文 | 黨朝輝
編者注：本文因篇幅較長，共分上下兩部分發(fā)表。第一部分講述人類空間探測技術(shù)的起源及發(fā)展簡史(空間探測簡史（一）)。第二部分講述空間探測的當(dāng)前成就及未來發(fā)展方向。此為第二部分。
“這是一個來自遙遠(yuǎn)的小小星球的禮物，它是我們的聲音、科學(xué)、形象、音樂、思想和感情的縮影。這個地球之音是為了在這個遼闊而令人敬畏的宇宙中傳播我們的希望、我們的決心和我們對遙遠(yuǎn)世界的良好祝愿。”
——“旅行者1號”空間探測器攜帶的地球名片
月球之后還有火星
人類最感興趣的天體，除月球之外，恐怕就是火星了。這顆橘紅色的星球是離地球最近的行星，在太陽系由內(nèi)往外數(shù)排名第四?；鹦堑闹睆綖榈厍虻囊话耄赞D(zhuǎn)周期與地球相近?；鹦巧嫌休^為稀薄的大氣，其主要成分是二氧化碳?；鹦莾蓸O附近有水冰和干冰組成的極冠。
圖 1 2007年ESA Rosetta空間探測器飛越火星時拍下的照片[1]
美國的水手4號于1964年12月28日發(fā)射升空，這是有史以來第一枚成功到達(dá)火星并發(fā)回數(shù)據(jù)的探測器。水手4號于1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠過火星，向地球發(fā)回了21張照片，此后又在環(huán)繞太陽軌道上花費三年時間對太陽風(fēng)進行探測。
圖 2 火星表面景觀，上：二氧化硅塵埃，下：赤鐵礦結(jié)核[1]
截止2016年底，火星是除了地球以外人類了解最多的行星，已經(jīng)有超過6個國家或組織、共計55枚火星探測器被發(fā)射過。其中，美國和俄羅斯是歷史上發(fā)射火星探測器最多的兩個國家，分別有25顆探測器和22顆探測器被發(fā)射過，幾乎占據(jù)了人類火星探測任務(wù)的85%以上。然而同時火星探測也充滿了坎坷，大約一半的探測器，特別是早期發(fā)射的探測器，都沒有能夠成功完成它們的使命。
圖 3 火星探測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
俄羅斯是世界上除美國外進行火星探測最多的國家，在其航天歷史上，一共發(fā)射了23顆火星探測器，其中一顆是與歐盟合作完成的。在其發(fā)射的眾多探測器里，只有3顆算得上基本成功，有1顆還只能算部分成功（實現(xiàn)成功著陸，卻沒有取得有意義的成果），整體成功率不足13%。日本于1998年曾發(fā)射第一顆火星探測器希望號，但該探測器未能成功到達(dá)火星。螢火一號是中國火星探測計劃中的第一顆探測器，然而不幸的是，該探測器在2011年11月，由俄羅斯火箭搭載時發(fā)射失敗，未能到達(dá)火星。值得稱道的是，盡管印度航天總體實力不及上述幾個國家，但2013年發(fā)射的曼加里安號火星探測器，歷經(jīng)種種曲折，最終成功到達(dá)火星軌道，成為歷史上繼美國、歐洲航天局、俄羅斯之后第四個成功到訪火星的國家。（有關(guān)火星探測歷史的更多資料可參看《未來空天》上期文章“你知道都有哪些國家到過火星？——漫談火星探測計劃”）
圖 4 歷史上的火星著陸點[2]
空間探測向深空邁進
伴隨著一次次航天任務(wù)的實施，航天技術(shù)的方方面面都更加趨于成熟，各種新技術(shù)、新方法被人們率先應(yīng)用在新的航天實踐中。自從美國完成登月壯舉后，人類探索的腳步開始邁向更深遠(yuǎn)的空間。在航天領(lǐng)域中，近地空間是指從地球到月球之間的這段空間，這段距離是38萬公里。而在地月之外，太陽系還有廣袤的空間需要人類去探索，那里被稱作深空。
美國是目前在深空探測領(lǐng)域?qū)嵙ψ顝姷膰?。美國除了對前面已?jīng)提到的對月球和火星實現(xiàn)探測外，還對其它太陽系內(nèi)的天體進行了探測。這里給出了一張統(tǒng)計表（圖5），列出了美國歷史上比較著名的幾次深空探測任務(wù)。由此我們可以看到，美國在深空探測領(lǐng)域已經(jīng)完全走到了世界的前列，成為名副其實的航天超級大國。
圖 5 代表性的美國深空探測歷史一覽表
