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美国深空探测的战略规划及未来趋势研究(中)

时间:2016年01月07日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:



NASA深空探测任务的分类


NASA对其深空探测任务有着不同的分类方法,早在其发布的《2006年太阳系探索路线图》中就对深空探测任务的类型进行了定义和分类,但2006年之后,NASA并未发布新的太阳系探索路线图,而是通过其《战略规划》、《科学计划》等文件来制定NASA未来深空探测活动的方向和目标。分析NASA的《2006年太阳系探索路线图》、美国国家科学研究委员会的《行星科学10年调查报告》、NASA的《2014年科学计划》和NASA 2015财年预算申请文件等报告可以发现,NASA的深空探测任务按照探测目的地、预算和进度规模、任务筛选方式等,可以分为多种类型系列。从《2006年太阳系探索路线图》到《2014年科学计划》,NASA对深空探测的分类和侧重点也发生了变化,凸显出目前在美国不容乐观的经济大环境下,NASA在“行星科学”分领域做出的权衡和取舍。


2006年太阳系探索路线图》中规划“发现”、“新疆域”和“旗舰”三类任务


NASA在其《2006年太阳系探索路线图》中,按任务规模、技术复杂程度以及任务成本和周期,规划了三类深空探测任务,即“发现”(Discovery Mission,小型)、“新疆域”(New Frontier Mission,中型)和“旗舰”(Flagship Mission,大型)任务。


1)“发现”任务


“发现”计划(Discovery Program)是NASA的一项太阳系探索计划,于1992年启动,旨在向科学机构和研究团体提供机会,通过创新的科学研究设计,揭示太阳系的奥秘,以完成NASA的科学探索目标。

“发现”计划通过探测太阳系的行星及其卫星、小天体(彗星和小行星)等,来深化对太阳系的了解,并为未来大型探索任务提供基本的参考数据。“发现”任务均采用“首席专家责任制”(PI-led)的形式,具有研制成本低、研发时间较短、科学回报率较高的特点。对于整个任务(设计、开发、运载、仪器、航天器、发射、任务操作和数据分析),研制成本低于1.99亿美元,总成本低于2.99亿美元,远低于“新疆域”和“旗舰”任务。从任务设计研制到发射的时间不超过36个月。当时NASA计划每10年发射4~7项“发现”任务。


1)“发现”计划的项目选择。在启动“发现”计划之前,NASA宣布探测某个行星的计划后,通常要进行独立的招标和投标来选择航天器的研制、操作和科学研究单位。这使得任务规模很大,研制的科学仪器较多,涉及众多研究团体,花费许多年进行项目组织和发射,从而耗费大量资金、人力和物力。

“发现”计划则是将整个任务的征集、建议和设计都集中到一个任务小组,该小组由来自工业界、政府实验室和大学的研究人员组成,由“首席专家”牵头。通过“竞争公告”选出具体探测任务。


NASA《2006年太阳系探索路线图》


2)“发现”计划的实施途径。为完成“发现”计划的主要科学目标——增强对太阳系的了解,“发现”计划采用了独特的实施途径:①提高任务飞行率,目标是每12~24个月有一次发射任务;②限制整个任务的成本;③通过新技术的应用提高任务性能;④研究机构、大学、工业界广泛参与;⑤提高公众对太阳系探索的关注度。

“发现”计划还是NASA第一个要求面向公众的计划,NASA已经意识到空间探索对激发民众的热情和与公众沟通的重要性。“发现”计划采取了支持国家教育的创新途径,通过互联网将有关信息传达给各年龄段的青少年。

