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“我國自主發射火星探測器一定要抓緊,再等下去,留給我們的空間不大了。”中科院院士、中國探月工程一期衛星系統總指揮兼總設計師葉培建一見面就這樣說道。
葉院士的話不無科學道理:地球和火星都繞着太陽轉,因而選擇兩個星球靠近的時候發射,整個轉移軌道消耗的能量最少,這種時機每26個月纔有一次。
深空探測的核心是資源
太空的高位置資源、環境資源、物質資源和信息資源,與人類生活息息相關
葉培建介紹,深空通常有從無線電和航天兩種定義。國際電聯從無線電角度定義的深空,是距離地球200萬公里的太空;而不同國家從航天角度對深空的定義則稍有差異。
在我國,月球及月球以遠的太空爲深空;歐洲則是指脫離地球引力場,進入太陽系空間和宇宙空間的探測。不論如何定義,深空探測主要內容包括,除地球之外,對太陽系的空間、各個行星及其衛星、小天體(主要爲小行星和彗星)的深入探測和天文觀測。
“地球上的事情都還沒有處理好,爲什麼要研究太空呢?”
葉培建經常遇到這樣的提問。
“最重要的一點,就是資源。”葉培建進一步解釋,太空有四大資源:高位置資源、環境資源、物質資源和信息資源,這些資源與人類生活息息相關。
“相對地球環境,空間環境具有高淨化、微重力等特點,這對製藥、冶金、提純等有巨大幫助。”葉培建認爲,深空探測能力是一個國家政治、經濟和科技實力的綜合表現和國家能力的象徵。“從某種意義上來說,誰佔據了太空,誰就主宰了世界。”
在葉培建看來,深空探測對了解宇宙的形成,以及太陽系,地球生命的演化等研究具有重要意義。深空探測可以解答地球如何起源與演變,行星和太陽系究竟是如何形成和演化,人類是不是宇宙中唯一的生命、地球的未來將如何等一系列問題。
深空探測還可以創造經濟效益,惠及民生。葉培建說,美國阿波羅計劃先後有幾十個行業的2萬多家高新技術企業參與,創造了80多萬個就業機會,極大地帶動了科技創新和社會飛速發展。在計算機、新材料、醫療等諸多領域獲得專利3000多項,其中1000多項民用專利迅速轉化爲生產力,數碼相機、太陽鏡、無菌室等至今仍在日常生活中廣泛應用。
“深空探測還可以提高民族自信心和凝聚力。”葉培建深情地回憶道:一位老華僑曾激動地感慨,中國的衛星能飛多高,我們華僑的頭就能擡多高。
探月提升深空探測技術
我國自主開展火星探測的前提條件已基本具備
深空探測技術作爲人類保護地球、進入宇宙、尋找新的生活家園的重要手段,成爲未來航天領域的主要發展方向之一。儘管充滿挑戰和風險,也曾經遭遇失敗,但人類探測深空的腳步從來沒有停止。
從1958年美國和前蘇聯啓動探月計劃開始,世界發達國家和航天技術大國都先後開展了多種類型的深空探測活動,發射了200多個探測器,其中月球120多個,火星和金星各40個。
葉培建介紹,目前太陽系的所有大行星都被不同程度探測過,通過深空探測活動得到的關於太陽系的認識超過了人類數千年來獲得有關知識總和的千萬倍。
在天文觀測方面,人類已把各個波段的天文衛星送入太空,其中較大的有美國的伽馬射線觀測臺、先進X射線天體物理設施、紅外望遠鏡設施、“哈勃”空間望遠鏡等4項,而尤以“哈勃”空間望遠鏡最爲矚目。
作爲探月工程二期的先導星,在完成既定的工程驗證和科學探測任務後,2011年6月9日,嫦娥二號奔向150萬公里遠的日地拉格朗日L2點,我國成爲世界上第三個抵達L2點的國家,開啓了我國深空探測的新徵程。
2012年12月13日,嫦娥二號飛抵距地球約700萬公里遠的深空,並在約3公里的相對距離與“戰神”擦身而過,精確交會,獲得了該小行星分辨率優於10米的清晰圖像,繼美國、歐空局和日本之後又一次成功探測小行星。
葉培建說,月球探測工程使我國掌握了許多深空探測技術,也新建一批基礎設施。探月工程二期實施期間,我國建成兩座大型地面測控站,加上其他技術,我國的深空測控通信能力得到很大提升,“能夠達到距地球4億公里的火星,具備對火星探測的遠距離測控通信能力。”
“預計今年下半年將發射嫦娥三號,在月球進行科學探測,實現首次"落月",搭載的月球車將在月球工作3至6個月,並完成相關數據的檢測和回傳任務。”
葉培建認爲,在2020年左右,我國有望實現月壤的採集和返回。
火星探測面臨四大難題
我國目前暫無明確的火星探測計劃,專家呼籲儘快開展
火星被認爲是除地球外最適合人類居住的內地行星,成爲國際科技大國行星探測的首選目標。
葉培建認爲,國際上深空探測有兩個特點:一是所有探月國家很快都進行了火星探測,包括探月稍晚於中國的印度,也已正式開展火星探測;二是本世紀迄今,火星探測次數多於月球探測,全球都很關注火星。
不過,他說,我國根據綜合考慮,目前暫無明確的火星探測計劃。
葉培建說,火星探測技術複雜,除要解決4億公里之遙的深空遠距離測控通信問題外,還有三方面的難題。
一、距離遠,通信時延長,信號來回需要46分鐘;飛行時間長,從地球飛往火星單程就需要10個月;在“日凌”,即太陽、地球、飛行器在同一條直線上的時候,太陽輻射將影響通信,而火星探測器在飛往火星途中,“日凌”現象對測控通信的影響將達2個月左右。
這要求火星探測器,在飛往火星途中及開展深空探測任務時要具備“自主管理”、“自主導航”的能力。
二、由於距離遙遠,測軌精度必定降低,需要採取新的技術方法,來保證探測器近火制動的準確性。
三、研製火星探測器,需要知道火星表面溫度、大氣等環境情況,而目前人類對火星瞭解還太少。
葉培建認爲,國際合作可以讓深空探測資源得以充分利用,“但自主進行的深空探測則顯示了一個國家的科技實力,我們有必要儘快實施獨立自主的火星環繞探測”。
葉培建表示,我國有探月工程掌握的關鍵技術作爲基礎,也具備了自主開展到達距地球約4億公里遠的火星探測前提條件,尤其是地面測控系統建設的64米大口徑天線完善了我國深空測控網,爲火星探測任務的實施提供了基礎條件。
目前月球是我國深空探測的主要目標。根據設想,葉培建表示,探月工程將在2020年前完成“繞”、“落”、“回”三個步驟。相關專家也論證我國2025年實現首次載人登月的可行性。
葉培建認爲,這些深空探測發展目標實現後,我國將突破和掌握開展深空探測所需的一系列關鍵技術,獲得一批自主創新的深空探測科學成果,爲長遠的深空探測科學研究和航天活動奠定堅實的技術、物質和人才基礎,並帶動相關產業發展。
葉培建說,在深空探測方面,我國目前缺乏系統的中遠期規劃,探測範圍和探測方式還有待大力拓展,深空探測技術能力和技術儲備仍不足。