大公网2024-10-16 02:26:55发布:先进天基太阳天文台今年升空，聚焦“一磁两暴” 2022年空间科学任务展望

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浩瀚的宇宙仍有无尽的奥秘，空间科学是叩问太空的使者。它是以航天器为重要工作平台获取第一手科学数据，以产生新知识、新理论、新规律和新发现为使命的科学前沿研究。

发达的空间科学探索是科技强国、航天强国的重要标志，是实现高水平科技自立自强的重要抓手。

随着美国韦布空间望远镜（JWST）2021年12月25日升空，奔向日地拉格朗日L2点，全球空间科学任务2021年发射收官，也迎来了新的2022发射年。

据不完全统计，本年度初步明确的空间科学任务发射15次，世界空间科学主要国家/地区悉数登场，沿着重大科学目标牵引的主路阔步向前。

其中空间天文任务将聚焦宇宙加速膨胀科学前沿，日球层物理将见证中国打开Lyman-α成像观测新窗口，韩国月球轨道器探路者（KPLO）属于新面孔。

新科学任务瞄准重大科学发现

先进天基太阳天文台（ASO-S）

先进天基太阳天文台（Advanced Space-based Solar Observatory，ASO-S）是我国首个综合性太阳观测科学卫星，是中国科学院空间科学先导专项（二期）科学卫星之一。

它以太阳第25活动周峰年作为契机，科学目标聚焦“一磁两暴”，“一磁”即太阳磁场，“两暴”即指太阳上两类最剧烈的爆发现象——耀斑爆发和日冕物质抛射（CME），即观测和研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的起源及三者之间可能存在的因果关系。

ASO-S质量约1 t，运行在高度为720 km的晨昏太阳同步轨道（SSO），设计寿命预期不少于4年。

欧几里得空间望远镜（Euclid）

欧几里得空间望远镜（Euclid）属于欧空局（ESA）“宇宙憧憬”（Cosmic Vision）计划第2个中型任务（M2），它的名字来源于数学家欧几里得。

Euclid的主要科学目标是研究宇宙几何结构，探索宇宙加速膨胀，更好地理解暗能量和暗物质。Euclid质量为2.16 t，运行在日地L2点，预计在轨巡天6年。

Euclid主镜口径1.2 m，科学载荷包括：可见光相机（VIS），观测波段0.55~0.92 μm，使用了6×6组4k × 4k CCD，像素光谱分辨率0.1角秒，总像素约为6亿像素，旨在精确测量超过10亿个星系的形状；近红外光谱仪和光度计（NISP）观测波段1.1~1.85 μm，使用了16组2k × 2k碲镉汞（HgCdTe）红外探测器，像素光谱分辨率0.3角秒，旨在通过红移光谱精确测量宇宙加速度，确定重子声学振荡（BAO），揭示宇宙加速膨胀。

X射线成像和光谱探测卫星（XRISM）

X射线成像和光谱探测卫星（X-ray Imaging and Spectroscopy Mission，XRISM）是日本、美国合作的空间天文任务，ESA参与其中，曾用名XARM，是2016年“瞳”（Hitomi）X射线天文卫星任务失败的后续任务，计划2022年由H-II A火箭发射，并搭载日本的苗条号月球探测智慧着陆器（SLIM）。

XRISM的主要科学目标是通过高通量成像和高分辨率光谱研究宇宙X射线天体。

XRISM有两个主要科学载荷：软X射线光谱仪Resolve，它结合了轻型X射线反射镜组件（XMA）和X射线量热仪光谱仪；软X射线成像仪Xtend，是4个CCD探测器组成的阵列。

它们的特性分别类似于在“瞳”卫星的软X射线光谱仪（SXS）和软X射线成像仪（SXI），但XRISM没有“瞳”的硬X射线成像仪（HXI）和软伽马射线探测器（SGD）等高能载荷。

地表水和海洋测高卫星（SWOT）

地表水和海洋测高卫星（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）由美法联合研制，加拿大和英国参与，预计2022年底发射，旨在利用尖端雷达技术进行全球地表水调查，海面高度高精度测绘，评估陆地水资源、跟踪区域海平面变化、监测沿海过程，观测小尺度洋流和涡流等。

