2022深空探測與探月：多項(xiàng)任務(wù)蓄勢待發(fā)

文/嚴(yán)南舟

2022年世界深空探測將進(jìn)入一個新的高發(fā)期，美國的靈神號探測器將奔赴小行星主帶開展對16號小行星——靈神星的探測，俄歐火星探測器將克服重重困難前往火星，而月球探測也終于在50年的冷寂后再次開始了新的競爭。2022是值得期待的一年，或許也是新的深空競賽開始之年。

靈神星探測任務(wù)

靈神星探測任務(wù)是美國宇航局發(fā)現(xiàn)級探測任務(wù)中的第14項(xiàng)，和露西探測器研究類似的目標(biāo)——小行星?！奥段鳌币呀?jīng)在2021年底發(fā)射，奔赴木星軌道的特洛伊小行星帶，而“靈神號”將在2022年8月搭乘獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，前往位于火星和木星之間的主小行星帶（簡稱主帶），探訪和它同名的16號小行星靈神星。

靈神星是一顆巨大的M型主帶小行星，其直徑達(dá)到222千米。M型小行星富含金屬元素，幾乎就是一大塊金屬。科學(xué)家認(rèn)為，靈神星可能是一顆早期行星，與火星一樣大，它在一系列劇烈碰撞中失去了它的地幔和地殼。因此靈神星可能包含了一些原始行星內(nèi)核的成分，對于目前仍然無法鉆到地球內(nèi)核的人類來說，研究靈神星或許可以大大增加人類對類地行星核心組成的認(rèn)識。因此靈神號探測器被選定前往這顆巨大的小行星。

靈神號探測器發(fā)射質(zhì)量為2608千克。探測器由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、勞拉空間公司和亞利桑那大學(xué)負(fù)責(zé)建造?！办`神號”使用勞拉空間公司的SSL-1300通信衛(wèi)星平臺，配置有一對十字形的太陽能帆板，在地球附近可以產(chǎn)生20千瓦的電力，在主帶可以產(chǎn)生2.3千瓦的電力，供給其4臺儀器和電推力器工作。

▲ 靈神號探測器

▲ 16號小行星靈神星

▲ 組裝、測試靈神號探測器

▲ 靈神號探測器的伽馬射線和中子光譜儀

靈神號探測器使用的是全電推進(jìn)——包括軌道控制和航天器姿態(tài)控制均使用電推力器進(jìn)行，這也是第一個使用電推進(jìn)行姿態(tài)控制的深空探測器。靈神號使用四臺SPT-140霍爾推力器，比沖1800秒，推力280毫牛。探測器裝填了多達(dá)922千克的氙氣，以供給這些推力器工作，在計劃的5年壽命中這些推力器將提供8.2兆牛·秒的總沖。SPT-140推力器最大工作功率為4.5千瓦，用在地球附近的電推加速；而在接近主帶時，推力器將以最低900瓦的低功率模式工作。

靈神號探測器將在2022年8月1日協(xié)調(diào)世界時18時，由獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射，獵鷹重型火箭的兩個助推器進(jìn)行海上回收。此次計劃中還將攜帶兩項(xiàng)次級載荷：兩個Janus小行星探測器。2023年5月23日，靈神號探測器將以最近500千米的距離飛掠火星，借助其重力加速。2026年1月31日，探測器抵達(dá)靈神星，開始其21個月的探測。

SIMPLEx-3雙小行星伴飛任務(wù)

作為比發(fā)現(xiàn)級更小一級的任務(wù)，SIMPLEx行星科學(xué)探測計劃的航天器更加小巧且廉價。兩個Janus航天器的目的是使用相機(jī)對雙小行星進(jìn)行成像，研究雙小行星是如何形成的，并評估有關(guān)這些系統(tǒng)如何演化的現(xiàn)有理論。

▲ 神靈號探測器的轉(zhuǎn)移軌道示意圖

▲ 兩個Janus航天器

▲ 羅莎琳德·富蘭克林號巡視器和哥薩克舞號著陸器

▲ 羅莎琳德·富蘭克林號巡視器和哥薩克舞號著陸器在廠房

Janus A和Janus B是兩個相同的航天器，將搭乘用于發(fā)射“靈神號”的重型獵鷹運(yùn)載火箭前往深空。這兩個航天器與獵鷹重型火箭的第二級分離后，將在2023年借助一次地球重力助推，以在2026年分別探訪兩顆不同類別的雙小行星。Janus項(xiàng)目僅耗資5500萬美元。

俄歐火星聯(lián)合探測任務(wù)

