深空探測,中國航天一步一個腳印

國防科工局系統工程司副司長趙堅在11月舉行的第九屆中國國際航空航天高峰論壇上透露,我國計劃於2020年左右實施首次火星探測任務,在2021年實現探測器著陸火星。至2030年前后,我國還將實施小行星探測、火星取樣、木星系探測及行星穿越等深空探測任務。
1984年,我國首顆地球靜止軌道試驗通信衛星“東方紅二號”在太空定點,將中國航天從近地軌道推向了約36000公裡高度。2007年嫦娥一號抵達30萬公裡之外的月球,圓了中國人千年奔月夢想。
從地球軌道、月球到火星,40多年來中國航天踩著一個個腳印,穩步邁向深空。
從月球環繞、著陸探測到採樣返回
2004年中國探月工程立項,三年后的10月24日,嫦娥一號探測器從西昌衛星發射中心發射。
這是我國首次開展探月任務。出於穩妥考慮及工程需要,嫦娥一號先繞地球飛行一星期才進入地月轉移軌道,又經過112小時飛行后抵達月球附近,並成功進入距離月面200公裡的圓形環月軌道。2008年11月12日,由嫦娥一號拍攝圖片組成的全月影像圖正式發布。
2010年10月1日,嫦娥二號發射升空。作為探月二期工程的先導星,它把目光瞄向了更遠的太空。2011年4月1日,嫦娥二號在完成既定任務后離開月球軌道,先在距地球約150萬公裡的日地拉格朗日2點進行探測,又飛到700萬公裡外近距離觀察了圖塔蒂斯小行星。最后,它飛到一億公裡之外,對我國深空探測能力進行了驗証。
嫦娥三號探測器的技術跨度大、結構更復雜,新技術、新產品達到80%。中國航天科技集團中國空間技術研究院(以下簡稱五院)研制團隊集智攻關,突破了關鍵技術。2013年12月14日,嫦娥三號成功落月,實現我國航天器首次地外天體軟著陸,並開展巡視勘察和科學探測。
今年12月8日發射的嫦娥四號將落向月球背面。五院深空探測和空間科學首席專家葉培建認為,這是一個創舉。為滿足任務通信測控需求,我國於5月21日發射鵲橋中繼星,其成為世界首顆運行在地月拉格朗日2點Halo軌道的衛星。而此時正飛行在奔月途中的嫦娥四號,還有望創造人類首次在月球背面軟著陸,並開展原位探測、巡視探測以及甚低頻探測等紀錄。
在完成“繞”與“落”以后,探月工程的第三步目標是採樣返回。2014年,我國發射再入返回飛行試驗器,實現了中國航天器首次以第二宇宙速度返回地球,對“半彈道跳躍式返回”再入關鍵技術進行了驗証。以此為基礎,我國計劃於2019年發射嫦娥五號,讓其落在月面,通過表取、鑽取的方式採集約2公斤月壤帶回地球。
據葉培建透露,中國探月工程完成“繞落回”三步走后,下一步是建立月球科考站的初步模式。如果嫦娥五號任務圓滿成功,嫦娥六號將被納入下一階段任務,或將前往月球兩極取樣返回,為在月球建站探路。
從探測火星、木星到小行星
除了月球,火星也是國際深空探測的重點目標。許多專家認為,幾百年后火星或許會被改造為人類的第二家園。探測火星也具有重要的科學意義。
2016年初,我國首次火星全球遙感與區域巡視探測任務獲得國家批復立項,計劃於2020年擇機發射火星探測衛星,一步實現“繞、落、巡”工程目標。
目前,五院正在研制的火星探測器由“環繞器”和“著陸巡視器”組成。環繞器的主要功能是攜帶著陸巡視器完成地火轉移飛行和近火制動﹔進入環火軌道后擇機釋放著陸巡視器﹔開展環繞科學探測,並為火星車提供中繼通信鏈路。著陸巡視器的主要功能是實現火星表面軟著陸、分離釋放火星車、開展巡視科學探測。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩表示,國外對火星的探測都是分別進行環繞和著陸、巡視。歐洲曾兩度試圖一次完成火星環繞探測和著陸探測,都在著陸過程中失敗。如果我國能一舉實現“繞、落、巡”,在世界火星探測史上將是首次。
