ISAS/JAXA:未来太阳系探测任务概貌

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前面介绍了2篇LCPM会议的文章，CNES：法国在低成本行星探测项目上的愿景‍

以及NASA：持续推动低成本小卫星技术在行星科学的应用。本期开始介绍大会第三篇主报告，日本JAXA的ISAS的太阳系探测任务。



这是JXAX近些年的太阳系探测任务，包括著名的隼鸟1/2小行星探测任务，也包括伊卡洛斯太阳帆任务等。

隼鸟2号发射于2014年，为世界首枚采集小行星样本并返回地球的“隼鸟号”后续机型，发射目标是抵达小行星“1999JU3”外号“龙宫”，该小行星上可能有含有机物质和水的岩石。 两枚着陆器也是探测器，两者将会以跳跃方式在小行星上进行移动，后续将会执行拍照、测量等工作。 相较于隼鸟2号的顺利到达，隼鸟1号的经历堪称是九九八十一难，2003年发射的隼鸟1号经历了离子发动机故障、遭太阳风暴袭击、姿态控制仪故障、硬着陆无法开启测量仪器、燃料泄露等诸多问题，甚至因为天线问题直接失联了2个月。 不过堪称奇迹的是隼鸟1号最终克服了这些困难携带了一些小行星的尘埃返回地球。

“伊卡洛斯”太阳帆是2010年5月21日与“黎明”（Akatsuki）金星探测器一同发射的，太阳帆成功利用离心力展开了对角线长20米，厚0.0075厘米的聚酰亚胺帆板，依靠太阳光子产生的光压获得加速度。控制人员通过开、关液晶装置，改变帆板的反射系数来控制飞行器的姿态。在飞行过程中，太阳帆的一组科学仪器捕捉到了伽马射线爆炸，收集了太空尘埃的数据，还参加对了太空物体的甚长基线干涉测量（VLBI）观测。太阳帆团队尝试新的导航技艺，如改变太阳帆朝向太阳的角度，和改变太阳帆轨道等。该团队下一项太阳帆计划已经启动。团队打算再建造一个比“伊卡洛斯”大十倍、拥有离子发动机的太阳帆支持木星任务。



这是JAXA的太阳系探测任务整体概貌图，黄色字体代表已结束的任务，绿色字体代表正在进行的任务，红色字体代表正研发的任务，蓝色字体代表未来计划中的任务。



Akatsuki是金星大气探测任务，带有长波红外相机。金星表面被一层厚厚的大气层所笼罩，其中含有硫酸雾滴的酸性云层不断作自东向西的运动，其速度甚至远远超过了金星本身的自转速度。但在这神秘的快速大气自转背后，科学家们近日却在金星大气中发现了一张侧面的“笑脸”图案，相当有趣。这张笑脸延伸超过1万公里，非常巨大。



可以看到，这个弓形图案几乎固定在一个特定地理位置上空，不会发生移动，不管背景高空大气多么剧烈的运动。在2015年12月探测器拍摄到相关图像之后，日本立教大学的研究人员对该神秘图案开展了研究。此次针对这一现象的最新论文的第一作者是日本立教大学的田口真教授，他说：“这一弓形图案本身实际上是多重高温或低温区域，间隔大约5公里，从北半球高纬度一直向南越过赤道，延伸至南半球高纬度，长度超过1万公里。”这一几乎静止的温度异常带在12月7日至11日间一直存在。田口真教授表示：“最令人感到不可思议的一点是，这个弓形图案几乎一直存在于一个固定地面区域的上空，不管背景高空大气如何做超速运动，它都似乎不受影响。要知道金星高空云层顶部的风速会超过每秒100米以上。”



科学家们设想这可能是某种穿越大气层的重力波，就像池塘中水的涟漪。田口真教授说：“当重力波在大气中传播，空气分子会在垂直方向上发生震动，这是空气浮力和金星重力两者之间相互平衡的结果。当空气粒子向上运动时，由于绝热冷却，其温度会下降。我们在金星云层顶部所观察到的这种弓形图案，我们认为正是这种温度调节机制的产物。”但是至于为何在金星大气高速转动的情况下这一弓形图案仍然能够几乎保持静止这一点则仍然困扰着科学家们。科学家们目前还找不到确凿的成因解释，但他们倾向于认为这一现象的出现可能与该区域下方的巨大山脉导致的重力波有关，这是在行星表面首次观察到这类现象。目前高度怀疑金星表面高耸的山脉可能是背后元凶。在迄今已经发现的15个这类弓形图案案例中，几乎每一个的正下方都恰好与金星表面的高山分布相吻合。



