再踏征程，日本深空探測(cè)持續(xù)發(fā)力

9月7日，日本H-2A火箭在種子島宇宙中心成功發(fā)射了兩個(gè)深空探測(cè)任務(wù)航天器。其中，X射線成像和光譜任務(wù)（XRISM）探測(cè)器將嘗試揭開(kāi)宇宙形成、演變的神秘面紗，而月球探測(cè)智能著陸器（SLIM）則準(zhǔn)備驗(yàn)證軟著陸月面新技術(shù)。那么這兩個(gè)航天器各自有何“絕技”？日本深空探測(cè)事業(yè)已收獲不俗成果，又計(jì)劃在哪些方面繼續(xù)發(fā)力呢？

滿(mǎn)足更大宇宙好奇心

XRISM探測(cè)器被稱(chēng)作天文衛(wèi)星或空間望遠(yuǎn)鏡，是美日合作開(kāi)展的深空探測(cè)任務(wù)，也被認(rèn)為是2016年失敗的“瞳”任務(wù)的后繼者。

日本XRISM探測(cè)器想象圖

盡管X射線天文學(xué)是一門(mén)相對(duì)新興的學(xué)科，發(fā)展歷史僅有60年左右，但已為科學(xué)家提供了一個(gè)觀察宇宙的新視角。比如，XRISM探測(cè)器能夠像棱鏡分離可見(jiàn)光一樣，分離X射線的波長(zhǎng)。這樣一來(lái)，科研人員通過(guò)觀察來(lái)自宇宙深空的高溫等離子體，有助于解開(kāi)宇宙形成與演變的謎團(tuán)。

為此，XRISM探測(cè)器配備了“精兵強(qiáng)將”。它的質(zhì)量達(dá)2.3噸，長(zhǎng)8米，包含太陽(yáng)能板在內(nèi)，寬約9米，配備了寬視場(chǎng)X射線成像儀和低溫高分辨率X射線光譜儀。前者可以讓科學(xué)家觀測(cè)到類(lèi)似整個(gè)滿(mǎn)月范圍內(nèi)的天域。后者能夠?qū)⒁粋€(gè)輕型X射線鏡像組件與一個(gè)X射線量熱計(jì)進(jìn)行配對(duì)分析，簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以幫X射線“染色”，顯著提升觀測(cè)效果。

不難發(fā)現(xiàn)，X射線量熱計(jì)屬于XRISM探測(cè)器的獨(dú)特之處。這種技術(shù)是美國(guó)宇航局在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的，可以“捕獲”1/100萬(wàn)攝氏度的細(xì)微變化，進(jìn)而探測(cè)電磁輻射。由于單個(gè)X射線光子的能量與波長(zhǎng)密切相關(guān)，科研人員就有望獲知X射線的“顏色”了。2016年2月，日本發(fā)射了搭載類(lèi)似X射線量熱計(jì)的天文衛(wèi)星——“瞳”，不料其姿態(tài)控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致該衛(wèi)星失控旋轉(zhuǎn)而解體。

作為“接班人”，XRISM探測(cè)器配備了更先進(jìn)的低溫高分辨率X射線光譜儀。傳統(tǒng)的X射線空間望遠(yuǎn)鏡能夠用來(lái)描繪X射線的顏色不超過(guò)100種。按設(shè)計(jì)，XRISM探測(cè)器能使用超過(guò)1000種顏色，開(kāi)展精細(xì)研究。

毫無(wú)疑問(wèn)，這種高分辨率表明，X射線天文儀器的性能取得了新突破，有望幫助科學(xué)家憑借探測(cè)到高溫等離子體中的稀有元素，以空前的精度測(cè)量由等離子體運(yùn)動(dòng)和引力場(chǎng)引起的多普勒位移。此外，XRISM探測(cè)器將幫助科學(xué)家直接觀察到宇宙中最大的天體——星系團(tuán)的生長(zhǎng)過(guò)程。

