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2015年度太空探索盘点

时间:2016年01月21日 信息来源:科普中国 点击: 【字体:

[摘要]刚刚过去的2015年是太空探索异彩纷呈的一年,这一年到底发生了哪些太空探索的大事?让我们一一盘点2015年太空探索的“头条君”们。

出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台郑永春

监制:中国科学院计算机网络信息中心

探索未知世界是人类的天性,好奇心驱使人类加快太空探索的步伐。刚刚过去的2015年是太空探索异彩纷呈的一年,这一年到底发生了哪些太空探索的大事?让我们一一盘点2015年太空探索的“头条君”们。

一、冥王星“热”了

我们知道,冥王星所在的地方是非常寒冷、非常黑暗的世界,温度可以达到零下二百多摄氏度,不会有液态水,也没有生命,冥王星长久以来是黑暗中的一个非常黯淡的小圆点。但在2015年,“新视野号”的飞越探测发现,在冰冻的冥王星上也有冰山、冰原以及冰岸线。尤其是冥王星那萌哒哒的“爱心”温暖了很多人的心。

二、火星更“火”了

以前有很多科幻小说写过火星,但火星从来没有像2015年如此火爆。一是,在火星上发现了液态水,即现在火星零下五六十摄氏度的低温下,还有流动的液态水,这给人类移民火星的可能性提供了更多的想象空间。二是,发现了火星大气消失之谜,即太阳风把火星曾经浓厚的大气层吹走了。地球大气层会不会有与火星大气类似的命运,地球大气层会不会消失,这给人类的未来带来了一丝担忧。三是,太空科幻大片《火星救援》全国热映,在未来20年里,人类更将登陆火星,但我们呼吁的中国原创太空大片何时才能出现?

三、地球变“多”了

2015年7月开普勒太空望远镜发现迄今为止最像地球的系外行星——开普勒452b,让我们了解原来在太阳系以外还有很多类似地球的行星。那么,未来人类是不是有可能抵达这些星球,我们能否在那里找到跟人类相似的高等智慧生命?

四、火箭回收了

众所周知,以往的火箭都是昂贵的“一次性易耗品”,而在2015年12月22日,民营航天企业SpaceX公司再次惊动了全球航天界甚至科技界。他们研发的猎鹰九号火箭的第一级在经历太空飞行之后,再次进入地球大气层,在世界上首次实现了运载火箭的成功回收。如此,人类进入太空的成本或许将大幅降低,世界将迎来商业航天的春天,这为航天业的发展带来前所未有的深刻变革。

五、中国有“为”了

2015年底,中国第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”上天,它翻到九霄云外用火眼金睛去探索那看不到的暗物质。选址贵州喀斯特洼地、正在建设中的世界最大500米口径射电望远镜完成了馈源升舱,建成后将探测到更遥远、更暗弱的天体信号。与此同时,中国新一代运载火箭长征五号、长征六号、长征七号和长征十一号研制和发射取得突破性进展,为我国航天事业发展提供了动力基础。

六、行星探索争芳菲

2015年,美国黎明号小行星探测器进入环绕谷神星的轨道开展科学探测;探测水星的信使号撞击水星北极完成使命;日本拂晓号金星探测器时隔五年后再次尝试进入环绕金星的轨道获得成功;卡西尼号探测土卫二上的喷泉。行星探测的新进展让我们慢慢摸清整个太阳系的全貌。

一、冥王星“热”了

北京时间2015年7月14日19:49分,“新视野号”飞船抵达最接近冥王星的位置,距离冥王星表面约为1.25万千米。20:04分,“新视野号”最接近冥卫一,距离冥卫一表面约为2.88万千米。这是人类历史上第一次近距离飞越探测冥王星。

谁也没有想到黑暗中人类见到冥王星的第一面,竟然是它的“笑脸”和一个大大的“爱心”,科学家没有想到,公众更没有想到。

在2015年7月成功飞越冥王星之后的3个月,新视野号科学团队发表了《冥王星系统:新视野号探测的初步结果》的第一篇研究成果论文,刊登在2015年10月16日出版的《科学》(Science)杂志封面。论文的作者人数达150多人,第一作者是新视野号首席科学家、美国西南研究院的艾伦·斯特恩(Alan Stern)。新视野号让人类第一次近距离观察这颗神奇的矮行星和它的卫星系统。文章揭示了冥王星表面丰富的地形地貌,蓝色的天空,以及多样化的卫星。在新视野号探测冥王星之前,没有人预料到在太阳系偏远角落的极寒地带,居然还有这么活跃的地质现象。

冥王星的天是蓝蓝的天,地球上的人们好喜欢。

根据2015年10月8日公布的最新图片,新视野号发现显示冥王星上空有一层薄薄的蓝色雾霾层。科学家推测,冥王星高空的霾层与土卫六上的霾层在本质上是相似的,都是太阳光引起大气中的氮气和甲烷发生光化学反应,生成烟灰状的小颗粒。当大气层中含有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、氨(NH3)、水(H2O)、甲醛(HCHO)、硫化氢(H2S)等成分时,太阳光中的紫外线或大气闪电提供的能量,将驱动大气光化学反应,合成一些列复杂的固态有机化合物,著名的行星科学家卡尔·萨根把这些烟雾颗粒称为索林(Tholins)。索林本身的颜色可能是灰色或者红色的,但在大气层中,这些烟雾颗粒会散射蓝光,使得天空呈现蓝色。通常情况下,蓝色的天空一般是细颗粒物质散射太阳光导致的,地球上的蓝天是极微小的氮气分子引起的,而冥王星上的颗粒会稍微大一些,类似于我们熟知的烟尘。因此,冥王星浅蓝色的天空实际上泄露了它的大气成分和烟尘颗粒大小的秘密。

