今年是人类探测火星的一个高峰期,中国、美国、欧洲各自的火星探测器将奔赴火星,我国在计划表上开展木星探测在2030年左右,更远的深空探测在本世纪中叶;俄罗斯继承苏联遗产,但是在深空探测的高失败率和经济实力,难以支持这样的大科学项目,欧洲日本则热衷于抱NASA大腿合作,或是开展靠近地球的小行星探测;在未来三十年内,与过去一样,比火星更远的深空探测计划仍由NASA主导。虽然NASA总喜欢哭穷,但是场子希望大家都认识到它仍是全球经费最充裕的航天组织,也是同时开展科学任务最多的航天局。所以接下来天王星海王星探测,只有NASA一家才能开展。
旅行者2号拍摄的海王星
科学界之间已经达成共识,在2025年探测木星卫星的大科学项目欧罗巴快船完成之后,NASA的下一个旗舰级昂贵任务必须瞄准金星、天王星或海王星;有朋友可能会好奇火星项目不算吗?这里需要注意的是探火项目是独立的系统项目,美国目前喊得最欢的重返月球阿耳忒弥斯计划也是在为下一步登火做铺垫,开发月面,在环月轨道部署一个深空之门空间站做中转站。而探索金星的项目已定,计划在2023年制造完成LLISSE金星表面探测器并展开测试。除了阿尔忒弥斯计划在国会不断的朝令夕改,亲儿子波音的各种拖延症,深空探测项目均在有序进行中;2015年应美国国会的要求,美国宇航局NASA开始研究从2030年左右开始向天王星和海王星发射探测器的可能性。不幸的是,技术上没有多少问题,唯一的问题时选择困难症,经费是有限的,不可能全都要,那么是选择天王星还是海王星呢?
天王星与海王星
大科学项目都是十分昂贵的,且无法带来直接的经济收益,所以大科学项目只能靠国家财政支持,所以各国航天部门永远是甲方,而民营航天只能从火箭发射入手,承担低成本的发射任务,大科学项目是民营航天没能力也没动力做的事情。虽然发展航天技术是为了人类未来,但是各国的最高优先级还是身边遇见的问题,所以在航天投入上,在没有美苏争霸那种历史背景下,经费往往是很有限的。
旅行者发射任务时的行星位置
现在已经不是旅行者号发射的那个时代,特殊的多星位置已经过去,而现在用一个探测器访问两个以上行星不仅昂贵,而且复杂得多,几乎不可能用一艘飞船执行两个行星的飞越任务。而且科学界需要的是一个轨道飞行器,也就是一个围绕行星飞行,进入环绕轨道进行详细研究的探测器,人们已经对探测器飞掠行星短暂一瞥已经不满足了,所以开始二选一吧!
NASA设计的海王星探测器草案
在分别于1986年和1989年掠过天王星和海王星的旅行者2号之后,人们认为天王星比海王星更"无聊",因此直到几年前几乎所有的飞行计划都计划研究这个离地球更远的海王星;通过哈勃太空望远镜的观察表明,天王星的大气非常活跃。此外,天王星卫星构成了整个太阳系中已知最差的卫星系统。作为一个"多余"的星球,天王星比海王星要近得多,因此,执行天王星任务的飞行时间通常少于到达海王星所需的时间,所以执行天王星任务时具有相当大的运力优势,科学家可以添加更多的探测设备,飞掠木星时做引力弹弓加速时有更好的防护,风险也更低。
几年前的大多数任务都指出了研究两个冰巨星的重要性。然而,冥王星在2015年被"新视野"号探测飞越,揭示了这个矮行星的巨大复杂性,激发了人们对研究柯伊伯带其他行星的兴趣。准确地说,海王星最大的卫星海卫一特里同(Triton),它是被捕获的柯伊伯带天体。根据理论模型,海卫一可能有一个地下海洋(或者说是水幔),因为海卫一的存在,海王星的探索在科学上比天王星优先级更高。而且天王星的最佳发射窗口将于2029年关闭,按照NASA的计划表,如果不加快项目速度则赶不上最佳发射窗口。
利用海王星大气做大气减速
今年年初,冰巨星系统Icy Giants Systems 2020年研讨会在伦敦举行,来自世界各地的行星科学家在伦敦皇家学会举行为期三天的研讨会讨论天王星和海王星系统的未来探索。决定两个系统的优先级。为此,至关重要的是要考虑系外行星的观点。冰巨星是太阳系外最丰富的行星,因此探索它们的兴趣不仅限于更好地了解太阳系,而且能更好理解周围大多数行星系,最合理的事情就是研究"标准"冰巨星。但是天王星和海王星哪一个是在宇宙这个维度上标准的冰巨星?答案是:我们不知道。尽管它们看起来很相似,但即使不考虑它们的卫星,这两个世界也有很大不同,天王星是巨大的行星,其内部产生的热量较少,而海王星则是内部热量的最大来源。
大气内探测器
天王星的这种特殊性可能是由于太阳系形成过程中与原行星的残酷碰撞所引起的,这种震动也可以用来解释行星自转轴和卫星所呈现的98º倾角。如果真是这样,海王星将成为宇宙范围内的标准冰巨星,天王星将成为特殊的那部分;但是,科学家不确定这种推断是否正确。
那么科学家们到底决定了没探测哪一颗呢?没有!他们还陷入在选择困难症中。本月初英国皇家学会发表研讨会报告:即两个世界都是引人注目的,都完全值得进行轨道探索。两者之间的决定可能取决于计划的风险和发射时间表的紧迫性。参与研讨会的天体物理学家和行星科学家强烈要求,无论选择哪个目标,学会都必须保持团结,无论选择哪个作为目的地,都应给予支持。所以说研究这两个行星是必须的,但是哪一颗还是没想好~
不过无论是选择谁为目的地,探测器都必须配备一个大气探测器,因为科学界认为测量某些元素(尤其是稀有气体)的同位素比例以重构这些行星的演变历史是当务之急,并且测定冰巨星的大气压力和温度的垂直分布,建立区分行星形成的不同模型。根据探测器和发射器的质量,2024年进入最佳发射窗口后,天王星任务的飞行时间为6到12年,而海王星任务的飞行时间为8到13年。
约翰·埃利奥特的计划提案
喷气推进实验室的约翰·埃利奥特在2020冰巨星系统大会上发起的一项提案包括两个探测器,两个探测器将于2031年2月由NASA的鸽王SLS火箭发射,这两个探测器在2032年分开各自利用木星引力弹弓加速,一颗探测器2044年9月到达海王星,另一颗通过电推变轨在2042年4月到达天王星,欧空局(ESA)对参加制造科学仪器和着陆器。
由一个SLS火箭发射的两个探测器的任务建议得到了学会两派科学家的共同支持。不过NASA尚未决定对天王星和海王星的旗舰级飞行任务采用该方案。虽然的确可行,但一旦确定将是人类有史以来最为昂贵的深空探测项目,最保守项目预算也在40亿美元以上。
旅行者2号在1986年1月25日拍摄的天王星
而在国外航天论坛中,欧洲也有不少人士期待与我国合作,因为一家的力量是有限的,目前在美国国会的干预下,NASA与我国的航天合作仍然前途未知,在这种背景下,不少人也希望中国航天能与国外达成一种默契,划分工作范围,各自探测不同目标,以便达成研究结果的互补。而冰巨星探测任务后,太阳系还有很多引人入胜的目标等待探索:金星,土卫二,土卫六等;本世纪仍然是人类文明在太阳系内成长的一个世纪。
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