石豪：国际航天前沿回望——美国的2017，中国的2018
【文/观察者网专栏作者 石豪】
岁末年初，辞旧迎新，又到了盘点与展望的时候。在过去的2017年，国际航天前沿都发生了哪些大事？新的一年里，又有什么值得我们期待的航天任务？请跟随笔者一起探索。
卡西尼号——难说再见
2017年9月15日，服役长达20年的卡西尼号土星探测器，在地面指令下主动坠入土星，这项举世瞩目的地外行星探测任务以壮丽的方式谢幕。
卡西尼号
发射于1997年10月15日的卡西尼号，由美国航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）联合研制，从各种意义上说，都是一个可以成为“行业标准”的深空探测器：
在宇宙中，直达目标天体往往要付出巨大的燃料消耗，这不是目前技术水平所能接受的。因此，往往要通过巧妙的轨道设计，借助其他行星的引力场，对航天器进行加速——这就是著名的引力加速方案。为了抵达土星，同时消耗更少的燃料，卡西尼号发射后反而向着相反方向的金星飞行，通过两次金星加速回到地球附近，经过地月系统加速飞向木星，再通过木星加速最终抵达土星轨道。这种借助其他天体加速的轨道设计方案，是深空探测中必不可少。
卡西尼号飞往土星的轨迹
由于工作区域距离地球太远，传统的通信手段不足以满足深空探测器的通信与测控需求，因此卡西尼号安装了一个足足4米直径的高增益天线，这是它外观最典型的特征，也是过去和未来深空探测器的标配。
同样由于距离太远，地球轨道适用的太阳能电池在土星轨道就显得力不从心，并且距离太阳过远还使航天器长时间处于太空的极度深寒中，因此卡西尼号装备了三台放射性同位素热电机，在持续提供电能的同时，也能支持热控系统的工作。
卡西尼号携带了多种科学探测载荷，能够对土星、土星卫星和星际空间进行持续探测。值得一提的是，卡西尼携带了由ESA研制的惠更斯号着陆器，成功地在被浓厚大气包围的土卫六上降落，为科学家带来了许多关于这颗神秘卫星的第一手资料。这种多科学仪器加着陆器的载荷模式，已经成为国际深空探测的潮流。
卡西尼号探测器布局
当然，惠更斯号着陆器由于低级失误导致大量宝贵数据丢失的事情，也可以说是深空探测绕不开的“保留节目”，所谓人类总是重复着相同的悲剧，我们能做的，是通过先进的管理模式和严肃的工作态度，让探测器不带一个隐患上天。
截止到2017年8月29日，卡西尼号探测器累计飞行了79亿公里，执行了2500万条指令，收集了635GB的科学数据，拍摄了453048张照片。老兵不死，只是凋零，我们有理由向这颗凝结了人类探索宇宙梦想的探测器致以崇高敬意。并且，在不会太遥远的未来，那些遥远的巨大行星将迎来来自中国的客人。
卡西尼号20年任务期统计数据
深空之门——从月球出发
卡西尼号任务终结的感伤还未褪去，美国人已经把目光重新投向了月球。
在特朗普签署太空政策指令，高调宣布重返月球之前，2017年6月30日，美国国家太空委员会重新成立，该委员会的任务就是确保国家的太空政策由总统团队协调。而在历史上，正是第一代国家太空委员会促成了阿波罗登月计划立项，特朗普如今重建该委员会，风向标意义不可谓不大。
在之前的文章中，笔者曾经介绍过美国航天政策路线的摇摆对任务规划和航天器研制的危害。在经历过政策的不断反复后，美国的航天工作者已经开始考虑如何利用既有项目为总统“让美国再次伟大”的雄心铺路。
2017年9月27日，在澳大利亚阿德莱德举行的第68届国际宇航大会（IAC-68）上，NASA宣布将与俄罗斯共同建造名为深空之门（Deep Space Gateway）的月球空间站，作为载人火星探测和探索太阳系的前进基地。
深空之门空间站（左）与猎户座飞船（右）
深空之门空间站方案的提出，源自奥巴马政府的小行星重定向任务（ARM），该方案拟“绑架”一颗数米直径的小行星到月球轨道，并送航天员去小行星表面进行研究。在ARM被取消后，深空之门的设计方案又要为特朗普政府的重返月球计划进行修改。
根据NASA于7月17日发布的信息邀请书，深空之门的电力和推进组件（PPE）应当在发射后100天内进入近直线晕轨道（NRHO）。晕轨道是一种运行在地月系统拉格朗日点附近的轨道，能够以较小的轨道修正稳定运行，即将于2018年发射的嫦娥4号中继星就会在地月拉格朗日点L2附近的晕轨道工作。而NRHO，则是一种更为特殊的晕轨道，其轨道周期在6到8天，绕拉格朗日点做大椭圆运动，近点距离2000km左右，远点距离75000km左右，轨道面几乎垂直于地月系平面。
地月系统中拉格朗日点、晕轨道和近直线晕轨道NRHO的相对位置
