距離中秋和國慶還有好些日子，但遠在火星的祝融號和天問一號環(huán)繞器已經(jīng)開始放長假了。

從今天起，太陽橫插到了地球和火星之間，開始干擾地火通訊，在未來的大約1個月內(nèi)，地面將不再主動向天問祝融發(fā)送信號。

如今已巡火百余日的祝融號，是我國首個行駛里程突破1000米的地外巡視器，為我國深空探測事業(yè)取得了新的輝煌。

北京航天飛行控制中心慶?！白Ｈ谔枴惫ぷ?00天的大紅屏 | BACC/微博@北京藍龍

而近期的熱播劇《你是我的榮耀》，雖說劇情純屬虛構(gòu)，但主人公于途作為中國航天人的縮影，帶領(lǐng)他的團隊披荊斬棘近10年，在最后一集大結(jié)局中，成功將“搜神號”深空探測器送上太空。

所謂深空探測，指的是離開地球，前往更遙遠的太空深處而展開探測活動。

不論是劇中，還是在現(xiàn)實，我國的深空探測器從無到有，都已經(jīng)遠遠飛出了地球搖籃，向著更廣闊的宇宙空間邁進。

今天就來聊一聊，現(xiàn)實中“于途”們所在的中國深空探測事業(yè)，并展望一下未來的“搜神號”們。

《你是我的榮耀》劇中的“搜神號”太陽系邊際探測器

太長不看版

1.月球探測已完成“繞、落、回”三步走，未來將考察月球南極，建立國際月球科研站，實施載人登月；

2.首次火星探測任務已完成，未來將進行火星采樣返回任務，開展載人登陸火星；

3.實施小行星采樣返回任務，并對彗星作環(huán)繞探測；

4.環(huán)繞探測木星系統(tǒng)并在木衛(wèi)四上著陸，飛掠探測天王星；

5.以“搜神號”為代表的太陽系邊際探測，將從多個方向探測太陽系邊際；

6.未來發(fā)展的愿景目標：突破10000天文單位飛行技術(shù)，開展恒星際探測。

嫦娥探月

“搜神號”定位為太陽系邊際探測器，其目的地非常遙遠，代表我國深空探測的未來。而在當下，我國深空探測尚聚焦于月球和火星。

月球，作為距離地球最近的天體，一直是各國開展深空探測的起點與基礎(chǔ)。

2000年，《中國的航天》白皮書首次明確提出，開展以月球探測為主的深空探測發(fā)展目標——中國深空探測事業(yè)由此起步。

“繞、落、回”三步走

2004年，我國探月工程“嫦娥工程”正式立項，工程分“繞、落、回”三步走，計劃2020年前完成任務目標。[1]

中國探月工程標識 | CNSA/微博@Memorian-QN

2007年發(fā)射的嫦娥一號實現(xiàn)了我國探月一期 “繞”的目標。

2010年發(fā)射的嫦娥二號，通過一次任務完成了月球、日地拉格朗日L2點、圖塔蒂斯小行星的多目標探測，為后續(xù)“落”月奠定了基礎(chǔ)。[1]

嫦娥二號與嫦娥一號飛行軌道示意圖 | 新華網(wǎng)

2013年發(fā)射的嫦娥三號成功著陸于月球虹灣以東地區(qū)，我國由此突破地外天體軟著陸技術(shù)，實現(xiàn)了探月二期“落”的目標。

“玉兔號”月球車則實現(xiàn)了我國首次地外天體的原位和巡視探測。

嫦娥三號著陸器與玉兔一號月球車 |CNSA

2018年發(fā)射的嫦娥四號實現(xiàn)了人類探測器首次著陸月球背面的壯舉，這也是中國航天取得的首個世界第一。

玉兔二號月球車由此開始了它的月背征途，至今仍在正常工作。截至2021年8月底，玉兔二號已行駛了約800米。

嫦娥四號著陸器與玉兔二號月球車 | CNSA

2020年發(fā)射的嫦娥五號著陸于月球風暴洋北部的呂姆克山附近，并成功采得1731克月壤樣品，實現(xiàn)了月面采樣返回。

這是我國最為復雜的一次深空探測任務，標志我國探月工程圓滿實現(xiàn)了“繞、落、回”三步走的目標。

嫦娥五號著陸器全景相機在采樣后環(huán)拍成像 | CNSA

考察月球南極

前三期任務七戰(zhàn)七捷，但我國的探月工程并未止步于此。放眼未來，已規(guī)劃的探月四期工程將對月球南極展開一次綜合探測，為此后各國一同建立月球科研基地驗證部分技術(shù)，做一些前期探索。

