焦維新

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未來(lái)的深空探測(cè)與空間環(huán)境模擬

焦維新

（北京大學(xué) 行星與空間科學(xué)研究中心，北京 100871）

文章介紹了國(guó)內(nèi)外有代表性的深空探測(cè)計(jì)劃的內(nèi)容、特點(diǎn)和意義，包括：歐空局的ExoMars火星車(chē)、美國(guó)“2020火星車(chē)”以及中國(guó)的2020火星探測(cè)計(jì)劃；金星著陸探測(cè)進(jìn)展情況；歐空局木星系統(tǒng)探測(cè)計(jì)劃“木星冰月亮探索者（JUICE）”和美國(guó)的“木衛(wèi)二飛越任務(wù)（Europa Clipper）”；“蜻蜓號(hào)（Dragonfly）”土衛(wèi)六探測(cè)項(xiàng)目；美國(guó)的“彗星天體生物學(xué)探索取樣返回（CAESAR）”項(xiàng)目；月球探測(cè)計(jì)劃等。還分析了未來(lái)深空探測(cè)對(duì)空間環(huán)境模擬的具體要求，空間環(huán)境模擬對(duì)推動(dòng)深空探測(cè)發(fā)展的重要意義；提出了對(duì)我國(guó)未來(lái)開(kāi)展空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的建議。

深空探測(cè)；火星；金星；木衛(wèi)二；土衛(wèi)六；彗星取樣返回；空間環(huán)境模擬

0 引言

空間探測(cè)與空間環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展歷來(lái)是相輔相成的：后者為前者提供保障，前者的發(fā)展對(duì)后者提出新的要求，從而促進(jìn)了后者的更新。近幾十年來(lái)，我國(guó)的空間環(huán)境模擬技術(shù)發(fā)展很快，特別是北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，建立和完善了多種空間環(huán)境模擬設(shè)施，為保證我國(guó)各類(lèi)航天器在軌長(zhǎng)期安全運(yùn)行做出了突出貢獻(xiàn)。隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速推進(jìn)，中國(guó)空間技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院以及一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也先后建立了若干高水平的空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室的建立和發(fā)展，對(duì)深化空間環(huán)境與航天器作用機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)知，提升航天科技領(lǐng)域中原始創(chuàng)新能力和水平，夯實(shí)相關(guān)領(lǐng)域的科研實(shí)力，支撐航天領(lǐng)域基礎(chǔ)研究發(fā)展，具有重大和深遠(yuǎn)的意義。

在航天領(lǐng)域，我國(guó)的“十三五”計(jì)劃提出了未來(lái)深空探測(cè)的任務(wù)，正在醞釀新的深空探測(cè)計(jì)劃。在國(guó)外，一些航天大國(guó)也公布了未來(lái)的深空探測(cè)計(jì)劃。2017年12月，美國(guó)航空航天局（NASA）宣布資助12項(xiàng)深空探測(cè)計(jì)劃的前期研究，這些項(xiàng)目涉及6大任務(wù)主題，分別是：彗星表面取樣返回，月球南極艾特肯盆地取樣返回，探索土衛(wèi)六或土衛(wèi)二水世界，土星探測(cè)，木星特洛伊小行星群探測(cè)，以及金星著陸探測(cè)等。

未來(lái)的深空探測(cè)面對(duì)多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中一個(gè)方面就是空間環(huán)境模擬技術(shù)。因?yàn)樘綔y(cè)目標(biāo)的環(huán)境非常惡劣，如金星表面高溫高壓，歐羅巴（木衛(wèi)二）表面地凍天寒，故地面的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)保證項(xiàng)目成功起關(guān)鍵作用。

我國(guó)未來(lái)要發(fā)射火星車(chē)，要探測(cè)木星系統(tǒng)，還要發(fā)射小行星探測(cè)器。對(duì)這些目標(biāo)天體的環(huán)境模擬，我們以前還沒(méi)有做過(guò)。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來(lái)深空探測(cè)計(jì)劃的目標(biāo)，需要擴(kuò)展和新建一些空間環(huán)境模擬設(shè)備，研究新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。本文的主要內(nèi)容是介紹、分析未來(lái)的深空探測(cè)項(xiàng)目，并據(jù)此提出對(duì)空間環(huán)境模擬的要求。