“发现”计划提倡试验和采用新技术。每项任务都通过与工业界合作,将新技术转移到空间任务中应用,特别是那些能够增强科学数据获取能力和降低成本的技术。

目前,NASA“发现”计划已经发射了11项太阳系探测任务,第12项任务是计划于2016年发射的“洞察”火星深度钻岩着陆器。


(2)“新疆域”任务


“新疆域”计划(New Frontier Program)是一项用“中型航天器”探索太阳系的计划,将通过高质量的、强调科学研究的任务设计来增强对太阳系的了解。该计划的目标是每36个月发射1次“高科学回报”的行星科学研究任务。NASA《2006年太阳系探索路线图》建议每10年发射2~4次“新疆域”任务。

“新疆域”计划将基于那些在“发现”计划中采用的创新方法,选择中等规模的任务,这些任务是在“发现”计划的成本和时间条件下无法完成的,任务成本不超过7.5亿美元。“新疆域”任务也通过“竞争公告”的形式进行选择,大多数从《行星科学10年调查报告》中推荐的任务中产生。

“新疆域”计划的第1项任务是2006年发射的“新视野”(New Horizons)冥王星及柯伊柏带小行星探测任务,成本为6.5亿美元,包括探测器研制、发射、运行和后期费用;第2项任务是于2011年发射的“朱诺”(Juno)木星探测任务;第3项任务是将于2016年发射的“奥西里斯-雷克斯”(OSIRIS-Rex,又名“起源光谱释义资源识别安全风化层探测器”)小行星探测任务。


(3)“旗舰”任务


“旗舰”任务(Flagship Mission)是NASA深空探测的大型任务,这类任务通常为复杂的、到达星体表面的任务,例如现场样品分析、大型着陆器等,任务成本约7.5亿到数十亿美元,研制周期约7年。

NASA已经实施的“旗舰”任务包括“旅行者”(Voyager)行星际探测器、“麦哲伦”(Magellan)金星探测器、“伽利略”(Galileo)木星探测器、“卡西尼-惠更斯”(Cassini-Huygens)土星探测器和“火星科学实验室”(MSL)。NASA《2006年太阳系探索路线图》建议未来NASA将执行的“旗舰”任务有木卫二、土卫六、土卫二、金星、海王星、海卫一等探测任务。


《2014年科学计划》在继续推进中、小型任务的同时,弱化大型任务


NASA在《2014年科学计划》中,按照探测目标的不同,将深空探测任务分为以下三类:


1)内行星(Inner planets)任务:探测月球、火星及其卫星、金星、水星。

2)外行星(Outer planets)任务:探测木星、木星环以及木星卫星(尤其是木卫二),土星、土星环以及土星卫星(尤其是土卫六和土卫二),天王星(Uranus)及其卫星,海王星(Neptune)及海卫一(Triton),矮行星——冥王星及其卫星,其他柯伊伯带天体等。

3)小天体(Small bodies)任务:探测彗星、小行星、矮行星——谷神星等。

除上述分类方法外,按照实施途径,NASA的深空探测任务也被分为3个“任务开发”计划(mission development program)和2个研究计划,分别为“发现”、“新疆域”、“火星探测”(MEP)、“行星科学研究与分析”和“近地物体”计划(Near-Earth Objects Program)。由于预算问题,NASA暂时搁置了“旗舰”任务,因此《2014年科学计划》并未再将成本最高的“旗舰”计划单独列出。不过归入NASA“火星探测”计划中的2020年新型火星车实际上也达到了“旗舰”任务的规模,成本高达15亿美元。


(1)继续推进“发现”计划


它是NASA《2006年太阳系探索路线图》中定义的“发现”计划。根据《行星科学10年调查报告》,“发现”任务的成本应低于5亿美元,未来NASA还计划继续实施“发现”任务。


