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世界航天2022年十大看点

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出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2021年是人类航天史上极不平凡的一年:世界各国共计实现了145次火箭发射,是史上发射次数最多的一年。

而2022年,全球航天不仅在发射次数上有望再创新高,也将迎来一系列高难度的重大任务。今天,就一起来看看2022年有哪些值得期待的航天大事件吧!

1. 中国天宫空间站建成:开启崭新载人航天时代

在过去的20多年内,国际空间站一直是人类唯一的空间站,也是国际载人航天长期在轨驻留的唯一平台。但2021年4月29日,中国空间站天和核心舱成功发射升空,意味着中国正式开启空间站建设。

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△中国空间站示意图(图片来源:中国载人航天)

我国计划通过十一次发射任务,将三个主要舱段、四艘载人飞船和四艘货运飞船送入太空并建立天宫空间站,预计将在2022年建成。这意味着人类载人航天将实现两大空间站同时在轨运行的局面,预计二者都将工作到2030年后。

与此同时,国际载人航天事业也将迎来一系列成果:中美俄陆续推出新一代载人飞船和火箭;阿尔忒弥斯月球计划中的“月球门户”空间站将开始建设;商业航天空间站进入实质发展阶段,各太空旅游计划蓬勃发展……这些都意味着从2022年起,人类各种载人航天纪录都将被逐渐刷新,甚至将迎来爆炸性发展的年代。

2. 首批太空图片将传回:詹姆斯·韦布打开“深空之眼”

2021年12月25日,由20个国家持续25年投入、数万名科学家倾力合作造就的史上最贵航天器詹姆斯·韦布太空望远镜成功发射,它的总预算已经超过100亿美元。考虑到它的质量仅为6.5吨,这意味着它的单价超过10000人民币每克,是黄金单价的20余倍。它的各项顶级科技将聚焦于搜寻宇宙大爆炸后产生的首批红外线,为我们揭示130多亿年前的宇宙秘密,找寻世界的根源。

韦伯虽然昂贵,但贵有贵的道理:韦伯的镜片面积(25.4平米)远超它的前辈哈勃太空望远镜(4.5平米),以至于它必须先将18面镜子折叠,进入太空后再展开。同时,它还携带了五层厚度不足头发丝的巨大隔热板(太阳伞)隔绝热量,躲在距离地球150万千米外的日-地拉格朗日2点,这一系列操作必须一次成功,因为它无法回到地球维修。

△詹姆斯·韦伯太空望远镜已顺利展开(图源:NASA)

经过十余天的旅途,韦伯最重要的太阳伞和18面镜片已顺利打开。在经过入轨机动和在轨调试后,它将在约6个月后,发布首批成像图片。毫无疑问,它是人类最强大的一双“深空之眼”。韦伯的旅途非常顺利,不仅节省了大量推进剂,甚至有潜力工作20年左右,可以预见,它将极大地推动人类对宇宙的认知。

3. 重开登月时代:太空发射系统和“猎户座”飞船首飞

从1969年的阿波罗11任务实现人类首次登月,到50年后的现在,人类航天科技获得了飞跃式发展。目前,几个主要的航天大国计划于未来十年重返月球,实现载人登月。其中,阿尔忒弥斯计划和中俄联合建设国际月球科研站将是两大重要力量。

此外,各国也纷纷立项重型登月火箭、新一代载人飞船和登月着陆器等航天项目,人力、资金和技术资源快速汇集。

值得关注的是,作为暂时处于领先地位的太空发射系统(SLS)和猎户座飞船组合,将会在2022年迎来首秀,实现一次环绕月球的“一箭多星”无人探月首飞测试任务。

△太空发射系统和猎户座飞船(图源:NASA)

这个超级组合在过去十多年内已经花掉了400亿美元的巨额资金,它们的首秀必将成为人类重返月球之旅的重要节点,同时也为各大航天力量吹响冲刺月球的号角。

4. 星舰全箭首飞:商业火箭能否颠覆载人航天未来?

SpaceX(太空探索科技公司)以火箭发动机和各类火箭回收技术而知名,而它酝酿的最重大项目则是星舰和超级猎鹰火箭组合,目标是实现全箭可回收、百人次载人航天、深空探测、行星着陆和返回等高难度技术。在过去的三年内,SpaceX一直在用完全颠覆传统航天发展思路的“测试直到爆炸”技术开发手段。通过连续炸掉了十余个原型样机,实现了星舰技术的快速迭代发展。

2021年,首个星舰与超级猎鹰火箭组合体实现了组装测试,但由于技术细节和监管机构环评推迟等因素影响,未能顺利发射,预计将在2022年3月首飞测试。若测试顺利,星舰将携带顾客环绕月球旅行。

△已进行组装测试的星舰组合体(图源:SpaceX)

