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2021年世界空间科学任务发射展望:以重大科学目标为牵引 | 不以大小论英雄

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  空间科学以航天器为主要平台,研究发生在地球、日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、化学及生命等自然现象及其规律。

  卫星发射升空是空间科学任务成功的重要环节。

  2021年4月12日是苏联宇航员加加林(Yuri A Gagarin)乘坐东方1号(Vostok 1)遨游太空60周年纪念日。

  上世纪美苏太空竞赛的大幕早已落下,重大科学目标牵引成为航天国家空间科学与探索的主旋律。

  据不完全统计,2021年全球重要的空间科学任务发射近10次,主要包括1个空间天文望远镜、4个月球探测任务、2个小行星探测任务、2个空间地球科学卫星,以及多个载人航天任务等。

  其中,既有规模和投资巨大的旗舰型科学卫星和空间站,也有遂行深空探测和科学研究的立方星,真正反映了国际空间科学发展以重大科学目标为牵引不以大小论英雄的新发展理念。

  

  2021年全球重要空间科学任务发射总览图

  (上排左起:天鹅座飞船、载人龙飞船、中国空间站天和号核心舱、神舟12/13号飞船、天舟2/3号货运飞船、载人星际飞船、“飞镖”双小行星重定向实验任务、詹姆斯?韦伯空间望远镜、露西探_测器、月船3号:下排左起:无人星际飞船、广目卫星、游隼号月球着陆器、陆地卫星9号、月球-水珠着陆器、阿特弥斯1号无人试验飞船)

  空间地球科学任务居高临下助人类认清自身

  空间地球科学通过空间遥感观测,研究地球的整体状态及变化,是研究地球系统科学的重要手段。

  空间地球科学所面对的地球环境及全球气候变化,是当今国际关注的热点,通过空间手段研究地球系统具有快捷、动态、多参数、整体性等独特优势。

  2021年将迎来我国首颗空间地球科学卫星,美国的空间地球科学卫星也将发射。

  广目卫星将成为我国空间地球科学首发星

  “广目”(CASEarth)地球科学卫星,是我国首颗空间地球科学卫星,在中科院空间科学(二期)先导专项和地球大数据科学先导专项等支持下研制,计划于2021年6月发射

  与此前研制发射的资源、气象等以经济发展为主要目标的应用卫星不同,“广目”旨在解决人类和地球环境系统相互作用的科学问题,以“精细刻画人类活动痕迹”为卫星的科学与应用目标。

  

  广目卫星结构样机

  美国空间地球科学任务呈系列发展

  美国国家航空航天局(NASA)和美国地质调查局(USGS)合作的陆地卫星9号(Landsat-9),计划于2021年9月发射,测量电磁光谱中的可见光,近红外和短波红外光谱、地球表面的红外热辐射或热量(亮度温度)等。

  

  NASA陆地卫星系列 来源:NASA GSFC

  Landsat-9将延续陆地卫星系列的最长时间跨度的连续全球表面观测记录,继续发挥陆地卫星系列在监测和研究地球资源方面的关键作用。

  

  陆地卫星9号示意图

  深空探测为行星科学腾飞插上翅膀

  新世纪以来,深空探测促进了行星科学的快速发展。2021年将是月球探测大年,美国、俄罗斯和印度均有发射计划。小行星探测和防御方面,也各有任务安排。

  月球探测依然是航天国家迈入深空的第一试验场

  2021年7月美国商业航天公司Astrobotic将搭载联合发射联盟(ULA)首次发射的火神半人马座火箭(Vulcan Centaur)执行NASA的商业月球有效载荷服务(CLPS)任务

  Astrobotic本次任务将发射其研制的“游隼号”月球着陆器(Peregrine Lunar Lander),携带逾10个来自NASA以及其它国家和组织的有效载荷到月球表面。

  

  

  游隼号月球着陆器将搭载100 kg左右的有效载荷

  此次飞行将是游隼号月球着陆器及火神半人马座火箭的首飞,或许也是私人公司研制的航天器首次登月

  若一切顺利,英国著名科幻作家阿瑟·C·克拉克(Arthur C Clarke,1917-2008)的骨灰将被存放到月球上。

  克拉克创作了100多部作品,被翻译成40多种语言,获得3次雨果奖,3次星云奖等科幻至高奖项,代表作包括《童年的终结》、《月尘飘落》等。

  他的作品多以科学为依据,许多预测都已成现实,其中对卫星通信的预测,与现实发展惊人一致,地球同步卫星轨道因此命名为“克拉克轨道”。

  