1 國(guó)外有代表性的深空探測(cè)計(jì)劃

1.1 火星探測(cè)計(jì)劃

1）ExoMars

該任務(wù)由歐洲空間局（ESA）主導(dǎo)，包括著陸平臺(tái)（質(zhì)量827.9kg）和火星車(chē)兩部分。其中火星車(chē)由ESA研制，著陸平臺(tái)由俄羅斯研制。火星車(chē)上帶有鉆頭，鉆探深度2m，每次取出的樣品直徑1cm、長(zhǎng)3cm，并能自動(dòng)將樣品送到相應(yīng)的分析儀器。ExoMars至少能取17個(gè)樣品。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)5年的分析研究，歷經(jīng)4次著陸點(diǎn)選擇工作組會(huì)議討論，目前候選的著陸點(diǎn)有2個(gè)：歐克西亞高原（Oxia Planum）和火星谷（Mawrth Vallis），這2個(gè)點(diǎn)基本滿(mǎn)足工作組提出的5項(xiàng)要求，最后的決定還需工作組第5次會(huì)議討論得出。

ExoMars任務(wù)面對(duì)的挑戰(zhàn)是ESA如何走出2次火星著陸任務(wù)失敗的陰影；任務(wù)中的2個(gè)亮點(diǎn)是鉆探取樣方式和先進(jìn)儀器“有機(jī)分子分析儀”。火星有機(jī)分子分析儀（Mars Organics Molecule Analyser,MOMA）是ExoMars攜帶的最大儀器，其直接目的是尋找生命標(biāo)記，回答關(guān)于火星生命潛在的起源、演變和分布問(wèn)題。這些研究通過(guò)2個(gè)活動(dòng)進(jìn)行，一是探測(cè)有機(jī)分子，二是通過(guò)辨別這類(lèi)分子的屬性，估計(jì)它們的生物或非生物源。ExoMars任務(wù)除了研究鉆探樣品外，也分析火星大氣。MOMA有2個(gè)互補(bǔ)的操作模式：氣體色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS）和激光解吸附質(zhì)譜儀（LD-MS）[1]。

2）“2020火星車(chē)”

NASA的“2020火星車(chē)”功能與“好奇號(hào)”火星車(chē)類(lèi)似，新增功能包括：分析樣品中是否有能維持生命存在的物質(zhì)，研究火星氧氣就位資源利用方法等，還攜帶了能探測(cè)地下水冰、礦物資源和幫助科學(xué)家了解火星存在生命可能性的穿地雷達(dá)。另外，在著陸之前，火星車(chē)能在一定范圍自動(dòng)選擇著陸點(diǎn)，有自主避障功能。

“2020火星車(chē)”及其有效載荷如圖1所示。其中最突出的儀器叫SHERLOC[2]，意思是用喇曼和發(fā)光譜儀測(cè)量有機(jī)物以?huà)呙柽m居環(huán)境。這是一個(gè)紫外喇曼譜儀，使用小尺度成像和紫外激光確定小尺度礦物和探測(cè)有機(jī)物，目的是：1）評(píng)估取樣點(diǎn)的適居潛力及含水的歷史；2）評(píng)估關(guān)鍵元素（C, H, N, O, P, S等）和能源對(duì)生命的可利用性；3）確定是否有潛在的生物跡象保存在火星巖石和露頭的巖層中；4）對(duì)已經(jīng)選擇的樣品儲(chǔ)藏物進(jìn)行有機(jī)和礦物分析。

在圖1所示的儀器中，空氣溫度傳感器、熱紅外傳感器、風(fēng)傳感器、輻射及塵埃傳感器、壓力傳感器是一組儀器，即“火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析器”，由西班牙負(fù)責(zé)研制。其他儀器除用小國(guó)旗標(biāo)出的外，都是由美國(guó)研制的。

美國(guó)一直重視火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)，在項(xiàng)目確定、儀器選用以及著陸點(diǎn)選擇等方面投入巨大精力。單從著陸點(diǎn)選擇來(lái)說(shuō)，每次都要通過(guò)反復(fù)、多輪篩選，至今已舉行3次著陸點(diǎn)工作會(huì)議，初步確定3個(gè)候選點(diǎn)，最后的選擇將在今年下半年的第4次工作會(huì)議上決定。在重視深空探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)方面，美歐的舉措很值得我們借鑒。