SWOT的主要科学载荷有：新型Ka波段雷达干涉仪（KaRIn），期望“看到”地球表面的河流和其他小型水体；高度计（altimeter），可以垂直向下测量海表高度，并与KaRIn数据进行交叉验证；辐射计（radiometer），测量卫星和地球表面之间的水蒸气量，校正大气水汽对高度计或KaRIn测高的影响。

灵神号小行星探测卫星（Psyche）

灵神号小行星探测卫星（Psyche）是NASA行星科学部2017年1月选定的“发现计划”任务（Discovery 15），属于小型任务，预计2022年8月发射，同时搭载“杰纳斯”号（Janus）双星探测任务。

灵神星是太阳系主小行星带最大天体之一，在火星和木星之间的轨道运行。它距离地球大约3.7亿km，直径226 km，由意大利天文学家安尼巴莱·德·加斯帕里斯（Annibale de Gasparis）于1852年3月17日发现，并以希腊灵魂女神Psyche来命名。

灵神星的特殊之处在于它不是由岩石或冰组成，而是全部由铁和镍组成。这颗星体可能是一个没有正常发育的行星的内核，在太阳系其他物体的撞击丢失了幔和外壳。

Psyche预计2026年抵达灵神星（16 Psyche）轨道，拟耗时21个月表征灵神星的地质、形状、成分、磁场和质量分布，增加对行星形成和内部的了解。

杰纳斯号双小行星系统探测双星（Janus A&B）

杰纳斯号双小行星系统探测双星任务（Janus A&B）包括2颗相同的小卫星，单星质量约36 kg，拟搭载灵神号任务发射。

Janus任务的有效载荷为ECAM-M50（可见光）和ECAM-IR3a（红外）相机，由马林空间科学系统公司（Malin Space Science Systems）开发，其产品也曾用于冥王号（OSIRIS-REx）小行星采样返回任务，不过后者属于美国深空探测的中型任务（New Frontiers 3）。

双小行星系统约占太阳系所有小行星的5%，但人们对它们知之甚少。

Janus任务研究（35107）1991VH和（175706）1996 FG3双小行星系统，通过飞越和近距离观测获取关于它们的高分辨率图像。

Janus任务以罗马神话中的的门神雅努斯（Janus）命名，这个保护神具有前后两个面孔。

月球轨道器探路者（KPLO）

韩国月球轨道器探路者（Korea Pathfinder Lunar Orbiter, KPLO）是韩国航空宇宙研究院（KARI）的月球探索任务，旨在对月球环境、地形和资源进行探测，如水冰、铀、氦三、硅和铝，并绘制地形图、选择着陆器落月点，验证未来任务深空探测技术。

KPLO携带5种科学效载荷：月球地形成像仪（LUTI）、广角偏振相机（PolCam）、磁强计（KMAG）、伽马射线光谱仪（KGRS），网络容错实验仪（DTNPL），以及NASA提供的高灵敏度月球阴影区相机（ShadowCam）。

推迟科学任务终于再次启航

由于预算不足、技术困难及新冠疫情等诸多原因而推迟的欧俄联合火星生命探测计划2022（ExoMars 2022）、俄罗斯月球25号（Luna-Glob）和印度月船三号（Chandrayaan-3）探测任务，以及苗条号日本月球探测智慧着陆器（SLIM）高精度软着落技术验证任务各自表示列入2022年发射计划。

火星生命探测计划2022（ExoMars 2022）

ExoMars 2022任务，即原ExoMars 2020任务，包括罗莎琳德·富兰克林号（Rosalind Franklin，以英国发现DNA双螺旋结构的女科学家命名）火星车，以及哥萨克号着陆器（Kazachok），着陆器同时亦将作为火表科学实验的平台。

ESA负责火星车研制及着陆器GNC部分设备，Roscosmos负责提供着陆器大部分硬件设备。任务发射窗口从2022年9月20日开启并持续12天，预计2023年中抵达火星。

ExoMars 2022的核心科学目标是研究火星气候、大气和辐射等，钻取火星表面2 m以下原始土壤的样本寻找生命迹象，确定火星生命存在性。

月球25号（Luan 25）

俄罗斯月球-25号（Luna 25）又称月球-水珠着陆器（Luna-Glob Lander），是苏联Luna计划的延续。

Luna计划在1959年至1976年共发射了24次任务，其中15次成功，最后一次任务是1976年8月9日发射Luna24。

Luna 25着陆器计划于2022年在月球南极附近的博古斯劳斯基（Boguslawsky）陨石坑着陆，寻找水痕迹，并验证软着陆技术。ESA为该任务提供高分辨相机系统（PILOT-D）和地面支持团队。这也将是俄罗斯航天局（Roscosmos）的首次落月任务。

