太陽系邊際探測(cè)任務(wù)的科學(xué)載荷配置研究

張愛兵，李 暉，孔令高，張珅毅，付利平，薛洪波，楊建峰，何志平，王玲華，李延偉

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院 空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；6.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119；7.中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；8.北京大學(xué)，北京 100871；9.斯圖加特大學(xué)，斯圖加特 70569）

引 言

太陽系邊際是人類渴望認(rèn)知的太空未知領(lǐng)域，但太陽系邊際探測(cè)任務(wù)實(shí)施難度極高，迄今為止只開展了“先驅(qū)者10號(hào)”（Pioneer 10）、“先驅(qū)者11號(hào)”（Pioneer 11）、“旅行者1號(hào)”（Voyager 1）和“旅行者2號(hào)”（Voyager 2）任務(wù)，“新視野號(hào)”（New Horizon）計(jì)劃在完成預(yù)定目標(biāo)后開展星際任務(wù)拓展[1]，具體情況見表1。近些年“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”逐漸飛出日球?qū)?，使得太陽系邊際探測(cè)也逐漸成為空間探索的新熱點(diǎn)。歐洲和美國(guó)的科學(xué)家分別提出了新的探測(cè)任務(wù)[2-3]（如表1中的IHP/HEX和IIE），并正在積極推動(dòng)任務(wù)的實(shí)施。

隨著我國(guó)月球和深空探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施，開展太陽系邊際探測(cè)也提到議事日程，國(guó)內(nèi)也正在開展相關(guān)論證工作。科學(xué)載荷是太陽系邊際探測(cè)任務(wù)的重要組成部分，文獻(xiàn)[2]～[9]分別給出了載荷配置，其中“先驅(qū)者號(hào)”“旅行者號(hào)”“新視野號(hào)”、IHP/HEL（Interstellar Heliopause Probe/Heliospheric Explorer）及IIE（Innovative Interstellar Explorer）的匯總情況如表2所示。

本文針對(duì)我國(guó)近期正在論證的太陽系邊際探測(cè)任務(wù)，結(jié)合目前載荷的技術(shù)基礎(chǔ)，給出科學(xué)載荷配置建議。

表2 國(guó)外太陽系邊際探測(cè)任務(wù)的載荷配置Table 2 Payloads of overseas Solar system boundary exploration missions

1 科學(xué)目標(biāo)及載荷配置

我國(guó)正在論證的到達(dá)100 AU左右的太陽系邊際探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)包括4方面[10]：①星際中性原子、星際塵埃等侵入物質(zhì)的空間分布特性，主要研究?jī)?nèi)容包括太陽風(fēng)的拾起過程（探測(cè)對(duì)象為等離子體、拾起離子、行星際磁場(chǎng)）、銀河宇宙線的日球?qū)诱{(diào)制（探測(cè)對(duì)象為高能帶電粒子）、中性原子和塵埃的太陽引力聚焦（探測(cè)對(duì)象為中性原子、塵埃）、行星際塵云之謎（探測(cè)對(duì)象為塵埃）；②太陽系其它天體特性；主要研究?jī)?nèi)容包括冰巨星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的特性（探測(cè)對(duì)象為可見光、紫外光、紅外光、等離子體、磁場(chǎng)）、半人馬族小行星（探測(cè)對(duì)象為可見光、紫外光、紅外光）、柯伊伯帶天體（探測(cè)對(duì)象為可見光、紫外光、紅外光）；③太陽系邊際的結(jié)構(gòu)和特性，主要研究?jī)?nèi)容包括終止激波特性（探測(cè)對(duì)象為等離子體、拾起離子、行星際磁場(chǎng)）、異常宇宙線的起源和加速機(jī)制之謎（探測(cè)對(duì)象為中高能帶電粒子）；④河外背景光之謎，主要研究?jī)?nèi)容為河外背景光（探測(cè)對(duì)象為可見光、紫外光、紅外光）。

圖1 科學(xué)目標(biāo)-探測(cè)對(duì)象-載荷類別-載荷配置對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Relationship between scientific objectives，measurands，payload category and payloads