到目前為止，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)射了40余顆火星探測(cè)器，可以說(shuō)是對(duì)火星進(jìn)行了一定程度的“普查”。圖2所示為已發(fā)射或即將發(fā)射的火星探測(cè)器的（候選）著陸地點(diǎn)。其中紅點(diǎn)是“2020火星車(chē)”候選著陸點(diǎn)，白點(diǎn)是ExoMars候選著陸點(diǎn)，其他標(biāo)志是已發(fā)射的火星車(chē)或著陸器的著陸點(diǎn)。今后的主要目標(biāo)是“詳查”，即任務(wù)和目標(biāo)都很集中，有望在一些重大科學(xué)問(wèn)題上取得突破。

圖2 火星車(chē)及著陸器著陸點(diǎn)

1.2 金星探測(cè)計(jì)劃

近10年來(lái)，美歐的學(xué)者提出了多個(gè)金星探測(cè)方案[3]，但目前金星探測(cè)還沒(méi)有正式項(xiàng)目，由于這些項(xiàng)目耗資巨大，技術(shù)上也面對(duì)許多挑戰(zhàn)，所以都沒(méi)能入選正式計(jì)劃。2017年12月，“金星成分就地考察任務(wù)”（Venus In-situ Composition Investigations, VICI）獲得了NASA的資助，將攜帶2個(gè)著陸和多種探測(cè)儀，測(cè)量金星大氣層和表面的成分。

從比較行星學(xué)的角度來(lái)看，探測(cè)金星所涉及的科學(xué)問(wèn)題更多且更重要。但由于探測(cè)的難度大，多年來(lái)沒(méi)有明顯進(jìn)展。要想在關(guān)鍵問(wèn)題上獲得突破，特別是關(guān)于金星超級(jí)溫室效應(yīng)、當(dāng)前是否有活火山以及表面與低層大氣相互作用等問(wèn)題，只有發(fā)射著陸器和近金星表面飛艇，才有望取得突破。

由于金星表面溫度超過(guò)460℃，著陸器只能運(yùn)行幾分鐘。歐美的一些學(xué)者提出建議，采用主動(dòng)制冷發(fā)射的著陸器（見(jiàn)圖3），可以大大延長(zhǎng)著陸器的壽命。筆者在中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì)上，提出了發(fā)射低高度金星飛艇的建議。以上2種探測(cè)方式有望在金星探測(cè)方面取得重大突破。

圖3 國(guó)外提出的幾種帶有主動(dòng)制冷系統(tǒng)的著陸器

1.3 Europa Clipper等木星探測(cè)計(jì)劃

美國(guó)的木衛(wèi)二飛越任務(wù)（Europa Clipper）已經(jīng)進(jìn)入Phase B，其基本任務(wù)是環(huán)繞木星飛行，并靠近木衛(wèi)二飛越，對(duì)其表面進(jìn)行高分辨率成像觀(guān)測(cè)。在基本任務(wù)期間，大約飛越45次，距離木衛(wèi)二表面的高度從2700km到25km。這次探索聚焦在了解生命的3個(gè)主要要素：液態(tài)水、有機(jī)化學(xué)物質(zhì)和能量；同時(shí)，也為未來(lái)的著陸探測(cè)尋找合適的著陸點(diǎn)。為了證實(shí)液體海洋的存在和了解其內(nèi)部特征，Europa Clipper攜帶了雷達(dá)和磁強(qiáng)計(jì)。

“木星冰月亮探索者”（JUICE）是ESA的一個(gè)大型探測(cè)任務(wù)，計(jì)劃于2022年發(fā)射，2029年到達(dá)木星，詳細(xì)觀(guān)測(cè)木星及其衛(wèi)星Ganymede、Callisto和Europa。確定這些冰月亮是否具備適居環(huán)境。

木星的大氣層、磁層和輻射帶環(huán)境十分復(fù)雜、變化多端，4顆伽利略衛(wèi)星又分成冰與火的世界。木衛(wèi)一表面火山密集，其余3顆可能都有地下海洋。這其中有很多科學(xué)問(wèn)題值得探索。然而一個(gè)突出的困難是木星的輻射太強(qiáng)，故對(duì)接近木星的探測(cè)器須仔細(xì)考慮解決輻射防護(hù)問(wèn)題。

1.4 土衛(wèi)二與土衛(wèi)六探測(cè)計(jì)劃

“蜻蜓號(hào)”（Dragonfly）是前往土星的一艘無(wú)人探測(cè)器，目標(biāo)是登陸土衛(wèi)六（Titan），尋找適合生物生存的環(huán)境與化學(xué)變化。美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室于2017年4月提出了土衛(wèi)六探測(cè)計(jì)劃，2017年12月，“蜻蜓號(hào)”入選“新邊疆計(jì)劃”最后決選名單，將與“彗星天體生物學(xué)探索取樣返回任務(wù)”（CAESAR）競(jìng)爭(zhēng)最終席位。