在美國的深空探測任務(wù)中，除了對已知的太陽系八大行星探測外，還對彗星以及小行星帶進行了探測。國際彗星探測器3號（International Sun-Earth Explorer-3）是美國和歐盟聯(lián)合研制的一個深空探測器。該探測器1978年發(fā)射入軌，并于1981年飛到了預(yù)定的太陽和地球之間的拉格朗日點L1上。隨后，在1983年時，為了實現(xiàn)對彗星的探測，它首先飛到了月球附近，利用月亮的引力將自己加速。到1985年時，它成功實現(xiàn)了對賈克比尼彗星的探測。接著，它于次年又對大名鼎鼎的哈雷彗星進行了探測，并第一次穿越彗星尾部探測了其組成成分。
圖 6 國際彗星探測器3號[3]
本來到此為止，該衛(wèi)星的任務(wù)已經(jīng)全部完成。但考慮到衛(wèi)星上的燃料還沒有耗盡，美國NASA的首席軌道動力學(xué)專家羅伯特·法庫爾（Robert W. Farquhar，1932-2015）教授計算出了一條復(fù)雜的軌跡，使這個衛(wèi)星在14年后，也就是2000年的時候成功降落在了愛神星小行星上，成為第一顆造訪小行星的人造物體。然而，這個神奇的傳說還沒訴說完。當(dāng)時，小行星離我們地球要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火星到我們的距離，因此在該探測器到達(dá)愛神星后的此后14年時間里，我們都已經(jīng)跟它失去了聯(lián)系。然而，令人驚訝的是，愛神星在2014年的時候到達(dá)了離地球最近的位置，幾乎是在月球附近不遠(yuǎn)。美國NASA的科學(xué)家通過地面指令注入的方式，向愛神星發(fā)送了信號，讓所有人大吃一驚的是，這顆探測器居然還活著，它向地球傳達(dá)了若干信號。之后，這顆小行星最終載著彗星探測器離開了地球?，F(xiàn)在看到的就是這顆大名鼎鼎的彗星探測器那復(fù)雜而優(yōu)美的星際軌跡。
圖 7 國際彗星探測器3號的飛行軌跡[4]
“羅塞塔”著陸彗星
除美國外，歐空局也已在深空探測方面取得一定進展。2004年3月2日，歐空局的“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測器由阿麗亞娜－5Ｇ型火箭運載，從法屬圭亞那庫魯航天中心升空，預(yù)期著陸編號為67P的彗星?！傲_塞塔”彗星探測器重約3噸，大小約12立方米。它共裝備了12個科學(xué)儀器以及一個叫作“菲萊”（Philae）的著陸器。“羅塞塔”在軌飛行期間，飛越了火星和數(shù)個小行星。2014年8月6日，“羅塞塔”接近目標(biāo)彗星，并經(jīng)過一系列軌道機動穩(wěn)定在距離彗星10~30km之間的繞飛軌道上。當(dāng)年12月，“菲萊”著陸器成功著陸彗星，成為人類歷史上第一顆著陸彗星的探測器。然而，由于著陸位置不夠理想，“菲萊”的太陽能電池板無法接收到太陽光，從而導(dǎo)致其電池兩天后耗盡電量。在這之后，“羅塞塔”多次嘗試與“菲萊”通信，并于2015年7月建立數(shù)次短暫交流。2016年7月，由于長時間無法得到太陽能的補充，“羅塞塔”的通信模塊不得不與沒有電力供應(yīng)的“菲萊”著陸器徹底中斷聯(lián)系。2個月后，“羅塞塔”也終止任務(wù)并著陸在了彗星上。
圖 8 “羅塞塔”探測器于2015年1月拍攝的彗星67P照片[5]
圖 9 “羅塞塔”彗星探測器及其著陸器“菲萊”[5]
“旅行者1號”飛出太陽系
人類深空探測歷史中的一項里程碑意義的事件是“旅行者號”飛出太陽系?！奥眯姓咛枴碧綔y器共包含2顆衛(wèi)星，分別為旅行者1號和2號探測器。它們于1977年8月20日和9月5日，先后發(fā)射升空。“旅行者號”探測器均攜帶核動力電池，因而可持續(xù)工作到2025年左右。2012年8月中旬，通過接收衛(wèi)星發(fā)射回來的信號，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“旅行者1號”已突破太陽系邊緣。35年時間里“旅行者號”已飛行了178億公里。“旅行者號”上攜帶了刻有人類文字的金屬碟片，其中里面有一段文字如下：“這是一個來自遙遠(yuǎn)的小小星球的禮物，它是我們的聲音、科學(xué)、形象、音樂、思想和感情的縮影。這個地球之音是為了在這個遼闊而令人敬畏的宇宙中傳播我們的希望、我們的決心和我們對遙遠(yuǎn)世界的良好祝愿。”從某種意義上說，“旅行者號”承擔(dān)的不僅是美國人的航天夢，也承擔(dān)了人類未來在宇宙星際間延續(xù)生命的使命。
