人类探索宇宙， 需要哪些探测器？

羲和号模拟图。航天八院供图

探索地球以外的世界，或者说“空间探测”，可以有不同方式：一种是长途跋涉，飞到近处一探究竟；一种是在地球表面和近地空间部署望远镜等，通过收集可见光、X射线等进行分析研究。

不同的目标，需要不同的探测器。美国不久前发射的露西号（Lucy）探测器，目标是前往8颗小行星；虽需长途跋涉，但相较于去年中、美等国相继发射的火星探测器，露西号更“俭朴”，预算更低。

在前不久我国发射的首个太阳探测器羲和号，虽然具有开启中国空间“探日”的首创意义，但同样属于空间探测中的小项目。

可以说，在有限的成本下，往往需要对探测器做出取舍：要么周期长、任务复杂、科学目标重大；要么周期短、任务专一、成本低。

首探特洛伊小行星：12年太阳系漫游

10月16日，美国国家航空航天局（NASA）发射了小行星探测器露西号。在长达12年的漫游太阳系的旅程里，它将先后飞掠8颗不同大小、类型和位置的小天体，有望为人类首次揭开木星特洛伊小行星的神秘面纱。

太阳系中已知的绝大多数的小行星都集中在火星与木星轨道之间的小行星带，它们被称为“主带小行星”。

而特洛伊小行星距离我们更远。它们是至少数千颗与木星共用轨道的小行星的总称。依据位置不同，特洛伊小行星可拆分为两小群：一群位于木星-太阳的L4拉格朗日点（木星前方），另一群则位于木星-太阳的L5拉格朗日点（木星后方），这些小行星和木星一起，以相同周期、相同速度在轨道上围绕太阳旋转。

按照计划，露西号将探访6颗木星特洛伊小行星，1颗特洛伊小行星的卫星和1颗主带小行星，将创下一次任务中探索最多天体的纪录。

科学家远距离观察可以粗略得知，这些探测目标大小、组成物质各异，最小直径仅1公里，最大的直径可能达140公里……

露西号升空后，首先需要围绕地球经历2次重力加速，计划于2025年4月飞越位于主小行星带的编号为52246的小行星。之后露西号会继续向外太阳系飞行，直到2027年抵达木星轨道L4拉格朗日点，分别探访4颗特洛伊小行星和1颗小行星的卫星。

之后，露西号将再次向太阳系内部飞行，到地球轨道“过家门而不入”，再次“借力”飞往木星轨道L5拉格朗日点，探索另外2颗小行星。如果一切顺利，那时已经是2033年了。

为何去探索特洛伊小行星？科学家认为，特洛伊小行星很可能是太阳系早期原始物质残余物，是40亿多年前太阳系诞生的“时间胶囊”，这些天体藏有破解太阳系早期历史的重要线索，甚至可能告诉我们地球上有机材料及生命的起源。

值得一提的是，露西号得名于在埃塞俄比亚发现的人类远古祖先“露西”化石。这具古人类骨骼对人类起源和演化研究的意义重大。以此命名探测器，也是寄托同样的期望。而露西号在主小行星带飞掠的编号为52246的小行星，已经被命名为“唐纳德·约翰逊星”——他正是“露西”化石的发现者。

太空任务分级：露西号属“廉价”项目

如果一切顺利，露西号将创造一项纪录——距太阳最远的依靠太阳能的航天器，最大距离将达到8.53亿公里，比日地距离远近6倍。

在过去，飞到如此远的深空探测器，比如旅行者号、卡西尼号等，都配备了核电池。而露西号使用太阳能帆板也有不得已的因素：预算有限。

在NASA的任务等级中，露西号属于“发现”级，低于“新疆界”级和“旗舰”级。

“发现”计划设立于1990年，目的是以“低廉的成本、公众的智慧，完成众多的太空探索任务”，预算一般不超过4.5亿美元。

最为知名的“发现”级任务要数火星探路者号任务——它携带的旅居者号火星车，以安全气囊包裹的方式成功实现火星表面着陆，并在火星上探索了接近3个月的时间。

比“发现”级更高的，是“新疆界”级。这一级别的任务目标是“能够提供高科学回报”。目前已实施的“新疆界”级任务有三项，分别为：2006年发射、2015年抵达冥王星的新视野号探测器；2011年发射、2016年进入木星轨道的朱诺号探测器；2016年发射、2020年在贝努小行星成功着陆采样、预计于2023年返回地球的OSIRIS-REx号探测器。