俄歐火星聯(lián)合探測任務(wù)-2022，包括歐洲的羅莎琳德·富蘭克林號火星巡視器，以及俄羅斯的火星著陸器哥薩克舞號。這個探測器原計劃在2020年7月的奔火窗口和阿聯(lián)酋的“希望號”、美國的Mars2020以及中國的天問一號火星探測器一起奔赴火星，但由于疫情和無法解決的巨大主傘開傘問題，發(fā)射被推遲至2022年9月。俄歐火星聯(lián)合探測任務(wù)-2022由質(zhì)子M-微風(fēng)M型火箭發(fā)射，這也是該型火箭的最后一發(fā)。

俄歐火星聯(lián)合探測任務(wù)-2022計劃是歐洲“外空火星”的第二次發(fā)射，第一次發(fā)射ExoMars-2016，也就是痕量氣體軌道器和斯基亞帕雷利著陸器，已于2016年發(fā)射升空。痕量氣體軌道器將為羅莎琳德·富蘭克林和哥薩克舞提供數(shù)據(jù)中繼，而“斯基亞帕雷利”驗(yàn)證進(jìn)入、下降和著陸期間的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制。雖然斯基亞帕雷利著陸器在進(jìn)入火星時，因?yàn)槌霈F(xiàn)慣性導(dǎo)航單元故障而損失，但歐洲人仍然在努力推進(jìn)俄歐火星聯(lián)合探測任務(wù)-2022的發(fā)射。

“哥薩克舞號”是一個俄羅斯制造的著陸器，重827.9千克。著陸器的80%由拉沃奇金設(shè)計局建造，20%由歐空局建造。拉沃奇金將生產(chǎn)著陸系統(tǒng)的大部分硬件，而歐空局將處理導(dǎo)航、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)等要素。2023年6月航天器將著陸在火星北部的奧西亞平原后，火星巡視器將通過坡道從哥薩克舞號著陸器上駛下。預(yù)計著陸器將對著陸地點(diǎn)進(jìn)行成像、監(jiān)測氣候、調(diào)查大氣、分析輻射環(huán)境、研究著陸地點(diǎn)的地下水分布，并對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行地球物理調(diào)查。探測器最后攜帶了13項(xiàng)總計45千克的科研儀器。哥薩克舞號著陸器預(yù)計將運(yùn)行至少一個地球年，其儀器將由太陽能電池板供電。

由于哥薩克舞著陸器的推進(jìn)系統(tǒng)僅為8臺400牛推力器，導(dǎo)致其并不能提供足夠的減速能力。為了將這個組合體減速至低速來讓平臺完成著陸，歐洲人別出心裁地設(shè)計了2級主傘——引導(dǎo)傘先牽引出第一級主傘提供減速，減速至亞音速后展開35米直徑的第二級主傘。主傘在2020年的測試中頻繁撕裂，把任務(wù)推到了下一個窗口。

▲ 2021年12月，降落傘終于測試成功了

310千克的羅莎琳德·富蘭克林號巡視器從哥薩克舞平臺上下來后，將開始它的火星旅行。它配置有一對1200瓦的太陽能帆板，設(shè)計壽命7個月。巡視器在火星表面使用自主導(dǎo)航，并且開展火星表面探測。巡視器最主要的儀器為外生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件，稱為“巴斯德分析實(shí)驗(yàn)室”，用于尋找過去生命中生物分子和生物信號的跡象。除9臺儀器外，巡視器還將攜帶一個2米的地下巖心鉆，為其車載實(shí)驗(yàn)室提取樣本。

俄歐火星聯(lián)合探測任務(wù)-2022雖然代表著歐洲人雄心勃勃的火星探測之夢，以及俄羅斯人重返火星的希冀，但其仍然面對巨大的挑戰(zhàn)。其降落傘撕裂的隱患仍然存在，而哥薩克舞著陸器的飛控軟件存在bug，尚未解決。2022年的窗口進(jìn)入速度相當(dāng)大，且處于火星的反日照點(diǎn)，著陸器勉強(qiáng)挨到了火星表面之后，還需要等待數(shù)個小時以獲得電力，讓任務(wù)的風(fēng)險進(jìn)一步提升。

IM-1/NOVA-C商業(yè)月球著陸器

作為2018年3月美國宇航局啟動的“商業(yè)月球載荷服務(wù)（CLPS)”計劃的成果，2022年將會有多個月球著陸探測器發(fā)射升空。

IM-1/NOVA-C商業(yè)月球著陸器是由直覺機(jī)器人公司開發(fā)的月球著陸器。IM-1/NOVA-C航天器發(fā)射質(zhì)量為1908千克。作為CLPS商業(yè)月球有效載荷服務(wù)的第一個航天器，NOVA-C將攜帶5項(xiàng)來自美國宇航局的科學(xué)載荷，以及一些商業(yè)載荷，以提供月表探測和一些處理原位資源的技術(shù)。