圖 10 “旅行者1號”探測器[6]
圖 11 “旅行者1號”上攜帶的刻有人類文字的金屬碟片[6]
深空探測的技術(shù)挑戰(zhàn)
為實現(xiàn)深空探測，需要解決眾多工程技術(shù)問題。主要的幾項挑戰(zhàn)如下：
深空探測的第一個挑戰(zhàn)是：大火箭技術(shù)和精確的軌道控制技術(shù)。大火箭技術(shù)很好理解，因為深空探測時需要衛(wèi)星至少達(dá)到11km/s的相對速度，以擺脫地球引力控制，而這需要大推力火箭才能實現(xiàn)。然而，大火箭技術(shù)不是每個國家都具備的。目前，只有美國、俄羅斯的火箭具備火星探測能力，中國、日本僅具備月球探測的實力。深空探測所需要的技術(shù)儲備相對較多，在本國技術(shù)不能完全達(dá)到要求時可以借助合作方式實現(xiàn)任務(wù)實施。然而，完全利用別人的技術(shù)終究不是可靠之舉，這也是我們國家在大飛機計劃之后又提出大運載計劃的原因。這里的大運載就是大推力火箭的意思，目前由航天一院承擔(dān)研制任務(wù)，也就是長征五號火箭。
圖 12 美國大火箭排名，從左到右依次是：土星V號、航天飛機、阿里亞娜I、阿里亞娜V、阿里亞娜IV、“航天發(fā)射系統(tǒng)”的“Block”1型火箭[5]
深空探測的第二個挑戰(zhàn)是：遙遠(yuǎn)距離帶來的通信延遲。為了說明通信延遲到底有多嚴(yán)重，我們做一個簡單計算。首先，我們知道光信號的速度是每秒30萬公里。作為對比，我們先來看看月球探測面臨的通信延遲問題。我們知道，月球離地球的平均距離是38萬公里。因此，從月球附近的探測器發(fā)回地球的信號，至少要經(jīng)過1s鐘時間。這1s鐘時間的延誤雖然看上去不太嚴(yán)重，但實際上已經(jīng)給航天器的測控帶來一定的影響。火星探測時的延遲有多久呢？我們知道，火星離地球最近處也有5500萬公里，從地面測控站上發(fā)送給火星探測器的指令至少要在3分鐘后才能到達(dá)。而如果考慮探測器在到達(dá)火星時，地球和火星的距離已經(jīng)有1.5億公里遠(yuǎn)，此時的通信延遲將高達(dá)10分鐘。因此，火星探測工程要求火星探測器必須具備自主導(dǎo)航、控制能力，可以在不依賴人類遠(yuǎn)程遙控的前提下自主形成控制指令。這對一個國家在電子技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)方面的綜合實力是一個巨大的考驗。
深空探測的第三個挑戰(zhàn)是：著陸器技術(shù)。如果沒有這個技術(shù)，我們就只能在火星軌道上對火星進行遠(yuǎn)距離觀測，而無法登上火星對其實地考察。著陸器技術(shù)本質(zhì)上是火箭技術(shù)的逆向使用，也就是通過火箭的反推使得衛(wèi)星緩慢降落在地面的技術(shù)。這里，我們以美國2013年做的一次月球著陸器的實驗來說明這個技術(shù)。其著陸器本身就是個非常復(fù)雜的飛行器，它需要精確的敏感器和控制執(zhí)行機構(gòu)，需要高超的控制技術(shù)。并且，我們注意到，這些著陸器通常攜帶巨大的燃料儲箱。對于月球這樣的目標(biāo)天體，由于其上沒有大氣，因此只能通過巨大的燃料箱和火箭反推技術(shù)實現(xiàn)軟著陸。但是，我們知道，相比火星，月球的距離還是比較近的。因此，我們可以將如此大的著陸器送上月球。但是，火星距離遙遠(yuǎn)，要把如此多的有效載荷送上火星，從地球出發(fā)時的火箭的負(fù)荷相對較大。因此，一般來說，火星著陸時，還會采用其他輔助技術(shù)。
圖 13 美國月球登陸器試驗（2014）[7]
為了說明如何采用其他多種輔助技術(shù)實施火星著陸，我們以2003年美國發(fā)射的勇氣號火星探測器為例。勇氣號火星探測器將一輛長1.6米、寬2.3米、高1.5米、重174kg的火星車安全送達(dá)了火星表面。這輛火星車是人類首個成功到達(dá)火星的機器，它對火星表面進行了詳盡的考察，發(fā)現(xiàn)了疑似水的物質(zhì)，是人類火星探測最成功的例子。那么它都采用了哪些著陸技術(shù)呢？事實上，主要包括三個技術(shù)：分別是降落傘、火箭反推，還有氣囊。為了說明它是如何綜合利用這些技術(shù)的，我們有一段動畫示意。從畫面中我們看到，整個火箭反推過程其實只占用了很小一段比例，大部分時間，勇氣號是采用降落傘技術(shù)和氣囊緩沖技術(shù)。之所以采用降落傘，是因為火星上是有大氣的，雖然比較稀薄。此外，氣囊緩沖法是美國NASA宇航局的創(chuàng)新設(shè)計。這套裝置有效保護了其內(nèi)火星車的安全。可以說，在人類空間探測的歷史中，有太多奇思妙想被用在了航天技術(shù)中。
