美國的行星探測

美國的行星探測

1研究太陽紫外輻射的性質、意義和應用隨著科學技術的發(fā)展，人們越來越意識到研究和開發(fā)進展的重要性。一是因為小行星是太陽系形成時殘留下來的初始物質,保存了太陽系形成時的大量珍貴信息,因此探測小行星能認識太陽系的最初物質組成,更好地研究太陽系的形成和演化。二是利用小行星能測定行星質量,因為當某顆小行星接近大行星時,大行星對它的攝動作用必然影響其軌道,所以從其軌道的微小變化中可以算出行星的實際質量。三是小行星可能蘊藏著豐富的燃油和貴重金屬等礦產資源,開發(fā)它們能大大緩解地球上因原材料日益匱乏而導致的全球性通貨膨脹,以及由此引發(fā)的國家之間的緊張和矛盾。四是研究近地小行星,可以為地球自身的安全做好預測和防范,尋找到防止近地小行星撞擊地球的技術和方法。五是小行星也能作為載人登火星的中轉站,成為深入探索太空的基石。美國已準備在2025年以前載人探測、登陸小行星,為2035年載人登陸火星做準備。2競爭檢測進入重測儀器的觀測1996年2月17日,美國德爾他-2火箭發(fā)射了世界首個小行星探測器“尼爾”(NEAR,又稱“近地小行星交會”)。其質量為805kg,于2000年2月14日進入愛神星(Eros)軌道,這是航天器首次成功進入圍繞小行星運行的軌道?！澳釥枴鄙蠋в邢鄼C、激光測距儀和無線電科學實驗設備等6臺探測儀器,用于確定愛神星的尺寸、質量、密度、磁場及巖石成分。2001年2月12日,在探測任務結束之際,“尼爾”首次以硬著陸的方式降落到愛神星的表面,結束了長達5年的富有成果的太空之旅。在5年的太空活動中,“尼爾”飛行了3.2×109km,其中繞愛神星飛行了1年,共拍攝了16萬幅圖片,搜集了比科學家原先計劃還多10倍的數據,大大超過了原來的預期?！袄琛钡臇|南角2003年5月9日,日本發(fā)射隼鳥-1(Hayabusa-1)小行星探測器。它用于探測位于地球和火星之間距離地球3×108km的糸川小行星,并采集樣本帶回地球供科學家研究。2005年9月12日,隼鳥-1飛抵離糸川小行星20km高的預定軌道。它用自身攜帶的X射線和紅外探測儀觀測了糸川小行星表面情況,收集其成分和地形數據。10月,隼鳥-1降低軌道高度,從10km之內對其進行觀測。2005年11月12日,隼鳥-1在距離小行星表面55m高的地方向糸川小行星表面投放了所攜帶的“智慧女神”(MINERVA)子探測器,以采集糸川小行星表面數據,但因故障,“智慧女神”子探測器失靈了。不過,2005年11月20日和26日,隼鳥-1先后2次在糸川小行星表面短時間著陸,采集其表面的巖石樣本。它是通過著陸產生的撞擊,吸入飛濺起來的碎石。隼鳥-1原本定于2005年12月返航,2007年6月回到地球,但由于出現了故障,所以一直到2010年6月13日才降落在澳大利亞南部的沙漠地帶。2007年9月27日,美國發(fā)射了首個用離子推進技術完成實用型科學探測任務的“黎明”(Dawn)小行星探測器,用于在2011年和2015年先后探測火星和木星間的小行星帶中最大的2顆小行星—谷神星(Ceres)和灶神星(Vesta)。利用“黎明”小行星探測器上的同一套科學儀器探測2個不同目標,便于科學家將2套探測數據進行準確的對比分析?！袄杳鳌毙⌒行翘綔y器是第1個在太陽系中環(huán)繞2個分離目標軌道的空間探測器,裝有3臺離子推進器,從地球起飛時使用了發(fā)射成本較低的火箭。