隼鸟2号很多技术沿用了隼鸟号，已验证的技术更具有可靠性。 动力方面，不同于隼鸟号采用化学推进和电推进两种方式来互补目前水平的劣势（化学推进推力大但作用时间有限，电推进推力小但作用时间长），隼鸟2号采用4台电推进发动机Ion Engine，大约只需要化学燃料推进的1/10的耗电量。

有四个天线，X波段高中低和Ka波段高增益天线，中低增益天线都是备份用的，其中X波段是专供深空探测的波段，而Ka波段可以提供更高的带宽；测星器Star Trackers和广角光学导航相机Optical Navigation Camera-Wide也是惯用的星际导航定位的设备；激光高度计Laser Altimeter协助采样器Sampler Horn判定是否已经接触星体；近红外分光计Near Infrared Spectrometer通过探测小行星的红外辐射得出小行星表面环境的一些数据，用以分析小行星的物质构成，隼鸟2号也携带有红外热成像仪，两者在隼鸟2号绕行时工作；分离摄像机Deployable Camera协助返回舱Reentry Capsule与主体分离。

5个着陆标记Target Markers，用于在接触采样及着陆前释放到小行星表面作为标记； 撞击器SCI，重2kg，将以2km/s的速度撞击小行星用于分析更内层的物质，为了便于和小行星的物质进行区别，撞击器采用高纯铜； RCS 喷嘴Thrust，探测器姿态调整用； 微型着陆车MINERVA-II，自带太阳能电池，利用小行星的微重力和自身的轻巧来在小行星表面运动和拍摄； 德法研制的着陆器MASCOT，设计寿命16小时（两个天）携带有四台设备：磁力计，广角摄像机，红外显微镜，辐射计。

隼鸟二号的独特之处在于：

1.着陆采样，更准确的说是悬停采样，由于小行星的重力十分微弱，进行接触式采样的难度不小；2.飞越采样系统，飞行抵近小行星时依然在外部空间收集可能存在的小行星周边物质，隼鸟2号在捕捉面板上采用双层0.01g/mL的气凝胶； 3.样品保存，污染控制，样品保存装置总计小于500g，隼鸟2号采用铝真空罐闩和弹簧双重封印和填充惰性气体的接口；


10月20日，欧洲-日本联合实施的水星探测飞船BepiColombo搭乘阿丽亚娜5号（Ariane 5）火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。BepiColombo项目科学家、ESA行星物理学家Johannes Benkhoff说：“这是一个伟大的时刻，我们终于把它变成了现实。”

BepiColombo于二十世纪90年代立项，历时21年后成功发射。按计划，这艘斥资18亿美元的飞船，将于2025年抵达水星。届时它将分离成两个航天器进入各自的水星轨道，开始协作进行暂定为期一年的数据收集活动。



进入水星轨道的一个由欧洲航天局研发的“水星行星轨道飞行器MPO”，主要用于探测水星的表面和内部结构；另一个由日本宇宙航空研究开发机构研发的“水星磁层轨道飞行器MMO”，主要负责探测水星的磁场及其与太阳风的相互作用。欧洲航天局的“水星运载模块MTM”将负责转运这两个轨道器。欧空局研制的MOSIF主要作用是连接这两个轨道器的轨道遮阳板和接口结构。图中红色字体是ESA开发的，黄色字体是JAXA开发的。

由于水星上的阳光强度比地球附近的外层空间强十倍，且几乎没有什么大气层。太阳照射时，水星表面温度高达四百多摄氏度，太阳光不照射时，表面温度低至零下一百多摄氏度，航天器将经历极端温度变化。

为了应对这次任务中的极端环境，BepiColombo整体做了周全的设计。MTM的太阳帆板角度经过特殊设计，能够得到充足的电量又不至于被太阳辐射毁坏。MPO上的散热器不仅能快速散出太阳传导过来的热量，还能散出在飞掠行星时从行星反射过来的热量。八棱柱状的MMO也将用15 r/min的速度进行自转，来保证自己不会被太阳的热量破坏。