四期工程的型號任務包括嫦娥六號至八號（有時嫦娥四號也算在其中），都將由長征五號發(fā)射。

探月四期工程規(guī)劃目標 | 21.6.23港大胡浩講座《九天攬月》

嫦娥六號與嫦娥七號均計劃于2023-2024年發(fā)射。

嫦娥六號為嫦娥五號備份，2017年已完成研制工作，計劃著陸月球背面南極-艾特肯盆地（嫦娥四號著陸地），執(zhí)行月背采樣返回任務，這將是繼嫦娥五號后的第二次月球采樣任務。

嫦娥六號月背采樣任務概述 | 21.6.23港大胡浩講座《九天攬月》

嫦娥七號全重8.2噸，由軌道器、著陸器、巡視器、小型飛躍探測器、中繼星五部分組成，將對月球的地形地貌、物質(zhì)成分、空間環(huán)境進行一次綜合探測任務，并將與俄羅斯月球26號展開任務級合作。

其中，飛躍探測器是最大亮點，能夠以自帶動力飛入月球南極撞擊坑底部的永夜區(qū)，探測水冰的分布和豐度。

嫦娥七號探測器CG動畫 | 航天五院總體部

嫦娥七號任務還將部署一顆中繼星，運行在300 × 8600 km × 54.8°的環(huán)月橢圓凍結(jié)軌道，為探月四期任務的探測目標——月球南極地區(qū)提供中繼通信服務。[2]

嫦娥七號中繼星新構(gòu)型及軌道示意圖 | 論文[2]

嫦娥八號預計于2027年前后發(fā)射，除繼續(xù)進行科學探測試驗外，將著重開展一些月面試驗，以驗證月球科研基地構(gòu)建所需的關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥八號探測器示意圖 | 《國際月球科研站合作伙伴指南》

國際月球科研站

在探月四期工程的基礎(chǔ)上，中國將與俄羅斯展開合作，共同建設國際月球科研站，并歡迎有意愿的國家參與其中。

國際月球科研站建設將分為“勘、建、用”三個工程階段，計劃2025年至2035年間分兩階段實施“建”站。2025-2030年，完成建站所需相關(guān)技術(shù)驗證；2030-2035年期間，中俄利用各自的重型運載火箭共同實施ILRS-1至ILRS-5五次大型建站任務，最終建成從月軌到月面多層次的長期無人自主運行、遠景有人參與的綜合性科學實驗設施。

國際月球科研站建設發(fā)展階段規(guī)劃 |《國際月球科研站合作伙伴指南》

國際月球科研站主要建站任務組成及系統(tǒng)定義 |《國際月球科研站合作伙伴指南》

國際月球科研站概念圖 |《國際月球科研站合作伙伴指南》

當我國主導的國際月球科研站逐步建成時，重型運載火箭也將服役，我國的載人月球探測便近在眼前。

有人月球探測規(guī)劃

目前，我國載人登月飛行器、新一代載人飛船、新一代載人運載火箭（921火箭）都已進入研制階段。

根據(jù)現(xiàn)有論證方案，中國首次載人登月最快可在2025至2030年間實現(xiàn)，計劃使用2發(fā)新一代載人火箭分別發(fā)射載人飛船和登月著陸器，二者在環(huán)月軌道上交會對接，航天員轉(zhuǎn)移至著陸器后登陸月球。

后續(xù)從月球返回地球的流程，則與阿波羅計劃、嫦娥五號等大同小異。

921火箭及其載人登月方案 | 21.6.24港大龍樂豪講座《長征火箭與中國航天》

921火箭載人登月技術(shù)架構(gòu) | 21.8.29龍樂豪講座《長征火箭與中國航天》

依據(jù)論文設想，未來我國載人月球探測任務將圍繞“建立可供航天員長期駐留、生活、進行科學作業(yè)與生產(chǎn)的月球科研站”這一目標展開，任務可劃分為3個階段：

實施登月階段。通過數(shù)次無人與有人登月任務，建成月面移動實驗室，一次任務具備不少于7天5次出艙活動能力。駐月能力拓展階段。建立起可供航天員中期月面駐留與生存的中小型月面活動支持系統(tǒng)，開展月面科研試驗活動。月球科研站階段。通過人貨分落形式，逐步建設起長期運行的月球科研站，根據(jù)任務需求可設立多個功能區(qū)域。[4]

月球科研站建設設想圖 | 論文[3]

月球科研站功能分區(qū)規(guī)劃 | 論文[4]