由于離子推進器有加速時間長、可取得較大的速度變化和便于控制等優(yōu)點,所以“黎明”小行星探測器靈活性較大,發(fā)射窗口較長。2011年7月15日,“黎明”小行星探測器進入灶神星軌道,成為首個對小行星帶中的小行星進行探測的空間探測器,并于8月11日正式開始了對這顆巨型巖質小行星的探測任務,對灶神星拍攝了多角度圖片,幫助科學家繪制灶神星地形圖并開展相關研究。2012年9月5日,“黎明”小行星探測器離開灶神星軌道,向谷神星飛去,預計在2015年抵達目的地。我國軌道系統(tǒng)的應用及驗證2012年6月1日,已在日地L2點開展了10個月科學探測的嫦娥-2探測器成功變軌,進入飛往小行星的軌道。2012年12月13日,嫦娥-2在距地球約7×106km的深空與圖塔蒂斯(Toutatis)小行星交會。它們交會時的相對距離約3.2km,相對速度10.73km/s,并用星載監(jiān)視相機對該小行星進行了光學成像,這不僅是我國首次實現對小行星的飛越探測,也是國際上首次實現對圖塔蒂斯近距離探測。此前,圖塔蒂斯運行軌道參數主要來自國際上公布的數據,具有不確定性,精確預測軌道是嫦娥-2再拓展任務能否成功的關鍵。我國集中國內多臺光學天文望遠鏡進行小行星測軌,提高了測量精度,測算出“中國版本”的圖塔蒂斯小行星軌道,為與衛(wèi)星交會飛行軌道設計提供了重要依據。圖塔蒂斯因運行時與地球距離近,被美國航空航天局(NASA)列入“潛在危險小行星名單”。其形狀及自轉都極具特點,對其開展研究還有助于了解小行星在早期太陽系的碰撞演化的重要科學信息。嫦娥-2對圖塔蒂斯小行星的探測,使我國成為繼美國、歐洲航天局(ESA)和日本之后,第4個探測小行星的國家。在實現“軌道測得準、衛(wèi)星控得住、圖像拍得好”的工程目標后,嫦娥-2工程完美收官。嫦娥-2再拓展試驗的成功實施,突破并驗證了衛(wèi)星對小天體探測的軌道設計與飛行控制技術,實現了我國航天飛行從4×105~7×106km以遠的跨越;為嫦娥-3任務新建成的喀什35m、佳木斯66m大型深空站和上海65m甚長基線干涉測量(VLBI)站提供了最佳合作目標,進行空間測試和標校試驗,驗證了天地測控設備的正確性和協調性;我國第一次綜合利用光學天文望遠鏡實現對圖塔蒂斯小行星的飛行軌道精確測定,進一步驗證并完善了國際天文聯合會對的軌道觀測數據;開辟了我國航天活動一次發(fā)射開展月球、L2點、小行星等多目標、多任務探測的先河。這些都為我國未來開展月球以遠的深空探測積累了寶貴的工程經驗。飛越小行星后,嫦娥-2正向更遠的深空飛行,2014年2月達到7×107km。美國發(fā)射麻黃木碳世界監(jiān)控系統(tǒng)由于隼鳥-1大難不死獲得成功,大大鼓舞了日本的航天事業(yè)。現在,日本已計劃在2014年發(fā)射隼鳥-2小行星探測器,它將于2020年登陸1999JU3小行星,然后借助機械臂采集1999ju3小行星上的巖石樣本,最終返回地球。2016年,美國將發(fā)射“奧西里斯-風化層探測者”(OSIRIS-REX)探測器,它可增進對近地小行星的基本科學了解,研究小行星的物質,測繪1999RQ36小行星的整體特性,測量非引力作用力,并提供觀測數據以供與地面望遠鏡觀測作比較,并于2023年攜帶至少60g的1999RQ36小行星表面物質返回地球。