冥王星上发现了高达3500米的山脉,极低温下的水冰强度与岩石相似,才有可能支撑如此高的山脉;王星和冥卫一表面的某些区域撞击坑很少,说明这些地区曾经有过活跃的地质活动,改变了它的表面地形,其表面年龄相对较年轻;冥王星表面应该覆盖甲烷冰、氮冰等挥发性更强的物质,但却探测到局部区域出露水冰;3D地形图显示冥王星上可能存在冰火山,这些地质活动的能量来源之谜还有待回答。

2015年8月29日,美国宇航局公布了新视野号飞船在飞越冥王星之后的下一个探测目标:运行在冥王星以远16亿千米轨道、编号为2014 MU69的柯依伯带天体。新视野号携带的推进剂只有66千克,每点火一次,燃料就减少一些。由于新视野号的飞行速度高达每小时七万千米,改变飞行轨迹需要消耗大量推进剂,因此下一个探测目标只能在原有飞行轨迹附近选择,不能偏离原轨迹太远。2015年10月下旬和11月上旬,飞船开展了一系列轨道机动,使其朝着2014 MU69飞行,并将于2019年1月1日飞越探测目标,庆祝地球新年的到来。

2014 MU69是柯依伯带中的一种古老天体类型,去往该天体比其他候选目标的推进剂消耗要少得多,由于人类对2014 MU69了解很少,所以要尽可能节省推进剂,以应付无法预测的意外情况。

冥王星探索的科学成果将写入全人类的行星科学教科书,激励年轻一代太空探索的梦想,去往更遥远的太阳系边缘,因为那里还有更神奇现象在等待着他们。


2015年度太空探索盘点


新视野号飞越冥王星开展近距离探测

二、火星更“火”了

1) 《火星救援》热映,展现未来现实

年度太空科幻大片《火星救援》于2015年11月25日登陆各大院线,在寒冷冬日掀起观影热潮。地球人如何在火星上生存?正如贝爷拍摄的系列纪录片《荒野求生》被很多户外运动爱好者作为野外生存指南一样,由马特·达蒙主演的年度科幻大片《火星救援》以其丰富的科学内涵和坚实的技术背景,在某种程度上可以作为人类登陆火星前的预演。

《火星救援》拥有丰富的科学知识,真实模拟了NASA未来的载人火星旅行。故事发生的时间,以及探索火星采用的技术手段,很多是根据NASA的载人登陆火星计划演化而来的。影片中用到了大量NASA正在研发或已真实应用于太空探索的高技术装备。《火星救援》并非幻想,而是展现了二十年后的现实世界。

随着科技的发展,太空科幻作品与现实航天科技的界线越来越模糊,昨天曾经畅想的太空科幻,已在今日成为现实。太空科幻片既具有显著的商业价值,又满足了人类的好奇心,传播了探索未知世界的科学精神。拍摄太空科幻片不仅需要强大的特技制作能力,更需要天文和行星科学家、航天工程师们深度参与到剧本创作和拍摄过程中,只有这样才能使每一个细节都不违背科学常识,每一项技术是基于现有技术能力的合理拓展,而这恰恰是太空大片拍摄的难点所在。中国庞大的科幻人群和太空迷,一直翘首以待我们原创的太空科幻大片,好在有消息称,《三体》已经开始进行影片制作,期待能够尽快填补空白。

2) 火星发现液态水,生命信号尚可待

2015年9月28日,美国宇航局抛出“火星之谜已解开”的重磅新闻:光谱探测证据显示,火星上现在就有液态水。事情缘于2011年从火星高分辨照片中发现的一种新的地质现象——季节性坡纹。季节性坡纹是一种颜色较暗(即反射率较低)的狭长条纹,在火星表面相当活跃。当火星上每年春季气温上升时,季节性坡纹开始形成并发育壮大,在整个夏季变得越来越明显,当秋冬季节气温下降时,这些坡纹又慢慢消失。即季节性反复出现在火星斜坡上的一些纹理特征。

利用搭载在火星勘测轨道器上的高分辨率成像科学设备(HiRISE)和紧凑型火星勘测成像光谱仪(CRISM)获得的数据,发现季节性坡纹的光谱与水合盐类物质的光谱具有相同的吸收特征,确定季节性坡纹中存在水合盐类。高氯酸盐等水合盐类的存在大大降低了火星上允许液态水存在的温度范围,冰点拓展至零下70摄氏度,沸点提升至24摄氏度,而纯净的液态水在火星上只能在0至10摄氏度存在。

富含高氯酸盐的液态水的发现增加了火星上存在宜居环境的可能性,美国宇航局未来将致力于研究这些卤水的来源及其储量。根据地球的经验,只要有液态水并且有一定的热量,几乎肯定可以有生命存活。此次发布的重要成果,为下一步在火星上寻找生命提供了希望。由于直接探测生命存在技术困难,因此寻找火星上具备生命物质产生、生存与发展的环境条件成为解决问题的关键,旨在回答水的存在、水体发育程度、气候条件、土壤中微生物等。搜寻火星生命信号将成为未来火星探测的热点与重点。

3) 火星大气“吹跑了”,地球大气勿担忧

2015年11月6日,美国宇航局通过NASA电视台在其华盛顿总部的詹姆斯·韦伯礼堂举行新闻发布会,介绍马文号(MAVEN)探测火星大气的重要发现。

马文号是火星大气与挥发分演化探测器的英文缩写,是第一颗专门研究火星高层大气的探测器,目的是回答火星大气消失之谜。2013年11月19日发射,2014年9月22日进入环绕火星的椭圆轨道。目前已在轨探测一年多,在火星北半球发现了紫外线极光,并在高层大气中探测到神秘尘埃云。

