文/ 張雪松

2017年底，美國(guó)宇航局（NASA）公布了競(jìng)爭(zhēng)下一次（第四次）新疆界任務(wù)的最新結(jié)果：12個(gè)競(jìng)爭(zhēng)提案中兩個(gè)方案脫穎而出，它們分別是康奈爾大學(xué)的楚留莫夫-格拉希門(mén)克（67P）取樣返回探測(cè)的“凱撒”方案，以及約翰霍普金斯大學(xué)的土衛(wèi)六探測(cè)的“蜻蜓”方案。它們將在未來(lái)進(jìn)行最后的角逐，預(yù)計(jì)2019年7月NASA將評(píng)選出最后的勝利者，作為第四次新疆界級(jí)任務(wù)于2024年發(fā)射。

▲ 奧西里斯探測(cè)器和它攜帶的返回艙

新疆界級(jí)任務(wù)的由來(lái)

美國(guó)是世界上深空探測(cè)能力最強(qiáng)的國(guó)家，目前美國(guó)宇航局的深空探測(cè)項(xiàng)目按照預(yù)算高低分為三個(gè)級(jí)別：旗艦級(jí)、新疆界級(jí)和發(fā)現(xiàn)級(jí)。美國(guó)已經(jīng)發(fā)射了三個(gè)新疆界級(jí)探測(cè)器，分別是探索冥王星的新視野號(hào)飛掠器，探索木星的朱諾號(hào)軌道器，以及小行星取樣返回的奧西里斯探測(cè)器。

NASA的旗艦級(jí)任務(wù)威名赫赫，我們都不會(huì)陌生，早已隕落的木星軌道器伽利略號(hào)，去年年底剛剛隕落的卡西尼號(hào)土星探測(cè)器，現(xiàn)在仍然活躍的好奇號(hào)火星車(chē)都是旗艦級(jí)任務(wù)，更早還有海盜號(hào)火星探測(cè)器和旅行者號(hào)星際探測(cè)器也都是旗艦級(jí)任務(wù)。發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)歷史沒(méi)那么悠久，但同樣戰(zhàn)果輝煌，第一臺(tái)火星車(chē)探路者號(hào)、探索彗星彗發(fā)成分的星塵號(hào)探測(cè)器、深度撞擊撞擊器、探索水星的信使號(hào)和探索小行星的黎明號(hào)也都在星空刻下了自己的名字。相對(duì)而言，新疆界級(jí)任務(wù)歷史最短任務(wù)最少，但它并非不重要，新疆界級(jí)任務(wù)是美國(guó)行星探測(cè)承上啟下的重要部分。

NASA的深空探測(cè)任務(wù)林林總總讓人目不暇接，那么它們到底有什么區(qū)別呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，旗艦級(jí)任務(wù)預(yù)算超過(guò)10億美元，是人類(lèi)達(dá)到探索高優(yōu)先級(jí)目標(biāo)的關(guān)鍵任務(wù)，每次任務(wù)目標(biāo)事先確定。發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)預(yù)算不超過(guò)5億美元，用于多快好省的探索太陽(yáng)系的行星，它的特點(diǎn)是通過(guò)引入項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)，由首席科學(xué)家（PI）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)，這種方式探索目標(biāo)事前不確定，也更有利于推動(dòng)創(chuàng)新。新疆界級(jí)任務(wù)介于兩者之間，它的預(yù)算不超過(guò)10億美元，吸取了發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)首席科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的特點(diǎn)，用于完成那些預(yù)算開(kāi)支超出發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)的規(guī)模，但重要性和預(yù)算又不足以躋身旗艦級(jí)之列的探測(cè)任務(wù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，新疆界級(jí)任務(wù)某種程度上可以看作是發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)的放大版，用于彌補(bǔ)發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)預(yù)算有限，對(duì)有些深空探索任務(wù)心有余而力不足的遺憾。