2017年1月,美國由宇宙神-5火箭將發(fā)射“埃莫”(Amor)近地小行星探測器。它將與一個由3顆小行星組成的2001SN263小行星系統(tǒng)進行交會、著陸和探測,用于對未來載人小行星探測計劃提供至關重要的實際考察數據。3國內麻黃發(fā)現情況天文學家已發(fā)現了9500顆近地小行星,并且每年還新發(fā)現約1000顆近地小行星。而這些近地小行星幾乎全都含有水,其中不少還有許多鎳、鉑、金等貴重金屬?？耸显ruq小鼠pla初步觀測和探測表明,小行星可能蘊藏著豐富的燃油和貴重金屬等礦產資源。比如:162385(2000BM19)小行星價值3.44萬億美元;4034Vishnu小行星價值2.51萬億美元;65679(1989UQ)小行星價值1.77萬億美元;7753(1988XB)小行星價值1.38萬億美元;3200Phaethon小行星價值8700億美元。值得一提的是241Germania小行星上存在價值達95.8萬億美元的礦產,幾乎與整個世界的國內生產總值(GDP)相當。此外,小行星可作為載人登火星或其他行星的中轉站,成為深入探索太空的基石。因為其上有豐富的水資源,它可以直接用于航天員或分解成氧和氫,供航天員呼吸和星際飛船的燃料使用,大幅降低人類太空飛行的費用,幫助人類探索更遙遠的太空世界?？傊?開采小行星將使人類在太陽系中走得更遠。為此,2012年、2013年,美國先后成立了兩家準備到小行星采礦的民間公司,不過這兩家公司采用的策略和方法稍有不同。加快開發(fā)新空間探測器2012年4月24日,由谷歌公司聯合創(chuàng)始人佩奇和執(zhí)行董事會主席施密特聯合著名導演卡梅隆及其他投資者,共同成立了一家頗具雄心的太空探索和自然資源開發(fā)公司—行星資源公司。美國行星資源公司計劃先明確所要開發(fā)的小行星,基本要求是距離近、資源多。為此,將建造一系列空間探測器。首先,用該公司的集結探礦者-100(Arkyd-100)系列探測器對近地軌道小行星進行普查,然后根據這些近地小行星遠近和成分進行分類。對于離地球較遠的小行星用集結探礦者-200、300系列探測器進行近距離考察。最后,在綜合分析的基礎上實施開采活動?！吧駝Α碧綔y器—深空工業(yè)公司2013年1月22日,美國新成立的深空工業(yè)公司宣布,將在2015年發(fā)射質量約25kg的“螢火蟲”(FireFly)探測器,用于尋找距地球小于4.83×108km的小行星上的資源;在2016年發(fā)射質量約31.75kg的“蜻蜓”(DragonFlies)探測器,用于從選定的小行星上運回采集樣本到地球,供科學家進行詳細分析,確認小行星上礦物是否具有足夠價值并確定下一步探測目標。該公司已擁有一項專利技術—“微重力鑄造”,即用3D打印機將小行星的原材料轉化成復合金屬零件,以替換破損的零部件。美國麻黃人工林公司的研究不過,有很多人認為開采小行星礦藏是在“燒錢”,成本太高,得不償失。對此,美國行星資源公司一位負責人表示,該公司把降低鉑金價格視為一個潛在目標,以便使它的價格下跌20%~50%。美國行星資源公司首先要開發(fā)新技術,以降低太空探索成本至現行費用的1/10~1/100。美國行星資源公司創(chuàng)辦人安德森說,以小行星為開采對象是成熟理論,因為小行星質量小、重力小、有水幾率高,可降低飛行器擺脫重力的能量耗用和往返燃料成本。