从账面数据看,星舰能够搭载上百名乘客,推进和运输能力甚至超过目前世界各国研发的新一代登月火箭。它还拥有月球(已获NASA合同)和火星(未来规划)着陆探测能力,前景无限。

如果星舰能实现预计中的低成本和超多载客能力,人类距离低成本商业航天时代真的很近了。

5. 撞击危险小行星:将实现人类史上首次太空防御

恐龙灭绝陨石说和通古斯大爆炸陨石说,让人类对地外天体的“来访”始终保持着担忧。这并非杞人忧天,一颗在太空中看似“小不点”的千米级小行星如果撞击地球,足以导致地球气候节奏彻底崩溃,毁掉大批物种,直接威胁人类未来。如果遭受更大的小行星的撞击,后果将不堪设想。因此,防范对地球有潜在威胁的危险天体,毫无疑问是人类航天必须面对的课题。

2021年11月24日,人类首个小行星撞击改道实验器“DART”成功出发,它将撞击一个双小行星系统迪迪莫斯(Didymos)中的小个子迪莫夫斯(Dimorphos),随后评估撞击对小行星轨道的影响。

△DART将会实现人类史上首次太空防御(图源:NASA)

早在出发时,轨道已经进行了精细设计,预计撞机时间为2022年9月26日。届时,不仅它所携带的小卫星将会记录全程,地球上各大望远镜也会对准它们,围观这一次壮观无比的“太空烟花”。

虽然目标小行星直径仅有170米,但它相比DART而言已经是个巨无霸,即便DART精准撞击并完全爆炸,也仅能把它的速度改变0.4毫米/秒,可谓真正的“蚍蜉撼树”。不过,在太空环境中,任何一点轨道影响都会积累,即“失之毫厘,谬以千里”。但大家可以放心,科学家们已经认真研究过,这次碰撞无论怎么让小行星改道,都不会威胁到地球。

6. 揭示更多秘密,史上最强火星探测阵容公布最新结果

2020年,人类派出了史无前例的火星探测阵容,中国、美国、阿联酋均发射了火星探测器,并于2021年顺利抵达火星。其中,中国的“天问一号”是人类首次成功的、单次任务实现“环绕、着陆和巡视”的探测器;NASA的“毅力号”则是史上最先进的、携带了人类首架火星直升机“机智号”的探测器。

目前,将轨道器也计算入内的话,人类正在火星和火星轨道工作的探测器数量,已经增加到了11个,它们来自中国、美国、欧洲/俄罗斯、印度和阿联酋。

△中国祝融号和美国毅力号/机智号代表人类火星探测的最新高度(图源:CNSA/NASA)

2021年,中美两大火星探测器着陆后,花了大量时间进行工程验证、测试和收集科学数据。例如,天问一号整体上携带了13种科学载荷,其中7个在火星上空的环绕器上,6个在降落在火星表面的祝融号火星车上。它们共有五大科研目标,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将为中国科研界带来火星的第一手资料。

目前,天问一号所携带的火星离子与中性粒子分析仪实测数据已经促成了我国首批对行星际太阳风径向演化研究成果,成果发表在了《地球与行星物理杂志》。

2022年,更多数据将会被科学家们一一解读,这将是人类探测火星史上最重要的科学成果之一,会极大增强人类对火星的认知。

7. 目标太空金矿,灵神号出发前往太阳系超级宝藏

人类的生存与发展离不开地球上各种宝贵的资源,特别是不可再生资源,其价值之高不言而喻,历史上为此爆发的冲突也有很多。但在地球之外,这些资源的数量之多超乎想象,其中一类便是金属资源。

如果将目标设定成获取金属资源,小行星带内的灵神星(16 Psyche)将会是一个完美的选择。它几乎是由铁、镍、金等元素构成,像极了岩石行星的内核,也极有可能含有更多稀有金属。它的重量为2.7亿亿吨级别,远远超过人类每年仅利用的20亿吨铁矿石重量,足够人类使用千万年,可以说是某种程度上的“无限”资源。

△灵神星探测器将为我们揭示一个充满宝藏的世界(图源:NASA)

预期在2022年8月1日,NASA将会利用猎鹰重型火箭发射灵神星探测器,出发前往这颗神秘的小行星,揭开它的面纱。虽然这个任务并不是真正意义上的“太空采矿”,但已然是一次标准的“太空探矿”。未来,或许人类不再困扰于匮乏的资源,因为宇宙中几乎所有资源都是“无穷”的,只要人类航天有能力把它们取回来。

8.火星“鸽王”冲刺,欧俄是否再次错过火星探测窗口?