“新視野號(hào)”任務(wù)的成功

NASA的旗艦級(jí)任務(wù)重要性毋庸置疑，在深空探索體系中的地位也無(wú)人撼動(dòng)。發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)以其多快好省和創(chuàng)新靈活的特點(diǎn)，收獲了廣泛的贊譽(yù)，那么新疆界級(jí)任務(wù)到底成效如何呢？其實(shí)我們看現(xiàn)有的三個(gè)任務(wù)就知道，它已經(jīng)取得了空前的成功！

“新視野號(hào)”任務(wù)是第一個(gè)新疆界級(jí)任務(wù)，有趣的是它早在2001年11月就正式入選，而新疆界級(jí)任務(wù)實(shí)際上是2003年才正式進(jìn)入NASA的預(yù)算規(guī)劃，“新視野號(hào)”按照劃分原則在時(shí)間上溯及既往，也被劃為新疆界級(jí)探索任務(wù)?！靶乱曇疤?hào)”的目標(biāo)是冥王星，21世紀(jì)初冥王星正好位于近日點(diǎn)附近，如果錯(cuò)過(guò)這個(gè)發(fā)射探測(cè)器的機(jī)會(huì)，將來(lái)即使發(fā)射性能更好的探測(cè)器，冥王星軌道日益遠(yuǎn)離太陽(yáng)，冥王星大氣也將冷凝，探測(cè)獲得的科學(xué)發(fā)現(xiàn)將大打折扣。幸運(yùn)的是，雖然NASA在20世紀(jì)90年代末取消了“冥王星-柯伊伯快車(chē)”探測(cè)計(jì)劃，但經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的大力呼吁，2000年12月20日NASA重新論證探索冥王星的計(jì)劃，但直到2003年初新視野號(hào)探測(cè)器才得到預(yù)算支持開(kāi)始研制，并在2006年1月19日由宇宙神5火箭發(fā)射升空。

▲ “朱諾”勇闖木星輻射帶

▲ 67 P彗星取樣返回的“凱撒”方案

NASA內(nèi)部曾經(jīng)有句名言：“即使把一塊磚頭送到木星以遠(yuǎn)的軌道也是旗艦級(jí)任務(wù)”，這個(gè)戲謔的說(shuō)法形象地表達(dá)了對(duì)外太陽(yáng)系進(jìn)行探索的難度。然而新視野號(hào)探測(cè)器是要去探索最遙遠(yuǎn)的冥王星，卻并非一個(gè)旗艦級(jí)任務(wù)，而是一個(gè)中等的新疆界級(jí)任務(wù)，自然要做太多的取舍。“新視野號(hào)”只攜帶了總重30千克的7臺(tái)科學(xué)載荷，其中包括3部相機(jī)用于獲取可見(jiàn)光、紅外和紫外波段的照片，此外還有太陽(yáng)風(fēng)測(cè)量?jī)x、能量粒子譜儀和塵埃計(jì)數(shù)器等設(shè)備，用于測(cè)量冥王星附近的太陽(yáng)風(fēng)、大氣和塵埃?！靶乱曇疤?hào)”2015年7月14日飛到最接近冥王星的位置，在距離冥王星12500公里的地方以13.78公里/秒的速度飛掠而過(guò)。它在飛掠冥王星-卡戎雙星系統(tǒng)時(shí)拍攝了大量照片，獲取了總計(jì)50吉比特的科學(xué)數(shù)據(jù)，事后用了約一年時(shí)間才陸陸續(xù)續(xù)傳回地球。

“新視野號(hào)”極大地?cái)U(kuò)展了人們對(duì)冥王星的認(rèn)識(shí)。在它抵近飛掠前人們只有地面望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)距離遙感拍攝的模糊照片，而“新視野號(hào)”飛掠冥王星帶來(lái)了最高分辨率約60米的“高清”照片，分辨率和成像質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了哈勃望空間遠(yuǎn)鏡?！靶乱曇疤?hào)”的照片顯示冥王星存在復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，它表面存在大量的甲烷冰，還發(fā)現(xiàn)了山脈、峽谷、冰川、隕石坑甚至冰火山，它的北極存在甲烷冰和氮冰構(gòu)成的極冠。通過(guò)統(tǒng)計(jì)表面的隕石坑數(shù)量，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)冥王星表面有些地方十分古老，是太陽(yáng)系剛剛形成時(shí)就存在并保留到今天，而有些地方十分年輕，很可能只有1000萬(wàn)年歷史。這個(gè)獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明冥王星存在相當(dāng)活躍的地質(zhì)活動(dòng)，遙遠(yuǎn)而寒冷的冥王星看來(lái)并不是一個(gè)死寂的星球。