Luna 25有效载荷质量30 kg，设计寿命为1年，由9类科学仪器组成：伽马射线和中子光谱仪（ADRON-LR）、外大气层等离子体测量仪（ARIES-L）、质谱仪（LASMA-LR）、红外光谱仪（LIS-TV-RPM）、尘埃和微陨石测量仪（PmL）、热特性测量仪（THERMO-L）、全景和局部相机（STS-L）、激光反射器、电力和科学数据支持（BUNI）。

瑞典有效载荷中性原子探测仪（LINA-XSAN）原定搭载在Luna 25，但发射日期的延迟导致瑞典取消了该计划。取而代之的是，LINA-XSAN成功搭载在嫦娥四号玉兔二号月球车上。

月船3号（Chandrayaan-3）

月船3号（Chandrayaan-3）是印度第三次探月任务，计划2022年第三季度发射。

印度空间研究组织（ISRO）表示，月船3号旨在实现月球软着陆，包括维克拉姆着陆器（Vikram lander）、普拉吉安月球车（Pragyan rover）和推进模块。月船3号将利用依然在轨的月船2号轨道器。

维克拉姆着陆器，以印度航天计划之父Vikram A Sarabhai名字命名，搭载4个有效载荷：月震仪（ILSA）、钱德拉月表热物理实验装置（ChaSTE）、兰帕朗缪尔探针（RAMBHA-LP），以及NASA小型激光后向反射器阵列（LRA）。

普拉吉安月球车携带2个有效载荷，旨在确定着陆点附近的元素丰度：激光诱导击穿光谱仪（LIBS）、α粒子X-射线光谱仪（APXS）。普拉吉安获取的探测数据通过维克拉姆转发到月船2号轨道器，再传回地球。

苗条号月球探测智慧着陆器（SLIM）

苗条号月球探测智慧着陆器（Smart Lander for Investigating Moon，SLIM）是日本首个小型无人月球着陆器，针对未来月球或太阳系行星探测所需的表面精确定点软着陆技术的验证试验任务，质量约200 kg。

在未来太阳系科学探测中，需要提高观测装置的先进程度。为此就需要将探测器系统质量变轻，相应地需要对观测装置进行资源分配。也就是说SLIM的质量减轻技术可以满足未来太阳系探测的需求。

SLIM拟搭载XRISM卫星一起发射，并将在马里厄斯丘陵的坑洞（Marius Hills Hole）附近着陆，马里厄斯丘陵的坑洞是JAXA团队分析月亮女神号（Kaguya/SELENE）上的月球雷达回声探测器的数据分析后发现。

NASA为重返月球铺路

阿尔忒弥斯（Artemis）计划是阿波罗计划结束近半个世纪后美国的载人重返月球任务，分两个阶段实施。

第一阶段是在环月轨道建立月球轨道空间站门户（LOP-G），实施载人重返月球、登陆月球南极，期间将发射阿尔忒弥斯一号、二号和三号飞船。

与此同时，NASA将通过月表商业有效载荷交付服务（CLPS）为载人登月和在月表建立阿尔忒弥斯大本营等开展前期探测和技术演示验证试验。

月表商业有效载荷交付服务（CLPS）

在阿尔忒弥斯计划下，NASA通过CLPS计划，通过商业公司NASA的有效载荷部署至月球表面，包括小型月球车和就位探测载荷以及技术演示验证试验等。

1）游隼号月球着陆器（Peregrine Mission 1）

游隼号任务1（PM1）由天体机器人（Astrobotic）公司承担，预计发射时间2022年6月，搭乘火神运载火箭（Vulcan VC2S）从卡纳维拉尔角升空。

游隼号将运送11台NASA有效载荷，包括激光后向反射器阵列（LRA）、精确测速测距导航多普勒激光雷达（NDL）、着陆器所致月壤表层变化探测仪（SEAL）、月表光伏探测仪（PILS）、线性能量转移光谱仪（LETS）、近红外挥发物光谱仪系统（NIRVSS）、月表挥发物试验质谱仪（MSolo）、月表挥发物离子阱质谱仪（PITMS）、中子质谱仪系统（NSS）、月表中子测量仪（NMLS）、磁通门磁强计（MAG）。此外，还将携带来自其他国家商业伙伴的有效载荷。