水星处于太阳引力井的深处，这使得到达它成为一个巨大的技术挑战。要到达水星，航天器必须失去地球轨道给它的大部分动力，这样它才能“落”向太阳。但同时，航天器还必须避免过度发射，否则会导致它驶向其他轨道而掠过太阳的引力井。 “BepiColombo计划是我们执行过的最复杂的任务之一。”欧洲航天局 BepiColombo的飞控指挥Andrea Accomazzo说，“这项任务中，一个很大的挑战来自于太阳的强大引力，这使得把一个航天器定位在水星轨道很不容易。我们需要通过电推进的不断制动来使航天器能够受控地向太阳靠近。” 由于这些复杂因素的影响，抵达水星的能量是到火星的8倍，而且需要更长的时间。 因此，BepiColombo这次飞行使用了先进的太阳能离子推进器，并且将绕行地球轨道一次，金星轨道两次，水星轨道六次，以结合九次来自地球、金星和水星的引力协助，帮助BepiColombo抵挡太阳的巨大引力并滑入稳定的水星轨道。

BepiColombo抵达水星前的7年时间里，科学家们并不是“无所事事”地等待。 据了解，“长途跋涉”中，飞船将对水星和地球围绕太阳运行的轨道进行迄今为止最精确的测量。科学家们将利用这些测量数据，试图找到爱因斯坦广义相对论的不足之处。 BepiColombo飞掠金星时，飞船会开启仪器收集数据。飞船上的一些仪器虽然是针对水星探测而设计的，但也可能在探测金星时起到作用。换句话说，在飞行过程中，科学家们将利用近地飞行机会来测试飞船上的许多仪器，并在飞船飞行过程中对其他行星进行探测。 “当BepiColombo到达水星轨道开始环绕后，相关探测器才会完全‘开机’，MPO轨道器上几乎所有的仪器都是对准水星的，就像遥感卫星对准地球后才会‘开机’。”

太阳炙烤的水星曾经被认为是一个静止的、枯燥的地方。但近年来，人们发现它有许多令人惊讶的现象，比如不寻常的磁场，以及陨石坑中发现的水冰沉积物。 在抵达水星的几个月前，MTM将会分离并被抛弃在太空中，剩下的MPO、MMO这两个轨道器将会被水星引力捕获从而进入环绕轨道。 定轨完成后，MPO、MMO将开启仪器开始采集和这颗行星的内部结构、表面组成、地质结构以及和太阳风相互作用的相关数据，这其中还包括藏在环形山阴影里的冰的相关信息。“BepiColombo的探测‘利器’就是轨道器上的各种望远镜。当然，想要明确水星的内部结构等问题，单靠一枚卫星的探测是远远不够的。此次任务一个很大的创新就是采用两个航天器从不同的位置同时对行星进行探测。这对了解太阳风对水星的表面和磁层的作用具有重要意义。”Johannes Benkhoff说。



2015年6月，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)表示，拟于2019下半年采用“艾普西龙”运载火箭发射日本首个无人月球着陆器一一“月球研究智慧着陆器” (SLIM) ，首次挑战着陆范围在数百米内的精确定点软着陆技术。



SLIM(Smart Lander for InvestigatingMoon)是一项针对未来月球或行星探测所需的定点软着陆技术进行研究，并通过发射小型探测器对月球表面精确定点软着陆技术进行验证的任务。  精确定点软着陆技术将使人类不仅实现以往的“着陆在容易着陆的地方”这一目标，而且将出现质的转变，即“着陆在想着陆的地方”。以往各国月球或行星着陆器的着陆点都偏离预定目的地一至数千米，而SLIM任务想要把着陆范围缩小到数百米内。

SLIM任务将要验证的技术美俄均未掌握，是非常先进的技术。通过实现该任务，日本将可以实现在比月球表面环境更为苛刻的行星表面着陆。

SLIM的目标主要包括如下2项，旨在为未来月球或行星探测做出贡献：  

1．采用小型探测器对月球精确定点软着陆技术进行验证  精确定点着陆是未来太阳系科学探测所必需的条件。随着人类对探测天体了解程度的增加，想要探测的内容会比以往更为具体，因此不仅仅要简单地着陆，还需要像SLIM那样实现精确定点着陆。  