“新視野號(hào)”的紫外線成像光譜儀搜集了冥王星大氣的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冥王星大氣層高度可達(dá)1600公里，最高處是氮?dú)?，中下部是甲烷，而在靠近表面的地方還有碳?xì)浠衔?。這個(gè)稀薄而巨大的大氣層并非可有可無(wú)，根據(jù)探測(cè)，冥王星也有持續(xù)的四季變化，冥王星表面的冰川很可能就是升華冷凝而成，甚至因此存在冰川侵蝕現(xiàn)象，造就了多樣化的地形?？茖W(xué)家們將冥王星表面巨大的心形結(jié)構(gòu)命名為“湯博” 區(qū)，以紀(jì)念冥王星的發(fā)現(xiàn)者湯博。湯博區(qū)內(nèi)的大冰原命名為“斯普特尼克”平原，紀(jì)念人類(lèi)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星。值得一提的是，冥王星地圖上已經(jīng)留下了中國(guó)文化的印記，鄭和山、孟婆斑和玉兔線已經(jīng)成為國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)正式命名的冥王星地名。

“朱諾”和“奧西里斯”任務(wù)

“朱諾號(hào)”是第二個(gè)新疆界級(jí)任務(wù)，它是人類(lèi)的第二個(gè)木星軌道器，前輩正是NASA的旗艦級(jí)任務(wù)伽利略號(hào)探測(cè)器?！爸熘Z號(hào)”雖然預(yù)算沒(méi)那么多，但設(shè)計(jì)上很有特色，它是人類(lèi)第一個(gè)使用太陽(yáng)能電池為動(dòng)力的外太陽(yáng)系探測(cè)器！另外“伽利略號(hào)”已經(jīng)拍攝了大量木星照片，而朱諾號(hào)探測(cè)器的重點(diǎn)是研究木星的磁場(chǎng)、引力場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并獲取木星核心質(zhì)量、大氣成分等重要數(shù)據(jù)，至于它的可見(jiàn)光相機(jī)，性能反而相對(duì)有限。

▲ 木星極區(qū)（南極）氣旋

▲ 探索土衛(wèi)六泰坦的“蜻蜓”方案

“朱諾號(hào)”同樣使用宇宙神5火箭發(fā)射，2011年8月5日發(fā)射的“朱諾號(hào)”2013年飛過(guò)地球軌道，使用一次地球引力輔助加速（引力彈弓）飛向木星，2016年7月5日“朱諾號(hào)”進(jìn)入木星軌道。木星作為太陽(yáng)系最大的行星擁有最多的質(zhì)量和最強(qiáng)的磁場(chǎng)，木星磁場(chǎng)頂著太陽(yáng)風(fēng)形成一把彗星狀的巨傘，磁場(chǎng)長(zhǎng)尾甚至遠(yuǎn)達(dá)6億公里外的土星軌道！木星磁場(chǎng)不僅范圍廣，強(qiáng)度也令人頭皮發(fā)麻，木星附近具有極強(qiáng)的輻射，別說(shuō)人無(wú)法生存，連一般的電子設(shè)備都無(wú)法承受?！爸熘Z號(hào)”為了闖過(guò)鬼門(mén)關(guān)，使用了專(zhuān)用的抗輻射加固處理器，可以在100萬(wàn)倍于致死輻射強(qiáng)度的環(huán)境下工作！“朱諾號(hào)”還設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的鈦殼降低木星周?chē)椛鋷У挠绊?，保證內(nèi)部電子設(shè)備的正常工作。“朱諾號(hào)”的姿態(tài)保持都沒(méi)有使用當(dāng)今成熟可靠的三軸穩(wěn)定方式，而是選用了古老但更可靠的自旋穩(wěn)定方式。即使如此強(qiáng)化，要在木星磁場(chǎng)深處展開(kāi)研究仍然需要精打細(xì)算?！爸熘Z號(hào)”設(shè)計(jì)壽命只能繞木星飛行37圈，而探測(cè)器入軌后出現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)閥門(mén)故障，原定從53.5天周期軌道轉(zhuǎn)入14天軌道的機(jī)動(dòng)被迫推遲，后來(lái)又出現(xiàn)計(jì)算機(jī)意外重啟并進(jìn)入安全模式，退出安全模式后NASA經(jīng)過(guò)評(píng)估，2017年2月放棄了轉(zhuǎn)入14天軌道的計(jì)劃，但這樣一來(lái)“朱諾號(hào)”只能繞木星飛行14圈了。