科學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的探測(cè)對(duì)象可分為3類，即場(chǎng)（磁場(chǎng)）、粒子（等離子體、拾起離子、高能帶電粒子、中能帶電粒子、中性原子、塵埃粒子）和光學(xué)（可見光、紫外光和紅外光）。根據(jù)上述探測(cè)對(duì)象，結(jié)合各類載荷的基本工作原理，可以給出載荷的配置?？茖W(xué)目標(biāo)、探測(cè)對(duì)象、載荷類別及載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。根據(jù)被測(cè)對(duì)象的參數(shù)特征及我國(guó)目前各類載荷的技術(shù)現(xiàn)狀，建議的載荷性能指標(biāo)如表3所示，載荷的重量和功耗工程需求如表4所示。根據(jù)我國(guó)太陽系邊際探測(cè)任務(wù)對(duì)于載荷的重量約束條件[10]（≤ 50 kg）以及目前國(guó)內(nèi)同類載荷的功耗情況，配置的各臺(tái)載荷的重量和功耗情況如表4所示。

表3 載荷性能指標(biāo)Table 3 Performance of payloads

除重量和功耗方面的基本工程需求外，部分載荷還有如下需求：①為使得粒子類載荷實(shí)現(xiàn)全空間探測(cè)，衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)應(yīng)為自旋穩(wěn)定（周期 ≥ 1 min），自旋軸垂直于黃道面；②為減小剩磁對(duì)矢量原子磁力儀的影響，矢量原子磁力儀要求使用伸桿（長(zhǎng)度待定），桿端姿態(tài)精度 ＜ 0.1°，同時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)進(jìn)行剩磁控制，使得矢量原子磁力儀傳感器所在位置處剩磁＜ 1nT；③為減小表面電位對(duì)等離子體分析儀和拾起離子分析儀探測(cè)能量低端的影響，衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)采取表面電位控制措施，使得表面電位控制在2 V以內(nèi)；④各載荷的電子學(xué)可進(jìn)一步開展統(tǒng)一集成化設(shè)計(jì)，從而使得重量和功耗可進(jìn)一步減少。

表4 載荷工程需求Table 4 Engineering requirements of payloads

2 科學(xué)載荷研究基礎(chǔ)

2.1 磁場(chǎng)探測(cè)

“螢火1號(hào)”“風(fēng)云4號(hào)”“風(fēng)云3號(hào)”“天問1號(hào)”、電磁試驗(yàn)衛(wèi)星等航天型號(hào)上搭載了磁通門磁強(qiáng)計(jì)開展磁場(chǎng)測(cè)量；在“鯤鵬-1B”探空火箭上開展了基于磁阻的磁場(chǎng)測(cè)量；在地磁測(cè)繪等航空磁測(cè)方面，開展了基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)及標(biāo)量CPT原子磁力儀的磁場(chǎng)測(cè)量；在預(yù)研項(xiàng)目中完成了激光光泵原子磁力儀工程樣機(jī)的研制和測(cè)試。

太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的矢量原子磁力儀可繼承電磁試驗(yàn)衛(wèi)星磁強(qiáng)計(jì)及激光光泵原子磁力儀工程樣機(jī)的技術(shù)方案，電磁試驗(yàn)衛(wèi)星磁強(qiáng)計(jì)正樣產(chǎn)品及激光光泵原子磁力儀工程樣機(jī)如圖2所示，并開展一定的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，總體上具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性。

圖2 矢量原子磁力儀的繼承載荷Fig.2 Payloads from which Vector Atomic Magnetometer can draw on heritage

2.2 低能帶電粒子探測(cè)

從20世紀(jì)90年代開始，先后在“實(shí)踐4號(hào)” “資源1號(hào)”“神舟4號(hào)”“雙星計(jì)劃”“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”“螢火1號(hào)”“風(fēng)云4號(hào)”“天舟1號(hào)”電磁試驗(yàn)衛(wèi)星、“天問1號(hào)”等多個(gè)型號(hào)上配置了低能帶電粒子探測(cè)載荷，產(chǎn)品的技術(shù)水平和性能指標(biāo)不斷提高，目前已達(dá)到國(guó)際水平（“天問1號(hào)”火星離子與中性粒子分析儀的指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平）。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的等離子體分析儀可直接繼承“天舟1號(hào)”全向電子能譜儀、“風(fēng)云4號(hào)”01星低能粒子探測(cè)器的技術(shù)方案，“天舟1號(hào)”全向電子能譜儀及“風(fēng)云4號(hào)”01星低能粒子探測(cè)器正樣產(chǎn)品如圖3所示，僅需進(jìn)行小型化改進(jìn)，具有非常好的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性；拾起離子分析儀可繼承“天問1號(hào)”火星離子與中性粒子分析儀及電磁試驗(yàn)衛(wèi)星等離子體分析儀的技術(shù)方案（通過離子能譜結(jié)構(gòu)識(shí)別太陽風(fēng)離子和拾起離子），并開展一定的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，“天問1號(hào)”火星離子與中性粒子分析儀及電磁試驗(yàn)衛(wèi)星等離子體分析儀正樣產(chǎn)品如圖4所示。