基于搭載的先進(jìn)設(shè)備，日本航天機(jī)構(gòu)給XRISM探測(cè)器設(shè)置了4個(gè)探索主題。

其一，宇宙結(jié)構(gòu)的形成和星系團(tuán)的演化。每個(gè)星系團(tuán)中90%的物質(zhì)是高達(dá)數(shù)千萬(wàn)攝氏度的熱氣體，科學(xué)家們通過(guò)觀測(cè)這類(lèi)高溫氣體，有助于理解宇宙結(jié)構(gòu)是如何演化的。

其二，宇宙物質(zhì)循環(huán)。無(wú)論是形成新恒星時(shí)的星際氣體，還是超新星爆發(fā)過(guò)程中從大質(zhì)量恒星拋射出來(lái)的富集氣體，這些物質(zhì)都會(huì)在宇宙中循環(huán)。通過(guò)研究這些高溫氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，科學(xué)家可以深入探討物質(zhì)是如何在星際空間中傳播的。

其三，宇宙能量傳輸與循環(huán)。物質(zhì)和能量通過(guò)能量現(xiàn)象（比如超新星爆炸、活動(dòng)星系核）傳輸?shù)叫请H和星系間空間中，X射線光譜可以幫助科研人員更好地研究這個(gè)過(guò)程。

其四，鑒于無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出宇宙中常見(jiàn)的強(qiáng)引力和特殊磁場(chǎng)，XRISM探測(cè)器有助于科研人員更好地理解物質(zhì)在這些極端條件下的活動(dòng)特征，甚至有望獲取開(kāi)創(chuàng)科學(xué)紀(jì)錄的新成就。

探索著陸月球新設(shè)計(jì)

相比多國(guó)的傳統(tǒng)模式月球著陸器，這次日本發(fā)射的SLIM算是別具一格，設(shè)計(jì)和任務(wù)頗有特色。

該著陸器的尺寸是2.4米×1.7米×2.7米，干質(zhì)量約200公斤，發(fā)射質(zhì)量約700公斤，體積和質(zhì)量并不出眾。

日本月球探測(cè)智能著陸器示意圖

由于SLIM沒(méi)攜帶太多燃料，無(wú)法采用“一步到位”的奔月飛行模式，只能先進(jìn)入近地點(diǎn)高度約250公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約1.9萬(wàn)公里的地球軌道，不斷繞著地球“蓄力”。之后，SLIM在接近月球時(shí)利用引力彈弓效應(yīng)，借助月球引力，改變軌道高度，再借助太陽(yáng)引力，進(jìn)入環(huán)月軌道，這個(gè)過(guò)程大概要持續(xù)3～4個(gè)月。在環(huán)月飛行大概1個(gè)月后，SLIM按計(jì)劃準(zhǔn)備著陸月面，時(shí)間暫定為明年1月或2月。

SLIM的主要任務(wù)有兩個(gè)，其一是驗(yàn)證高精度著陸月面技術(shù)。傳統(tǒng)上，月球著陸器的著陸區(qū)域跨度往往達(dá)到數(shù)公里甚至上百公里。這次日本航天機(jī)構(gòu)直接將落月精度目標(biāo)設(shè)定在100米的范圍內(nèi)，因此SLIM有可能成為航天史上著陸精度最高的探月器。

SLIM著陸后，將啟動(dòng)多波段光譜相機(jī)，分析月球地幔巖石，希望解開(kāi)月球的起源之謎。而要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，在隕石坑內(nèi)的高精度著陸是必不可少的前提條件。

其二是檢驗(yàn)外星球著陸器輕量化、小型化設(shè)計(jì)的可行性。相比落月“前輩們”，SLIM的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步集成化?？蒲腥藛T嘗試將其推進(jìn)劑貯箱作為主結(jié)構(gòu)承力體，主要儀器普遍“附帶”搭載，設(shè)計(jì)思路更像運(yùn)載火箭。儀器做到了更加小型化、節(jié)能化，以減少組件數(shù)量的方式，降低了占用空間。

除了著陸器外，SLIM還搭載了一個(gè)小玩意——SORA-Q探月機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人只有人類(lèi)手掌大小，直徑約8厘米，重約250克，整體呈球形，上面配備了索尼研發(fā)的微型攝像頭，其拍攝和采集數(shù)據(jù)將通過(guò)SLIM中繼反饋到地面控制中心。SLIM落月下降過(guò)程中會(huì)直接拋射這個(gè)機(jī)器人，它的材料、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)也將經(jīng)受考驗(yàn)。