火星探测窗口期每26个月才一次,着实不易。在2020年7月,中国、美国、阿联酋都抓住了宝贵的机会,但欧洲和俄罗斯酝酿许久的ExoMars第二个任务却再次错失良机。

该任务的巡视器(火星车)早在2019年雄心勃勃准备发射时,就已被命名为“罗莎琳德·富兰克林”号,用以纪念这个在DNA和病毒研究领域做出过伟大贡献的女性科学家。这也昭示了该火星车的核心使命之一是寻找火星水、有机物和潜在生命,和其他火星车的探测任务形成有效互补。

△“罗莎琳德·富兰克林”号终于要发射了(图源:ESA)

此前,“罗莎琳德·富兰克林”号先后由于经费来源问题和方案设计变动等因素中途两次延期,2020年又因为疫情和测试排期再次延后。2022年9月,地球再次迎来最佳探测火星窗口,“罗莎琳德·富兰克林”号将联合欧空局深空巡航技术和俄罗斯着陆器技术,再次发起尝试。这次能否抓住机会,如期发射,我们还需拭目以待。

9. 多型火箭首飞:中美俄欧日同时迎来运载火箭大扩容

运载火箭是航天发展的基石,随着航天发射需求日趋复杂,各大火箭家族也在快速扩容。

对于几个国家的火箭事业来说,预计2022年有以下新发展:中国长征系列已于近些年迎来长征5/5B/6/7/7A/8/11等新成员,一些正在研发中的重点新型号(长征6A/8R/9,新载人火箭)也将于2022年迎来重大进展;俄罗斯正在发展安加拉系列,预计2022年再次试飞主力安加拉A5和A1.2火箭;美国则要进行大换血,宇宙神和德尔塔目标直接退役,逐渐由将在2022年首飞的火神火箭接班,重型火箭太空发射系统也将首飞月球;日本将在2022年迎来新一代H3火箭首飞;欧空局投资近40亿欧元研发的新一代阿里安6火箭也将挑战首飞。

欧空局阿里安6火箭艺术效果图(图源:ESA)

除了各大航天国家队,商业火箭公司也如雨后春笋般崛起。除了风光无限的SpaceX猎鹰系列火箭,2022年还将迎来多型商业火箭首飞。例如蓝色起源蓄势已久的“新格伦”重型火箭,将直接对标猎鹰重型火箭的能力。此外,美国还有多家商业火箭公司宣布将在2022年首飞自家火箭。

在另一个商业航天战场,中国民营火箭公司也将迎来全液体推进剂火箭首射的竞争。

10. 航天黄金时代的隐忧:太空垃圾或成为最大课题

如今是商业航天的黄金年代,但它在快速推广、应用航天技术的同时,也在造成不小的问题。例如,星链在短短两年就大规模组网到近2000颗卫星,不仅给地球上的天文观测造成麻烦,还数次逼迫多颗卫星变轨避免碰撞,甚至导致天宫空间站的两次避让。而星链的长期规划是数万颗卫星,远超目前的初期阶段。

△太空交通正在变得越来越繁忙,也越来越危险(图源:ESA)

低轨卫星互联网这个“钱”途无限的红海市场,在吸引大批硬核玩家加入,亚马逊、三星、空客、一网、星网等都将有庞大的组网计划。如果都成为现实,意味着我们将在未来迎接多达十万颗级别的卫星数量。此外,大量商业火箭也在不断向太空发射各式各样的载荷,但不少载荷的科研意义极其有限,很快就会变成太空垃圾。

未来,我们将面临越来越频繁的载人航天任务,也将面临越来越多的太空垃圾。如何商讨出一套合理的太空开发规则并严格执行,或许将是未来人类航天发展最大的课题之一。

写在最后

2021年,人类航天获得了历史性的快速发展,2022年这种辉煌还将延续。我们在逐渐打开大航天时代的大门,为人类成为“跨行星生存物种”而努力。但我们也需要意识到,快速发展航天事业与和平有序利用太空是一个必须多国妥善合作的课题,越来越繁忙的太空,需要人类更多的智慧和协作。

太空,是人类践行“命运共同体”理念的最好平台。

主要参考文献:

【1】《“天和”核心舱成功发射,中国为什么要建自己的空间站?》,http://www.xinhuanet.com/sikepro/20210429/28d65fc260914ac8a63e5ab4d9552d8d/c.html,新华网。

【2】《2022 in spaceflight》,https://en.wikipedia.org/wiki/2022_in_spaceflight#Expected_maiden_flights,Wikipedia.

【3】《JWST (James Webb Space Telescope)》, https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst。

【4】《Starship》,https://www.spacex.com/vehicles/starship/.

【5】《Double Asteroid Redirection Test (DART) Mission》,https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart.

【6】《Psyche》,https://www.jpl.nasa.gov/missions/psyche.

【7】《Exomars 2022 rover》,https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/ExoMars_2022_rover.

【8】Zhang, A. B., Kong, L. G., Li, W. Y., Li, L., Tang, B. B., Rong, Z. J., Wei, Y., Ma, J. J., Zhang, Y. T., ... and Wang, Chi. (2022). Tianwen-1 MINPA observations in the solar wind. Earth Planet. Phys., 6(1), 1–9. http://doi.org/10.26464/epp2022014.

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