圖3 等離子體分析儀的繼承載荷Fig.3 Payloads from which Plasma Analyzer can draw on heritage

圖4 拾起離子分析儀的繼承載荷Fig.4 Payloads from which Pick-up Ion Analyzer can draw on heritage

2.3 中高能帶電粒子探測(cè)

從1971年的“實(shí)踐1號(hào)”開始，在“實(shí)踐2號(hào)”“東方紅2號(hào)”“風(fēng)云1號(hào)”“實(shí)踐4號(hào)”“實(shí)踐4號(hào)”、“風(fēng)云2號(hào)”“資源1號(hào)”“神舟4號(hào)”“神舟5號(hào)”雙星計(jì)劃“實(shí)踐6號(hào)”“北斗系列” “嫦娥1號(hào)”“嫦娥1號(hào)”“風(fēng)云3號(hào)”“天宮1號(hào)”“天宮1號(hào)”“風(fēng)云4號(hào)”等多個(gè)型號(hào)上配置了中高能帶電粒子探測(cè)載荷，產(chǎn)品的技術(shù)水平和性能指標(biāo)不斷提高，目前在研的空間站實(shí)驗(yàn)艙能量粒子探測(cè)器性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的高能粒子分析儀可直接繼承“風(fēng)云4號(hào)”01星高能粒子探測(cè)器及空間站實(shí)驗(yàn)艙能量粒子探測(cè)器的技術(shù)方案，“風(fēng)云4號(hào)”01星高能粒子探測(cè)器正樣產(chǎn)品及空間站實(shí)驗(yàn)艙能量粒子探測(cè)器樣機(jī)如圖5所示，僅需進(jìn)行小型化改進(jìn)，具有非常好的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性；能量粒子分析儀可直接繼承北斗衛(wèi)星中能電子探測(cè)器及“風(fēng)云3號(hào)”05星中能粒子探測(cè)器的技術(shù)方案，進(jìn)行改進(jìn)，北斗衛(wèi)星中能電子探測(cè)器及“風(fēng)云4號(hào)”02星中能質(zhì)子探測(cè)器正樣產(chǎn)品如圖6所示。

圖5 高能粒子分析儀的繼承載荷Fig.5 Payloads from which High Energy Particle Analyzer can draw on heritage

圖6 能量粒子分析儀的繼承載荷Fig.6 Payloads from which Energetic Particle Analyzer can draw on heritagesatellite

2.4 中性原子探測(cè)

我國(guó)在中歐合作雙星計(jì)劃中參與了歐方負(fù)責(zé)的中性原子成像儀的研制，研制了中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)MIT計(jì)劃的中性原子探測(cè)儀原理樣機(jī)，“雙星計(jì)劃探測(cè)2號(hào)”中性原子成像儀正樣產(chǎn)品及中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)MIT計(jì)劃中性原子探測(cè)儀工程樣機(jī)如圖7所示，“天問1號(hào)”上配置的火星離子與中性粒子分析儀具備低能量中性原子探測(cè)功能，國(guó)家基金委支持的重大科研儀器研制項(xiàng)目——千線陣列中性原子成像儀樣機(jī)正在研制中。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的中性原子探測(cè)儀將繼承上述儀器的部分技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開展一定的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

圖7 中性原子探測(cè)儀高能量探測(cè)部分的繼承載荷Fig.7 Payloads from which high energy part of Energetic Neutral Atom Analyzer can draw on heritage

2.5 塵埃探測(cè)

我國(guó)在遙感衛(wèi)星配置了微質(zhì)量探測(cè)器、在“嫦娥3號(hào)”著陸器上配置了月塵探測(cè)器，這兩臺(tái)載荷均對(duì)塵埃累積質(zhì)量進(jìn)行探測(cè)；在塵埃粒子的質(zhì)量、速度和帶電量參數(shù)探測(cè)方面，還沒有相關(guān)載荷開展探測(cè)。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的塵埃探測(cè)器將對(duì)塵埃的質(zhì)量、速度和帶電量進(jìn)行探測(cè)，因此還需開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、樣機(jī)的研制和測(cè)試，或者可采取國(guó)際合作的方式，遙感衛(wèi)星微質(zhì)量探測(cè)器及“嫦娥3號(hào)”著陸器月塵探測(cè)器正樣產(chǎn)品如圖8所示。

