月球基地、深空探测、巨型星座……一系列航天领域最新研究成果公布

xubenben0313

9月14日，第十届航天技术创新国际会议在上海成功举行。会议围绕“航天向未来（Space in Future）”这一主题，探讨航天发展相关议题，推动航天领域的国际合作。据悉，今年，我国宣布启动实施中国载人月球探测工程登月阶段任务，月球的“地下世界”或成为人类月球基地新选择。不仅要“登月”，我国探日也有进展，“十四五”期间，我国将重点推动实施“羲和二号”太阳探测工程。我国载人月球基地怎么建？如何向太空更深更远处进发？来自英国、法国、意大利、韩国、新加坡等国家和地区航天领域的专家与我国专家学者展示了一系列航天领域最新研究成果。打开月球地下的“大门”今年，我国宣布中国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施，人类正在迈入月球探索与开发的新时代。中国载人航天工程神舟飞船副总设计师、月球探测着陆器副总设计师、中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院科技委常委张崇峰带来了团队关于月球火山熔岩管道洞穴的研究，并进一步探讨了月球熔岩管道洞穴可用于后续建设月球科研站的可行性。所谓火山熔岩管道洞穴，是在月球早期地质活动活跃的年代，地下熔岩流动冷却后形成的巨大类似隧道的相对稳定且平整的内部空间。张崇峰说：“受到长年累月的地质活动、撞击事件以及月震等因素的影响，较为浅层的火山熔岩管道局部在塌陷后形成了可进入的‘天窗’，为我们打开了探索月球地下世界的大门。”

地球典型熔岩管道内部为什么会想到利用月球上的熔岩管道洞穴来建立月球科研基地？“与地球相比，月球几乎没有大气层，随之带来的巨大昼夜温差、高强度的宇宙辐射以及微陨石的撞击等，都会给人类在月面建立长期科研基地带来安全隐患”，张崇峰表示，熔洞内部提供了巨大的空间，相比月球表面高低温变化的极端环境，熔洞内部相对恒温；可以说，月球熔洞天然提供了辐射、陨石撞击、月尘等防护。近年来，张崇峰所带领的团队与国内行星地质领域的专家共同实地考察了国内的多个熔洞，逐渐建立起对于月球熔洞构造的理解与认识。“月面熔洞与地球熔洞具有一定的相似性，根据熔洞的入口方式不同，可分为垂直熔洞和斜坡熔洞入口两种类型。”

垂直熔洞（左：月球静海熔洞；右：地球垂直熔洞）垂直入口是目前发现的月球熔洞的主要形式，它的特点是存在一个塌陷天窗，天窗底部为大量塌陷碎石及土壤堆积，需要通过部署垂直升降设施或采用飞行方式进入；斜坡式入口属于半塌陷式结构，因此存在直接沿塌陷结构进入熔洞内部的可能，是早期可通过月面移动探测器进入的优选目标。

斜坡熔洞（左：月球中丰富海熔洞；右：地球斜坡熔洞）但探索月球熔洞将是人类第一次进入地外天体的地下空间，极端地形的通过与进入、黑暗环境下的导航与探测、熔洞内部的通信与能源支持等，都是必须要面对和突破的多重难题。因此，团队重点筛选了静海、丰富海这两处月球熔洞作为主要探测目标，开展探测方案的设计。“针对熔洞进入与探测需求，我们正在开展具有多种探测模式、多样化进入能力的‘主从式’探测器的研制，以及能源、通信等辅助保障设施建设，形成‘1+N+N’的三维复合探测能力。”张崇峰说。具体而言，主探测器将优先采用足式、轮足式移动系统，在复杂地形环境中具有较好的地形适应性，以及越障和避障能力，携带可分离布置的辅助探测器并为其提供中转通信以及能源保障，同时，主探测器还搭载科学探测载荷，可对熔洞外部和洞口环境、地形地貌、物质成分等进行探测。