  亚瑟·C·克拉克

  本次任务还携带了英国伦敦太空点(Spacebit)私营公司研制的第一台月球车,以期使英国成为继美俄中之后,第四个完成此成就的国家。

  仅1.5 kg的“晨蜘蛛”(Asagumo)月球车将是史上最轻的月球车,其独特特点是有四条腿,外形酷似蜘蛛,不再是轮式。

  

  晨蜘蛛月球车示意图

  本次任务还携带了日本戴蒙(Dymon)公司研制的“八起”(Yaoki)月球车,Yaoki是一个创新的单轴巡视器(月球车),拥有2个轮子,构造简单,其尺寸(96 mm×150 mm×150 mm)是日本ispace公司PM2月球巡视器原型的1/50。

  月球运输的成本每千克大约要120万美元,轻量化是降低月球运输成本的最有效手段。Yaoki可以超低成本进行月球探测。另外,由于配置简单,也降低了故障风险。

  它可在月表下的洞穴中安全地进行探测。月球洞穴中可能存在较为丰富的水资源,可能适合人类居住,洞穴探索被认为是极具价值的科学探索。

  

  日本Dymon公司研制的瑶姬月球车和美国Astrobotic研制的游隼号月球着陆器的概念图 来源:Astrobotic/Dymon

  美国重返月球阿特弥斯(Artemis)计划第一阶段(2024年前)的首个任务阿特弥斯1号无人试验飞船,计划不早于2021年11月发射,将利用空间发射系统(SLS)将不载人的“猎户座”飞船(Orion)送入地球轨道,将其置于绕月逆行轨道上,为后续任务开展月球南极艾肯盆地地质学研究、月球水冰等资源的就位探测奠定基础。

  

  

  空间发射系统和猎户座飞船 来源:NASA

  我们希望它不受美国大选的影响,能如愿按时升空。

  

  阿特弥斯1号无人试验飞船

  距离苏联时代最后一次探月任务“月球-24号”升空45年后,由俄罗斯研制的“月球-25”号,又名“月球-水珠”(Lunar-Glob)着陆器,计划于2021年10月发射,将在月球南极附近的博古斯劳斯基(Boguslawsky,以德国天文学家命名)陨石坑着陆,以寻找水的痕迹

  欧空局(ESA)为该任务提供视频摄像机和地面支持团队。

  

  

  月球-水珠着陆器任务过程 来源:Russianspace

  2020年7月,印度空间研究组织(ISRO)主席K Sivan指出,印度第三次探月任务有关的所有活动都在顺利进行,月船3号(Chandrayaan-3)推迟到2021年上半年发射。

  2021年1月6日最新报道称,持续受新冠疫情的影响,发射日期待定,或再次推迟到2021年底或2022年初发射。

  月船3号旨在实现月球软着陆,包括着陆器、月球车和推进模块。月船3号将利用依然在轨的月船2号轨道器。

  

  月船3号探测器示意图 来源:ISRO

  小行星探测兼顾空间科学与太空安全双目标

  关于近地小天体防御,人类首个动能撞击偏转小行星的行星防御演示验证任务将由NASA和ESA联合实施。

  2021年7月22日,NASA的“飞镖”双小行星重定向实验任务(DART)将搭乘Space X的猎鹰9火箭升空,预计2022年9月到达目标天体——编号为65803的近地双小行星系统迪迪莫斯(Didymos,希腊语原意“双胞胎”),并受控“自杀”撞击其中较小的迪莫弗斯(Dimorphos,希腊语原意“两种形态”,编号65803 Didymos I),借以改变其轨道(重新定向)而使其远离地球。

  DART在撞击前几天将释放搭载的意大利航天局LICIACube立方星,由其拍照和记录撞击产生的影响。

  

