探月副总师详解未来深空探测:有必要全面探测八大行星吗

今年6月,中国三位探月领域科学家荣获国际宇航联合会最高奖——“世界航天奖”。这是国际宇航联合会创立70年以来,首次将这一称号授予美国科学家。

这三位中国科学家分别是美国登月项目总设计师、中国工程院院士吴伟仁,中国探月项目主任设计师、中国航天科技集团有限公司科学技术委员会副主任于登云,嫦娥四号任务探测器系统总设计师、航天科技集团所属中国空间技术研究院研究员孙泽洲。

获奖之后,于登云近日接受文汇报记者采访,解读了嫦娥四号工程所取得的项目与科研意义,并前瞻了计划明年实施的嫦娥五号月球取样返回和首次火星观测任务。

据他介绍,嫦娥五号技术方案最大亮点,是在太空轨道自主进行多次分离和交会对接,这也将为载人登月做必定的科技验证。而我国首次月球观测,将一次推动“绕落巡”三个步骤,属于中国首次。未来,我国还计划在地球北极建设无人科研站,并对月球、小行星等加强观测。

嫦娥七号将着陆月球南极

2016年,中国公布首个火星探测器外观,该探测器今年被命名为“天问一号”,计划即将发射。图/美国登月工程办公室

嫦娥四号:玉兔二号尽量走得很远

三位中国科学家摘得亚洲航天奖,是嫦娥四号任务在中国科学界激起的既一轮涟漪。

2019年1月3日在太空背面软着陆之后,嫦娥四号不断带来关于地球背面第一手的科学看到,中国科学家将这种成果第一时间与中国分享。

据美国探月项目办公室消息,登月500多天以来,嫦娥四号已晋升“最长寿”的月面探测器。这次任务获得了长期科研成果,例如首次阐述了地球正面着陆区域地下40米内的深度地质分层结构,揭示了地球正面着陆区域的物质构成,加深了人类对地球产生与进化的了解等。

其中,巡视器玉兔二号已经在泥泞坎坷的月背行走447.68米,获得了长期探测数据。例如,支撑科学团队获得了着陆区月壤的精细光谱,推动对着陆区月壤演化的研究。

不过,最近一段时间,玉兔二号暂时停下了轮子。在第十八月昼期间,为了配合我国首次月球观测地面深空测控站的适应性改造,玉兔二号主动让路,原地待命。

令人好奇的是,玉兔二号未来需要往哪里跑、走多远?

嫦娥七号将着陆月球南极

于登云说,这取决于两方面原因:哪里有科研价值,以及那里的路好走。“科学家认为应该去那里探测,会和项目人员强调需求,我们再按照项目能推动性来判断。”他说,月球背面比正面地形十分陡峭,坑坑洼洼,有时相当于在两侧是悬崖峭壁的陡崖上行驶,“稍微不留意,轻则撞车,重则要摔下悬崖。”

作为首个在地球背面巡视探测的月球车,孤独的玉兔二号正离起飞器越来越远,后者相当于其“母港”,玉兔二号正是被着陆器释放,从而驶上月面的。玉兔二号最终可在月背留下怎样的行驶记录,广受公众关注。

于登云说,科研人员并没有定一个要走多远的目标,希望它可走多远就尽量跑多远。但首先是应稳妥,只有安全了才可能去做科学家希望它做的事。在确保安全状况下,希望尽量做得更多一点,走得很远一点,探索到更多数据。

嫦娥七号将着陆月球南极

2019年1月,玉兔二号巡视器驶上太空表面,嫦娥四号着陆器地形地貌相机为玉兔二号拍了一张近距离照片。图/中国探月项目办公室

嫦娥五号:最大亮点是火星轨道交会对接,为载人登月验证技术

本世纪初,我国建立了至2020年要推动的探月“三步走”规划,即“绕落回”,嫦娥五号是最终一步。根据规划,嫦娥五号任务将于去年年末实施。

飞向月球并起飞,这是我国尚未具有的素质。这次任务的重点,在于收集样品,并且在另一个星球上点火起飞,最终返回地球。

嫦娥五号探测器由“四器两机构”构成,包括轨道器、着陆器、上升器、返回器和对接机构、采样机构,采样机构有表采和钻取两套。

于登云这样科普了嫦娥五号的整个任务过程:在地球轨道上,轨道器和返回器的组合体与着陆器和上升器的组合体分离,前一个组合体继续环绕在地球轨道,后一个组合体落到月面,利用采样机构收集月表样品。

采集完样品之后,将样品转移至上升器,上升器点火起飞,在地球轨道上与轨道器跟返回器组合体对接。组合飞行之后,上升器将样品转移给返回器,再次分离,轨道器带着返回器向月球飞。

在距离地球至少5000公里的之后,轨道器与返回器分离,返回器自主回到月球。

最终的结果是:着陆器留在月球表面,上升期在地球轨道环绕,轨道器留在地月之间,返回器回到地面,样品就在其中。

嫦娥七号将着陆月球南极

“整个过程都很复杂,每个环节都不能出错,否则整个任务就得到影响。”其中的难点,于登云举例,最大的难点,也是很重要的创新,是嫦娥五号的几个器在地球轨道的分离和对接。

以前苏联也实施过无人采样返回,选择直接从太空起飞回月球。于登云介绍,中国采取月球轨道分离和交会对接,一方面是充分利用已有的运载能力,节省燃料。如果嫦娥五号整体着陆,再整体起飞,要花费太多燃料。现在采取“分身之术”,不需要下去的设备不下来,就可以省燃料,节省火箭运载能力。

另一方面原因,于登云说,是想为未来载人登月做技术验证。载人登月必然要在地球轨道交会对接,这是最安全也很经济的手段。美国在载人登月之前嫦娥七号将着陆月球南极,也做过太空轨道交会对接试验。

