中国探测太阳系边际将分两步走航天技术面临新考验

NASA

各国的太阳物理探测器组成的舰队可以被认为是一个单独的天文台——太阳物理学系统天文台(HSO)。

美国国家航空航天局(NASA)的帕克太阳探测器近日打破了历史记录，成为迄今距离太阳最近的探测器。

如果说帕克在与太阳亲密接触方面刷新了历史，太空探测的另一前沿热点恰恰是远离太阳——太阳系边际探测。在近日召开的香山科学会议上，专家们提出了中国进行太阳系边际探测的构想。

中国的探测分两步走

所谓太阳系边际，是指太阳风与星际介质相互作用形成的边界区域，距离太阳80—150 AU(1AU为地球到太阳的距离，约1.5亿公里)。

“太阳系边际一直是国际空间科学研究的前沿领域，国际上仅美国实施了旅行者行星际探测计划等少数几次探测活动。”中国工程院院士、国家航天局探月与航天工程中心研究员吴伟仁说，新世纪以来，伴随着工程技术的发展和科学认知的不断提升，太阳系边际逐渐成为国际空间科学研究的前沿热点。

吴伟仁在会议报告中提出了中国的“两步走”太阳系边际探测构想：近期目标是2049年实现对100AU以远的太阳系边际探测，开展日球层大尺度三维空间特性及外太阳系典型天体探测、太阳风边际及邻近恒星际空间物质特性探测;远期目标是突破1000AU，抵太阳引力透镜焦点区域开展太阳引力透镜效应观测和广义相对论验证。

围绕近期目标，吴伟仁设想从三个方面着手。

一是日球层鼻尖方向的探测，探测器沿黄道面附近、飞行指向天域为银河系中央方位，揭示太阳风和星际风的相互作用、异常宇宙线的产生机制;二是日球层尾部方向的探测，探测器沿黄道面附近、飞行指向天域为背离银河系中央的方位，在飞抵太阳系边际的途中择机开展冰巨星、半人马族小天体等多目标探测;三是日球层极区方向的探测，探测器垂直黄道面、飞行指向天域为太阳极区方位，实现太阳高纬的就位探测及恒星际物质特性探测，开展宇宙线在日球层的全日球循环机理、日球层的外部宇宙物质作用机理等研究。

中科院国家空间科学中心研究员王赤介绍，在向太阳进军方面，NASA今年成功发射帕克太阳探测器，最近将距离太阳8.5倍太阳半径，中国要想在短期内实现追赶和超越并不现实。

“在向太阳系边际进军方面，国际上还没有一个专门的就位探测计划得以实施。尽管美国拥有较多经验，但现阶段各个国家、地区和组织还基本处于同一起跑线上。”王赤说。

有助理解太阳系起源

人类的探测活动，每向太空深入一步，都会极大地刷新我们对宇宙的认知。探索太阳系边际更是具有里程碑意义。

“迄今为止，人类有5个探测器处于最终将离开太阳系的轨道：‘先驱者10号’‘先驱者11号’‘旅行者1号’‘旅行者2号’，以及探索冥王星的‘新视野’号。”中国空间技术研究院总体部研究员孟林智介绍。

以美国NASA在40多年前发射的“旅行者1号”“旅行者2号”为例。澳门科技大学、台湾国立中央大学研究员叶永烜介绍，这两个探测器已飞越各个外行星，如今已穿过太阳系边际进入恒星际空间。它们途中所得的科学成果和发现，刷新了我们对木星、土星、天王星、海王星及它们卫星系统的认识，也成为现今下一波的深空探测工作的基础。

“自空间时代以来，大量航天器进入空间轨道，极大地拓展了人类的认知。”王赤认为，尽管如此，国际上对于太阳系的探测存在非常严重的“内外失衡”的现象，对于太阳系边际乃至更远的星际空间还缺乏有效的探测手段。一些重大科学谜团也长期处于悬而未决的状态。

在王赤看来，一个专门的太阳系边际探测计划蕴含着巨大的科学价值。

首先，可以对太阳系的大行星及其卫星、小行星、半人马小行星、柯伊伯带天体、彗星等天体进行顺访探测，对于了解人类家园、构建四维太阳系演化知识体系至关重要。

此外，通过对黄道云和柯伊伯带尘云、黄道光和河外背景光、日球层结构、邻近星际介质特性及其与太阳风的相互作用、等离子体、磁场、中性成分、宇宙线等的探测，也将有助于理解太阳系的起源和演化。

对航天技术提出新考验

“太阳系边际探测任务不仅可以填补空间物理、空间天文和行星科学等方面的研究空白，还具有显著的技术发展牵引作用。”中国空间技术研究院研究员黄江川认为。

黄江川介绍，其中包括先进指标载荷技术、超远距离行星际测控通信、超长寿命空间产品保证以及微纳功能设计与实现等技术。另外，还将推动核电推进、太阳帆推进、电帆推进、定向能推进等前沿技术和相应任务概念的探索性研究，为人类共同期待的未来星际探测的发展做出应有贡献。

对极远、极暗、极寒的太阳系边际进行探测，也是一项艰巨的挑战。

“从地球穿越太阳系边际，一般需要约30年时间。探测器将飞越小行星带、木星等气态大行星系，跨越柯伊伯带。”黄江川说。

孟林智认为，开展太阳系边际探测具有多方面的鲜明特点，例如探测目标多、任务复杂、距离跨度大、环境多变，自主性、可靠性要求高，寿命长、动力需求大、功能高度集成等。

这些特点将对航天技术提出全新考验，深空测控系统就是其中之一。这种系统是深空探测的重要组成部分，主要承担对深空探测器各工作阶段的测量、导航和控制等工作。

“随着深空探测距离成千上万倍的增大和探测目标的不断增多，信号衰减、传输时延、动态范围、任务规划等因素对深空测控系统的功能和性能都提出了更高要求，采用新技术、探索新方法成为未来深空测控系统发展的必然需求。”北京跟踪与通信技术研究所研究员李赞说。