可以說(shuō)，在挑戰(zhàn)著陸月球連續(xù)失敗后，日本科研人員“屢敗屢戰(zhàn)”，希望成為第五個(gè)掌握軟著陸月面技術(shù)的國(guó)家，還在努力探索探月新思路、新設(shè)計(jì)。

展望更遙遠(yuǎn)深空之旅

日本各界對(duì)于深空探測(cè)興趣濃厚。一方面，日本各大研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)積極參與國(guó)際合作，爭(zhēng)取聯(lián)合研發(fā)探測(cè)器或不同用途的科學(xué)載荷，拓寬科研和應(yīng)用思路，盡量獲取更多參與深空探測(cè)項(xiàng)目的機(jī)會(huì)。另一方面，近年來(lái)，日本民間企業(yè)陸續(xù)參與到深空探測(cè)計(jì)劃之中，包括研制小型探測(cè)器，提供通信、能源、材料、人工智能等支持，希望為諸多深空探測(cè)計(jì)劃添加“附屬項(xiàng)目”，獲取經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

根據(jù)公開(kāi)規(guī)劃，未來(lái)日本深空探測(cè)主要涉及3個(gè)方向，分別是月球、小行星及火星。

在“白兔-R”落月任務(wù)失敗后，日本ispace公司仍規(guī)劃在2024年和2025年分別嘗試探測(cè)器軟著陸月面。日本戴蒙公司正在研制YAOKI微型輪式月球車(chē)，計(jì)劃在今年下半年參與美國(guó)宇航局的“商業(yè)月球表面運(yùn)輸服務(wù)”任務(wù)，搭載在Nova-C月球著陸器上，開(kāi)展月面行駛、探測(cè)?！霸铝僚?2”探月項(xiàng)目也在加緊籌備中，由日本負(fù)責(zé)月球著陸器和推進(jìn)艙，美國(guó)負(fù)責(zé)火箭發(fā)射和月球車(chē)。

借助“隼鳥(niǎo)”系列任務(wù)，日本在小行星探測(cè)、采樣返回、樣品研究領(lǐng)域成果豐碩，又將目光投向更遠(yuǎn)方。2024年，日本有望實(shí)施“命運(yùn)+”任務(wù)，探測(cè)器將嘗試近距離研究雙子座流星雨的母星體——3200號(hào)“最藍(lán)小行星”法厄同，通過(guò)分析塵埃物質(zhì)，揭秘小行星的起源與演化。天文愛(ài)好者浪漫地比喻，這次任務(wù)是“溯源神秘之藍(lán)”。

同樣是2024年，日本牽頭的火星衛(wèi)星探索任務(wù)有望實(shí)施。探測(cè)器將環(huán)繞探測(cè)火衛(wèi)一和火衛(wèi)二，嘗試登陸火衛(wèi)一，采樣返回。

日本火星衛(wèi)星探測(cè)器有望在明年發(fā)射

在更遠(yuǎn)期的規(guī)劃中，日本官方機(jī)構(gòu)和高校正在合作開(kāi)發(fā)太赫茲探測(cè)器，計(jì)劃利用太赫茲波觀測(cè)火星大氣，但發(fā)射日期未定。此外，日本MELOS火星探測(cè)器包含軌道器、著陸器、巡視器，還可能配備火星無(wú)人機(jī)，計(jì)劃在未來(lái)數(shù)年內(nèi)發(fā)射。

不難看出，盡管日本航天面臨火箭換代延遲、大系統(tǒng)工程能力依賴(lài)外援等不利情況，但在深空探測(cè)領(lǐng)域仍積極投入，目標(biāo)明確，不乏一些新穎設(shè)計(jì)和任務(wù)亮點(diǎn)，在某些細(xì)分領(lǐng)域擁有不俗的實(shí)力，有望在持續(xù)探索中贏得別樣的收獲。（作者：林胤之 圖片來(lái)源：日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) 把關(guān)專(zhuān)家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）