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《你是我的荣耀》里的“搜神号”并非完全虚构

《你是我的荣耀》里的“搜神号”并非完全虚构

  距离中秋和国庆还有好些日子,但远在火星的祝融号和天问一号环绕器已经开始放长假了。

  从今天起,太阳横插到了地球和火星之间,开始干扰地火通讯,在未来的大约1个月内,地面将不再主动向天问祝融发送信号。

  如今已巡火百余日的祝融号,是我国首个行驶里程突破1000米的地外巡视器,为我国深空探测事业取得了新的辉煌。

  北京航天飞行控制中心庆祝“祝融号”工作100天的大红屏 BACC/微博@北京蓝龙

  而近期的热播剧《你是我的荣耀》,虽说剧情纯属虚构,但主人公于途作为中国航天人的缩影,带领他的团队披荆斩棘近10年,在最后一集大结局中,成功将“搜神号”深空探测器送上太空。

  不论是剧中,还是在现实,我国的深空探测器从无到有,都已经远远飞出了地球摇篮,向着更广阔的宇宙空间迈进。

  今天就来聊一聊,现实中“于途”们所在的中国深空探测事业,并展望一下未来的“搜神号”们。

  月球探测已完成“绕、落、回”三步走,未来将考察月球南极,建立国际月球科研站,实施载人登月;

  “搜神号”定位为太阳系边际探测器,其目的地非常遥远,代表我国深空探测的未来。而在当下,我国深空探测尚聚焦于月球和火星。

  2000年,《中国的航天》白皮书首次明确提出,开展以月球探测为主的深空探测发展目标——中国深空探测事业由此起步。

  2004年,我国探月工程“嫦娥工程”正式立项,工程分“绕、落、回”三步走,计划2020年前完成任务目标。[1]

  2010年发射的嫦娥二号,通过一次任务完成了月球、日地拉格朗日L2点、图塔蒂斯小行星的多目标探测,为后续“落”月奠定了基础。[1]

  2013年发射的嫦娥三号成功着陆于月球虹湾以东地区,我国由此突破地外天体软着陆技术,实现了探月二期“落”的目标。

  2018年发射的嫦娥四号实现了人类探测器首次着陆月球背面的壮举,这也是中国航天取得的首个世界第一。

  玉兔二号月球车由此开始了它的月背征途,至今仍在正常工作。截至2021年8月底,玉兔二号已行驶了约800米。

  2020年发射的嫦娥五号着陆于月球风暴洋北部的吕姆克山附近,并成功采得1731克月壤样品,实现了月面采样返回。

  这是我国最为复杂的一次深空探测任务,标志我国探月工程圆满实现了“绕、落、回”三步走的目标。

  前三期任务七战七捷,但我国的探月工程并未止步于此。放眼未来,已规划的探月四期工程将对月球南极展开一次综合探测,为此后各国一同建立月球科研基地验证部分技术,做一些前期探索。

  四期工程的型号任务包括嫦娥六号至八号(有时嫦娥四号也算在其中),都将由长征五号发射。

  嫦娥六号为嫦娥五号备份,2017年已完成研制工作,计划着陆月球背面南极-艾特肯盆地(嫦娥四号着陆地),执行月背采样返回任务,这将是继嫦娥五号后的第二次月球采样任务。

  嫦娥七号全重8.2吨,由轨道器、着陆器、巡视器、小型飞跃探测器、中继星五部分组成,将对月球的地形地貌、物质成分、空间环境进行一次综合探测任务,并将与俄罗斯月球26号展开任务级合作。

  其中,飞跃探测器是最大亮点,能够以自带动力飞入月球南极撞击坑底部的永夜区,探测水冰的分布和丰度。

  嫦娥七号任务还将部署一颗中继星,运行在300 × 8600 km × 54.8°的环月椭圆冻结轨道,为探月四期任务的探测目标——月球南极地区提供中继通信服务。[2]