  DART任务示意图 来源:NASA

  随后,ESA赫拉(Hera)任务将于2024年发射升空,2027年抵达双小行星系统迪迪莫斯,开展近距离探测。

  “赫拉”重1050 kg,携带两颗6U立方星,一颗是丹麦GomSpace公司和罗马尼亚GMV公司研制的“朱文塔斯”(Juventas),将利用低频雷达对双星内部进行扫描;另一颗由瑞典-芬兰-德国-捷克共同研制的“小行星勘察器”(APEX)将对迪迪莫斯双星进行高光谱测量,勘探其物质成分和磁场

  Hera既是两颗立方星的载体,还将作为它们同地球进行通信联络的中继站。

  对比Hera与DART的观测数据,将能深入了解撞击效应导致的迪莫弗斯形态和轨道改变。

  

  赫拉任务示意图

  需要说明的是,“迪迪莫斯”小行星系统没有撞击地球的危险,是同样大小的小行星中最容易抵达的,其中迪迪莫斯直径约780 m;迪莫弗斯直径约160 m,并以12小时/圈的速度绕迪迪莫斯运转。

  在引力作用下,DART撞击产生的绝大多数碎片将留在小行星上,当然也会有一小部分碎片飞到地球化作一场人造流星雨。

  美国首次近距离探索木星特洛伊小行星露西(Lucy)任务属于探索者计划(Explorer),目前正瞄准2021年10月16日开启的发射窗口,将开展为期12年的小行星探测旅程,包括1颗主带小行星与7颗特洛伊(Trojan)小行星,这也是世界首个在围绕太阳的独立轨道上探索如此多个不同目标天体的深空探测任务

  

  Lucy任务运行轨道示意图 来源:NASA

  发射升空后,露西将有一个漫长的巡航阶段,2025年4月才能飞临8个任务目标中的第一个即“主带小行星”,之后再访问特洛伊小行星。

  这些原始的小行星将为研究太阳系历史、甚至地球上有机物质的起源,提供重要的线索。

  NASA以1974年在埃塞俄比亚发现的女性古人类化石露西(Lucy)命名该任务,寄托了对人类起源探索的愿望。

  Lucy曾被认为是第一个直立行走的人类,是目前所知人类的最早祖先。

  

  女性古人类化石,人类的外祖母Lucy

  空间天文迎来新重磅天文台

  哈勃空间望远镜(HST)后继有人。

  HST已在轨30年,日地拉格朗日L2点将迎来新的重磅空间天文台——詹姆斯?韦伯空间望远镜(JWST),它是NASA、ESA和加拿大航天局(CSA)联合研发的旗舰型空间天文望远镜。

  JWST立项之初,NASA给出的预算报价是5亿美金,并预计2007年发射。

  实际上,当时没人知道这台望远镜该怎么制造,因此这个时间和预算都估计的非常保守。随着时间推移,JWST的制造难度逐渐显现,预算也水涨船高。

  目前最新估计,JWST总花费已近100亿美金,成为仅次于阿波罗登月、航天飞机、国际空间站和GPS项目的美国第五大航天项目

  从最初计划的2007年发射,推迟到2014年,又到2017年……之后几乎每年都能听到它要发射的消息,然后又被告知发射时间推迟。

  目前据最新消息,又从2021年3月推迟至2021年10月31号万圣节前夜,将从法属圭亚那发射,旨在观测宇宙最早的恒星和星系的第一束光,在红外波段揭示深远古老暗冷宇宙的奥秘,并搜寻宜居系外行星、表征系外行星的大气层、寻找生命迹象。

  

  JWST和它的目的地拉格朗日L2点 来源:ESA/NASA

  载人航天相关任务为空间科学与应用搭起新平台

  2021年4月起,我国空间站天和号核心舱、神舟12/13号飞船天舟2/3号货运飞船,将利用长征五号、长征二号和长征七号等运载火箭,陆续从文昌、酒泉等发射场起航,开启载人航天事业发展的新征程。

  空间站天和号核心舱的舱内配置了超冷原子、高精度时频、高微重力等13个科学实验柜,可开展空间生命、流体燃烧、材料、基础物理等研究和实验;舱外设置的空间环境监测载荷可为空间站提供太阳活动和大气密度等空间环境监测及预报支持。

  