之前的火星探测任务已经证明,火星曾经有过大规模的液态水,这要求火星有浓厚的二氧化碳大气层,以实现持有液态水所需的温室效应。但火星大气层中的二氧化碳来自哪里?火星上的液态水都到哪里去了?由于火星表面或次表层都没有发现丰富的含碳矿物,所以火星曾经浓厚的二氧化碳大气层不太可能被埋藏到了地下,而火星大气逃逸、消散到太空中可能是火星气候变化和大气层消失的主要原因。马文号通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用,研究火星大气逃逸过程。

由于火星没有全球性的磁场,太阳风可以直接抵达火星,将火星高层大气中的带电离子驱赶走。研究发现,火星大气逃逸主要发生在三个区域:一是太阳风吹到火星背面,占大气逃逸总量的75%;二是极区上空,占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层,仅占大气逃逸总量的很小部分。当太阳风暴击中火星大气层时,大气逃逸速率将提高约10-20%,平均每秒约有100克的大气被吹走。经过40亿年的太阳风吹拂,火星大气密度逐渐降低,对火星气候变迁产生了巨大影响。而地球由于有磁场的保护,带电的太阳风离子无法直接抵达地球大气层,导致太阳风离子对地球和火星大气产生了不同的影响。


2015年度太空探索盘点


太阳风“吹”走了火星曾经浓厚的大气层

4) NASA雄心坚不灭,载人登火立壮志

在太阳系中,火星的自然环境与地球最相似,是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。科学界越来越清晰地认识到,火星是人类面临重大灾难时最有可能去的避险地。

当前,火星上空共有5颗火星轨道探测器正在工作,其中包括2001年发射的“奥德赛”号火星轨道器、2005年发射的“火星勘测轨道器”、2013年发射的马文号、欧空局2003年发射的“火星快车”轨道器、印度2013年发射曼加里安号。火星表面还有两辆火星车正在工作,分别是2003年发射的“机遇”号和2011年发射的好奇号。

火星是美国太阳系探测战略的核心。目前,火星探测的科学战略从早期的全球普查,逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测;从火星找水逐步转到寻找生命信息。2015年9月,宣布火星现存液态水;2015年11月,宣布揭开火星大气消失之谜。有人说,2015年NASA在火星上发力过猛,实际上背后是它希望尽早实现载人登陆火星的远大梦想。

美国国会也对NASA在2015年的成绩给予充分认可,2015年12月底,国会通过一项预算法案,给美国宇航局拨付不少于5500万美元的预算,资助他们用两年时间,于2018年前研制完成用于载人深空探索的太空居住舱,这个适合宇航员长期居住的生活舱,将是未来载人登陆火星计划的重要组成部分。


2015年度太空探索盘点


美国宇航局将用两年时间在2018年前研制完成用于载人深空探索的宇航员生活舱(图片来源:NASA)

由此可见,载人登陆火星的宏大目标已经成为全人类的共同梦想。然而,人类探索火星的道路将充满挑战,但这种挑战和冒险精神,才是人类社会蓬勃发展的原生动力。基于对科学发展战略的认识,我们不妨作一个大胆的预测,人类将在未来20年(2035年)左右首次登陆火星表面,航天员乘组很可能是多国合作的“联合国际”航天员。实现载人登陆火星后,长远将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。

三、地球变“多”了

2015年7月24日,美国宇航局召开新闻发布会,宣布开普勒太空望远镜发现了“另一个地球”——开普勒452b。“第二个地球”瞬间刷爆朋友圈,情绪亢奋、心潮澎湃者有之;脑洞大开、卖萌无限者有之;自然也有“切”的一声、扭头不屑者。

NASA提前3天预告的新闻发布会吊足了大家的胃口,但其科学分量并不值得如此大张旗鼓。以笔者的分析,这一成果更像是寿命即将终结的开普勒太空望远镜向全球公众,特别是美国政府、国会和纳税人的“汇报演出”,目的是告诉他们,你们给的6亿多美元花完了,但这些钱没有白花,希望你们继续支持未来的太空研究。

实际上,开普勒望远镜前几年已召开过数次发布会,数次宣布发现了第二个地球、超级地球等。2015年1月6日,NASA曾经发布开普勒望远镜发现的第1000颗系外行星,其中开普勒438b、开普勒442b、开普勒440b等三颗行星的运行轨道位于宜居带内,当时报道也称之为“另一个地球”。但那三颗行星围绕运行的恒星是质量较小、温度较低的红矮星,而开普勒452b围绕运行的是一颗与太阳相似的恒星——开普勒452,是迄今为止最像地球的系外行星。


2015年度太空探索盘点

开普勒452b的直径略大于地球,和中心恒星之间的距离与日地距离相似,比开普勒186f更像地球

开普勒452b的直径比地球大60%,距离地球约1400光年(1光年约等于10万亿千米),位于天鹅座。轨道周期(一年)约为385天,接近地球上的一年365天。由于这颗系外行星与母恒星的距离适中,位于温度适宜的宜居带,科学家猜想它的表面可能存在液态水。

虽然开普勒452b的直径和轨道周期与地球相似,也位于母恒星的宜居带内,但到底有无生命、大气、海洋、陆地,我们其实是不清楚的。所以,所谓的第二个地球其实并不是严格意义上的“另一个地球”,只能说是迄今为止与地球最相似的系外行星。人类未来的命运仍牢牢系于太阳系内的地球,除了地球,我们别无所依。

由于开普勒望远镜采用“凌日”法寻找系外行星,只能测量系外行星的直径大小,无法估算其质量,无法根据密度判断开普勒452b究竟是不是岩石质。但根据理论模型推测,开普勒452b的质量可能约为地球的5倍,若推测成立,则它应该是一颗岩石行星,而不是像木星、土星、海王星那样气液态的巨行星。