2）新星-C月球着陆器（Nova-C）

直觉机器公司（Intuitive Machines，IM）是另一家CLPS服务商。Nova-C是根据该计划建造和发射的月球着陆器之一。

2022年它计划执行两次任务：IM-1和IM-2。IM-1计划预计2022年初发射，IM-2计划2022年底发射，都将使用SpaceX的猎鹰9号运载火箭。

IM-1将携带NASA的5台有效载荷在丰富海（Mare Serenitatis）和危海（Mare Crisium）之间着陆，其中2台与游隼号相同，即LRA和NDL，另外还有3台，分别是月表着陆器羽流观测立体相机（SCALPSS）、月表自主导航节点1演示器（LN-1）、月球正面低频无线电观测（ROLSES）。

此外，IM-1还将携带来自其他商业伙伴的有效载荷。着陆器将运行一个月昼，相当于大约14个地球日。

IM-2任务即月球极地资源与冰开采实验1（PRIME-1），它是NASA首次在是月球原位资源利用演示试验，将对月表下的水冰进行钻取与分析。

PRIME-1包括2台有效载荷，一是蜜蜂机器人（Honeybee Robotics）公司设计的月壤和水冰开采三叉戟新钻机（Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain，TRIDENT），另一个是月表样品实验质谱仪（Mass Spectrometer observing lunar operations，MSolo）。

月球轨道空间站探路者拱顶石号立方星（Capstone）

拱顶石号地月空间自主定位和导航实验系统（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment，CAPSTONE），是12U月球轨道立方星，是月球轨道空间站（Lunar Orbital Platform–Gateway，LOP-G）的探路者，用于测试、验证近直线晕轨道（near rectilinear halo orbit，NRHO）轨道稳定性，搭载“电子号”小型火箭发射。

拱顶石号还将测试一个自主导航系统，该系统将在不依赖地面站的情况下，通过其相对于月球勘测轨道器（LRO）的距离以及两者之间的距离变化，反算自身在空间中的位置。

阿尔忒弥斯1号（Artemis 1）搭载立方星

阿尔忒弥斯一号（Artemis 1）是绕月无人试验飞船，由太空发射系统火箭（SLS）和猎户座（Orion）宇宙飞船实施，并搭载近地小行星侦察（NEA Scout）立方星和月球水冰立方星（Lunar IceCube），进行深空科学实验和技术演示。

NEA Scout搭载在猎户座飞船上，在Artemis 1抵达绕月轨道后，它将被释放并前往小行星，成为首个前往小行星的立方星。

NEA Scout将由一个面积约86 m2的方形太阳帆推进，该帆由比人的头发还细的铝涂层塑料薄膜制成。

NEA Scout配备一台高性能相机，可以拍摄近地小行星的照片并收集数据，包括小行星在太空中的位置、形状、旋转特性、光谱类别和地质特征。

NEA Scout的任务大约需要两年时间。

Lunar IceCube搭载在太空发射系统火箭上，进入轨道后使用微型电推进器推进，并依靠地球和月球的引力辅助，任务可能会持续1~6个月。它利用红外光谱仪寻找对未来探索任务有用的冰、液态或蒸汽状态的水和其他物质。

预祝2022年全球空间科学任务发射顺利，为探寻生命起源、太阳系起源和演化，拓展人类认知提供新的重要的物质技术基础。

主要参考文献

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[10].https://global.jaxa.jp/projects/sas/slim/

[11].https://blogs.nasa.gov/artemis/2021/07/20/first-cubesats-aboard-for-artemis-i-mission/

[12].https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/capstone

[13].https://www.nasa.gov/feature/first-commercial-moon-delivery-assignments-to-advance-artemis

[14].https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/game_changing_development/projects/PRIME-1/

本文作者：王琴，时蓬，范全林

作者简介：王琴，中国科学院国家空间科学中心、空间科学与深空探测规划论证中心，副研究员，研究方向为深空探测战略规划、组合导航；时蓬，中国科学院国家空间科学中心、空间科学与深空探测规划论证中心，副研究员，研究方向为空间科学任务规划、空间科学战略；范全林，中国科学院国家空间科学中心、空间科学与深空探测规划论证中心，正高级工程师，研究方向为空间科学发展战略和政策、空间天气学。

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