盡管人算不如天算，但“朱諾號(hào)”已經(jīng)取得了巨大的成功?！爸熘Z號(hào)”的磁強(qiáng)計(jì)正在測(cè)量木星磁場(chǎng)，有望對(duì)木星獲得除地球外最精細(xì)的行星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，繪制木星磁場(chǎng)的精細(xì)立體結(jié)構(gòu)圖?！爸熘Z號(hào)”的重力科學(xué)載荷將對(duì)木星引力場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，深入探察木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括核心質(zhì)量，了解木星的內(nèi)部質(zhì)量分布包括木星核心質(zhì)量，讓我們完善木星等氣體巨行星形成的理論。木星高能粒子探測(cè)器用于探測(cè)木星大氣的氫氦氧等離子的能量和分布，通過(guò)測(cè)量木星的氫氧比例確定木星上水的豐度。通過(guò)“朱諾號(hào)”的深入探測(cè)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)木星磁場(chǎng)比此前推測(cè)的還要強(qiáng)大，7.766高斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度比地球上最強(qiáng)的磁場(chǎng)還要強(qiáng)10倍！木星磁場(chǎng)形狀不規(guī)則，預(yù)示著磁場(chǎng)產(chǎn)生地可能不是木星的金屬核心。“朱諾號(hào)”相機(jī)拍到木星極地存在多個(gè)地球大小的氣旋，它的微波輻射計(jì)發(fā)現(xiàn)木星大氣的云帶十分詭異，赤道云帶一直深入到木星大氣深處。

“新視野號(hào)”和“朱諾號(hào)”取得了很大的成功，而第三個(gè)新疆界級(jí)任務(wù)“奧西里斯”正在飛向小行星的途中。奧西里斯探測(cè)器的目標(biāo)是對(duì)“貝努”1999 RQ36號(hào)小行星進(jìn)行取樣返回探測(cè)，貝努是一顆碳質(zhì)小行星，可能富含水分甚至有機(jī)物，它的樣本有助于我們了解太陽(yáng)系早期以及生命的演化。貝努小行星直徑大約560米，從軌道數(shù)據(jù)推測(cè)2200年前有碰撞地球帶來(lái)毀滅的可能性，奧西里斯探測(cè)器的訪問(wèn)也對(duì)我們進(jìn)一步了解這顆小行星，在未來(lái)防范飛來(lái)橫禍具有一定的價(jià)值。奧西里斯探測(cè)器的全稱(chēng)是“起源、光譜釋義、資源識(shí)別、安全和風(fēng)化層探測(cè)器”，這么別扭的稱(chēng)呼就是為了湊出奧西里斯（埃及神話的豐饒之神和冥王）這個(gè)名字，暗合這次任務(wù)探索生命起源和地球安全的目標(biāo)，實(shí)在是煞費(fèi)苦心了。