组合式熔洞探测系统地面样机根据任务的不同需求，辅助探测器的选用则更加多样化。比如针对熔洞内部可能存在的陡坡、塌陷、碎石等极端地形，可选用仿生多足爬行、弹跳、绳系、滚动等不同移动形式的辅助探测器。辅助探测器同样也携带科学探测载荷，可对熔洞内部温度、辐射、月尘、土壤成分、水冰等进行探测。“除此之外，针对地形崎岖、落差较大的熔洞，还可采取飞行探测器直接飞入的方案，通过配置微波雷达和环扫激光雷达，实现黑暗环境下的自主避障飞行。”张崇峰说。面向后续建设载人月球基地的愿景，张崇峰还提出了关于月球熔洞基地建设方案的设想：在洞口建立能源通信支持中心；部署设施及人员的进入和返回通道；开展地形改造，在熔洞内部署舱体以及原位建造科研和居住舱，建设长期运行的月球地下科研基地。 向太空深远处进发随着人类对太空的探测更深、更远，行星际探测飞行的时间和空间跨度也越来越大。以木星系及更远的太阳系边际探测任务为例，探测器飞行时间达到10年到30年，飞行距离达到100倍日地距离，通信延时以小时计。在如此大的时间和空间跨度下，探测器应减少对地面的依赖，具备全自主生存能力，而自主导航是保持正确飞行路线和飞行姿态控制的前提。“随着天问一号火星探测器于2020年7月成功发射，正式拉开了我国行星际探测的序幕，在接下来的小行星、木星系和太阳系边际探测任务中，探测器自主导航技术将进一步发挥重要作用。”中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院院长助理刘付成说。飞向宇宙更远空间的过程中，可采用的自主导航包括X射线脉冲星测距导航、恒星光谱测速导航和光学自主导航等方式。其中，光学自主导航可以通过图像目标识别和特征提取，完成位置、速度等导航信息的提取，是支撑我国未来进一步行星际探测的重要技术之一。“就像我们在公园查看地图时，首先要找到自己所在的位置，才能选择最优路线。”刘付成说。行星际光学自主导航面临太阳光照条件变化、行星大气模型不够准确，以及测量时间基准和空间运动的对准等难题。在我国首次自主火星探测任务中，上海航天采用“可见光+红外双波段光学导航敏感器”，提出了动态边缘图像自适应识别、椭球边缘拟合和自主时空基准对准等方法，成功验证了火星接近段和环绕段自主导航技术，证明了光学自主导航在行星际探测任务中的有效性。

左图为火星接近段自主导航，右图为火星环绕段自主导航后续的行星际探测任务中，一次任务的飞行距离将更远、探测目标更多，飞行路线更加复杂，对导航路标天体的自主规划提出了更高要求。上海航天研制团队将密切跟踪我国行星际探测计划，扩展光学自主导航技术应用场景，为我国木星系及更远的太阳系边际探测任务贡献智慧。

行星际飞行过程示意图 实现“无感化”用天近年来，以埃隆·马斯克发起的“星链”计划为代表的庞大星座计划推动了新一轮的低轨巨型星座网络发展浪潮。新兴的低轨巨型星座计划一般包含数百至数万颗低轨卫星，目标是为全球用户提供无处不在的宽带互联网接入服务，具有大规模、广覆盖、低时延、宽带化、天地一体等特征。上海航天卫星总设计师陈占胜针对全球巨型星座发展趋势，倡导“联接、感知、智算、传输、研训、管控、应用”七位一体的巨型星座构建和应用理念，提出软件定义智联卫星，“就像我们的手机不换，手机应用软件和操作系统可以升级。我们希望未来卫星能力的提升，可以通过软件更新重构来实现。”陈占胜说，通过打造“无感化用天”，解决 “太空治理”和 “太空安全”新课题，构建人类和平利用太空的命运共同体。陈占胜表示，综合分析发现，巨型星座的发展呈现弹性化、智能化和软件化等大趋势：一是通过弹性化设计，实现星座规模、功能、网络和能力等动态扩展；二是构建天基智能化软硬件生态，提供多源信息融合处理、智能自主任务规划和资源动态调配等能力；三是从星座、系统、单机软硬件等多个层级开展软件化设计，支持服务动态调整、能力迭代升级等能力。如何实现“无感化”利用空天资源？陈占胜表示，基于七位一体巨型星座体系设计，采用分布式、开放式架构，大力发展软件定义智联卫星系统，通过泛在时空基准、高可靠网络、人工智能等新技术，快速、灵活、自主地组合星座资源，形成模块化、可伸缩、可扩展的多业务、多应用的按需服务能力。