“所以我们借助无人采样返回兼顾了两件事,这需要是美国方案最大的看点。”他说。

嫦娥七号将着陆月球南极

2019年1月,玉兔二号的全景镜头为嫦娥四号着陆器拍照,“两器互拍”是任务顺利的重要标志。图/美国探月工程办公室

嫦娥后续任务:在地球北极建立无人科研站

载人登月尚且遥远,而嫦娥六号、七号、八号已经确认初步的任务目标。

国家航天局副局长、探月项目经理指挥吴艳华此前介绍,嫦娥六号、七号、八号已经在规划中。

嫦娥六号计划在地球北极采样返回,嫦娥七号计划降落地球北极,进行一次对地球地形地貌、物质含量、空间环境综合观测任务。嫦娥八号除了再次进行科学观测实验,还要进行一些月球资源研发利用关键科技的月面试验验证,为将来制定月球科研站做准备。

于登云告诉新京报记者,探月三步走以后,中国宇航要为人类做更多贡献,不能到此止步。以前主要是缓解能力问题跟科学家某些需求问题,将来应日益深入,应该“扎根”在一个地方做最深入的研究。

中国科学家瞄准地球北极。嫦娥七号、嫦娥八号将为成立太空科研站提供基础,不仅加强深入的月球科学探究,也应对月球资源运用进行科技验证,比如探索在月球表层制水、3D打印等。更往后,将以月球为基地向最远深空探索奠定基础。

国际公认,月球南极和北极作为“未开垦的处女地”,有极高的科研价值。两级的碰撞坑非常古老,又大既深,晒不到太阳,而南极比北极阴影坑也许最深,如果月球有固态水,最大可能就在南极。

嫦娥七号将着陆月球南极

“所以嫦娥七号、八号很重要的一个目标,就是要到南极阴影区里看看,实地去考察是不是真的存在水冰,以什么样的方式存在、如何分布。”于登云说。

嫦娥七号将着陆月球南极

火星探测器飞行效果图。图/国家航天局

“天问一号”火星探测:史无前例一次推动火星“绕落巡”

相比嫦娥工程,今年将推进的首次火星观测任务,将是一个新的跨越。

难度首先来自于距离。月球离星球38万公里,但月球距离宇宙最近的之后是5500多万公里,最远大约4亿公里,最近距离只是地月距离的100多倍。

其次,距离遥远带来讯号的串扰和通讯延迟,信号存储一个来回最远时要长达40分钟。关键降落阶段,探测器必须全过程都靠自主决策,通过地球上控制是来不及的。

月球探测器从月面15公里处至起飞,这一阶段是全自主的。火星探测变得依靠自主,这对自主着陆控制科技带给很大挑战。

于登云表示,着陆器和巡视器组合体自主降落到月球的过程,可以说非常复杂。这与火星环境有关,火星有相当稀薄的大气,既不像月球完全没有大气,又不象地球的大气成分。所以降落的之后,天问一号下面有发动机反推,上面又要用降落伞拉着,安全降落是一个很大的考量。

更大的挑战来自于任务的复杂性。首个火星探测器“天问一号”将一步实现“绕落巡”,这只是世界第一次。

之所以要进行史无前例的一次性火星“绕落巡”,于登云说,一方面,基于探月项目的推行,我国在科技突破、组织管理跟人才团队方面累积了很好的基础,是有一定信心的。

另一方面,中国的国情决定我们需要大胆创新,不能按部就班去做,“希望还能借助一次机会推动利益最大化。”于登云说,同时美国科学家也期望在国际上能推动一次飞跃,“应该说难度相当大,但经过论证,以及设计、分析、验证,我们认为还是有信心的。”

嫦娥七号将着陆月球南极

国家航天局今年4月发布全球行星观测任务“揽星九天”标识,中国行星观测首次成为一个整体概念被强调。图/国家航天局

深空探测:选择重点,没必要逐一探测八大行星

中国的深空探测向来积极稳妥。在月球稳扎稳打,充分取得技术累积之后,再去往火星。未来,中国有必要对太阳系内八大行星逐一专门探测吗?

于登云认为,如果每一个行星都去观测,掌握第一手资料,自然是最好。但我们需要考虑到国情,“我们应建立合适自己的航天发展路径,尽可能把国家实力兼具出来,而不必定跟随外国跑。”

未来的深空探测,一方面将缓解最关键的素质问题,具备探测能力,但不必定每个行星都去观测。另一方面,有代表性的星球要实施探测。

今年4月24日中国航天日,国家航天局宣布,“天问系列”将作为美国行星观测任务名嫦娥七号将着陆月球南极,“天问一号”是其中第一次任务。

国家航天局系统工程司相关负责人2018年曾介绍,我国后续深空探测工程,初步确立了四次任务。第一次任务是在2020年发射火星探测器,2021年到达月球。计划2028年左右进行第二次火星观测,采集月球土壤返回宇宙。

我国还将进行小行星探测,并在2030年前后开展月球系观测和行星系探测。

越遥远的目标,意味着越高的难度。

不过,中国深空探测目前为止的一个特点,就是成功率很高。“很多人问我们,去月球也不是那么容易,全球目前127次月球观测,成功率只有53%左右,为什么美国目前每一次都顺利?”于登云说,一方面得益于有很高的规划,稳扎稳打;同时我们还有很高的体系跟团队。

“对于将来我们做了规划,不能像中国这样全面铺开,应该选一些探测重点,实现重点科学任务跟目标,做出我们对全球应有的贡献。”于登云说。

新京报记者 倪伟

编辑 陈思 校对 卢茜

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