根据估算,恒星开普勒452的年龄约为60亿年,比太阳还要老15亿年,围绕这颗恒星运行的开普勒452b 的年龄也接近60亿年。由于恒星的光度会随着年龄增长而老当益壮,逐渐增强,因此在开普勒452b形成后的50亿年内,这颗系外行星接收到的光照强度应该比地球弱,但如今开普勒452b接收到的光照强度已经超过了地球。这说明随着太阳年龄的增长,地球上接收到的光照强度也将逐渐增强。

四、火箭回收了

1) 重重失败终不渝,卧薪尝胆获成功

2015年12月22日,在圣诞节这一西方人最重要的节日之前,一家民营航天公司SpaceX再次惊动了全世界的航天界甚至科技界。他们研发的猎鹰九号火箭不仅把Orbcomm公司的11颗卫星(每颗重172千克)送入近地点620千米、远地点660千米的近似圆轨道,而且火箭的第一级在经历太空飞行之后,再次进入地球大气层。在点火发射升空的9分40秒后,第一级火箭稳稳站立在发射场附近的陆上着陆平台,在世界上首次实现了运载火箭的成功回收。在经历了2015年初以来的数次失败之后,研发团队终于可以安心回家欢度新年了。

在猎鹰九号的第一级火箭实现成功回收之前,是一连串的失败。

2015年1月10日,猎鹰九号在执行CRS-5发射任务时测试火箭回收技术。第一级火箭在发射后,落向大西洋上一艘驳船改装的着陆平台,虽然准确地命中目标,但由于下降速度过快,导致火箭在甲板上发生爆炸。

2015年2月12日,猎鹰九号在为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站(DSCOVER)卫星时再次测试火箭回收技术。由于当时海上风浪很大,驳船被迫撤回,火箭虽然在海面上成功软着陆,但最终落入水中。

2015年4月14日,猎鹰九号在执行CRS-6发射任务时再次测试火箭回收技术。虽然一级火箭准确着陆在驳船甲板上,但由于横向速度过大,火箭未能在甲板上稳稳站立,最终导致倾覆爆炸。

2015年6月28日,猎鹰九号第三次尝试海上回收火箭。但这次更惨,遭遇到了发射失败,火箭以及给国际空间站运货的飞船,统统在高空解体。

连战连败,SpaceX开始闭门思过,认真检查每一个环节,改进了发动机引擎和火箭的多级分离系统,并调整了燃料配方。闭关半年之后的12月22日,赶在圣诞节这一西方人最重要的节日之前。SpaceX再次测试火箭回收技术,终获成功。

北京时间11月24日,美国另一家原本知名度不高的民营航天企业蓝色起源公司成功实现了新谢泼德火箭的软着陆,实现了回收。但新谢泼德火箭只是一枚探空火箭,只能用于地球大气层内的亚轨道飞行,无法飞出地球大气层,也没有发射航天器的能力,只适用于开展商业太空旅游体验。

2) 火箭回收难何处

火箭回收技术几十年没有突破,难就难在十分复杂的电子系统上。电子系统是火箭的大脑,由遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数,然后通过信息汇总、计算,及时调整飞行方案,这一过程类似大脑的思考和决策过程。通过各种控制部件,执行指令,这一过程类似大脑控制我们身体上的各种运动器官。猎鹰九号火箭实现成功回收,足以证明该型火箭的电子系统十分强大。

猎鹰火箭要实现平稳着陆,成功回收,可以调节推力的火箭发动机是成功的关键。猎鹰九号的第一级火箭共有九台发动机,发射的时候九台发动机一起点火,用大推力使火箭摆脱地球引力升空。而在回收着陆的时候,猎鹰九号关闭其中的六台发动机,只剩三台继续工作。而且,这三台发动机的推力是精确可调的,这样才能使庞大身躯的火箭在刚刚着地时的速度基本为零,平稳地降落在平台上。

要实现发动机推力可调,就需要改变燃烧室、燃料泵等的设计,实时调节发动机内部的温度和压力,并调节燃料的流量。这种推力可调发动机既要用于火箭发射阶段的大推力提升,又要用于回收时的小推力减速反推。相当于一个人既要获得世界举重冠军,又要能干十分灵巧的绣花活,实际上是一件很难的事情。一旦实现发动机推力可调,就可以实现火箭的定时、定点入轨,相当于给火箭安装了油门,可以实现与其他航天器的快速交会对接。

3) SpaceX对航天业影响深远

虽然火箭可回收,与汽车可加油还是有相当差异的。毕竟那么庞大的一个物体经过了高速飞行,经历了高温燃烧,有些部件是无法重复利用的。但确确实实可以大幅度地降低成本,至少价值数百万、上千万美元的发动机不再是一次性的,可以回收再次利用。

国外相关资料表明,硬件成本占火箭发射成本的绝大部分,其中发动机是火箭的心脏,也是最值钱的部分。而作为燃料的推进剂只占发射成本1%左右。当然,推进剂不同,火箭燃料成本所占比例也有所不同。

传统航天企业生产火箭多采用研发模式,成本长期居高不下。而民营的SpaceX公司采用了商业化生产模式,像生产冰箱、洗衣机等民用产品一样,通过商品化、规模化降低生产成本。猎鹰九号火箭的标准发射费用为5400万美元,即便不回收,猎鹰九号已经成为世界上最便宜的发射工具。SpaceX作为一家民营航天企业,不仅成功地降低了进入太空的成本,也改变了航天高高在上的神秘感,像春晚那样向全球直播火箭发射盛况,使航天发展贴近民众,越来越多的普通人都可以方便地接触到航天并从中受益。