該公司需要尋找一顆“測試行星”,以證明太空采礦是可行并且經濟的。美國航空航天局也認同這一思路并表示,隨著技術的進步和自然資源的減少,太空采礦在21世紀晚些時候可能將變得有利可圖。該局希望至少能從小行星上采集60g的樣品,如果計劃順利將采集2kg,未來5~10年內將看到小行星采礦服務業(yè)的興起。4“雙基承載物”“三硝基甲苯—預防小行星撞地方案2013年2月15日,直徑17m、質量達1×104t的隕石(這是自1908年以來墜落地球的最大隕石),以18km/s的速度撞向地球,墜落在俄羅斯車里雅賓斯克州,爆炸當量相當于4.7×105t的三硝基甲苯(TNT)烈性炸藥,空中爆炸的威力為廣島原子彈的30倍,隕石爆炸產生的沖擊波到達地面后,擊碎了無數居民家里的玻璃,導致當地近1200人受傷。關于危險麻黃歷史上曾發(fā)生過多次小行星撞地球的事件。例如,2008年,一顆直徑只有幾米的小行星墜落到了蘇丹,碎片散落到了努比亞沙漠。2012年1月27日,曾有一顆公共汽車大小的小行星(2012BX34)在距離地球6×104km飛過。2013年2月16日,體積相當于白宮(直徑約45m)的小行星2012DA14近距離與地球“擦肩而過”,當時它正飛行于印度尼西亞上空,距離地球僅約2.7×104km。這一距離已低于地球同步衛(wèi)星的軌道高度,列20顆最接近地球的小行星之首。盡管這些小行星沒有對地球造成威脅,但它們再次向地球人敲響了警鐘,要加速研究如何防止近地小行星撞擊地球的方法和技術了,因為小行星撞擊地球是世界上四大突發(fā)巨大災難之一,早晚有一天會撞擊地球。美國航空航天局最近公布的一份高精度“潛在危險小行星”圖顯示,到2013年早些時候為止,對地球構成潛在威脅的小行星超過1400顆。小行星撞擊地球可使人類遭受滅頂之災?？茖W家估計,如果有小行星撞向地球,即使是一顆直徑僅200m的小行星,就足以毀滅地球上的一個國家。所以,許多國家都在研究應對方法,并取得不同程度的進展。美國目前主要用PS1天文望遠鏡負責監(jiān)視地球附近直徑300m~1km的小行星。該天文望遠鏡每隔30s就會對36個月球大小的天空范圍拍攝一張1400M像素的照片。每天收集的數據足以裝滿1000張DVD,而每張照片都可以打印成一張足以覆蓋半個籃球場的300dpi圖片。2013年2月,美國夏威夷大學的研究小組提出了一項更便宜、更簡單的系統(tǒng),名為“小行星陸地影響警報系統(tǒng)”。它是由8個望遠鏡組成,每一個都裝配有非常強大的相機,預計于2015年開始建造,有非常高的敏感性,相當于從美國舊金山觀測到紐約發(fā)出的一道火柴光芒。2013年2月,美國加州大學圣巴巴拉分校教授魯賓及其科研團隊發(fā)布一套應對天體威脅的方案,原理是把太陽能轉化成具有破壞力的激光束,用于偏轉或蒸發(fā)那些對地球構成威脅的小行星。他們構想了一套名叫“定向太陽能小行星瞄準與探測系統(tǒng)”的系統(tǒng),它是能從1.5×104km之外可使小行星氣化的激光陣列,這些激光器同時發(fā)射,足以摧毀一顆小行星,或至少使小行星改變路線。航天器和折射器俄羅斯行星保護中心領導人扎伊采夫表示,如果有充分的資金保障,俄羅斯目前的技術條件完全能夠在5年內建成行星保護系統(tǒng)來保護地球免遭小行星的襲擊。