(2)继续推进“新疆域”计划


它是NASA《2006年太阳系探索路线图》中定义的“新疆域”计划。但根据《行星科学10年调查报告》,“新疆域”任务的成本应低于10亿美元。


(3)将“火星探测”计划单独归为一类任务,凸显火星探测的重要性


“火星探测”计划是NASA于1993年制定的一项长期火星探测计划,包括火星轨道器、着陆器和漫游车任务,目的是探索火星目前的环境、气候、地质历史和存在生命痕迹的可能性。1992年,NASA的“火星观测者”(Mars Observer)任务失败,促使NASA正式制定了“火星探测”计划。广义上来说,自1993年之后NASA的火星探测任务都属于“火星探测”计划,但“火星探测”计划中的任务也可能属于NASA“发现”、“新疆域”、“旗舰”计划。

早期的“火星探测”计划任务包括“火星奥德赛”(Mars Odyssey)、“火星探测漫游者”(MER,勇气号和机遇号)、“火星勘察轨道器”(MRO)、“凤凰”(Phoenix)火星着陆器等,其主要探测目的都是“寻找水”(Follow the Water)。只有在发现了火星上过去和现在存在水的证据之后,才有可能进一步探索火星上是否有生命痕迹。NASA的火星探测器已经发现火星表面有水和支持微生物生存的证据,最新的“火星科学实验室”的探测目的是为了“寻找生命痕迹”。

“火星探测”计划有以下4项目标:①确定火星上是否曾经存在生命;②研究火星气候;③研究火星地质情况;④为未来的载人探测火星做准备。



4)“行星科学研究与分析”计划


该计划旨在利用NASA已经实施的探测任务获取的数据,进行系统的研究与分析,从以下几个方面支持NASA行星科学分领域的研究:


1)具有存储、分发NASA行星探测任务所采集的样品的设备,并支持对样品进行分析;

2)行星数据系统(PDS)用于存储和分发来自行星探测任务的数据;

3)成立虚拟研究所,例如NASA天体生物学研究所(NAI)和太阳系探索研究虚拟研究所(SSERVI),与NASA的天体物理学部门进行合作。


(5)“近地物体”计划


NASA一直对彗星、小行星等近地物体进行探测和研究,目的是规避近地物体对地球的威胁,以及为研究太阳系起源提供帮助。“近地物体”计划对95%以上的直径大于1km的近地物体进行了编目,为NASA的小行星和彗星探测任务提供支持。NASA行星科学部门提供资金,采取光学和雷达技术观测这些近地物体的轨道、形状、大小和旋转状态,从而更好地理解这些近地物体的运动、组成和特性。

“近地物体”计划具有以下独一无二的任务支持能力:

1)位于史密森天体物理学天文台的微小行星中心,对所有小行星、彗星、柯伊柏带物体以及其他小天体和太阳系所有已知的近地物体进行编目。

2)例如位于夏威夷的红外望远镜设施、金石雷达等观测设施,作为对无人探测器的补充。


NASA 2015财年预算申请不再投资月球探测项目和机遇号火星车项目,仍为可能的大型外行星探测任务分配预算


NASA在2015财年预算申请中,分配给行星科学的预算除“发现”、“新疆域”、“火星探测”、“行星科学研究”(包括近地物体研究)等计划之外,还给“外行星”计划分配了1500万美元的预算,主要是用于未来可能进行的木卫二探测任务的概念研究工作(pre-formulation)。


此外,NASA结束了“月球探索”计划(Lunar Quest Program),表明未来NASA并未规划新的月球探测任务。NASA将原本属于该计划的“月球勘察轨道器”(LRO)归入“发现”计划中,但在2015财年预算申请中并未给“月球勘察轨道器”分配预算,意味着“月球勘察轨道器”有可能在2014财年就结束任务。但NASA也表示,将研究“月球勘察轨道器”进行扩展任务的可能性,如果确定将进行扩展任务,将由美国“机会、增长、安全倡议”(OGSI)为其提供资金。在2016财年申请预算中明确将在2016财年停止“月球勘察轨道器”的运行。

除“月球探索”计划外,NASA在2015财年申请中也未给工作时间超过10年的机遇号火星车分配预算。


上文选自《国际太空》,如需详情请查阅该期刊。



 

(作者:伍晓京)
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