IM-1/NOVA-C使用低溫的液態(tài)氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，不同于此前所有的月球探測器。探測器器使用一臺15.6千牛主推力器和冷氦推力器，探測器高2.98米，直徑約2米，計劃在月表工作14個地球日。

▲ 測試中的羅莎琳德·富蘭克林號巡視器

IM-1/NOVA-C探測器計劃使用太空探索技術(shù)公司的獵鷹9火箭在2022年晚些時候發(fā)射?？夏岬虾教熘行腖C-39A已經(jīng)開始改造以適配IM-1/NOVA-C的整流罩內(nèi)加注需求。美國宇航局為該項(xiàng)目開發(fā)撥款7700萬美元。

IM-2 商業(yè)月球著陸器

2020年10月，直覺機(jī)器人公司被選中，要求在2022年12月之前在月球南極附近著陸其第二個NOVA-C著陸器，也就是IM-2著陸器。IM-2的結(jié)構(gòu)和IM-1幾乎相同，其主要有效載荷將是PRIME-1冰鉆，它將試圖借助質(zhì)譜儀從月球表面下方收集冰。

另一項(xiàng)μN(yùn)ova載荷將在著陸后與IM-2著陸器分離，并作為一個獨(dú)立的探測器，探索多個難以到達(dá)的區(qū)域，如月球表面的深隕石坑。

IM-2任務(wù)還將部署一顆月球通信衛(wèi)星，以保證著陸器和地球地面站之間的通信。

▲ IM-1NOVA-C月球著陸器

▲ “游隼”在月表

▲ 降落在月球表面的“月球25號”效果圖

游隼商業(yè)月球著陸器

游隼月球著陸器（Peregrine)是由Astrobotic公司和美國宇航局合作研制的CLPS商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計劃中的一個探測器。游隼著陸器高1.9米，寬2.5米，使用5臺一甲基肼-MON25的推力器完成著陸。“游隼”攜帶14項(xiàng)有效載荷，總計重35千克。Astrobotic公司稱未來可攜帶最多265千克的有效載荷完成著陸。

游隼月球著陸器將搭乘火神運(yùn)載火箭的首飛箭飛往月球，不早于2022年6月。

俄羅斯月球25號著陸器

自1976年月球24號采樣返回任務(wù)以來，蘇聯(lián)/俄羅斯都沒有開展過任何月球任務(wù)，而計劃中的月球25號將是俄羅斯的第一個月球著陸器。俄羅斯人將其名字從月球全球著陸器改為月球25號，以強(qiáng)調(diào)蘇聯(lián)月球計劃自20世紀(jì)70年代以來的延續(xù)性，盡管它仍然是月球全球探月計劃的一部分。

月球25號計劃始于20世紀(jì)90年代末，到1998年完成了設(shè)計評審，探測器器使用拉沃契金的新深空平臺。這也是俄羅斯的首個系列非加壓深空平臺——通用于火星、金星和月球。但是這個平臺的首秀是2011年的“福布斯-土壤”，探測器甚至沒有離開低地球軌道，失敗對“月球25號”的研發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

月球25號發(fā)射質(zhì)量為1750千克，攜帶30千克科學(xué)儀器，設(shè)計壽命為1個地球年。探測器攜帶9項(xiàng)科學(xué)儀器，以及采樣分析機(jī)械臂?！霸虑?5號”將在月球南極附近的博古斯拉夫斯基隕石坑著陸，旨在探測那里的水冰沉積。這將是俄45年來的首次月面探測任務(wù)，也將是其在蘇聯(lián)解體后首次實(shí)施落月探測。該探測器仍然使用相當(dāng)落后的著陸方式——即主發(fā)動機(jī)第一次點(diǎn)火消除大部分水平速度，第二次點(diǎn)火消除幾乎所有速度后關(guān)機(jī)，2臺游動發(fā)動機(jī)完成著陸。70年代的蘇聯(lián)月球探測器也使用了這種動力下降方式。

由于資金限制、超支、著陸器硬件故障等多重因素，“月球25號”的發(fā)射已經(jīng)推遲數(shù)年，目前探測器計劃于2022年7月22日使用聯(lián)盟2.1b-弗雷蓋特M火箭在拜科努爾發(fā)射場發(fā)射。但據(jù)一些消息，其飛控軟件完成全部測試仍然需要2~3年，意味著這次它可能會和“福布斯-土壤”一樣，是一次趕鴨子上架的任務(wù)。

▲ 組裝中的月球25號著陸器