500km。根據(jù)“新視野”遠(yuǎn)距離拍攝的照片，該小行星的形狀與一顆花生或一個保齡球類似，長約35km、寬約15km。同時，科學(xué)家們也不排除這顆小行星是一對雙星。

“新視野”探測器飛越終極北地小行星

1月，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）通過分析日本“拂曉”（Akatsuki）金星探測器攜帶的紅外相機獲取的數(shù)據(jù)和圖像，發(fā)現(xiàn)金星云層存在巨型的條紋結(jié)構(gòu)。2019年2月，《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）發(fā)表了第一批關(guān)于金星形態(tài)、溫度變化和金星中層大氣風(fēng)的首批研究成果。此外，對金星黑暗一側(cè)的雷電現(xiàn)象進行了觀測，每10天觀測一次，每次30min。截至2019年7月，“拂曉”累計觀測了16.8h，并未探測到金星雷電現(xiàn)象。

12月，《自然》雜志上的4篇論文公布了“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe）獲得的諸多科學(xué)探測成果，包括發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)比在地球附近看到的更加動態(tài)和不穩(wěn)定；發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)從太陽向外流出的過程是從旋轉(zhuǎn)過渡到放射性流動；首次觀測到宇宙塵埃在距太陽約700萬英里（1.127×107km）處開始變得稀??；更加詳盡地觀測高能粒子風(fēng)暴和日冕物質(zhì)拋射等等。“帕克太陽探測器”是史上距離太陽最近的探測器，該探測器于2019年12月進行了第二次金星借力飛行，進一步縮小了近日點距離。

飛行中的“帕克太陽探測器”

5 小結(jié)

目前，世界正處于和平發(fā)展時期，各國都將經(jīng)濟發(fā)展放在了首要位置，并愈發(fā)重視科技創(chuàng)新對于經(jīng)濟發(fā)展的帶動作用。作為世界航天領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)和最前沿的科技創(chuàng)新活動之一，深空探測受到世界各國越來越多的重視。國外主要航天國家和地區(qū)都將深空探測作為最重要的航天活動之一，圍繞國家航天戰(zhàn)略和政策制定了各具特色的深空探測計劃。近年來，阿聯(lián)酋、韓國等一些新興航天國家也計劃加入深空探測的行列，紛紛制定了相關(guān)的深空探測計劃。未來，全球深空探測將繼續(xù)保持熱度，探測目標(biāo)重點集中在月球和火星，兼顧太陽系其他天體，任務(wù)類型更加復(fù)雜，并向載人探測方向發(fā)展，國際合作和商業(yè)化成為發(fā)展深空探測的兩大重要途徑。