2．开发比以往质量更轻的月球或行星探测器，为提高月球或行星探测频次做出贡献  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任务涉及的新技术  为实现SLIM任务月球精确定点着陆技术验证以及利用轻质探测器系统为提高月球或行星探测频次做出贡献的目标，需要研发各种先进技术。  

1．为实现月球精确定点着陆需开发的技术

(1)着陆制导控制技术  SLIM着陆顺序被分成两个阶段：动力下降段和垂直下降段。动力下降段又进一步分成两个阶段：惯性导航段和视线(LOS)导航段。为实现精确定点着陆，日本正在研发先进的着陆制导控制技术。

(2)图像相对导航法

为了实现“着陆在想着陆的地方”，探测器需要准确地了解自己处于什么位置，尤其是探测器在以月球为主的带有重力的天体表面上着陆，从开始降落到实际着陆，需要在很短时间内完成，因此需要通过相机高水平自主拍摄图像并匹配月面形貌的方法推测自己所处的位置。在SLIM中将通过采用数码相机的面部识别技术确认月球表面陨石坑位置，并通过比对由“月女神”所拍摄的月面形貌进行定位。为此，明治大学的镰田研究室正在研发图像相对导航法。

(3)着陆缓冲系统

如何吸收着陆时带来的冲击以及如何保护探测器，这对着陆探测来说是个较大的问题。以往的探测器使用了铝合金蜂窝缓冲器和气囊缓冲装置等着陆缓冲系统，而SLIM所使用的发泡铝缓冲器质量更轻，可以更好地吸收冲击，保护探测器安全着陆。静冈大学的能见研究室正在研发SLIIVI着陆缓冲系统并模拟各种月面条件开展着陆试验。



2．为实现轻质探测器需开发的技术  

(1)热控系统  

探测器中不易抵抗温度变化的是燃料箱与电池，其中燃料箱的热容量相对较大，而电池较小。因此通过将电池与燃料箱进行热结合，不用扩大电池的散热面积，就可对电池的温度进行控制，减轻热控系统的质量。  

(2)电源系统  

为了使SLIM变得更小巧轻质，采用薄膜电池板和层压电池是其一大特征。另外，通过采用数控电源，在减轻质量的同时，还能实现功能的整合，未来可更有效地应对太阳光强度变化较大的深空探测任务。



(3)高性能推进系统  奔向月球的SLIM与围绕地球转动的卫星相比，需要更大推力。因此推进燃料使用量必然更多。为了解决这一问题，就需要燃烧效率更高的推进器。SLIM发挥“晓”金星探测器的开发经验，止在设法提高陶瓷推进器的性能和可靠性。

SLIM任务将以JAXA宇宙科学研究所为主，联合日本全国大学的研究者共同参与研究，主要包括九州大学的外本研究室、首都大学东京的北苑研究室、首都大学东京的小岛研究室、电气通信大学的高玉研究室、明治大学的镰田研究室、横滨国立大学的上野研究室、静冈大学的能见研究室等。

JAXA希望以往对航天领域不太熟知的大学研究者也参与进来，集结更多的智慧。比如近年来取得显著发展的数码相机人脸识别技术，小巧的数码相机机身中带有先进的图像处理技术等。这些民生领域的成果应用至航天领域，可创造出新技术，并带来新变化。因此JAXA呼吁以往不了解航天领域的研究者们也要积极地参与进来，希望有更多的研究者为SLIM任务贡献自己的力量。

目前SLIM任务以每两周一次到每个月一次的频率召开例会，进行横向联系，以分论坛（系统、图像导航分系统、制导控制分系统、推进分系统、着陆缓冲分系统）的形式进行各专业领域的探讨。



2015年6月，JAXA宣布计划于2021年发射无人火星探测器，开展火星卫星采样返回探测；2016年开始着手研制工作；2017年4月，与法国航天局签署合作协议，由法国提供科学仪器并提供飞行动力学方面的专业知识来帮助规划任务轨道和着陆操作；2018年10月，与法国航天局和德国航天局发表联合声明，决定由法国和德国联合开发MMX任务所需的巡视器。2017年，JAXA将MMX任务推迟到2024年发射，计划于2029年采样返回地球。