該中心打算建立一個名為“行星保護系統(tǒng)快速反應梯隊”的地球保護盾牌,該反應梯隊由多枚宇宙觀測航天器、偵察衛(wèi)星和太空攔截航天器構成,當觀測航天器觀測到危險天體時,馬上把信號傳輸給偵察衛(wèi)星,并由偵察衛(wèi)星全天候對危險天體進行全程跟蹤監(jiān)測。太空攔截航天器負責摧毀小行星或改變小行星運行軌道。2013年2月18日,俄羅斯科學院天文學研究所高級研究員雷赫洛娃說,俄羅斯打算建造新型天文望遠鏡來預防包括隕石墜落在內的太空威脅。目前,俄羅斯專家正在制訂為期10年的聯邦專項計劃來應對包括隕石墜落在內的太空威脅。根據該計劃,俄羅斯將對現有的反射鏡口徑在1m之內的天文望遠鏡進行清點和更新,然后建造2~3臺反射鏡口徑為2m的現代化大型望遠鏡。對于2013年2月15日在車里雅賓斯克州上空發(fā)現一顆墜落的隕石,俄羅斯緊急情況部表示,由于隕石太小,俄羅斯未能預測到它的墜落。小波多通道機組目前,歐洲擬在8年內建造預防小行星撞擊地球的“近地軌道防護盾”,旨在通過導彈炸毀、引力牽引和主動碰撞等多種手段,防范近地小行星撞擊地球。該計劃有望在2020年以前正式實施。已有的核彈炸毀、引力牽引和主動碰撞等想法尚不成熟。據2013年1月國外報道,美國和歐洲正計劃共同實施一個名為“小行星撞擊和偏離評估”的項目,其核心理念是發(fā)射2個小型太空飛行器去攔截65803號小行星Didymos。這顆近地小行星還擁有一顆小衛(wèi)星,它們預計將在2022年掠過地球附近。美國研制的“雙小行星重定向測試”飛行器將撞擊這顆小行星的衛(wèi)星,讓其偏離原有軌道;歐洲航天局研制的“小行星撞擊監(jiān)視器”將對整個撞擊經過開展監(jiān)視。太陽能力發(fā)射軌道系統(tǒng)至今,已有多種防止小行星撞擊地球的方案。例如,(1)用核武器炸毀可能撞擊地球的近地小行星;(2)發(fā)射導彈或航天器猛烈撞擊近地小行星,用機械力使其改變軌道;(3)用太空鏡群或激光所產生的能量把近地小行星推往新的軌道;(4)發(fā)射引力航天器靠近對地球有威脅的近地小行星,然后通過自身引力使該小行星脫離原來的軌道;(5)用質量巨大的繩索套住近地小行星,采用改變其重心的方式來改變小行星的軌道;(6)讓航天器登陸小行星,并且使用電馬達逐漸改變小行星的軌跡;(7)給小行星上安裝“太陽帆”或一臺大型火箭發(fā)動機,把它從地球的軌道上推開;(8)給小行星涂油漆上色,如果將小行星的一部分漆成白色,那么這一部分將會“感受”到更強烈一些的太陽活動輻射,這種受力不均就會產生一股極其微弱的推力,將小行星逐漸輕柔地推離撞擊軌道;(9)機器人吞食,發(fā)射一批核動力驅動的機器人前往小行星表面,一旦著陸之后它們就會開始“吞食”小行星表面巖石,然后將吞下的巖石使用電磁炮技術高速彈射進入空間。不過,這些方案設想各有利弊,究竟哪種最好目前還沒有定論。就目前的技術水平而言,通過發(fā)射物體撞擊小行星以使其偏離軌道絕對是有可能做到的。研究表明,未來的太空激光技術可能用于探測威脅地球安全的小行星,并能夠使小行星偏移軌道。美籍華裔航天員盧杰等推出的“重力拖車”方案是以柔克剛,其中小行星拖曳飛船只需要盤旋在小行星表面,利用重力作用充當飛行器無形的拖鏈,逐漸改變小行星的飛行速度,日積月累,來改變小行星的運行軌道。