  嫦娥八号预计于2027年前后发射,除继续进行科学探测试验外,将着重开展一些月面试验,以验证月球科研基地构建所需的关键技术。

  在探月四期工程的基础上,中国将与俄罗斯展开合作,共同建设国际月球科研站,并欢迎有意愿的国家参与其中。

  国际月球科研站建设将分为“勘、建、用”三个工程阶段,计划2025年至2035年间分两阶段实施“建”站。2025-2030年,完成建站所需相关技术验证;2030-2035年期间,中俄利用各自的重型运载火箭共同实施ILRS-1至ILRS-5五次大型建站任务,最终建成从月轨到月面多层次的长期无人自主运行、远景有人参与的综合性科学实验设施。

  国际月球科研站主要建站任务组成及系统定义 《国际月球科研站合作伙伴指南》

  当我国主导的国际月球科研站逐步建成时,重型运载火箭也将服役,我国的载人月球探测便近在眼前。

  目前,我国载人登月飞行器、新一代载人飞船、新一代载人运载火箭(921火箭)都已进入研制阶段。

  根据现有论证方案,中国首次载人登月最快可在2025至2030年间实现,计划使用2发新一代载人火箭分别发射载人飞船和登月着陆器,二者在环月轨道上交会对接,航天员转移至着陆器后登陆月球。

  921火箭及其载人登月方案 21.6.24港大龙乐豪讲座《长征火箭与中国航天》

  921火箭载人登月技术架构 21.8.29龙乐豪讲座《长征火箭与中国航天》

  依据论文设想,未来我国载人月球探测任务将围绕“建立可供航天员长期驻留、生活、进行科学作业与生产的月球科研站”这一目标展开,任务可划分为3个阶段:

  实施登月阶段。通过数次无人与有人登月任务,建成月面移动实验室,一次任务具备不少于7天5次出舱活动能力。

  驻月能力拓展阶段。建立起可供航天员中期月面驻留与生存的中小型月面活动支持系统,开展月面科研试验活动。

  月球科研站阶段。通过人货分落形式,逐步建设起长期运行的月球科研站,根据任务需求可设立多个功能区域。[4]

  此外,内部空间巨大、可提供天然防护的月球熔洞,是未来建立地下载人月球站的优势位置之一。

  未来我国将开展月球熔洞探测,旨在实现人类首次进入地外天体地下空间,并探索建立载人月面长期驻留环境的潜在场所和资源。

  这一阶段的探测也将分为3个阶段:无人设施进入阶段、航天员进入阶段、月球站改造阶段。[4]

  就在嫦娥任务完成前三期目标的同一年,我国的深空探测已经朝着更远的目标——火星出发了。

  2020年7月23日,天问一号探测器在海南文昌由“胖五”发射升空,这是我国首次自主火星探测任务。

  2021年2月10日,它顺利进入环火轨道。经过3个月的着陆区地形地貌考察后,着陆器于5月15日成功着陆火星乌托邦平原。

  我国首辆火星车祝融号则于5月22日驶至火星表面,正式开始了它的探火之旅。

  如今,“祝融号”火星车圆满完成既定巡视探测任务,行驶里程已突破1000米。但它不会就此停下,还将继续向乌托邦平原南部的古海陆交界地带进发,获取更多科学数据,揭开更多火星奥秘。

  天问一号环绕器在日凌结束后,则将择机进入遥感使命轨道,开展火星全球遥感探测。

  中国航天人依靠自己的力量,筹划了10年,奋斗了6年,第一次自主探火,便一次性完成“绕、落、巡”三个成就,不可谓不伟大!