“土衛(wèi)二生命特征和適居性”（ELSAH）是一個(gè)天體生物學(xué)概念的任務(wù)，其目的是尋找土衛(wèi)二的生物學(xué)特征和評(píng)估其適居性。目前這個(gè)項(xiàng)目也獲得了NASA的前期研究資助。

提起土衛(wèi)二，“卡西尼”探測(cè)器獲得的圖像還留在人們的腦海里：在土衛(wèi)二極區(qū)有上百個(gè)間歇式噴泉，噴出的大多數(shù)成分是水。土衛(wèi)六地表有湖，表面上有壓力為1.52×105Pa的大氣層，地下很可能有海洋。尋找地外生命，土衛(wèi)二和土衛(wèi)六是不可錯(cuò)過(guò)的機(jī)會(huì)。

1.5 彗星與小行星探測(cè)

2017年12月21日，NASA宣布了第4次“新邊疆任務(wù)”的遴選結(jié)果。最終有2項(xiàng)任務(wù)進(jìn)入決賽環(huán)節(jié)，其中一項(xiàng)就是CAESAR。該任務(wù)將向丘留莫夫-格拉西緬科彗星（歐洲“羅塞塔”探測(cè)器曾經(jīng)探測(cè)的彗星）發(fā)射一枚探測(cè)器，從該彗星表面收集至少100g樣品，然后將其帶回地球?？茖W(xué)家將收集那些與生命產(chǎn)生和活動(dòng)相關(guān)的有機(jī)化合物，借此理解彗星對(duì)地球生命的誕生產(chǎn)生過(guò)怎樣的影響。

小行星探測(cè)計(jì)劃比較多。美國(guó)的“歐西里斯貝努”（OSIRIS-REx）和日本的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”（Hayabusa-2）取樣探測(cè)器正在飛往目標(biāo)小行星的途中，新的探測(cè)計(jì)劃包括ESA和NASA聯(lián)合項(xiàng)目“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估”任務(wù)（AIDA），以及NASA的2項(xiàng)探索早期太陽(yáng)系的計(jì)劃（即“露西”(Lucy)計(jì)劃和“靈神星”(Psyche)軌道器）。

小天體有些已歷經(jīng)演化，稱(chēng)得上是“老壽星”，在它們的身上可以找到太陽(yáng)系起源和演變的線(xiàn)索，甚至可能發(fā)現(xiàn)生命起源和演化的痕跡。因此，現(xiàn)如今深空探測(cè)的目標(biāo)已不只是盯住大天體，對(duì)小天體的研究會(huì)慢慢成為熱點(diǎn)。

1.6 月球探測(cè)

“月船二號(hào)”是印度空間研究組織與俄羅斯共同研制的月球探測(cè)器，也是印度繼“月船一號(hào)”之后的第2個(gè)月球探測(cè)器。它將由3部分組成，包括繞月軌道飛行器、月球降落艙和登月機(jī)器人。其中月球降落艙將由俄羅斯航天機(jī)構(gòu)提供，登月機(jī)器人則由印俄雙方聯(lián)合研制，計(jì)劃2018年下半年發(fā)射。

“月球”（Luna-Glob）計(jì)劃是俄羅斯的月球探測(cè)計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃早已透漏出來(lái)，但由于俄羅斯經(jīng)濟(jì)不景氣，常常是計(jì)劃趕不上變化。目前計(jì)劃的主要內(nèi)容包括：Luna-Glob lander（Luna 25），月球極區(qū)著陸器；Luna-Resurs orbiter（Luna 26），月球軌道器；Luna-Resurs lander（Luna 27），月球南極著陸器和月球車(chē)；Luna-Grunt rover（Luna 28），月球車(chē)；Luna-Grunt sample return vehicle（Luna 29），月球取樣返回任務(wù)。

“月球艾特肯盆地取樣返回”任務(wù)是美國(guó)醞釀已久的項(xiàng)目。由于奧巴馬政府取消了美國(guó)重返月球計(jì)劃，這個(gè)項(xiàng)目多年沒(méi)有進(jìn)展。在2017年12月，該項(xiàng)目被列為NASA的一個(gè)推薦項(xiàng)目。

2 中國(guó)的深空探測(cè)計(jì)劃

2.1 火星探測(cè)