圖8 國(guó)內(nèi)已有的塵埃探測(cè)載荷[11]Fig.8 Current payloads for dust measurement in China

2.6 可見光探測(cè)

探月工程的各次任務(wù)均配置了可見光探測(cè)載荷，包括“嫦娥1號(hào)”干涉成像光譜儀及CCD立體相機(jī)，“嫦娥2號(hào)”CCD立體相機(jī)，“嫦娥3號(hào)”和“嫦娥4號(hào)”全景相機(jī)、地形地貌相機(jī)及降落相機(jī)；“天問1號(hào)”火星探測(cè)器配置了高分辨率相機(jī)、中分辨率相機(jī)及多光譜相機(jī)，“嫦娥4號(hào)”全景相機(jī)及“天問1號(hào)”多光譜相機(jī)正樣產(chǎn)品如圖9所示。在可見光成像探測(cè)方面積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，載荷性能指標(biāo)也不斷提高。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的相機(jī)可直接繼承“嫦娥3號(hào)”和“嫦娥4號(hào)”全景相機(jī)及“天問1號(hào)”多光譜相機(jī)的技術(shù)方案，僅需進(jìn)行小型化改進(jìn)，具有非常好的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性。

圖9 相機(jī)的繼承載荷Fig.9 Payloads from which Camera can draw on heritage

2.7 紫外探測(cè)

我國(guó)在風(fēng)云衛(wèi)星上配置了紫外探測(cè)載荷，包括“風(fēng)云3號(hào)”A/B/C星的紫外臭氧總量探測(cè)儀、“風(fēng)云3號(hào)”F星的紫外高光譜臭氧總量探測(cè)儀、“風(fēng)云3號(hào)”D星的電離層光度計(jì)，在紫外和真空紫外載荷研制和定標(biāo)方面積累的豐富的經(jīng)驗(yàn)，研制的紫外臭氧總量探測(cè)儀、遠(yuǎn)紫外電離層光度計(jì)等載荷性能指標(biāo)與國(guó)際同類載荷水平相當(dāng)，部分性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)際同類產(chǎn)品，“風(fēng)云3號(hào)”D星電離層光度計(jì)正樣產(chǎn)品如圖10所示。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的紫外光度計(jì)可直接繼“風(fēng)云3號(hào)”D星的電離層光度計(jì)的技術(shù)方案，進(jìn)行小型化改進(jìn)。

2.8 紅外探測(cè)

我國(guó)探月工程的“嫦娥3號(hào)”和“嫦娥4號(hào)”配置了紅外成像光譜儀、“嫦娥5號(hào)”和“嫦娥6號(hào)”配置了月球礦物光譜分析儀，“天問1號(hào)”火星探測(cè)器配置了火星礦物光譜分析儀，此外“風(fēng)云4號(hào)”氣象衛(wèi)星配置了干涉式大氣垂直干涉儀。目前紅外探測(cè)載荷方面經(jīng)驗(yàn)豐富，載荷性能指標(biāo)先進(jìn)。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目中的紅外光譜儀可繼承“天問1號(hào)”火星礦物光譜分析儀及“嫦娥6號(hào)”月球礦物光譜分析儀的技術(shù)方案，并開展一定的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性，“天問1號(hào)”火星礦物光譜分析儀及“嫦娥6號(hào)”月球礦物光譜分析儀正樣產(chǎn)品如圖11所示。

無論規(guī)模大小，機(jī)械化程度決定產(chǎn)業(yè)發(fā)展可持續(xù)的水平和潛力。機(jī)械化不僅因?yàn)槿斯こ杀居鷣碛撸斯T乏，更主要的是基于高效管理和高品質(zhì)保障。盡管國(guó)內(nèi)獼猴桃產(chǎn)業(yè)因生產(chǎn)關(guān)系制約，大幅度、大規(guī)模推進(jìn)大型機(jī)械化尚有困難，但規(guī)模種植和未來趨勢(shì)決定了產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)機(jī)械化的依賴和需要，哪怕在分散種植向規(guī)模種植過渡期，推行靈活多樣的、適于小面積應(yīng)用的機(jī)械也是必不可少的，具有重要意義，而種植者在園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)必須要對(duì)機(jī)械化進(jìn)行預(yù)先布局。沒有機(jī)械化，就沒有現(xiàn)代化，沒有現(xiàn)代化，就不能持續(xù)健康發(fā)展。