5通過實地調查,明確規(guī)定了早期時代星計劃美國航空航天局原計劃在2025年實施載人登陸小行星計劃,對小行星進行實地考察,以便未來把小行星作為載人登陸火星中轉站,為2035年載人登陸火星做技術準備。不過,載人登陸小行星的計劃可能提前。美國—捕獲小行星2013年4月,美國航空航天局向白宮提交了一份“捕捉小行星”計劃,計劃捕捉一顆小行星,并把其帶入近月軌道。其目的是減少航天員登陸小行星的風險和費用,并有利于今后開發(fā)小行星、防止小行星撞擊地球等。如果該計劃得到批準,它將成為有史以來第一個被人類移動的天體。理想的捕捉目標是一顆中等大小的小行星,直徑7~10m左右、質量約500t,并且這顆小行星上需要有100t水、100t富碳化合物、90t金屬和200t硅酸鹽。捕獲如此大小的小行星對地球沒有威脅,即便最終小行星失控沖向地球,這種大小的小行星將在大氣層中燒毀,不會對地面構成危害?！安蹲叫⌒行恰庇媱潓⒑臅r10年完成,具體過程是:用宇宙神-5火箭發(fā)射一個慢速飛行的特制“小行星捕獲艙”,它使用太陽能電動推進系統(tǒng)自行飛行前往預定的小行星,在該捕獲艙在接近目標時會釋放出一個直徑約15.2m的袋子,用其套住小行星,隨后捕獲艙開啟推進器,利用大約300kg推力推離原有軌道向著月球飛行。如果一切順利,它將花費6~10年時間將這顆小行星推入月球軌道。“捕獲小行星”行動將在2018年進行,而美國航天員將于2021年4月造訪這顆被拖拽到月球軌道的小行星,將攜帶小行星碎片返回地球。這項計劃的可行性由3個關鍵要素決定:首先要能找到一顆滿足質量、大小等條件的近地小行星;其次還要準備一套足夠強大的太陽能電動推進系統(tǒng),能夠將小行星帶離原有軌道;最后要能在2021年安排航天員登上一顆小行星。捕捉一顆小行星置于月球軌道可以一舉多得:為更多的研究提供便利;方便開采小行星上的礦藏;掌握防止小行星撞擊地球的技術;作為載人登火星的中轉站。不過,捕獲小行星并將其拖拽到月球附近將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。比如,在浩瀚的深空中辨認出一顆直徑7m的目標小行星并非易事;目標小行星會自轉,探測器把它捕獲后應讓其停止轉動,然后才談得上成功拖拽;裝上小行星后,“小行星捕獲艙”的質量勢必增加,使推進、導航等任務的難度增大。2013年7月10日,美國航空航天局局長博爾登同日本宇宙航空研究開發(fā)機構理事長奧村直樹在華盛頓舉行會談,博爾登希望日本協助美國進行捕獲完整小行星的計劃。日本表示同意,具體合作內容有待后續(xù)溝通。日本于2010年發(fā)射隼鳥-1探測器并將小行星微粒子帶回地球,美國對此技術表示高度贊揚。為2014財年做準備,美國航空航天局于2013年7月30日召開了小行星任務制定評審會,審議了小行星捕獲任務各個階段的多個概念提議。該評審會還評估了任務的技術和綱領層面的事宜。除此之外,官員們還討論了近期收到的來自工業(yè)界、大學和公眾等機構和人員提出的關于小行星計劃的400多個反饋意見。任務制定評審會結束后,將把得分最高的概念融入到小行星計劃基礎概念里,這個概念將會在2014財年進一步完善優(yōu)化。不過,美國共和黨控制的眾議院科學委員會在2013年7月份就阻止了“捕獲小行星”的議案進行投票,結果22名共和黨議員贊成,17名民主黨議員反對,因此該計劃暫緩。該科學委員會為美國航空航天局設計