2013年 世界空间探测回顾

2013年，美国、印度、中国先后发射了各自的空间探测器。美国先后把“月球大气与尘埃环境探测器”（LADEE）、“火星大气与挥发物演变”（MAVEN）探测器送上太空，用于探测月球和火星上的气体；印度第一个火星探测器“曼加里安”（Mangalyaan）经过一番周折已进入地火转移轨道，其目的是成为亚洲第一个成功探测火星的国家；中国嫦娥-3任务取得圆满成功，从而成为世界上第一个同时开展就位探测、巡视探测的国家，以及第二个掌握无人月球探测车技术的国家。

1 美国双管齐下

2013年，美国既发射了月球探测器，也发射了火星探测器，进一步显示出其空间探测的雄厚实力。

（1）月球探测

2013年9月6日，美国从弗吉尼亚州沃洛普斯岛的瓦勒普斯航天发射场用人牛怪－5火箭成功发射了“月球大气与尘埃环境探测器”。该月球探测器加满燃料后质量为383kg，高2.37m，宽厚均为1.85m，体积有小汽车大小，功率为295W，耗资2.8亿美元，设计寿命是170天。它用30天抵达了近月点75km、远月点250km的月球轨道，用40天进行在轨测试，最终绕飞月球100天，完成预定的探月任务，并有望超期服役9个月，获得更多的成果。燃料耗尽后，“月球大气与尘埃环境探测器”将受控撞击月球。

被称之为“吸尘器”的“月球大气与尘埃环境探测器”用于研究月球的大气及月球表面的粉尘作用，对高速率激光通信系统进行测试。它采用了一些先进技术，比如采用了艾姆斯研究中心新开发的“模块化通用航天器平台”。该平台由轻质碳复合材料构成，推进系统采用商业现货系统，系统级组件都是来自经过飞行验证的成熟产品。其特点是体积小、成本低、用途广、易于制造，可以在同一时间内实现航天器多个模块的开发、装配和测试，能携带各种有效载荷，用于近地轨道、月球轨道等不同轨道航天器，满足多种探测任务的需求，从而降低任务风险和成本。“模块化通用航天器平台”由5个模块组成，包括平台模块、散热器模块、扩展模块、有效载荷模块、推进模块，这样的设计可简化集成和测试过程。

该探测器上的月球尘埃分析仪用于分析月球尘埃粒子的样品，判断日出前看到的水平面的辉光是否是月球尘埃，太阳紫外线是否使这些月球尘埃带电；其上的中性粒子质谱仪用于测量月球大气在不同高度、不同空间环境下的变化情况，寻找由月球岩石释放的硅、镁和其他元素，以及由彗星沉积在月球上的其他物质，例如甲烷与二氧化碳气体；其上的紫外光和可见光光谱仪用于了解月球大气的成分，发现被太阳辐射驱离月球表面的气体，之前曾认为月球上根本没有大气，但现在发现月球其实具有包含了氦和钾分子的稀薄“外大气层”；其上的月球激光通信验证装置用一种新的激光通信系统与地球通信，以便在星际空间传送宽带数据。

美国“月球大气与尘埃环境探测器”探月示意图

10月6日，“月球大气与尘埃环境探测器”主发动机点火，将该探测器送入绕月椭圆轨道。10月9日和12日进行两次轨道机动，最后将探测器送入245km高的圆形绕月轨道，这种设计方法相对于直接进入月球轨道可有效节约燃料。进入最终轨道后，探测器开始为期40天的试运行阶段，而后进行为期100天的科学探索任务。

10月22日，该探测器上的月球激光通信验证装置创造了历史，以破纪录的下载速度—高达622Mbit/s，利用脉冲激光束完成了月地之间的数据传输。月球激光通信验证装置是美国航空航天局首个利用激光而不是无线电波的双向通信系统。它还演示了从新墨西哥的主地面站，以20Mbit/s的速度向“月球大气与尘埃环境探测器”进行了无差错数据上传。自美国航天器首次进入太空起，一直依靠射频通信。但射频现已无法满足日益增长的数据容量需求。激光通信的使用，将提高美国航空航天局处理来自深空的高分辨率图像和三维影像的能力，满足未来任务需求。（详情请看本刊2013年第10期）