此外，內(nèi)部空間巨大、可提供天然防護的月球熔洞，是未來建立地下載人月球站的優(yōu)勢位置之一。

未來我國將開展月球熔洞探測，旨在實現(xiàn)人類首次進入地外天體地下空間，并探索建立載人月面長期駐留環(huán)境的潛在場所和資源。

這一階段的探測也將分為3個階段：無人設施進入階段、航天員進入階段、月球站改造階段。[4]

月球熔洞分布 | 論文[4]

天問探火

就在嫦娥任務完成前三期目標的同一年，我國的深空探測已經(jīng)朝著更遠的目標——火星出發(fā)了。

天問一號首探火星

2020年7月23日，天問一號探測器在海南文昌由“胖五”發(fā)射升空，這是我國首次自主火星探測任務。

2021年2月10日，它順利進入環(huán)火軌道。經(jīng)過3個月的著陸區(qū)地形地貌考察后，著陸器于5月15日成功著陸火星烏托邦平原。

我國首輛火星車祝融號則于5月22日駛至火星表面，正式開始了它的探火之旅。

中國行星探測工程天問一號任務標識 | CNSA

天問一號探測器深空自拍照 | CNSA

如今，“祝融號”火星車圓滿完成既定巡視探測任務，行駛里程已突破1000米。但它不會就此停下，還將繼續(xù)向烏托邦平原南部的古海陸交界地帶進發(fā)，獲取更多科學數(shù)據(jù)，揭開更多火星奧秘。

天問一號環(huán)繞器在日凌結(jié)束后，則將擇機進入遙感使命軌道，開展火星全球遙感探測。

天問一號著陸器與祝融號火星車合照 | CNSA

祝融號對天問一號著陸進入器的降落傘與背罩近距離成像 | CNSA

中國航天人依靠自己的力量，籌劃了10年，奮斗了6年，第一次自主探火，便一次性完成“繞、落、巡”三個成就，不可謂不偉大！

火星采樣返回

下一個階段，火星采樣返回任務將于2028-2030年實施，疑似命名為“天問二號”，以一發(fā)重型運載火箭或一發(fā)長征五號 + 一發(fā)長征三號乙的形式發(fā)射。

天問二號等后續(xù)深空探測任務相關(guān)信息 | 21.6.24港大龍樂豪講座《長征火箭與中國航天》

根據(jù)相關(guān)論文資料，火星采樣返回任務發(fā)射窗口日期持續(xù)20天，每天的窗口時間約5分鐘，從發(fā)射到樣品返回需要約3年時間，采樣目標為1千克。

探測器由著陸上升器與軌道返回器兩部分組成，前者包括巡航器、著陸器、兩級上升器，后者包括軌道器和返回器，各器詳細質(zhì)量如下。[8]

火星采樣返回探測器結(jié)構(gòu)組成與各器質(zhì)量 | 論文[8]

經(jīng)過近7個月地火轉(zhuǎn)移飛行后，著陸上升器在靠近火星時，首先與巡航段分離，之后采取彈道升力式的辦法直接進入火星大氣，這與美國好奇號/毅力號類似。

降落著陸為“降落傘+動力下降”方案，與天問一號基本相同。

著陸成功后，在地面測控支持下，采集火星樣本。樣品在被封裝至上升器后，兩級上升器適時發(fā)射，進入400~500千米高的環(huán)火軌道，之后完成與軌道返回器的交會對接，樣品容器轉(zhuǎn)移等動作，這與嫦娥五號類似。

此后，軌道返回器與上升器分離，等待合適的窗口執(zhí)行變軌動作，進入火地轉(zhuǎn)移軌道。最終返回艙將與軌道器分離，獨自攜帶樣品返回地球。[8]

基于天問一號構(gòu)型的火星采樣返回軌道器示意圖 | 論文[6]

載人登陸火星

載人登火是火星探測的究極之路，是我國建設航天強國的必然選擇，對探索地外生命、星際移民、推動科技發(fā)展、提高國家地位和促進人類社會進步等具有重要意義。

航天一院院長王小軍介紹和分析過我國載人登火任務的初步方案。任務可能于2030至2040年代開展，計劃采用安全性高的人貨分運模式，地火轉(zhuǎn)移從高地球軌道（HEO）出發(fā)。

每次任務需要發(fā)射7發(fā)長征九號重型運載火箭，其中：1發(fā)發(fā)射擺渡級，3發(fā)發(fā)射載貨轉(zhuǎn)移級，1發(fā)為擺渡級加注燃料，2發(fā)發(fā)射載人轉(zhuǎn)移級。此外，還有1發(fā)921載人火箭用于發(fā)射載人飛船。