  下一个阶段,火星采样返回任务将于2028-2030年实施,疑似命名为“天问二号”,以一发重型运载火箭或一发长征五号 + 一发长征三号乙的形式发射。

  天问二号等后续深空探测任务相关信息 21.6.24港大龙乐豪讲座《长征火箭与中国航天》

  根据相关论文资料,火星采样返回任务发射窗口日期持续20天,每天的窗口时间约5分钟,从发射到样品返回需要约3年时间,采样目标为1千克。

  探测器由着陆上升器与轨道返回器两部分组成,前者包括巡航器、着陆器、两级上升器,后者包括轨道器和返回器,各器详细质量如下。[8]

  经过近7个月地火转移飞行后,着陆上升器在靠近火星时,首先与巡航段分离,之后采取弹道升力式的办法直接进入火星大气,这与美国好奇号/毅力号类似。

  着陆成功后,在地面测控支持下,采集火星样本。样品在被封装至上升器后,两级上升器适时发射,进入400~500千米高的环火轨道,之后完成与轨道返回器的交会对接,样品容器转移等动作,这与嫦娥五号类似。

  此后,轨道返回器与上升器分离,等待合适的窗口执行变轨动作,进入火地转移轨道。最终返回舱将与轨道器分离,独自携带样品返回地球。[8]

  载人登火是火星探测的究极之路,是我国建设航天强国的必然选择,对探索地外生命、星际移民、推动科技发展、提高国家地位和促进人类社会进步等具有重要意义。

  航天一院院长王小军介绍和分析过我国载人登火任务的初步方案。任务可能于2030至2040年代开展,计划采用安全性高的人货分运模式,地火转移从高地球轨道(HEO)出发。

  每次任务需要发射7发长征九号重型运载火箭,其中:1发发射摆渡级,3发发射载货转移级,1发为摆渡级加注燃料,2发发射载人转移级。此外,还有1发921载人火箭用于发射载人飞船。

  长征九号重型火箭论证方案 21.8.29龙乐豪讲座《长征火箭与中国航天》)

  摆渡级负责将载货转移级和载人转移级摆渡至HEO,载货转移级负责将物资设备送达火星,载人转移级在与载人飞船对接后将航天员送至火星。

  航天员计划在火星停留500天,任务结束后,再由载人转移级送回地球。[9]

  总的来说,载人登火任务由于飞行距离远、转移时间长、在轨组装次数多、多阶段接力飞行等多方面因素,其任务架构复杂性和所需攻关的技术难题都将是前所未有的。[9]

  我国至今则仍未真正进行过以小天体为目标的深空探测任务,但嫦娥二号再扩展任务阶段,于2012年12月13日对图塔蒂斯小行星进行了近距离飞越探测,为我们深入开展小行星探测奠定了实践基础。[5]

  我国小天体探测任务已于2021年初开始工程实施,任务可能命名为“郑和号”,将在2024-2025年使用长三乙或长七甲火箭发射,计划实施近地小行星2016 HO3取样返回和主带彗星311P/PANSTARRS环绕探测任务。[7]

  郑和号预计在发射约1年后飞抵小行星2016 HO3,之后进行约1年的近距探测并实施采样。

  为确保成功,郑和号准备了两种采样方式:附着采样(利用4个末端带钻头的机械臂以锚定方式着陆小行星)和短暂接触分离采样。采样完成约半年后,携带样品的返回舱返回地球。

  轨道器则继续飞行约7年,依次飞掠借力地球、火星,利用引力弹弓加速,最终在2033-2034年飞抵主带彗星311P,而后实施311P环绕探测,为探寻地球水的起源提供线]

  除了前面提及的内太阳系,我国未来的深空探测计划还将向更遥远的外太阳系进发。

  我国的木星系探测及行星际穿越探测任务计划实现木星系环绕探测与天王星飞越探测,预计将于2029-2034年由长征五号火箭发射。

  探测器由木星系环绕器和行星际飞越器组成,前者4吨,后者1吨,总质量5吨 。[10]

  为使行星际飞越器能在2049年前飞越天王星,飞行过程中将多次飞掠行星借力加速,最佳的最佳的引力弹弓飞行序列为EVEEJU,即由地球出发后依次飞掠金星、地球、地球、木星,最终飞掠天王星)。[10]