我國(guó)將于2020年7、8月份之間擇機(jī)發(fā)射火星探測(cè)衛(wèi)星，預(yù)計(jì)衛(wèi)星飛行7個(gè)月左右抵達(dá)火星，將于2021年發(fā)回相關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為1個(gè)火星年，接近2年時(shí)間?；鹦擒?chē)設(shè)計(jì)壽命為3個(gè)火星月，相當(dāng)于地球上的92天。整個(gè)探測(cè)任務(wù)共攜帶13種有效載荷，其中軌道器上7種，火星車(chē)上6種?；鹦擒?chē)裝有4塊太陽(yáng)電池板，載有不同分辨率的火星遙感相機(jī)、能探測(cè)火星淺層結(jié)構(gòu)的淺層雷達(dá)等，將探測(cè)火星的形貌、土壤、環(huán)境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

中國(guó)的火星探測(cè)起步晚，但起點(diǎn)高，計(jì)劃一次實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視”的目標(biāo)。這就意味著不僅要實(shí)現(xiàn)環(huán)繞火星全球遙感探測(cè)，還要突破火星進(jìn)入、下降、著陸、巡視、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信等關(guān)鍵技術(shù)，這是其他國(guó)家第一次實(shí)施火星探測(cè)從未有過(guò)的，面臨的挑戰(zhàn)也是前所未有的。

為了實(shí)現(xiàn)巡視探測(cè)，火星探測(cè)器要具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。除了需要面對(duì)普通航天器遇到的真空、低溫、輻射等問(wèn)題外，也需要適應(yīng)火星表面的地形地貌、塵暴、低重力、高低溫、低氣壓等特殊環(huán)境，還需要解決遠(yuǎn)距離通信以及長(zhǎng)時(shí)間日凌時(shí)期的探測(cè)器自主管理等一系列問(wèn)題。

2.2 木星系統(tǒng)探測(cè)

我國(guó)已經(jīng)明確將要開(kāi)展對(duì)木星系統(tǒng)的探測(cè)，目前正制定具體的探測(cè)計(jì)劃。木星是太陽(yáng)系行星中的巨無(wú)霸，體積為地球的1316倍，質(zhì)量是地球的318倍，是所有其他行星質(zhì)量的2.5倍。木星的大氣層、輻射帶、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及4顆伽利略衛(wèi)星，都有許多奧秘等待揭開(kāi)。探索木星的困難不僅在于距離遠(yuǎn)，更重要的是木星的輻射帶極強(qiáng)，這就給探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。如果靠近木星，可以更清楚地觀(guān)測(cè)其大氣層的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能從木衛(wèi)二近處飛越；但這樣就進(jìn)入了木星的強(qiáng)輻射區(qū)，可能給探測(cè)器帶來(lái)極大的輻射損傷。因此需要權(quán)衡輻射防護(hù)和科學(xué)目標(biāo)之間的關(guān)系，在保證探測(cè)器安全的前提下，才能更深入地研究木星磁層結(jié)構(gòu)，木衛(wèi)二表面冰層形貌及厚度，木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

2.3 月球取樣返回探測(cè)

2018年5月，我國(guó)將發(fā)射一顆位于地?月系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)的通信中繼衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)月球背面與地面站之間的測(cè)控通信，年底將發(fā)射“嫦娥四號(hào)”著陸器和巡視器，在中繼測(cè)控支持下實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸，開(kāi)展就位和巡視探測(cè)，著陸地點(diǎn)為月球南極艾特肯盆地的卡門(mén)隕石坑。這將是人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面著陸，其科學(xué)意義和社會(huì)影響都十分重大。

2019年，“嫦娥五號(hào)”將實(shí)現(xiàn)月面取樣返回，為“嫦娥工程”劃上完美的句號(hào)?！版隙鹞逄?hào)”面對(duì)的技術(shù)難點(diǎn)包括月面自動(dòng)采樣與封裝技術(shù)、月面起飛技術(shù)、月球軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)和高速再入返回技術(shù)。其著陸點(diǎn)將位于月球風(fēng)暴洋西北角的呂姆克山脈附近。

未來(lái)的“嫦娥六號(hào)”很可能在月球南極沙克爾頓隕石坑著陸，并實(shí)現(xiàn)取樣返回。月球的南極區(qū)含有非常豐富的揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)很可能是月球形成初期就具有的。在這里取樣返回，對(duì)于研究月球的起源和演變具有重要意義。