圖10 紫外光度計(jì)的繼承載荷Fig.10 Payloads from which UV Photometer can draw on heritage

各載荷的繼承性匯總情況如表5所示。

表5 國(guó)內(nèi)載荷繼承性Table 5 Summary of heritage of domestic payloads

3 關(guān)鍵技術(shù)

雖然科學(xué)載荷目前的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性較好，但對(duì)于超遠(yuǎn)距離、超長(zhǎng)壽命、超寬范圍探測(cè)參數(shù)的太陽系邊際探測(cè)任務(wù)，還有部分關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)，包括各載荷特定關(guān)鍵技術(shù)和共性關(guān)鍵技術(shù)。載荷特定關(guān)鍵技術(shù)是指與各載荷探測(cè)對(duì)象和工作原理相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)；共性關(guān)鍵技術(shù)是指各載荷均涉及的關(guān)鍵技術(shù)（可通過共同攻關(guān)完成），這些技術(shù)還需盡快開展攻關(guān)工作。

3.1 載荷特定關(guān)鍵技術(shù)

1）矢量原子磁力儀的超低噪聲無磁加熱技術(shù)，關(guān)鍵突破點(diǎn)在于利用電流轉(zhuǎn)化為熱量過程中電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)不應(yīng)影響磁力儀磁場(chǎng)傳感。解決方案：利用精密的高頻交流電流加熱，控制其干擾水平遠(yuǎn)低于傳感器靈敏度。

2）拾起離子分析儀的高分辨率拾起離子探測(cè)技術(shù)，難點(diǎn)在于拾起離子密度極低、同時(shí)能量展寬又比較窄，因此需要在大幾何因子條件下實(shí)現(xiàn)高能量分辨率的探測(cè)。解決方案：采用大幾何因子的靜電分析器作為主體，同時(shí)增加阻滯勢(shì)分析器與其配合實(shí)現(xiàn)高能量分辨率。

3）紅外光譜儀的高輻射背景抑制的紅外分光組件技術(shù)，瓶頸為：100 K的低溫高可靠高性能分光組件。解決方案：采用無熱化低溫光機(jī)設(shè)計(jì)與制備工藝。

3.2 共性關(guān)鍵技術(shù)

1）小型化和低功耗技術(shù)

考慮到工程的可實(shí)現(xiàn)性及成本，整個(gè)探測(cè)器的總重量和總功耗應(yīng)盡量小，這就要求科學(xué)載荷滿足輕小型化和低功耗要求。載荷輕小型化方面，可采用新加工技術(shù)（如3D打印等）以及新材料（如碳纖維、高性能非金屬材料等），并改進(jìn)由于受傳統(tǒng)加工手段和材料限制而采用的儀器構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕小型化。載荷低功耗方面，首先可將各載荷功能相似的部分（如電源、數(shù)據(jù)采集及處理等）進(jìn)行合并、設(shè)計(jì)高度集成化載荷共用電子學(xué)，其次是進(jìn)行低功耗電子學(xué)總體方案設(shè)計(jì)、采用極低功耗電子學(xué)元器件。

2）高可靠長(zhǎng)壽命技術(shù)

載荷在軌工作時(shí)間長(zhǎng)（超過20 a），要求在小型化的前提下實(shí)現(xiàn)高可靠和長(zhǎng)壽命。對(duì)于科學(xué)載荷來說，探測(cè)器（硅半導(dǎo)體探測(cè)器、微通道板探測(cè)器等）是影響其可靠性和壽命的關(guān)鍵部件，因此需重點(diǎn)針對(duì)探測(cè)器開展工作。解決措施包括：改進(jìn)探測(cè)器的設(shè)計(jì)、加工或工藝，從本質(zhì)上提升其使用壽命；在使用方面采用可延長(zhǎng)其壽命的使用方法，如選擇合適的探測(cè)器增益等；研究可能的在軌補(bǔ)償措施。針對(duì)上述措施，還需開展使用地面設(shè)備進(jìn)行壽命加速試驗(yàn)驗(yàn)證方法研究，并完成長(zhǎng)壽命的地面驗(yàn)證。

3）科學(xué)數(shù)據(jù)處理和壓縮技術(shù)