乔布斯和他领导研发的智能手机,使手机从单纯的通信工具变成了一台微型电脑,成为了个人生活和娱乐中心,更颠覆了传统手机行业的格局。马斯克和他领导研发的可回收火箭,对航天业的影响还远没有发挥出来,或许将改变整个航天业的发展格局。这一点,需要中国航天界引起足够的重视。


2015年度太空探索盘点


猎鹰九号火箭成功回收的着陆瞬间

五、中国有“为”了

1) “悟空”寻找暗物质,开启空间科学新时代

2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺利进入预定转移轨道。这标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。

“悟空”的长宽高分别是1.5米、1.5米、1.2米,整体质量为1.85吨,有效载荷质量为1.4吨,轨道高度为500千米,寿命在3年以上,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。“悟空”实质上是一架太空望远镜,主要用于观测高能电子及高能伽马射线,探寻暗物质存在的证据,研究太空中暗物质特性与空间分布规律。

暗物质是宇宙大爆炸的产物,在宇宙演化中起着决定性作用,也决定着宇宙未来的命运。万有引力定律证实,暗物质和暗能量占宇宙的95%以上,我们周围每1立方厘米的空气中平均可能有上千颗暗物质粒子,但从未被直接观测过。

暗物质本身不带电荷,也不会与电磁场发生相互作用,能像幽灵一样穿透阻碍物。物质与反物质一旦相遇就发生湮灭,产生巨大能量,但暗物质的反物质就是它本身,当暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,将产生巨大的能量。“悟空”的主要目标就是监测暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,并精确测量这些粒子的能谱,间接证明暗物质的存在。

2013年正式启动的中国科学院空间科学先导专项,目前已启动了五颗科学实验卫星的研制工作,除2015年已经成功发射的暗物质粒子探测卫星外,2016年开始还将陆续发射量子科学实验卫星、实践十号返回式科学实验卫星、硬X射线调制望远镜卫星等,开启中国空间科学研究的新时代。

2) FAST望远镜馈源安装成功

射电望远镜是用来“观测”从天空中各个方向发来的电波的一种天文仪器,具有高定向性天线和相应的电子设备。2015年7月23日,我国建设的世界最大单口径球面射电望远镜的重要设备——500米口径球面射电望远镜(FAST)反射面单元面板第一批1000个单元“就位”开始在贵州省黔南进行现场拼装。2015年9月30日,工程进入最后冲刺阶段。截至2015年12月21日,反射面安装近半,被誉为中国“天眼”的FAST已具雏形。

FAST为何选址黔南?

主要原因是喀斯特地貌最接近FAST的造型,工程土石方开挖量最小;其次,喀斯特地区雨水将向地下快速渗透,不会在地表滞留而损坏和腐蚀望远镜;再次,所在区域人烟稀少,方圆5千米半径之内没有一个乡镇,射电望远镜所需的无线电环境十分理想。

3) 航天纪念钱币首发,一抢而空追捧热

2015年11月26日,中国人民银行正式发行航天纪念币和航天纪念钞。在正式发行前的线上和线下预约中,航天纪念币和纪念钞引发航天爱好者、收藏爱好者以及普通公众的热烈追捧。2015年11月10日启动预约当天,各大城市的网上预约额度几乎是一抢而空。那么,到底有哪些航天元素登上了纪念币(钞)?

此次发行的航天纪念币,正面和其他正式货币相似,主景图案是国徽,上面是“中华人民共和国”字样,下方刊年号“2015”,一目了然,简单明了。背面以神舟飞船对接天宫一号目标飞行器为主景,体现了载人航天工程在国人心中的重要地位。背景外环自右向左逆时针分别是在中国航天史上占据重要地位的4个航天器:我国首颗人造地球卫星“东方红一号”、执行我国首次载人航天任务的“神舟五号”飞船、我国首颗月球探测器“嫦娥一号”和我国首辆月面巡视器“玉兔”月球车。接着分别是代表中国人千年飞天梦想的嫦娥奔月、抽象表达的地球、执行载人航天发射任务的长征二号F型功勋火箭,代表中国人从地球出发,飞向太空,飞向月球。右下方是和平鸽,并逐渐演变成国旗上的五角星和太空中的恒星,象征着中国航天以和平利用太空为目标。纪念币上镌刻着满满当当的航天元素,既精致秀美又科技感十足,寓意中国航天事业发展的辉煌业绩和光明前景。

航天纪念钞的主色调为蓝色,正面主景图案是神舟飞船与天宫一号交会对接图案,远景是“东方红一号”卫星和“嫦娥一号”月球探测器。背面主景图案由左向右依次为飞禽海东青、“冯如2号”双翼螺旋桨飞机、喷气式客机、中国未来的“天宫”空间站、“嫦娥一号”,象征着中国人从地面飞向空中,又从空中飞向太空甚至遥远的月球的漫漫征程。此次发行的航天纪念钞是新中国成立以来发行的第四套纪念钞,也是首个航天题材纪念钞,无疑具有重要的里程碑意义,体现了中国航天事业发展在现阶段的重大社会影响。

纵观整个纪念币和纪念钞,除象征中国航天事业起步的“东方红”卫星之外,占据主体位置的是我国两大航天工程——载人航天和探月工程,体现了两大工程在我国航天发展史上的重要地位。选择现在这个时机发行航天纪念币(钞),标志着两大航天工程已经获得了阶段性的胜利,并即将提升到一个新的台阶。