3 未來(lái)深空探測(cè)對(duì)環(huán)境模擬的要求

3.1 火星表面環(huán)境模擬

火星表面環(huán)境具有大氣稀薄、干燥、嚴(yán)寒、風(fēng)沙大、沙塵暴頻繁的特點(diǎn)。國(guó)外火星著陸器和火星車(chē)發(fā)生的事故大都與火星表面環(huán)境有關(guān)。例如“鳳凰號(hào)”著陸器，盡管超期服役了60多天，但由于極區(qū)寒冷，最后還是因電力供應(yīng)不足而“凍死”在著陸點(diǎn)。“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車(chē)都遇到沙塵暴。在2007年6月底，一連串的沙塵暴開(kāi)始?jí)耪只鹦堑拇髿鈱?。到?月20日，“機(jī)遇號(hào)”和“勇氣號(hào)”都遭遇到因太陽(yáng)能電力不足而造成系統(tǒng)完全失效的可能。

正常情況下，太陽(yáng)電池板每天能夠產(chǎn)生2500kJ的能量。在沙塵暴中，電池板的發(fā)電能力大幅降低。倘若火星車(chē)太陽(yáng)電池每天產(chǎn)生的電力少于540kJ，則將逐漸耗盡蓄電池電力。如果蓄電池電力耗盡，關(guān)鍵的電子儀器可能會(huì)因?yàn)闃O度的寒冷而失效。在2007年7月18日，“機(jī)遇號(hào)”火星車(chē)每天只能產(chǎn)生460kJ的太陽(yáng)能電力，是其任務(wù)史上的最低點(diǎn)。NASA的應(yīng)對(duì)是命令“機(jī)遇號(hào)”每3天向地球通信1次，這樣的狀況是其任務(wù)史上第一次發(fā)生。

根據(jù)美國(guó)3輛火星車(chē)所遇到的問(wèn)題，對(duì)火星環(huán)境模擬應(yīng)著重注意3點(diǎn)：一是沙塵對(duì)太陽(yáng)電池電力輸出的影響；二是當(dāng)沙塵覆蓋了太陽(yáng)電池板后，采用什么辦法自動(dòng)清除；三是關(guān)鍵儀器對(duì)火星表面溫度的承受能力。此外，與以往模擬試驗(yàn)不同的是，火星表面大氣壓強(qiáng)只有地球的0.6%，而且主要成分CO2占全部氣體的95.97%，大氣中還夾帶著大量沙塵。因此，需要研究在這種環(huán)境下火星車(chē)上儀器與周?chē)h(huán)境達(dá)到熱平衡的特點(diǎn)。

3.2 金星表面環(huán)境模擬

盡管我國(guó)目前還沒(méi)有確定探索金星的計(jì)劃，但許多學(xué)者已經(jīng)提出了一些探索金星的技術(shù)方案，包括著陸探測(cè)和低高度飛艇探測(cè)。探索金星的科學(xué)意義重大，因此，提前對(duì)金星著陸探測(cè)進(jìn)行空間環(huán)境模擬的準(zhǔn)備工作是十分重要和必要的。

金星表面平均溫度為462℃，壓強(qiáng)達(dá)92個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境是非常惡劣的。蘇聯(lián)早期的著陸器，在金星表面只存活了短暫時(shí)間，要想獲得更大的科學(xué)成果，就需要延長(zhǎng)著陸器在金星表面正常運(yùn)行的時(shí)間。一個(gè)比較有效的措施是主動(dòng)制冷。

金星探測(cè)地面模擬所需的主要設(shè)備是具有一定體積的、能產(chǎn)生高溫高壓的容器。整個(gè)設(shè)備由氣體自動(dòng)傳送裝置、氣體混合器、氣體分析器、加熱裝置以及程序邏輯控制裝置等組成，設(shè)備里面放置待試驗(yàn)的主動(dòng)制冷系統(tǒng)。通過(guò)模擬試驗(yàn)，可以知道在預(yù)期時(shí)間內(nèi)維持預(yù)定溫度需要多少制冷劑；不同溫度下，儀器能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。目前，NASA的格林極端環(huán)境平臺(tái)（Glenn Extreme Environment Rig, GEER）已經(jīng)建立了關(guān)于金星環(huán)境的模擬裝置，參見(jiàn)https://geer.grc.nasa.gov。

GEER的容積為800L，能模擬高達(dá)500℃的極端溫度，壓強(qiáng)從近真空到90個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，能混合多種氣體以模擬金星和木星的大氣環(huán)境。2014年，該裝置模擬金星表面環(huán)境運(yùn)行了24天，容器內(nèi)產(chǎn)生的金星大氣包含96.5%的CO2，3.5%的N2，1.80×10-4的SO2，2.3×10-5的CO，4×10-7的HCl，5×10-8的HF，4.4×10-6的OCS。