巨型星座七位一体的论证、构建和应用理念巨型星座的飞速发展和高品质服务给社会带来巨大变革，但也提出了新的研究命题：面对近地空间频率、轨道资源稀缺，如何做好“太空治理”？巨型星座卫星的失效将对近地空间利用带来灾难性威胁，如何保障“太空安全”？巨型星座的大量部署对人类深空观测、电磁环境等或将产生负面影响，如何降低“太空污染”？对此，陈占胜认为，世界各国应在合理利用近地空间、维护近地空间安全上携手共进，共建地球美好家园。 气象卫星更“智慧”“第三代风云气象卫星将从目前的‘国际先进、局部领先’向‘国际全面领先’迈进，成为国际气象卫星技术发展的领航者。”上海航天总设计师董瑶海说。董瑶海是我国第二代气象卫星的开拓者之一，先后担任风云三号气象卫星总设计师、风云四号气象卫星总设计师、静止轨道微波探测卫星总设计师、风云三号系列气象卫星工程总师，牵头我国气象卫星体系设计和抓总研制。他介绍，“我国在现有风云卫星观测系统基础上，已经在谋划未来第三代风云卫星的宏伟蓝图。第三代风云卫星观测系统将以体系效能型智慧气象观测体系和高效益风云生态系统为主要标志，以服务我国气象事业高质量发展、防灾减灾和全球战略为根本初衷。”董瑶海透露，第三代风云卫星将通过“三个建立”实现“三个提升”。首先是观测能力提升，建立星地一体、互联互通的智慧观测体系，通过高低轨卫星智能协同、智能处理、智能决策、智能响应，实现对气象灾害快速机动响应；第二，体系效能提升，建立开放、包容的风云卫星标准体系，允许具备不同规模和能力、符合标准门槛的卫星观测系统接入，实现体系综合观测效能的不断补充完善；第三，服务效益提升，建立覆盖卫星上下游的风云生态系统，围绕卫星数据处理、数据高效分发和产品应用，集合用户单位、科研院所和各类公用平台资源，实现卫星“点对点”定制服务能力和灾害信息实时送达能力，推动风云卫星更广泛、更便捷、更高效益的应用服务。

未来风云气象卫星智慧观测体系风云气象卫星事业起步于50多年前，是我国最早发展的遥感卫星系列，有很好的规划延续性、自主创新性和显著的应用效益。风云卫星已发射2代4型21颗，目前9星在轨稳定业务服务，全部由中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院抓总研制。董瑶海说：“风云卫星的发展历程是中国航天事业由弱到强、由跟跑、并跑再到局部领跑跨越的缩影。”目前，风云卫星有三个世界“唯一”：唯一拥有上午、下午、晨昏和倾斜4条近地轨道气象卫星序列，唯一拥有高轨红外高光谱高频次大气垂直廓线探测能力，唯一具备250米空间分辨率区域1分钟连续观测能力。风云卫星探测手段主被动结合、探测精度、时空分辨率均达到国际一流。

现有风云卫星观测系统与此同时，风云卫星在国计民生领域发挥着广泛的社会和经济效益。董瑶海说，风云卫星是知冷知热的“百姓星”，数据应用于台风、火灾、雾霾等重大天气事件监测分析，数值天气预报、大气环境监测等百姓日常生活相关领域。以台风监测为例，风云卫星结合我国自主研发的数值预报系统，台风登陆点预报准确度全球最高，大幅减少了人民生命财产损失。风云卫星还是全球服务的“中国星”，数据共享至129个国家和地区，并为共建“一带一路”国家提供定制防灾减灾服务。 开启我国太阳立体探测时代由南京大学、中国气象局、上海航天技术研究院等单位联合提出的“羲和二号”日地L5太阳探测工程，初步计划于2026年发射升空，国际首次将一颗人造探测器发射至日地L5点，开启我国太阳立体探测时代。2021年10月14日，“羲和号”卫星成功发射，标志着我国正式步入空间“探日”时代。在“羲和号”卫星成功发射的基础上，“十四五”我国将重点推动“羲和二号”日地L5太阳探测工程的实施。

羲和号拍摄的太阳Hα线心图像会上，中国科学院院士方成谈到L5点探测与众不同的优点和价值：“日地L5点为国际探测空白，在该区域探测科学意义重大、工程可行性较好、投入产出比高。结合近地观测，可实现太阳活动现象的三维重构，为揭示太阳爆发的物理机制提供关键信息；能够提前4到5天观测到即将面向地球的太阳活动，实时追踪面向地球的太阳爆发，给空间天气预报带来革命性突破。”“空间科学和空间技术是国家科技实力和创新能力的集中体现，积极开展空间科学研究与探索，对我国建设航天强国和科技强国具有重大推动作用。太阳与人类活动和地球安全息息相关，观测和研究太阳爆发及其影响，不仅是重大的前沿科学课题，更是实现人类可持续发展的必然要求。”方成介绍。

中国未来太阳空间探测计划 “羲和二号”发射后，将探索太阳活动区磁场的起源和演化、揭示太阳爆发的三维结构和物理机制、研究太阳爆发的传播规律和对地响应，为实现空间天气及时预警及准确预报提供关键数据和技术基础。第十届航天技术创新国际会议由国际宇航科学院、中国宇航学会、中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院共同主办，是国际宇航科学院在中国主办的唯一的国际学术会议。来源/上观新闻编辑/孙喆审核/贺喜梅
监制/索阿娣