由于探測(cè)器的超遠(yuǎn)距離飛行限制了數(shù)據(jù)下行帶寬，而載荷的科學(xué)數(shù)量又較大，因此需要在滿足科學(xué)研究的前提下對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和壓縮。各載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及容量均不同，因此需要針對(duì)每種載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)開展處理和壓縮方法的研究，包括關(guān)鍵科學(xué)信息（如粒子與場(chǎng)探測(cè)載荷參數(shù)變化量、光學(xué)成像載荷成像目標(biāo)等）的定位和提取算法，以及科學(xué)數(shù)據(jù)的高效率處理算法、高壓縮比的壓縮算法（如粒子與場(chǎng)探測(cè)載荷原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理量、無損壓縮等，光學(xué)成像載荷圖像采用目前民用領(lǐng)域先進(jìn)的高效率壓縮算法等），此外上述算法應(yīng)具備在軌自動(dòng)執(zhí)行并根據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)的內(nèi)容自動(dòng)調(diào)整的能力。

4 國(guó)際合作

在月球與深空探測(cè)領(lǐng)域的科學(xué)載荷方面，我國(guó)的探月工程“嫦娥4號(hào)”以及火星探測(cè)任務(wù)“天問1號(hào)”均已開展了一定的國(guó)際合作，合作過程順利，積累了豐富的國(guó)際合作經(jīng)驗(yàn)，其中與太陽系邊際探測(cè)相關(guān)載荷的情況如表6所示，“嫦娥4號(hào)”國(guó)際合作載荷月球中子與輻射劑量探測(cè)儀和中性原子探測(cè)儀正樣產(chǎn)品如圖12所示。

表6 月球與深空探測(cè)任務(wù)科學(xué)載荷國(guó)際合作情況Table 6 International cooperation on scientific payloads of lunar and deep space missions

圖12 “嫦娥4號(hào)”中與本任務(wù)相關(guān)的國(guó)際合作載荷Fig.12 International payloads related to this mission on Chang’E-4

太陽系邊際探測(cè)是國(guó)際大科學(xué)工程的重要平臺(tái)之一，國(guó)際合作是“好”“快”“省”地實(shí)施探測(cè)活動(dòng)的重要手段[10]，在科學(xué)載荷方面可以繼續(xù)開展國(guó)際合作。

德國(guó)基爾大學(xué)、瑞典空間物理、瑞士伯爾尼大學(xué)在高能粒子和中性原子探測(cè)載荷研制和科學(xué)研究方面均處于國(guó)際領(lǐng)先水平，基于已有的良好合作基礎(chǔ)，可在太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目的高能粒子分析儀和中性原子探測(cè)儀方面繼續(xù)開展合作。

德國(guó)斯圖加特大學(xué)曾負(fù)責(zé)或參與多個(gè)型號(hào)的塵埃探測(cè)器（如CASSINI、Europa Clipper、DESTINY+等）。中方與斯圖加特大學(xué)在“嫦娥4號(hào)”國(guó)際載荷論證階段聯(lián)合開展了月塵分析儀的論證，并共同論證了國(guó)內(nèi)其它相關(guān)任務(wù)的塵埃探測(cè)器，具有較好的合作基礎(chǔ)。太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目的塵埃粒子分析儀可與斯圖加特大學(xué)繼續(xù)開展合作。

5 結(jié) 論

太陽系邊際探測(cè)任務(wù)是我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域又一宏偉的任務(wù)，科學(xué)載荷及其性能指標(biāo)的優(yōu)化配置可使得該任務(wù)的科學(xué)產(chǎn)出最大化。針對(duì)該任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)提出的場(chǎng)、粒子和光學(xué)科學(xué)載荷配置合理，性能指標(biāo)滿足科學(xué)探測(cè)需求。

在任務(wù)初步工程條件約束下，載荷的重量和功耗等工程需求合理，載荷具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性，具有較強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。各載荷的特定關(guān)鍵技術(shù)正在開展攻關(guān)，預(yù)計(jì)2020年完成地面驗(yàn)證，可滿足性能及進(jìn)度要求。小型化和低功耗、高可靠和長(zhǎng)壽命、科學(xué)數(shù)據(jù)處理和壓縮等共性關(guān)鍵技術(shù)還需開展深入研究，并完成攻關(guān)和驗(yàn)證。

基于月球與深空探測(cè)領(lǐng)域的科學(xué)載荷方面已有的國(guó)際合作，可針對(duì)部分載荷繼續(xù)開展國(guó)際合作。