另外，在2013年11月25日，美国月球快车公司利用美国马歇尔航天飞行中心的“强力鹰”（Mighty Eagle）月球着陆器样机，成功进行了闭环自由飞行试验。本次试验是该公司与马歇尔航天飞行中心近期开展的一系列飞行软件测试之一，合作的目的是帮助月球快车公司开发出低成本月球着陆器。根据与月球快车公司签署的有偿协议，马歇尔航天飞行中心需要为月球快车公司提供“强力鹰”月球着陆器样机和技术团队，以支持其开展月球着陆飞行软件测试，月球快车公司需要为此支付相应报酬。

美国“火星大气与挥发物演变”探火示意图

（2）火星探测

2013年11月18日，美国从卡纳维拉尔角空军基地用宇宙神－5火箭成功发射了“火星大气与挥发物演变”探测器。它将于2014年9月进入近火点150km、远火点6200km的火星轨道，经过5个星期的试运行后，于2014年11月开始为期1年的火星任务。为了获得不同高度的火星大气数据，该探测器将5次下降到距离火星表面125km处，即火星上层大气的最下边界，对火星大气进行采样。

该项目耗资6.7亿美元，是世界首个研究火星上层大气的探测器，旨在调查火星的上层大气，探测火星水消失之谜，帮助了解火星大气气体逃逸到太空对火星气候演变所产生的影响。科学家们预期这次任务可获取大量的有关火星高层大气散逸的数据，帮助了解这种大气流失过程在整个火星气候演变中所起到的作用，使科学家更好地理解大气挥发对气候变化的影响。

其发射质量为2550kg，干质量903kg，为长方体构型。它采用三轴稳定方式，两侧各装配1个翼展为11.43m的太阳电池翼（末端均装有磁强计），总功率为1135W，还有2个55A ·h的锂离子电池组。探测器上的高增益天线直径约为2m，每周2次指向地球进行X频段通信，数据传输率达10Mbit/s。它携带了3个有效载荷包，共有8台科学探测仪器。

中性气体和离子质谱仪包只有1台中性气体和离子质谱仪，用于研究火星上层中性大气的基本结构和成分，测量火星大气元素同位素比例，测量热离子和超热离子。遥感包也只有1台成像紫外光谱仪，用于测量火星上层大气和电离层的特性。粒子与场测量包括6台科学探测仪器：太阳高能粒子探测仪用于研究太阳高能粒子对火星上层大气的撞击情况；超热与热粒子成分探测仪用于测量热离子与中等能量的逃逸离子；太阳风离子分析仪用于测量太阳风和磁鞘离子的密度和速度；太阳风电子分析仪用于测量太阳风和电离层电子；磁强计用于测量行星际太阳风和电离层磁场；朗缪尔探针与波探测仪用于测量火星上层大气的电子温度、数量及密度和低频率电场波功率，研究电离层属性和逃逸离子的热量，以及太阳极紫外线对火星大气的照射情况。

预定任务完成后，如果运行状态良好，“火星大气与挥发物演变”探测器还将作为“火星勘察轨道器”和“火星奥德赛”的备份，为好奇号和机遇号火星车提供数据中继服务。整个扩展任务时间可以达到9年左右，并且在执行扩展任务过程中再进行一次降轨活动。（详情请看本刊2013年第12期）

在2013年，美国好奇号火星车出现了几次故障，好在都被解决了。

2013年2月28日，由于主计算机出现存储故障，好奇号进入“安全模式”，即进入最小活动预备状态。像许多航天器一样，好奇号携带了双冗余主计算机，以便一个出现故障另一个可作为备份。其A侧和B侧的计算机各有冗余子系统，与主计算机相连。从2012年8月着陆之前至2013年2月27日，其A侧计算机运行。2月27日与28日，其B侧计算机运行时好奇号停止科学考察。3月6日，好奇号又中止了工作，导致好奇号进入睡眠状态的原因是太阳剧烈活动产生的耀斑和炽热气体，尽管好奇号有能力承受恶劣的宇宙天气，但是为了预防万一，它的处理程序决定让其断电。

2013年11月7日，好奇号出现了软件重启故障，这是飞行16个多月以来，好奇号第一次出现因故障重启的情况。11月10日，好奇号由安全模式调回到正常运行模式。此次故障发生在好奇号下载新飞行软件约4h以后，原因是已有机载软件引发目录文件出现了一个错误。11月17日，地面任务团队发现好奇号的电压不稳定，他们怀疑存在短路问题，因此决定让这辆火星车休息几天。排查发现，好奇号的多任务放射性同位素热电发生器的设备可能出现了内部短路。由于该设备采用弹性设计，其内部短路并不会影响整个火星车的安全或健康，所以好奇号于11月23日复工。当天，任务团队指挥好奇号操纵机械臂，把半年前采集、保存的部分粉末状岩石样本送入好奇号体内的一个实验室。迄今，这辆火星车已发现火星在远古时期存在河流以及当时环境适合原始微生物生存的证据。目前，好奇号正朝着它在火星上的主要任务地点—高约5km的夏普山驶去。