圖 14 “勇氣號”登陸火星時采用的三種降落技術(shù)（動畫模擬）[8]
未來深空探測計劃
下面我們來看看未來各航天大國都還有些什么樣的深空探測計劃。
（1）美國
美國的主要深空探測計劃及時間節(jié)點是：2018-2021年實現(xiàn)重返月球，2021-2025實現(xiàn)月球基地建設(shè)，2028-2035年進行載人登陸火星，2035年后進行太陽系外探測。什么叫重返月球呢？實際上就是重新實現(xiàn)載人登月。我們知道美國實際上早在上世紀(jì)6、70年代已經(jīng)實現(xiàn)了載人登月。按道理，美國早已具備了載人登月的技術(shù)和實力。但是，載人登月是一項非常復(fù)雜的航天工程，其所耗費的物資也是非常龐大的。美國雖然有這個技術(shù)，但是否能夠得到美國納稅人的認(rèn)可，去耗費巨資實施月球登陸這件是否有好處尚不確定的事情，則不一定。然而，實現(xiàn)對月球的持續(xù)觀測和保有登月的技術(shù)，對于未來可能開始的星際殖民是有潛在好處的。一旦未來人類的航天實力達(dá)到了向其他星球的殖民能力，各個國家之間的競爭就不可避免。而美國絕不會放棄他在航天領(lǐng)域以及深空探測方面的領(lǐng)頭地位。
圖 15 美國“重返月球計劃”中的月球基地設(shè)計方案[9]
圖 16 美國Mars 2020任務(wù)時間節(jié)點[10]
（2）俄羅斯
俄羅斯當(dāng)然也不甘示弱，也制定了雄心勃勃的載人登月和登火計劃。其大致計劃為：2025年前實現(xiàn)載人登月，2028-2032年建立月球基地，2035年后進行載人登陸火星。
上圖：著陸器實物圖
下圖：登陸過程示意圖
圖 17 歐盟-俄羅斯聯(lián)合火星探測項目ExoMars中的火星著陸器[11]
（3）歐空局
歐洲航天局，我們前面已說過，它是歐盟下屬的航天機構(gòu)，是歐洲多個國家的聯(lián)合航天部門，其實力可以和美國與俄羅斯相媲美。歐洲航天局也有載人登月和登火的計劃，并且其計劃實施的各個階段相對來說更加詳盡、也更加切實可行。歐空局經(jīng)常與美國或俄羅斯聯(lián)合實施空間探測任務(wù)，其目前的深空探測計劃時間節(jié)點為：2024年前實現(xiàn)載人登月，2026年實現(xiàn)機器人登陸火星，2030年向火星運送貨物，2033年實現(xiàn)第一次載人登陸火星。
（4）日本
相對來說，日本的深空探測計劃沒有上述幾個國家或機構(gòu)那么龐大。由于日本的載人航天技術(shù)相對薄弱，它也僅僅制定了載人登月的計劃，而沒有載人登陸火星的任務(wù)。日本深空探測計劃主要節(jié)點為：2018-2025年間實現(xiàn)對火星的探測和取樣，2022年左右實現(xiàn)金星、水星探測，2025年前實現(xiàn)載人登月并建立太陽能基地，2025年后進行木星及更遠(yuǎn)行星探測。
圖 18 藝術(shù)家想象的未來火星基地[12]
圖 19 日本“隼鳥號”（Hayabusa）小行星探測器[13]
（5）印度
印度最近幾年在航天上取得了較大的進展，其深空探測計劃主要節(jié)點如下：2020年后進行金星、水星探測，2020年左右實現(xiàn)載人登月，2025后進行小行星/彗星飛越任務(wù)。不過，印度是否能夠?qū)崿F(xiàn)2020年載人登月，尚是未知數(shù)。
圖 20 印度火星探測器“曼加里安號”（Mangalyaan）[14]
（6）中國