在载人航天方面,截至2013年完成神舟十号任务之后,中国载人航天已经突破了天地往返运输、航天员出舱以及交会对接三大关键技术,载人航天事业进入了建设空间站的新的历史阶段。2016年,我国将发射天宫二号空间实验室,并进入空间站研制建设阶段。可以预期的是,中国即将迎来大规模的空间应用阶段,载人航天工程的应用效益将越来越凸显。

探月工程方面,2013年,嫦娥三号成功着陆在月球正面雨海北部的虹湾附近,并释放“玉兔”月球车驶上月球表面,成为阿波罗登月之后人类首个登陆月面的软着陆探测器和月面巡视器。至此,探月工程二期圆满完成。2017年,中国将发射“嫦娥五号”探测器,采集月球样品并返回地球,包括“绕、落、回”三个阶段的中国探月工程将进入第三阶段。月面采样返回势必将引发全球公众的广泛关注,并带来更多的月球科学新发现和创新成果。

航天事业是一项高科技密集的系统工程,是前沿科学和尖端技术的代表,往往给很多人一种高高在上的冷艳感。但这次通过发行航天纪念币(钞),给了航天事业一个接近普通公众、走进千家万户的极好机会。很多朋友在网络抢注预订纪念币(钞)的时候说:希望用航天纪念币(钞)给孩子当压岁钱。如果我们在给孩子包压岁钱的时候,顺便了解一下纪念币(钞)上的航天元素,再给孩子们讲一讲火箭、卫星、飞船等航天故事和月球、火星、小行星和彗星等科学进展,这无疑是一次重要的科普活动。这样的“压岁钱”既能激起孩子们对太空探索的兴趣,点燃他们探索未知世界的梦想和热情,又润物细无声地传播了科学探索的价值,教育下一代的作用在潜移默化中自然而然地完成。

4) 中国商业航天迎元年

2015年8月16日,日本著名酿酒商三得利公司将威士忌等六份酒类样品送到国际空间站日本实验舱内,目的是测试失重环境对酒醇熟化的影响,探索太空环境是否能够提高这些酒的口感。数年前,谷歌为了鼓励私人机构投身航天事业,设立总额2亿美元的月球X奖,只要将机器人送上月球表面行驶500米并将视频传回地球,即可获此大奖。在国内,航天育种、太空辣椒炒得风生水起,蒙牛、燕京等企业借助航天提高品牌知名度,百度、腾讯等互联网巨头希望开展或已经开始航天相关业务。

商业航天是航天事业未来发展的蓝海。从2007年开始,全球太空产业以每年6-7%的速度增长,世界商业航天蓬勃发展,从2010年的2616亿美金已经发展到2014年的超过3300亿美元。SpaceX公司已经开始为国际空间站提供货物运输服务,维珍银河公司正在努力为普通人提供太空旅游服务,蓝色起源公司正在研发可重复使用的运载火箭和低轨道飞船,以降低载人航天的成本。

2015年是中国商业航天发展元年。这一年,商业航天在中国正式破冰起航。

2015年9月,经财政部批准,航天科技集团成立了四维商遥公司,致力于为全球用户提供以高时空分辨率和高光谱观测能力的遥感数据服务和系统解决方案。按照计划,将于2016年年底前进行首次发射,2022年左右建成0.5米级高分辨率商业遥感卫星系统。

2015年10月7日,我国第一颗商业高分辨遥感卫星吉林一号组星(1颗光学遥感卫星、2颗视频卫星和1颗技术验证卫星)成功发射升空。依托中科院长春光机所在光学设备研发方面的雄厚积累,吉林一号获得的高分辨率遥感图像分辨率达0.72米,数据质量已经可以媲美快鸟2号。

2015年10月30日,中国卫星应用大会暨中国国际卫星应用技术与设备博览会在北京举行,首届中国商业航天高峰论坛同一天在武汉举行。一南一北的两个论坛,关于卫星、技术、资本、商业、市场的思想和观点正在交汇。论坛上传出的声音,预示着商业航天将在中国快速发展。

然而,要实现商业化航天,卫星成功发射只是事业的起点,要实现卫星星座组网、高效运营,挖掘潜在用户,发挥市场潜力并创造商业价值,后面的道路更长、更艰难、更无迹可寻。对于期待进入商业航天领域的外部企业而言,虽然前景诱人,但这片陌生海域荆棘遍地,只有找准切入点,找到潜在的发力点,才有发展壮大的希望。

为了推动中国商业航天的发展,政府管理部门应及时高效地修订卫星发射、数据分发、市场准入等政策,致力于打开商业航天发展的外部生态链,让民企进入航天上下游领域,参与公平竞争,使他们围绕航天生存。传统航天业应主动迎合商业航天发展的时代潮流,因势利导,在开放中求发展。通过引入外部力量,为传统航天企业带来新思想、新模式,这些既竞争又合作的外部力量,无疑可以促进航天企业的改革和发展。

商业航天的发展,将构建起从飞天梦想到市场价值的完整链条,让中国人的生活更加美好。

5) 中国新型火箭研制成功,发射频次再创新高

随着航天运输的需求越来越多样化,传统的运载火箭已经到了不得不更新换代的阶段。当前,世界各航天大国正在致力于研发新一代运载火箭,将采用大量的新技术和新材料,实现降低成本、提高可能性、满足多样化需求的目标。

俄罗斯正在致力于研制安加拉系列火箭(Angara),2014年12月23号,“安加拉-A5”型火箭在普列谢茨克发射,迈出了成功的一步。美国正在研发的新一代重型运载火箭“太空发射系统”(Space Launch System),运载能力超过130吨,号称是人类历史上最强大的运载火箭系统,在未来的载人登陆火星和载人深空探索中将发挥关键作用。2015年3月11日,“太空发射系统”进行了试验性发射,首次正式发射将于2017年进行。欧洲致力于研发新的阿丽亚娜6型火箭,计划于2020年进行首次发射,2021年发射次数增加到4次,2023年开始年发射次数增加到11次。日本正在研制H-X新一代火箭,通过采用前沿技术,以期实现航天运输的低成本和高可靠。