3.3 對(duì)木星強(qiáng)輻射環(huán)境的模擬

木星的輻射環(huán)境是非常惡劣的，圖4和圖5是根據(jù)Divine-Garret輻射模型[5]給出的木星軌道電子和質(zhì)子輻射通量隨軌道高度的變化[6]。木衛(wèi)二的平均軌道半徑大約為9.6個(gè)木星半徑（J），處于高通量電子輻射區(qū)內(nèi)。美國(guó)曾對(duì)木衛(wèi)二著陸器進(jìn)行了深入的研究，后來(lái)考慮到木星的輻射效應(yīng)，暫時(shí)放棄了該著陸器項(xiàng)目，先實(shí)施木衛(wèi)二的飛越探測(cè)項(xiàng)目，待對(duì)其輻射特征有了充分了解和找到了有效的輻射防護(hù)措施后，再實(shí)施著陸探測(cè)項(xiàng)目。

圖4 木星軌道電子積分通量隨軌道高度的變化

圖5 木星軌道質(zhì)子積分通量隨軌道高度的變化

面對(duì)這種嚴(yán)酷的輻射環(huán)境，為保護(hù)探測(cè)器電子部件的安全，除了選擇合適的軌道以避開(kāi)輻射帶之外，還要對(duì)關(guān)鍵電子部件加裝輻射防護(hù)罩。至于防護(hù)罩選擇什么材料，多大厚度，除了需要利用相應(yīng)輻射模型進(jìn)行數(shù)值模擬外，還要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際模擬。

對(duì)木星輻射環(huán)境模擬的基本要求是：強(qiáng)度足夠大的、可變通量的輻射源；可改變材料和厚度的屏蔽罩；輻射效應(yīng)測(cè)量裝置；整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的輻射防護(hù)。

3.4 對(duì)小行星和彗星表面取樣方法模擬

美國(guó)和日本目前對(duì)幾百m尺度的小行星表面取樣主要采取“接觸即離”的方法，即探測(cè)器飛到距離小行星表面一定高度后，伸出取樣桿，利用桿末端攜帶的取樣頭接觸到小行星表面后，停留片刻完成取樣，隨即離開(kāi)。具體的取樣方法美、日有所不同，其中美國(guó)的方法是：取樣頭接觸小行星表面后，從圓形取樣頭的周?chē)蛐⌒行潜砻娲岛?，在氣流的作用下，使小行星表面碎屑流體化，隨氣流一起被吹進(jìn)取樣器，取樣可在大約5s內(nèi)完成，隨即將取樣頭的頭部關(guān)閉，并離開(kāi)小行星表面。日本的方法是先撞擊小行星表面，撞出碎片，然后取樣。

實(shí)施美國(guó)取樣方法的前提是小行星表面確有風(fēng)化層（土壤），這需要在選擇目標(biāo)小行星之前予以確定，最好的確定方法是用雷達(dá)探測(cè)小行星表面物質(zhì)的極化比。同時(shí)，也要根據(jù)探測(cè)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬。在模擬過(guò)程中，需要改變風(fēng)化層的厚度、顆粒的尺寸、氦氣流的強(qiáng)度和方向，檢驗(yàn)在不同環(huán)境下可獲得的樣品的體積和質(zhì)量，以根據(jù)小行星表面狀態(tài)選擇最佳的取樣操作參數(shù)。

根據(jù)NASA最新發(fā)布的消息，未來(lái)美國(guó)探測(cè)彗星也將采用取樣返回的形式，而且取樣方法也是“接觸即離”。彗星表面的情況肯定與小行星的不同，因此在彗星上取樣返回將面臨許多新的問(wèn)題。

3.5 月球南極沙克爾頓隕石坑取樣返回方法模擬

沙克爾頓隕石坑直徑20.92km，深度約4.2km，月球的自轉(zhuǎn)軸點(diǎn)就位于沙克爾頓隕石坑內(nèi)距中心點(diǎn)僅幾km處?？拥资怯谰藐幱皡^(qū)，溫度低達(dá)88K。因此，該隕石坑含有大量水冰和多種揮發(fā)物，是研究月球起源和演變的理想場(chǎng)所。美國(guó)多年以前就醞釀在沙克爾頓隕石坑取樣返回的計(jì)劃。我國(guó)的“嫦娥六號(hào)”計(jì)劃在月球南極取樣返回（具體著陸點(diǎn)未定），因此，做好在月球南極隕石坑底取樣返回的模擬試驗(yàn)，對(duì)保證計(jì)劃的順利實(shí)施是至關(guān)重要的。