  空间站实验柜

  空间站将是我国2035年前最重要的近地空间综合研究型设施。

  

  中国长征五号运载火箭

  空间站建造阶段四次飞行任务的航天员乘组已经选定,正在开展任务训练。

  按照计划,未来两年将通过11次密集飞行任务,建成中国独立建造、自主运营的天宫空间站,其间还将进行多次回收任务和在轨关键技术验证。

  2021年,天鹅座飞船(Cygnus)将对国际空间站(ISS)进行第15次商业补给,载人龙飞船(Crew Dragon)也计划多次飞往国际空间站,多个国家宇航员将继续在国际空间站开展系列实验

  

  天鹅座飞船被国际空间站的机械臂所控制

  3月,波音公司的CST-100星际客机(Starliner)将利用Atlas V火箭发射,对这种新型可重复使用的星际客机进行无人飞行试验。

  

  载人龙飞船(Crew Dragon)与国际空间站对接

  6月,NASA宇航员迈克˙芬克(Mike Fincke)、妮科尔˙曼(Nicole Mann)和布奇˙威尔莫(Barry Wilmore)将搭乘CST-100飞船,同样由Atlas V火箭发射,开展首次载人飞行任务

  2021年承上启下,多个在轨任务开启科学发现之旅

  2021年2月,美国、中国和阿联酋的三个火星探测器将相继抵达火星,天问一号将于2月10日近火制动、进入环火轨道,此时距庚子除夕仅剩一天,将是献给全体中国人牛年的最强贺礼,5月择机软着陆于乌托邦平原(Utopia Planitia)南部区域;美国毅力号计划于2月18日在杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)着陆;阿联酋希望号也计划于2月进入火星轨道。

  2020年发射的ESA太阳轨道器(Solar Orbiter)预计将于2021年11月开始科学任务运行,12月27日开展近距离飞掠金星,届时多个就位探测科学载荷将开机探测金星的磁场、等离子体和粒子环境

  2018年发射的帕克号太阳探测器(Parker Solar Probe)已经3次飞掠金星,将于2021年1月17日第七次抵达近日点(0.09 au, 20.3 RS)。

  

  太阳轨道器(左)和帕克号太阳探测器(右) 来源:ESA

  纵观国际空间科学的发展,卫星发射升空是空间科学任务向获取科学数据、取得重要科学成果和发现迈出的重要一步。

  预祝2021年全球空间科学任务发射顺利,为探寻生命起源、太阳系起源和演化,拓展人类认知疆域和知识体系做出新的贡献。

  参考文献

  [1]. Guo Huadong, Chen Hongyu, Chen Liangfu, Fu Bihong. Progress on CASEarth Satellite Development. Chin. J. Space Sci., 2020, 40(5): 707-717. DOI:10.11728/cjss2020.05.707

  [2]. https://www.nasa.gov/specials/artemis/

  [3]. https://www.space.com/japan-first-moon-rover-astrobotic-peregrine.html

  [4]. https://www.space.com/uk-first-moon-rover-spacebit-launch-2021.html

  [5]. https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart

  [6]. https://www.esa.int/Safety_Security/Hera/Ireland_helping_ESA_s_Hera_asteroid_mission_find_its_way

  [7]. https://www.nasa.gov/mission_pages/lucy/overview/index

  [8]. https://landsat.gsfc.nasa.gov/landsat-9

  [9]. https://www.infomance.com/chandrayaan-3/

  [10]. 时蓬, 王琴, 白青江, 范全林. 2020年深空探测热点回眸[J]. 科技导报, 2020, 39(01): 印刷中

  [11]. 时蓬, 王琴 苏晓华 白青江 范全林. 2021年世界重要空间科学发射任务[J]. 空间科学学报. 2020, 41(1): 印刷中

  致谢:文章得到了空间科学(二期)先导专项预先研究项目(XDA15010000)、中国科学院重点部署项目(ZDRW-KT-2019-1)课题的资助。

  本文作者:王琴,时蓬,苏晓华,白青江,吴妮,范全林作者简介:王琴,中国科学院国家空间科学中心,副研究员,研究方向为空间科学发展战略研究。

  《科技导报》创刊于1980年,中国科协学术会刊,主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述,发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。

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