  前者的分系统任务为在木卫四开展着陆探测;后者计划对木卫一开展飞掠探测,且在任务后期将飞往日木拉格朗日L1点。

  就最新消息来看,似乎木星-木卫四轨道器的方案被选中。该探测器有可能被命名为“甘德”,以纪念《甘石星经》中中国古代天文学对世界的贡献。[12]

  《你是我的荣耀》剧中的“搜神号”,并非完全虚构,而是未来我国太阳系边际探测任务的组成部分。

  该任务的近期目标为2049年前后抵达100个天文单位(AU)左右的太阳系边际,探测研究太阳系及行星的起源与演化、太阳系边际及邻近星际空间特性、行星天体物理等科学问题。

  远期目标为到21世纪末,突破1000AU飞行技术,飞抵太阳引力透镜焦点区域附近,开展引力透镜效应观测、验证广义相对论等探索工作。

  未来发展的愿景目标为突破1万AU飞行技术,对5~10万AU的太阳系引力边际,开展恒星际探测并取得重大科学发现。[13]

  第1次为日球层鼻尖正向探测,飞往日球层头部,发射窗口在2024-2025年,计划飞掠木星、天王星、半人马族小天体等天体。

  第2次为日球层鼻尖反向探测,飞往日球层尾部(该区域探测尚属国际空白),发射窗口在2027-2030年,可飞掠火星、木星、海王星等天体。

  第3次任务为日球层极区探测,计划2030年前后发射,将使用新运载火箭、电推技术、核反应堆等技术,实现6AU/年以上的飞行速度。[13-14]

  前2次任务的探测器主构型一致,均采用同位素电池为能源,可搭载50千克科学载荷。所用推进系统有两种方案,一为3.4吨的嫦娥三号改进构型,二为800kg的电推+太阳翼构型。 [13]

  第3次任务计划采用2800千克的10kWe级核反应堆构型,即“搜神号”所用构型,其一端是核反应堆电源,另一端是探测器,两端通过可展开桁架结构连接,可搭载100千克科学载荷。

  相比同位素电池,核反应堆电源功率更大、成本更低。推进系统则采用高比冲的离子电推进,从而减少所需燃料,增大总冲,为长时间深空飞行提供超过20000小时的动力。

  此外,超远距离深空测控通信技术、深空自主技术、高可靠长寿命技术、行星际轨道设计与优化技术、新型科学载荷技术,都是“搜神号”必需突破并掌握的技术。

  基于此核反应堆构型的探测器,还可开展海王星环绕探测任务。探测器可在2028~2031年发射,2040年前到达海王星实现极轨环绕探测;飞行途中,至少顺访1颗主带小行星、1颗半人马小天体;抵达海王星时利用穿透探测器,实现海王星大气和海卫一的穿透探测。[15]

  回望中国深空探测发展之路,从嫦娥一号到天问一号,无数“于途”们为之奋斗,实现了从近地到深空,从月球到火星的跨越。如今的中国人有了自己的月球、火星图像以及月壤样品。

  未来,我们还将脚踏实地,持续开展深空探测任务,探索更多宇宙奥秘,奔赴更远的星辰大海。

  航天之父齐奥尔科夫斯基说过:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮里”

  [1] 叶培建,黄江川,孙泽洲等.中国月球探测器发展历程和经验初探[J].中国科学:技术科学,2014,44(06):543-558.

  [6]张玉花,王献忠,褚英志,等.我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践[J].上海航天(中英文),2020,37(05):1-9.

  [9]王小军,汪小卫.载人火星探测任务构架及其航天运输系统研究[J].中国航天,2021(07):8-14.

  [10]田百义,张磊,周文艳,等.木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究[J].航天器工程,2018,27(01):25-30

  [11]陈诗雨,杨洪伟,宝音贺西.木星系探测及行星穿越任务轨迹初步设计[J].深空探测学报,2019,6(02):189-194.

  [15]于国斌,汪鹏飞,朱安文,等.基于10 kWe核反应堆电源的海王星探测任务研究[J/OL].中国科学:技术科学:1-11.

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