2015年,中国新一代长征系列运载火箭研制取得了突破性进展。

长征五号:长征五号是中国运载能力最大的火箭,采用液氧液氢燃料,推力大、无污染,能一次将20多吨的大型设备送入轨道,中国航天发射能力将跨上全新的层次。2016年1月5日上午,长征五号重型火箭(合练箭)在新落成的海南文昌发射中心完成相关综合演练,为正式发射进行前期准备和检测。

长征六号:2015年9月20日7时01分,我国在太原卫星发射中心用全新研制的长征六号运载火箭,成功将20颗卫星发射升空,开创了我国一箭多星发射的新纪录。这是我国新一代运载火箭的首次发射,标志着我国运载火箭应用进入新纪元。长征六号运载火箭全长29米,起飞推力1200千牛,具有大推力、高可靠性、高适应性、低成本、无毒无污染等优势。

长征七号:长征七号计划于2016年进行两次发射, 2016年4月进行试验性发射,验证火箭载荷能力,2016年中下旬进行第一次正式发射。长征七号采用了先进的助推器与芯级捆绑技术,运载能力将达到近地轨道13.5吨,太阳同步轨道5500千克。长征七号将成为中国未来最主要的运载火箭,80%的发射任务都将使用七号进行,逐步替代现有的长征二号、三号、四号系列。

长征十一号:2015年9月25日9点41分,长征系列火箭第一款固体运载火箭长征十一号在酒泉卫星发射中心成功发射。相比液体运载火箭发射需要20—30天的准备周期,长征十一号固体运载火箭可以在24小时之内实现快速发射。

2015年12月29日0时04分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射高分四号卫星。至此,2015年19次航天发射全部成功,我国航天发射“十二五”任务圆满收官。2016年,我国计划实施20余次宇航发射任务,将实现年宇航发射次数首次突破20次。

2016年发射任务中,15次为重大专项任务或首飞任务。载人航天就将实现长征七号首飞、神舟十一号载人飞船和天宫二号空间实验室的发射任务;北斗导航将完成两颗卫星发射任务,确保区域导航系统稳定运行;高分专项将发射高分三号卫星,完善我国高分辨率对地观测系统;长征五号运载火箭将实现首飞,为探月工程后续任务和载人空间站工程奠定重要基础。

六、行星探索争芳菲

1) 黎明号开始环绕探测谷神星

2015年3月6日,美国宇航局“黎明”号探测器进入谷神星轨道,成为有史以来首个环绕矮行星探测的航天器。2006年,当冥王星被降级为矮行星时,谷神星却同时被国际天文联合会从“小行星”升级为“矮行星”。

黎明号于2007年9月份发射升空,经过4年多的漫长飞行之后于2011年抵达它此行的首个目标灶神星,并环绕灶神星轨道上进行了为期一年的探测。灶神星(Vesta)和谷神星均位于火星与木星之间的小行星带。黎明号先后探测灶神星和谷神星,开创了人类航天史上首次由一艘飞船连续环绕两个不同天体运行的纪录。黎明号之所以能做到这一点,是由于采用了创新的离子发动机,其安装的3台离子发动机相比传统的化学发动机,其工作效率要高得多。

2015年3月,黎明号在谷神星表面发现了许多小亮点,其中最大的亮点出现在直径约90千米的“奥卡托”撞击坑。由于这些亮点最多只能反射50%的太阳光,其亮度表明不可能是间歇泉。由于谷神星表面的冰不可能长时间存在,很快就会升华,因此这些亮点也不可能是冰;这些亮点很有可能是盐类物质。2015年12月10日发表在《自然》杂志的论文认为,与盐混合在一起的是少量岩石和水冰,当太阳光照射时,水冰就会在撞击坑上空形成薄雾。另一篇发表在《自然》杂志的论文显示,“黎明”号探测器在谷神星上发现了富含氨的黏土。氨一般在寒冷的太阳系外围较为常见,这一发现说明谷神星上可能有部分外太阳系物质,甚至是形成于海王星附近的小行星向内迁移到小行星带的。

2) 卡西尼号探测土卫二

2015年10月28日,美国宇航局“卡西尼”探测器从49千米处近距离飞越探测土卫二,从土卫二南极喷发的羽状喷射物中飞过。自2005年发现土卫二上有喷泉后,这是“卡西尼”首次深入喷泉进行探测,土卫二也是太阳系中最有希望发现宜居环境的天体之一。

3) 信使号撞击水星完成探测使命

北京时间2015年5月1日凌晨,“信使号”按预定计划撞击水星北极地区,完成最终使命。自2004年8月3日发射升空后,“信使号”历时近7年,飞行79亿千米,经历5次复杂变轨,于2011年3月18日进入水星轨道,成为继1975年水手10号任务之后,人类发射的距水星最近的探测器,传回了大量科学探测数据。

此次撞击由总部设在约翰霍普金斯大学应用物理实验室的任务控制中心进行最终确认。在预定撞击发生后几分钟,NASA的“深空”(DSN)通信系统检测到位于来自水星背面的探测器信号中断,科学家由此判断“信使号”按计划坠落在水星北极附近的预定区域。此次撞击将在目标区域留下一个直径约为15米的撞击坑。

4) 日本拂晓号金星探测器重新入轨

太阳系中,金星是距离地球最近的行星,火星次之。金星和火星正好位于地球的两侧,金星在靠近太阳的内侧,火星在远离太阳的内侧。随着近些年人类火星探测不断取得新成果,人们对火星的了解也越来越深刻,美国还提出了未来载人登陆火星的计划。而对于金星及其探测成果,人们却知之甚少。一左一右,这“两位邻居”被关注的程度一远一疏,形成了强烈的反差。