▲ 新視野號(hào)冥王星探測(cè)器

雖然名字很有特色，不過(guò)奧西里斯號(hào)探測(cè)器的核心任務(wù)還是取樣返回。2016年9月奧西里斯探測(cè)器發(fā)射升空，2018年12月飛過(guò)小行星拍照并確定取樣區(qū)，2020年7月著陸貝努小行星并采集約60克樣本，最后在2023年釋放返回艙著陸美國(guó)猶他州。奧西里斯號(hào)探測(cè)器從某種意義上說(shuō)是美國(guó)被日本的“隼鳥(niǎo)”號(hào)計(jì)劃刺激的產(chǎn)物，“隼鳥(niǎo)”率先實(shí)現(xiàn)了小行星取樣返回，而小行星探測(cè)也由于它的科學(xué)價(jià)值外加奧巴馬的載人登陸小行星計(jì)劃成了熱門(mén)，奧西里斯號(hào)探測(cè)器在第三個(gè)新疆界級(jí)任務(wù)中脫穎而出也就不奇怪了。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，奧西里斯號(hào)探測(cè)器的任務(wù)難度和科學(xué)價(jià)值，相比新視野號(hào)和朱諾號(hào)多少有些遜色。

新穎的第四次新疆界任務(wù)

第四個(gè)新疆界級(jí)任務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始于2017年1月，各個(gè)團(tuán)隊(duì)紛紛向NASA提交探測(cè)方案，最終形成了12個(gè)不同的方案。其中包括彗星取樣返回的三個(gè)方案，月球背面南極-艾特肯盆地取樣返回的月球方案，對(duì)海洋世界（土星衛(wèi)星）進(jìn)行探索的四個(gè)方案，還有一個(gè)土星探測(cè)器方案，寂寞已久的金星也迎來(lái)了三個(gè)探測(cè)方案。

美國(guó)深空探索中一直把生命起源和探測(cè)作為重點(diǎn)，在這種傾向下67P彗星取樣返回的“凱撒”和探索土衛(wèi)六泰坦的“蜻蜓”方案脫穎而出也就不足為奇了。67P彗星正是歐空局羅塞塔-菲萊探測(cè)器的目標(biāo)，其遠(yuǎn)日點(diǎn)在木星軌道以遠(yuǎn)，保留了大量太陽(yáng)系早期的起源信息。歐空局當(dāng)年曾打算實(shí)施彗星取樣返回，不過(guò)由于技術(shù)難度和預(yù)算太大退而次之，羅塞塔探測(cè)器對(duì)67P彗星的探測(cè)成績(jī)斐然，大大加深了我們對(duì)彗星的了解，如果能從67P彗星取樣返回，我們對(duì)彗星、太陽(yáng)系乃至生命的起源和歷史，都將獲得更多的認(rèn)識(shí)。

“蜻蜓”方案要探測(cè)的土衛(wèi)六泰坦更是一顆誘人的衛(wèi)星，它擁有比地球還稠密的大氣層，雖然溫度低但表面存在甲烷湖泊，大氣層存在甲烷云層和甲烷雨，這幾乎就是一個(gè)微縮版的早期地球。土衛(wèi)六存在生命么？科學(xué)家們對(duì)此猜測(cè)很多，有人認(rèn)為它的甲烷湖中可能存在簡(jiǎn)單的早期生命?！膀唑选比蝿?wù)將是一個(gè)著陸的旋翼機(jī)，其飛行高度可達(dá)4公里，飛行距離可達(dá)數(shù)十公里，對(duì)土衛(wèi)六表面和大氣層進(jìn)行多點(diǎn)探索，探測(cè)生命起源以前的有機(jī)物的演化過(guò)程，搜索是否存在水甚至碳?xì)浠衔餅榛A(chǔ)的生命。它可能為我們帶來(lái)地球早期環(huán)境下復(fù)雜有機(jī)物發(fā)展演化的線索，如果發(fā)現(xiàn)了地外生命，那就更是意外的驚喜了。

總而言之，無(wú)論是67P彗星取樣的“凱撒”方案還是土衛(wèi)六探測(cè)的“蜻蜓”方案，目標(biāo)都是為了追尋生命的起源。無(wú)論是哪個(gè)方案最終獲勝，其探測(cè)成果都將是令人期待的。