其中的關(guān)鍵因素是低溫：在88K的溫度下，著陸器的關(guān)鍵部件能工作多長(zhǎng)時(shí)間，采取什么樣的取樣方式，如何保證采集的樣品一直處于低溫環(huán)境下——所有這些問(wèn)題，都給我們提出了新的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)國(guó)外的深空探測(cè)計(jì)劃具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）對(duì)有些天體的探測(cè)，是在經(jīng)歷了幾十年“普查”探測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此任務(wù)和目標(biāo)都非常集中；2）新的任務(wù)往往都是“難啃的骨頭”，遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)大；3）面對(duì)的空間環(huán)境惡劣，包括極寒、極熱和強(qiáng)輻射等；4）一旦實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，將取得重大科學(xué)突破；5）美歐的探測(cè)計(jì)劃特別重視科學(xué)目標(biāo)，工程目標(biāo)是為科學(xué)目標(biāo)服務(wù)的，重視組織大科學(xué)團(tuán)隊(duì)，充分發(fā)揮各類(lèi)研究人員的作用；6）非常重視研制新的有效載荷，而不是當(dāng)前有什么就上什么。

對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，深空探測(cè)還僅僅是起步。我們既不能把目標(biāo)定得太高，也不能在低水平重復(fù)。應(yīng)根據(jù)我國(guó)的實(shí)際條件，借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，走出一條特色之路。大目標(biāo)相同，我們也可以在分支領(lǐng)域做有自己特色的工作。當(dāng)前，我國(guó)有些探測(cè)項(xiàng)目還處于論證階段，特別要注意科學(xué)目標(biāo)的合理制定，處理好科學(xué)目標(biāo)和工程目標(biāo)間的關(guān)系。

能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)，除了與航天器性能及有效載荷的質(zhì)量有關(guān)外，另一個(gè)重要因素是空間環(huán)境適應(yīng)性。航天器再先進(jìn)，儀器的性能再好，但不適應(yīng)所處的空間環(huán)境，也不可能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。特別是未來(lái)的深空探測(cè)，要面對(duì)的往往是極端的空間環(huán)境。因此，加強(qiáng)地面空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)研究，是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的工作。

我國(guó)在空間環(huán)境模擬試驗(yàn)方面取得了很大的成績(jī)，保證了我國(guó)多種型號(hào)航天器任務(wù)的執(zhí)行。但面向未來(lái)深空探測(cè)的需要，現(xiàn)有設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任?？臻g環(huán)境模擬試驗(yàn)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。特別是對(duì)于極冷、高溫和強(qiáng)輻射環(huán)境，建立起完備的模擬系統(tǒng)絕非易事。有關(guān)主管部門(mén)應(yīng)當(dāng)重視空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)，特別是那些具有綜合性和難度較大的工程，要像對(duì)待一個(gè)重大探測(cè)項(xiàng)目那樣，首先進(jìn)行前期論證，對(duì)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x、試驗(yàn)要求以及總體框架等進(jìn)行廣泛和深入的研究。在此基礎(chǔ)上，擇優(yōu)選擇最佳方案，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，使我國(guó)的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)盡快達(dá)到世界先進(jìn)水平，服務(wù)于未來(lái)的深空探測(cè)任務(wù)。

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（編輯：閆德葵）

Future deep space exploration and related space environmental simulation

JIAO Weixin

(Research Center of Planetary and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China)

The future deep space exploration programs are reviewed, including the ExoMars, the 2020 Mars rover, the VICI, the Europa Clipper, the JUICE, the Dragonfly, and the CAESAR. The special requirements of the space environmental simulation for future deep space missions are analyzed, with emphasis on the importance of the space environmental simulation in promoting the deep space explorations. Suggestions are made for improving the related environmental simulation technologies in China.

deep space exploration; Mars; Venus; Europa; Titan; CAESAR program; space environmental simulation

V476; V529.1; V416.5

A

1673-1379(2018)02-0103-08

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.001

焦維新（1946—），男，教授，長(zhǎng)期從事空間探測(cè)技術(shù)以及行星科學(xué)的教學(xué)與研究工作。E-mail: jiao@pku.edu.cn。

2018-02-23；

2018-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41374181）