不过，露西号任务虽然属“发现”级，但预算已至9.81亿美元，实际上达到了“新疆界”的水平。

NASA的最高级别任务是“旗舰”级，也被称为“大型战略科学任务”。“旗舰”级任务大多为人熟知：包括上世纪70年代的海盗号火星探测任务、旅行者号计划、哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台、好奇号火星探测车、磁层多尺度任务（MMS）以及Terra对地观测卫星等。最近的“旗舰”级任务是NASA去年发射的火星探测任务。

美国国家四大学院出版的《助力科学：NASA大型战略科学任务》指出，“旗舰”级任务“专注于一系列广泛目标”，而较小的任务则“专注于单一目标或少数紧密相关的目标”。但是，“与通常需要十年或更长时间才能发展的大型战略任务相比，较小的任务往往可以在5年内完成。有时候，这使得较小的任务更适合响应最新的发现”。

类似地，就中国的深空探测任务的分级模式，国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠指出，基于任务目标、技术能力、系统规模、经费需求的约束，可将未来的深空探测任务分为三类：

小型任务体现“短平快”：针对某项特定天体、科学目标或航天技术验证， 以成熟航天产品经适应性改造后实施发射，探测器规模控制在3吨以内，每10年实施4—5次，成本较少。

中型任务体现高性价比，针对多天体联合探测、多探测方式组合等目标， 在现有航天器、火箭等技术产品的基础上，攻克较多新技术、研制部分新设备、建设部分新设施，探测器规模控制在3—10吨，每10年实施2—3次，成本中等。

大型任务体现重大科学发现与技术带动性，以地外天体样品采样返回、长期无人/机器人值守星表科研站等为目标，攻克大量新技术、建设多个大型科研设施、研制全新航天器，探测器规模控制在10吨以上，每10年实施1—2次，成本较高。

中国空间探测：有大工程也有小目标

中国科学院空间科学先导专项（一期）负责人、中国科学院空间科学与应用研究中心研究员吴季认为，由于前苏联和美国在冷战时期的大量投入，空间探测中几乎所有唾手可得的“第一次”都被美、苏瓜分了。“重复的发现是没有科学意义的。因此，必须找到具有创新意义的切入点。”

吴季还指出，目前国家在空间科学上的经费投入还不能与美国相比，必须把有限的经费投入到最需要的地方。

统计显示，近几十年全球发射的6000个空间飞行器中，专门用作空间科学研究的卫星和深空探测器约有700颗。而很长一段时间里，我国的空间科学一直是我国航天事业的短板；空间科学研究严重依赖对他国公开数据的二次分析。

为此，2011年，中国科学院启动空间科学战略性先导科技专项。到目前为止，专项部署的暗物质卫星“悟空”、“实践十号”卫星、量子卫星“墨子号”以及硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”等已经或正在产出一系列重大科学发现和原始创新成果，实现了多项国际领先或先进的空间技术突破，极大地提升了中国在空间科学上的国际声誉。

可以看到，我国近年来的航天任务中，既有“中国行星探测工程”这种极具挑战性的重大工程，也有为了解决单一目标、依托现有设备或平台实施的“小目标”。

以我国在10月14日发射的首颗太阳探测科学技术试验卫星羲和号为例：羲和号整星重量仅500多千克，属于“小卫星”。设计寿命3年，运行于517公里高度、倾角98度的太阳同步轨道。羲和号是依托于现有平台——中国航天科技集团八院研制的“超高指向精度、超高稳定性”卫星平台。据八院科技委常务副主任陈杰介绍，该平台还将在高分辨率对地详查、大比例尺立体测绘、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中进行广泛推广应用。

南方日报驻京记者 王诗堃

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