在火星表面工作的美国好奇号火星车示意图

到2013年11月8日，美国“火星勘测轨道器”已经向地球传回了200TB的数据，这是10年来美国喷气推进实验室其他任务收到数据的3倍，相当于3个月连续录像的数据量。其中99.9%的数据来自“火星勘测轨道器”搭载的6台科学仪器。2006年以来，该火星探测器颠覆了人们对火星的认识，对火星的表面和大气进行了详细勘测，为火星不同时期地形的变化提供了三维立体影像。

美国在2013年透露，计划2016年向火星表面发射配备地震波检器和探热仪的小型火星探测器—洞察号，旨在探索火星的内核状况，并在2020年发射下一代火星车，以搜集火星表面的岩石标本。此外，美国还计划在21世纪30年代派遣航天员登陆火星。

2013年11月25日，美国航空航天局从白沙发射基地成功发射了“金星光谱火箭”（VeSpR）探空火箭。它把望远镜带到离地球110km的高度，在该高度上大气较稀薄，能够得到比较准确的金星紫外线数据，测量的数据将能够提供金星水分演化历史的相关信息。像这样的观测无法使用陆基望远镜，因为地球大气层能吸收多数紫外线。“金星光谱火箭”对金星进行了8min的观测并实时传回数据。之后，载荷乘降落伞安全返回地球。研究人员将综合本次数据和“哈勃”空间望远镜获得的相关金星数据开展研究。通过对比目前金星大气中的氢气和重氢含量，科学家们能够大致了解从金星上消失的水的数量以及消失的速度。

2 欧俄探测火星

2013年3月14，欧洲航天局局长与俄罗斯航天局局长签署了一项正式协议，合作开展“火星生物”（ExoMars）探测计划，在2016年和2018年分别发射2个火星探测器，最终目的是把火星表面采集的灰尘样本返回地球进行分析，让科学家进行科学分析，确定火星上是否曾存在生命。该火星探测项目最初是欧洲航天局和美国航空航天局的联合项目，但是美国方面近年退出了该项目，随后欧洲与俄罗斯开始合作。

欧洲航天局负责研制2016年任务中的“跟踪气体轨道器”（TGO）和“再入、下降及着陆演示器模块”（EDM），以及2018年任务中的巡航级和“火星生物”巡视器；俄罗斯航天局负责研制2018年任务中的下降级，并为2次任务提供运载火箭。

“跟踪气体轨道器”将搜寻甲烷和其他大气气体存在的证据，两者是存在活性生物或地质作用的标志，并为“火星生物”巡视器选址。“再入、下降及着陆演示器模块”用于验证在火星着陆的关键技术。

欧洲“火星生物”巡视器工作示意图

“火星生物”巡视器用于搜寻生命迹象。它将成为首个能在火星上钻探地下2m深的巡视探测器，可采集不受辐射和氧化剂破坏的样品，从而分析火星是否具备维持生命存活的重要元素。它由俄罗斯研制的下降级携带在火星表面着陆，后者包括一个配备有科学仪器的表面平台。

美国航空航天局也将为“火星生物”提供重要的支持，包括为“跟踪气体轨道器”提供特高频（UHF）无线电，为“再入、下降及着陆演示器模块”提供火星近距离链路通信和工程技术支持。

3 印度想当第一

2013年11月5日，印度从南部安德拉邦的斯里哈里科塔（Sriharikota）发射场，用极轨卫星运载火箭－C25（PSLV－C25）成功发射了印度第一个火星探测器“曼加里安”，使它进入近地点248km、远地点23550km的地球轨道。据悉，印度“曼加里安”的研制只用了15个月的时间，而且耗资仅为45亿卢比（约合7300万美元）。其工程目标是：验证火星探测器设计、规划、管理和运行所需的各项技术，比如火星探测器所有阶段的导航技术、火星探测器在出现意外情况时的自主运行能力、用于轨道和姿态计算与分析的力学模型和算法、从地球轨道到日心轨道再到火星轨道所需的轨道机动技术。其科学目标是：研究火星的气候、地质、起源和演变以及火星上可维持生命的元素。