2015年12月7日,日本首颗金星探测器“拂晓号”成功进入金星环绕轨道。5年前的同一天,“拂晓号”因主发动机阀门故障而未能成功入轨,与金星擦肩而过。

其实,人类对太阳系行星的深空探测最早是从金星开始的,迄今已有50年的历史。人类对金星探测曾有着辉煌的过去,但金星浓密的大气层所导致的高温高压环境,一方面杜绝了金星存在生命和人类移民的可能,另一方面也增大了人类探测金星的技术难度,严重打击了探索金星的热情。曾经硕果累累的金星探测如今居然到了鲜有人问津的地步。

金星给人的印象是一颗令人窒息的星球。二氧化碳占其大气成分的97%,具有十分强烈的温室效应,表面温度达400多摄氏度。加上金星上的大气压为地球表面的90倍,以及恐怖的硫酸雨,令人望而却步。然而,环境如此恶劣的金星在上世纪六七十年代却是美苏争霸的制高点之一。苏联在金星探测上表现出了战斗民族的相当“任性”的一面,并取得了重要发现和成果,西方甚至一度将金星称为“苏联的星球”。

当然,探测金星绝非易事。首先要克服金星上恶劣的环境,浓密的大气层对再入探测器而言是个极大的考验,需要更有效的隔热防护技术,这一点比登陆火星更为艰难。即便安全登陆金星表面,探测器也只能维持短短数小时的存活期,毕竟这里不是火山喷发就是下酸雨,还有雷电和高温,是个名副其实的炼狱世界。

与探测火星、登陆火星、改造火星和火星移民的长远战略相比,金星明显缺少水、氧气、生命、移居可能性这些吸引人类关注的“噱头”。但从抛除功利主义的科学探索而言,金星与地球的未来演化联系密切。金星的过去可能比现在要温和得多,是什么原因导致金星演化成如今这般狂暴的境地,弄清楚这一演化过程对地球的全球变暖和“改造火星”研究有重要参考价值。许多科学家认为,金星代表地球的过去,火星代表地球的未来,探测金星与探测火星具有同样重要的科学价值。

由于浓密大气层的阻挡,目前人类对金星表面的物质组成、地质构造、内部结构等的研究仍然是雾里看花,我们对这颗最近的行星的了解仍然相当薄弱。有鉴于此,2015年年初,俄罗斯继承原苏联的衣钵,重启金星探测计划,美国也正在制订一项用轨道器、浮空器等混合探测器探测金星的计划。相信随着航天技术的发展和金星科学研究的深化,人类有望重新认识金星。

5) 超级月亮、红月亮、蓝月亮、月全食

2015年9月27日是全球华人共同的中秋节。9月28日,我国公众迎来2015年最大最圆的月亮,又称“超级月亮”,而美洲、欧洲、非洲、西亚部分地区的公众除了能看到“超级月亮”,还能看到壮观的月全食和“红月亮”。

中秋节、超级月亮、月全食、红月亮、十五的月亮十六圆,这些难得一见的月球天文现象集中在一起轮番上演,为我们观月赏月提供了绝佳的机会。

6) 铂金小行星:一个美丽的误会

2015年7月19日,一颗小行星从距离地球二百多万千米处(地月距离的六倍)与地球“擦肩而过”,一些媒体报道这颗小行星可能含有约1亿吨铂金,称之为铂金小行星。这一平常的近地小行星飞越地球的事件,由于引人遐想的铂金矿产而引爆各大论坛,掀起了去太空采矿的热烈讨论。

所谓的铂金小行星,依据的理由是这颗小行星的外壳被剥掉后,只剩下富含金属的内核,其中包括镍、锰、铂、铱、钯等金属元素,并非人们常说的做首饰用的铂金。与小行星采矿相比,研发捕获小行星的技术,用于排除小行星对地球的撞击危险和探索太阳系的起源,比太空采矿更有现实意义。


结语

探索永无止境。太空探索事业的发展不仅可以拓展我们的知识疆界,满足人类对未知世界的好奇心,而且将极大地提升人类的技术能力,创造全新的商业机会和产业市场。

500年前的大航海时代,人类发现了地球上的新大陆;500年后的今天,人类将进入大航天时代。我们将从地球出发,登陆月球,登陆火星,将人类的足迹踏遍太阳系的各个角落,我们的征途是星辰大海。

回顾2015年度的太空探索新进展,我们可以发现,近地轨道的载人航天技术已经比较成熟,进入太空的门槛已经显著降低,太空旅游等商业化的载人航天时代已经不再遥远。2015年已经成为事实上的中国商业航天元年。产业界、科技界正在涌起商业化航天和航天商业化的热潮,航天发展正在从完全依靠政府投入转向凸显应用效益和经济效益的新阶段。

月球、火星、巨行星甚至冥王星等太阳系各类天体已经成为各国深空探测的热点,NASA不断发布的科学发现“头条”新闻不时刺激着中国科学家的神经,也刺激着国人对中国太空探索事业的更多期待。

未来二三十年内,人类将实现载人重返月球和建立月球基地,并从月球出发实现人类载人登陆火星,这一科学设想正在从概念、路线图一步步走向工程实践。面对遥遥领先的NASA,作为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家和阿波罗之后第一个实现月球软着陆和巡视探测的国家,中国在太空探索领域还有很大的进步空间和发展前景。


2015年度太空探索盘点


太空探索征途漫漫,前景光明

2015年度太空探索盘点

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(作者:佚名)
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