尽管对近直线晕轨道的详细研究不过10年，但科学家已经发现了它许多有意义的性质。在所有月球轨道中，NRHO可以很容易地作为地月轨道转移的过渡，从NRHO进入月球极地轨道只需要730m/s的速度增量，耗时12小时左右，显著优于其他过渡轨道，而保持轨道所需的速度增量每年小于10m/s。同时，在NRHO上的载人飞船与地球的通信可以不受月球屏蔽干扰，对飞船热控系统的要求也更少。
未来的深空之门空间站，不出意外将运行在这种近直线晕轨道上。它的第一个部件——电力和推进组件PPE，将在2022年的EM-2任务中，同首艘载人猎户座飞船一起，由SLS运载火箭发射进入月球轨道。四名宇航员将搭乘猎户座飞船，在月球轨道停留不超过3周。PPE本身重量不超过7.5吨，能为空间站提供24kW电力，能携带2吨氙供50kW级离子发动机使用，同时具有接受在轨补给的能力，设计寿命15年。这是一个非常有挑战的指标，但只要能够实现，人类将会走进深空探测的新时代。
深空之门的建设规划
在过去的数十年间，世界各国所进行的深空项目，都没有考虑或者说不会考虑任务的可持续性，因为完成任务尚且困难重重，更遑论持续发展。深空之门空间站的建设，将是月球任务常态化的先导，如果连近在咫尺的月球都不能做到常态化登陆，执行风险远高于月球任务的载人探火显然缺乏技术上的说服力。因此，月球任务的常态化将是人类走出地球，成为“星际公民”的第一步。
尽管面临诸多不确定性因素，但美国对月球和火星探测的动向，依然值得我们密切关注。中国不是超级大国，不会像苏联那样与美国展开太空竞赛，但在对太空的探索中，我们不能自甘人后。合理而明确的目标，雄心勃勃且脚踏实地的规划，加上持续而稳定的投入，才是追上世界领先水平的不二法门。
嫦娥四号——整装待发
2018年，我们将迎来月球探测的一个小高峰：我国的嫦娥4号，印度与俄罗斯合作的月船-2号都将进行发射。随着Google月球X大奖最后期限的临近，私人公司探月活动也将迎来爆发：印度团队Team Indus和日本团队Hakuto的月球探测器，将由印度PSLV火箭发射；美国团队Moon Express的探测器将由新西兰的电子火箭发射；德国团队PTScientists的月球车也可能在2018年由SpaceX公司的猎鹰火箭发射。
这其中，最受人关注的无疑是嫦娥4号任务，这将是人类历史上首次月球背面着陆和表面巡视探测。尽管早先的探测器已经完成了对月球表面的完全成像，但对月球背面的着陆探测却极为困难。由于月球自转与绕地球公转周期几乎相同，因此月球背面始终“背对”地球，地球无法与降落在月球背面的探测器建立通信，因此也就不能接收月球背面发出的任何数据，也无法对着陆后的探测器发号施令。
还记得上一节提到的晕轨道吗？解决方案就在其中——如果事先将一颗中继星发射到月球远端拉格朗日点L2的晕轨道上，选择合适的轨道半径，就能像下图那样建立地球-中继星-月球背面的通信链路，实现对着陆器的遥测遥控。从地球上看来，中继星就好像月球的“光晕”一样，在月球的轮廓之外旋转，而这也是“晕轨道”名字的由来。
位于地月L2点的中继星示意图
因此，嫦娥4号任务其实包含中继星和着陆/巡视器两部分。中继星的明显特征是顶部巨大的展开式伞状抛物面天线，直径达到4.2米，将承担对月双向中继的重任。除基本的中继任务以外，星上配备了与荷兰联合研制的低频射电探测仪，用于探测来自太阳系内天体和银河系的低频电磁辐射。星上还搭载了一个大孔径角锥反射镜，进行激光测距，为中继星的轨道校验提供数据，真正做到多功能高收益。中继星将在2018年早些时候发射，进入振幅13000km，周期14天的L2晕轨道。
论文中公开发表的嫦娥4号中继星外形
如果一切测试顺利的话，嫦娥4号探测器将于2018年年底发射，目标初步选定在月球背面的冯卡门撞击坑。嫦娥4号的着陆器配置了降落相机、地形地貌相机、低频射电频谱仪和与德国合作研制的月表中子与辐射剂量探测仪等科学载荷。巡视器也配置了4台科学载荷，包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达和与瑞典合作研制的中性原子分析仪。
论文中公开发表的嫦娥4号着巡组合体构型
除此之外，嫦娥4号任务还为多个试验项目提供了搭载，包括两颗月球轨道长波天文观测微卫星，和一个面向全国学生征集的月面微型生态圈科普载荷。
长波天文观测微卫星
作为历史上的第一次月球背面着陆，嫦娥4号无疑是一项高风险任务，但其带来的回报也是巨大的，人类有机会获得从月球背面发来的第一手科学数据，进一步认识月球的早期演化历史。而从嫦娥3号的备份，到书写太空探索历史的“第一次”，嫦娥4号任务的背后，是中国航天人自我挑战的决心，和勇攀高峰的坚韧。笔者有理由相信，2018年的太空，值得你我期待；2018年的太空，将因五星红旗格外精彩。
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