長征九號重型火箭論證方案 | 21.8.29龍樂豪講座《長征火箭與中國航天》）

擺渡級負責將載貨轉(zhuǎn)移級和載人轉(zhuǎn)移級擺渡至HEO，載貨轉(zhuǎn)移級負責將物資設備送達火星，載人轉(zhuǎn)移級在與載人飛船對接后將航天員送至火星。

航天員計劃在火星停留500天，任務結(jié)束后，再由載人轉(zhuǎn)移級送回地球。[9]

載人火星探測典型任務模式架構(gòu)方案 | 論文[9]

載人火星探測的載人轉(zhuǎn)移級構(gòu)型示意圖 | 論文[9]

總的來說，載人登火任務由于飛行距離遠、轉(zhuǎn)移時間長、在軌組裝次數(shù)多、多階段接力飛行等多方面因素，其任務架構(gòu)復雜性和所需攻關(guān)的技術(shù)難題都將是前所未有的。[9]

小天體探測

除了月球和火星，小行星與彗星這類小天體也是深空探測的熱門目標。

國外小天體探測歷程 | 論文[5]

我國至今則仍未真正進行過以小天體為目標的深空探測任務，但嫦娥二號再擴展任務階段，于2012年12月13日對圖塔蒂斯小行星進行了近距離飛越探測，為我們深入開展小行星探測奠定了實踐基礎(chǔ)。[5]

嫦娥二號拍攝的圖塔蒂斯小行星表面各種特征地貌 | 論文[4]

我國小天體探測任務已于2021年初開始工程實施，任務可能命名為“鄭和號”，將在2024-2025年使用長三乙或長七甲火箭發(fā)射，計劃實施近地小行星2016 HO3取樣返回和主帶彗星311P/PANSTARRS環(huán)繞探測任務。[7]

鄭和號小天體探測器構(gòu)型及飛行過程示意圖 | 論文[7]

鄭和號預計在發(fā)射約1年后飛抵小行星2016 HO3，之后進行約1年的近距探測并實施采樣。

為確保成功，鄭和號準備了兩種采樣方式：附著采樣（利用4個末端帶鉆頭的機械臂以錨定方式著陸小行星）和短暫接觸分離采樣。采樣完成約半年后，攜帶樣品的返回艙返回地球。

軌道器則繼續(xù)飛行約7年，依次飛掠借力地球、火星，利用引力彈弓加速，最終在2033-2034年飛抵主帶彗星311P，而后實施311P環(huán)繞探測，為探尋地球水的起源提供線索。[7]

近地小行星2016 HO3的軌道及相對地球運動狀態(tài)示意圖 | NASA/JPL-Caltech

木星系探測及行星際穿越

除了前面提及的內(nèi)太陽系，我國未來的深空探測計劃還將向更遙遠的外太陽系進發(fā)。

我國的木星系探測及行星際穿越探測任務計劃實現(xiàn)木星系環(huán)繞探測與天王星飛越探測，預計將于2029-2034年由長征五號火箭發(fā)射。

探測器由木星系環(huán)繞器和行星際飛越器組成，前者4噸，后者1噸，總質(zhì)量5噸 。[10]

木星系及行星際穿越探測飛行軌跡 | 論文[11]

為使行星際飛越器能在2049年前飛越天王星，飛行過程中將多次飛掠行星借力加速，最佳的最佳的引力彈弓飛行序列為EVEEJU，即由地球出發(fā)后依次飛掠金星、地球、地球、木星，最終飛掠天王星）。[10]

四種序列的行星際飛行任務軌道參數(shù)對比 | 論文[10]

木星系環(huán)繞探測器此前存在兩種方案：一是木星-木衛(wèi)四軌道器（Jupiter Callisto Orbiter, JCO），二是木星系統(tǒng)觀察者（Jupiter System Observer, JSO）。

前者的分系統(tǒng)任務為在木衛(wèi)四開展著陸探測；后者計劃對木衛(wèi)一開展飛掠探測，且在任務后期將飛往日木拉格朗日L1點。

就最新消息來看，似乎木星-木衛(wèi)四軌道器的方案被選中。該探測器有可能被命名為“甘德”，以紀念《甘石星經(jīng)》中中國古代天文學對世界的貢獻。[12]