龐之浩介紹,我國火星探測計劃總體科學目標包括研究確定火星著陸和生命存在的條件與地區,火星土壤特性及其水冰、氣體、物質組成,火星大氣及氣候特征,火星地質特征、演化與比較行星學等。
木星對穩定太陽系的運行非常重要,我國正在醞釀對木星及木衛系統的探測。中國航天科工集團第二研究院研究員楊宇光介紹,木星擁有數十顆衛星,整個系統被天文學家稱為“小太陽系”,對木星及其衛星進行探測,對研究太陽系的演化很有意義。
龐之浩表示,木星距離地球比火星遠得多,所以其發射、軌道、通信、電源等許多技術非常復雜,成本也高。至今隻有美國發射過2個專用木星探測器。他介紹,我國科學家從長遠考慮,提出了“木星系統探測”計劃建議,主要將研究木星磁層結構、木衛二大氣模型、木衛二表面冰層形貌及厚度、金星—地球—木星間的太陽風結構,以及地球生命的地外生存狀態及其演變特性等。
楊宇光表示,木星的引力巨大,從工程角度來說,能成為人類探索外太陽系的重要跳板。國際上的“先驅者10號”“先驅者11號”“旅行者1號”“旅行者2號”“卡西尼號”“新視野號”等探測器,都是借助木星引力加速后飛向深空。有科學家預測,未來人類要開發外太陽系,可能要先在木星衛星上建立前哨基地。
此外我國科學家還制定了“小行星探測”計劃。龐之浩介紹,該計劃將對近地目標小行星進行整體性探測和局部區域的就位分析。
從飛船、空間站到載人探月
除了探測器越飛越遠,我國多年來也在努力將航天員送入太空。
1992年9月21日,中央審議批准開展中國載人航天工程研制。1999年11月20日,神舟一號試驗飛船從酒泉衛星發射中心發射,次日成功著陸在內蒙古四子王旗預定區域。我國載人航天工程首次飛行試驗圓滿成功,考核了運載火箭的性能和可靠性,驗証了飛船關鍵技術和系統設計的正確性,以及包括發射場、測控通信、著陸場等地面設施設備在內的整個工程大系統協調性。
2003年10月15日,航天員楊利偉搭乘神舟五號飛船升空,在軌飛行21小時后安全返回。中華民族千年飛天夢想成為現實,我國也成為世界上第三個獨立掌握載人航天技術的國家。
此后,神舟六號任務實現“多人多天”太空飛行,神舟七號任務突破和掌握了空間出艙技術,神舟八號、九號飛船先后與天宮一號目標飛行器完成自動、手控交會對接。神舟十號任務首次開展載人天地往返應用性飛行,在軌期間向全國直播的太空授課產生了巨大社會反響。
2016年9月15日,我國首個真正意義上的空間實驗室天宮二號發射入軌。一個月后,第三次參加飛天任務的航天員景海鵬,帶領“新人”陳冬坐進神舟十一號飛船,完成了為期33天的我國首次中期在軌駐留任務。
此外,近年來長征七號、長征五號運載火箭以及天舟貨運飛船的成功飛行,也為我國后續空間站建造和運營奠定了基礎。
如今,中國載人航天工程正闊步邁向空間站時代。在今年11月舉行的第十二屆珠海航展上,中國空間站核心艙顯露真容。按計劃,我國將於2019年發射核心艙,於2022年前后完成空間站在軌建造任務。
除了近地軌道,未來我國將把航天員送到月球、火星乃至更遙遠的深空。五院正在論証研制新一代載人飛船,將採用一系列先進技術,可適應近地軌道飛行、載人探月和載人深空探測等多種任務。
而作為宇航活動的動力之源,備受矚目的長征九號重型運載火箭和我國新一代載人運載火箭也在研制之中。記者從中國航天科技集團中國運載火箭技術研究院了解到,長征九號火箭將於2028年前后首飛,可滿足較長時期內深空探測、載人探月等任務需求。
我國新一代載人運載火箭按照載人飛行最高安全標准設計,專為發射新一代載人飛船而研制。未來可用於載人探月,並與重型運載火箭組合使用建立月球基地。此外該火箭採用多台發動機並聯布局,可以實現垂直起降重復使用。(付毅飛)
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