MMX任务旨在阐明火星卫星的起源和火星区域的演化过程，包括如下科学和工程目标：

科学目标：

-阐明火星卫星的起源和太阳系行星的形成过程。

-阐明火星区域（火星、火卫一、火卫二）的演化过程。

工程目标：

-开发可在地球和火星之间的往返技术。

-开发先进的天体采样技术。

-利用新开发的地面站建立最优通信技术。

MMX探测器正在开发中，JAXA尚未公布探测器平台的具体细节，仅可从下图中看出探测器所包含的一些部件和系统。


探测器的采样技术将借鉴“隼鸟”号小行星探测器的采样技术，利用气动系统采集火星卫星的风化层颗粒，预计获取10克的样品。JAXA和国际合作伙伴目前正在讨论从火卫一或火卫二的某处采集样品，而探测器携带仪器获得的遥感数据将被用来确定到达火卫后的采样地点。  探测器所携带的巡视器可能采取跳跃的方式行进，并将由太阳能提供动力，可以在火卫的表面上运行几个月。该巡视器将详细分析火卫表面风化层和结构，以优化MMX任务的着陆和采样返回操作。

MMX的科学仪器  

MMX任务除了进行采样返回探测之外，探测器还将利用各种科学仪器对火星及其卫星进行遥感探测。拟携带如下仪器：

1.中子和伽马射线光谱仪（MEGANE）  该光谱仪由美国约翰•霍普金斯大学应用物理实验室负责开发，通过测量从火卫发射的中子和伽马射线的能量，探测火卫一的元素组成，以了解火星卫星如何形成。

2.火星周围尘埃检测器（CMDM）  该仪器由日本千叶理工学院行星探索研究中心负责开发，将用于分析火卫周围的尘埃环境。它通过测量10μm或更大的尘埃丰度，确定天体碰撞产生尘埃的频率和火卫上尘埃重组的现象。

3.质谱分析仪（MSA）  该仪器由日本大阪大学负责开发，将分析火卫周围的离子环境，探测火卫内部是否存在冰、火卫表面的风化作用，以及火星大气的耗散量。

4.矿物质、水、冰和活性度的宏观观测台（MacrOmega）  该仪器由法国空间天体物理研究所负责开发，是一种近红外观测设备，旨在研究构成火卫的矿物特征。该仪器将使用光谱仪测量4微米波长的近红外辐射，这些测量信息将被用来确定整个火卫上与水有关的物质和有机物的分布，并将帮助选择采样地点。

5.激光雷达（LIDAR）  该仪器由日本千叶理工学院负责开发，将被用来观察火卫表面的形状，通过测量反射激光返回到探测器的时间，获得表面高度和反照率（太阳辐射的漫反射）的分布。

6.彩色成像仪组成的光辐射计（OROCHI）  该仪器由日本立教大学负责开发，是一个广角相机，用于观察火卫表面的地形和物质组成。它可以对从火卫表面反射的多波长可见光进行成像，以识别含水物质和有机物。

7.地形学伸缩天底成像仪（TENGOO）  该仪器由日本立教大学负责开发，是一个伸缩（窄角）相机，用于观察火卫表面的详细地形。它可以捕获约40厘米特殊分辨率的表面图像，并获得与采集样品对应的不同材料的分布信息，还将用于采样地点勘测。



按计划，MMX探测器将于发射一年后抵达火星，进入环火星轨道。探测器在火星轨道实施机动与火星卫星交会，先对火星卫星进行遥感探测，然后在火星卫星表面着陆并采集样品，再携带样品返回地球。

总之：

—ISAS从1985年开始就从事太阳系探测任务研制；

—在未来的10年，观测金星的Akatuki，抵达小行星的隼鸟二号以及水星任务的MMO都将被发射至深空执行任务；

—SLIM和MMX任务目前正在研发中；

—对于积极参加深空探测任务，我们与NASA、ESA和国际伙伴的合作依然是重要的。

（本文的部分内容摘自星际智汇，作者李虹琳）

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