木衛(wèi)四（上）與火山噴發(fā)中的木衛(wèi)一（下） | NASA

太陽系邊際探測

《你是我的榮耀》劇中的“搜神號”，并非完全虛構(gòu)，而是未來我國太陽系邊際探測任務的組成部分。

該任務的近期目標為2049年前后抵達100個天文單位（AU）左右的太陽系邊際，探測研究太陽系及行星的起源與演化、太陽系邊際及鄰近星際空間特性、行星天體物理等科學問題。

遠期目標為到21世紀末，突破1000AU飛行技術(shù)，飛抵太陽引力透鏡焦點區(qū)域附近，開展引力透鏡效應觀測、驗證廣義相對論等探索工作。

未來發(fā)展的愿景目標為突破1萬AU飛行技術(shù)，對5~10 萬AU的太陽系引力邊際，開展恒星際探測并取得重大科學發(fā)現(xiàn)。[13]

我國太陽系邊際探測三期目標 | 論文[13]

近期太陽系邊際探測任務又分為3次，前2次均使用長征五號火箭發(fā)射。

第1次為日球?qū)颖羌庹蛱綔y，飛往日球?qū)宇^部，發(fā)射窗口在2024-2025年，計劃飛掠木星、天王星、半人馬族小天體等天體。

第2次為日球?qū)颖羌夥聪蛱綔y，飛往日球?qū)游膊浚ㄔ搮^(qū)域探測尚屬國際空白），發(fā)射窗口在2027-2030年，可飛掠火星、木星、海王星等天體。

第3次任務為日球?qū)訕O區(qū)探測，計劃2030年前后發(fā)射，將使用新運載火箭、電推技術(shù)、核反應堆等技術(shù)，實現(xiàn)6AU/年以上的飛行速度。[13-14]

太陽系日球?qū)咏Y(jié)構(gòu)示意圖 | 論文[13]

滿足任務約束的太陽系邊際探測飛行序列及飛行軌道示意圖 | 論文[14]

前2次任務的探測器主構(gòu)型一致，均采用同位素電池為能源，可搭載50千克科學載荷。所用推進系統(tǒng)有兩種方案，一為3.4噸的嫦娥三號改進構(gòu)型，二為800kg的電推+太陽翼構(gòu)型。 [13]

基于同位素能源的太陽系邊際探測器主構(gòu)型 | 論文[13]

第3次任務計劃采用2800千克的10kWe級核反應堆構(gòu)型，即“搜神號”所用構(gòu)型，其一端是核反應堆電源，另一端是探測器，兩端通過可展開桁架結(jié)構(gòu)連接，可搭載100千克科學載荷。

“搜神號”所用的核反應堆構(gòu)型太陽系邊際探測器 | 論文[13]

相比同位素電池，核反應堆電源功率更大、成本更低。推進系統(tǒng)則采用高比沖的離子電推進，從而減少所需燃料，增大總沖，為長時間深空飛行提供超過20000小時的動力。

此外，超遠距離深空測控通信技術(shù)、深空自主技術(shù)、高可靠長壽命技術(shù)、行星際軌道設計與優(yōu)化技術(shù)、新型科學載荷技術(shù)，都是“搜神號”必需突破并掌握的技術(shù)。

基于此核反應堆構(gòu)型的探測器，還可開展海王星環(huán)繞探測任務。探測器可在2028~2031年發(fā)射，2040年前到達海王星實現(xiàn)極軌環(huán)繞探測；飛行途中, 至少順訪1顆主帶小行星、1顆半人馬小天體；抵達海王星時利用穿透探測器，實現(xiàn)海王星大氣和海衛(wèi)一的穿透探測。[15]

海王星環(huán)繞探測概念圖 | 論文[15]

回望中國深空探測發(fā)展之路，從嫦娥一號到天問一號，無數(shù)“于途”們?yōu)橹畩^斗，實現(xiàn)了從近地到深空，從月球到火星的跨越。如今的中國人有了自己的月球、火星圖像以及月壤樣品。

未來，我們還將腳踏實地，持續(xù)開展深空探測任務，探索更多宇宙奧秘，奔赴更遠的星辰大海。

相信有朝一日，月球和火星將留下中國人的腳印，人類也必將沖出地球搖籃。

航天之父齊奧爾科夫斯基說過:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠生活在搖籃里”

參考文獻

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[13] 吳偉仁, 于登云, 黃江川,等.太陽系邊際探測研究[J].中國科學:信息科學,2019,49(01):1-16.

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[15] 于國斌,汪鵬飛,朱安文,等.基于10 kWe核反應堆電源的海王星探測任務研究[J/OL].中國科學:技術(shù)科學:1-11.

作者：Phil Leaf

編輯：Steed

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