“曼加里安”的体积与一个标准冰箱差不多，质量1340kg，其干质量为500kg，其他为燃料质量。它携带了5台国产科学探测仪器，总质量为15kg，用于研究火星表面、大气和矿物特征，探寻火星上是否有甲烷以及生命迹象，拍摄火星照片，绘制火星表面地图，研究火星环境。这5台科学探测仪器是：测量火星大气中的氢原子量的莱曼-阿尔法光度计（LAP），探查火星上层大气逃逸过程，此前的火星任务显示火星上曾经存在水，印度将探测为什么火星会失去原有的水和二氧化碳；用于探测火星甲烷的火星甲烷探测仪（MSM），甲烷可能隐藏着火星曾经拥有或可能依然拥有生命的线索；研究火星上层大气中性成分的火星外大气层成分探测器分析仪（MENCA）；拍摄火星表面的火星彩色相机（MCC）；测绘火星表面成分和矿物特征的火星红外光谱探测仪（PRISM）。

探测甲烷有可能成为印度“曼加里安”的亮点，因为甲烷是碳基生命的一个明显的副产品。另外，“曼加里安”上的光度计可检测火星大气中的氘氢比例，这正好是对同月发射的美国“火星大气与挥发物演变”项目的补充。印度火星探测器还能证实火星大气成分、标注火星表面的热点和冰雪区域，并可见证一个十分稀有的天文现象：彗星与火星的相撞，因为在2014年年底，彗星2013 A1可能会撞击火星，可能会激起大量的尘埃云，所以，“曼加里安”能享受一场视觉“盛宴”。

印度“曼加里安”火星探测器示意图

中国嫦娥－3着陆器拍摄的玉兔号月球车在月面工作实景

由于印度火箭推力较小，所以“曼加里安”不能靠火箭推力直接进入地火转移轨道，而是先绕地球转20多天，靠探测器自身的发动机多次点火加速才能逐渐达到第二宇宙速度。2013年12月1日，“曼加里安”成功进入地火转移轨道。此后，它拟在深空中飞行大约10个月，经历6.8×108km的“火星之旅”，于2014年9月24日进入近火点372km、远火点80000km的椭圆形火星轨道。如能成功，印度将成为继俄罗斯、美国和欧洲之后世界第4个，也是亚洲第1个实现火星探测的国家。（详情请看本刊2013年第12期）

4 中国创造奇迹

2013年1月18日，嫦娥－2月球探测工程被授予国家科学技术进步奖特等奖。嫦娥－2升空后全面实现既定的六大工程目标和四大科学探测任务。随后开展4项拓展试验，其中包括受控从月球轨道出发飞往日地拉格朗日2点（L2点），然后又飞往图塔蒂斯小行星，首次实现了中国对小行星的飞越探测，在国际上首次实现对图塔蒂斯小行星的近距离探测，使中国成为世界第4个探测小行星的国家。至此，嫦娥－2再拓展试验圆满成功，嫦娥－2工程完美收官。此后，它用于探测试验，到2014年2月14日，嫦娥-2已飞离地球7×107km。

2013年12月2日，我国用长征－3B改进型火箭成功将嫦娥－3落月探测器直接送入地月转移轨道。12月6日，嫦娥－3实施一次近月制动，进入距月面100km高的环月轨道。12月10日，嫦娥－3变轨，进入近月点15km、远月点100km椭圆轨道。12月14日，嫦娥－3在月面软着陆，首次实现了我国对地球以外天体的软着陆。12月15日，玉兔号月球车与嫦娥－3着陆器分离，踏上月面。同时，嫦娥－3着陆器与玉兔号月球车互相拍照，它标志着嫦娥－3任务取得圆满成功，使我国成为世界第3个掌握落月探测技术的国家，从而在世界探月第二集团中处于领先地位。

嫦娥－3任务突破了月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等一系列关键技术，实现了七大创新；首次同时运行了月球软着陆探测器和巡视探测器，在世界上首次使用了极紫外相机、月基光学望远镜和测月雷达3种科学探测仪器；首次实现了对月面探测器的遥操作；首次实现了探测器在极端温度环境下的月面生存等。这些使我国航天技术实现了跨越式发展，有力地推动了空间科学研究的进步。

目前，嫦娥－3正在完成“观天、看地、测月”三大科学任务，从而帮助我国更加准确、更加直接地了解神秘的月球。（详情请看本刊2013年第12期）