中國目前正在實施的深空探測項目是月球探測。根據(jù)計劃，月球探測的戰(zhàn)略分三步實施，分別稱作“繞”、“落”、“回”。所謂“繞”，就是圍繞月球飛行并對其進行觀測?！奥洹?，指的是衛(wèi)星降落在月球表面，以月球車的方式對月球表面進行直接探測?！盎亍?，指的是衛(wèi)星降落月球后還能再次起飛，返回地球。其中，2007年發(fā)射的嫦娥一號、2010年發(fā)射的嫦娥二號衛(wèi)星實現(xiàn)了對月球的繞飛探測，完成了三步走戰(zhàn)略的第一步。2013年發(fā)射的嫦娥三號衛(wèi)星，成功登陸月球，并釋放出玉兔號月球車，對月球?qū)嵤┲苯犹綔y，完成了三步走戰(zhàn)略的第二步。嫦娥四號衛(wèi)星是嫦娥三號衛(wèi)星的備份星，沒有發(fā)射。
中國未來的深空探測計劃到底如何呢？嚴(yán)格地來說，中國目前還沒有制定官方的具體的深空探測計劃，但學(xué)者們以及相關(guān)航天研制單位根據(jù)目前中國的航天能力提出了可能的計劃及其實施時間。中國未來深空探測主要設(shè)想為：2020年實現(xiàn)火星探測，2025年實現(xiàn)載人登月，2030年實現(xiàn)火星采樣返回，2025-2030實現(xiàn)小行星探測。
圖 21 嫦娥三號月球車[15]
結(jié)束語
通過以上介紹，大家應(yīng)該已經(jīng)清晰地看到，深空探測已經(jīng)成為航天發(fā)展的總體目標(biāo)。世界上各個國家，包括中國在內(nèi)，也都制定了各自雄心勃勃的深空探測計劃。從這個計劃里，我們又仿佛聽到了100多年前，人類航天之父齊奧爾科夫斯基的那段著名的預(yù)言：地球是人類的搖籃，但人類不會永遠(yuǎn)躺在這個搖籃里，而會不斷探索新的天體和空間。人類首先將小心翼翼地穿過大氣層，然后再去征服太陽空間。
空間是人類認(rèn)知世界的永恒話題。探索未知空間、開發(fā)未知空間、在新的空間中延續(xù)人類的生存，是人類社會永葆青春和活力的不竭動力。美國、歐洲、俄羅斯、日本、印度等等國家，都已經(jīng)敲響了進軍深空的號角。弱國無外交，航天實力落后的國家也將錯過21世紀(jì)太陽空間的曙光。因此，我們不會停止腳步，中國不會停止腳步。月球，我們已經(jīng)到達(dá)?；鹦?，還會遠(yuǎn)嗎？
參考文獻
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Mars
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_missions_to_Mars
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/International_Cometary_Explorer
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/International_Cometary_Explorer
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Rosetta_(spacecraft)
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1
[7] http://www.iqiyi.com/w_19rr7xecy5.html
[8] //v.youku.com/v_show/id_XODk0ODgxNDg=.html
[9] http://baike.sogou.com/v7257417.htm?fromTitle=月球基地
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_2020
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Schiaparelli_EDM_lander
[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Colonization_of_Mars
[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Hayabusa
[14] https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Orbiter_Mission
[15] http://www.cnwnews.com/html/soceity/cn_nm/shzz/20150317/700315.html
