中國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)或規(guī)劃在未來十年內(nèi)啟動(dòng)若干空間探索任務(wù)。中國(guó)新一代行星科學(xué)家在決定未來探索任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用。
根據(jù)中國(guó)于2016年3月17日發(fā)布的“十三五規(guī)劃”，行星探索成為了國(guó)家的重點(diǎn)工作之一。中國(guó)首次明確表示計(jì)劃走向地月系統(tǒng)之外。對(duì)于中國(guó)的行星研究界來說，當(dāng)前五年計(jì)劃對(duì)于深空探索的重視不僅標(biāo)志著一個(gè)新的開始，也標(biāo)志著一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
在首顆衛(wèi)星發(fā)射升空三十多年后，中國(guó)于2003年啟動(dòng)了首個(gè)純科學(xué)太空任務(wù)——雙星計(jì)劃（Double Star），主要研究地球空間環(huán)境。2015年以來，中國(guó)在地球軌道上投放了若干新的科學(xué)衛(wèi)星，包括2015年的“悟空”號(hào)（DAMPE），2016年的 “墨子”號(hào)（Micius）、實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星（SJ 10）、中國(guó)二氧化碳觀測(cè)衛(wèi)星（TanSat），2017年的“慧眼”，以及2018年的中國(guó)地震電磁監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（CSES）。還有另外一些任務(wù)正在籌備當(dāng)中，例如與歐洲空間局（ESA）合作的太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）（圖1）。
 中國(guó)過去、現(xiàn)在和未來的太空任務(wù)及其目標(biāo)。 來源： Earth， NASA； Jupiter， NASA/JPL/University of Arizona； Io， NASA/JPL/University of Arizona； Mars， NASA/JPL/Malin Space Science Systems； Asteroid， NASA/JPL； Moon， NASA。 這些近地任務(wù)大部分都與美國(guó)宇航局的低成本中級(jí)探索者計(jì)劃（Medium-Class Explorers Program）或發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（Discovery Program）有些相似，并且作為空間科學(xué)戰(zhàn)略重點(diǎn)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目的一部分，得到了中國(guó)科學(xué)院的支持。然而，太陽系探索任務(wù)更加昂貴，只能作為中國(guó)政府的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目獲得支持。太空探索任務(wù)的核心價(jià)值在于卓越的科學(xué)目標(biāo)，因此需要經(jīng)過非常細(xì)致的評(píng)估。在這一點(diǎn)上，美中兩國(guó)也有所差異。
美國(guó)宇航局的發(fā)現(xiàn)計(jì)劃或新疆界計(jì)劃（New Frontiers Program）通常先邀請(qǐng)行星科學(xué)家提出科學(xué)目標(biāo)，再對(duì)這些提案進(jìn)行評(píng)估和選擇。而中國(guó)的行星探索是一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略：首先公布候選目標(biāo)，之后科學(xué)家和工程師開始確定優(yōu)先順序。中國(guó)行星科學(xué)界的發(fā)展及其協(xié)商計(jì)劃目標(biāo)的程序在很多方面反映了行星科學(xué)在西方世界興起時(shí)的情形。例如，美國(guó)和蘇聯(lián)的早期行星任務(wù)主要以技術(shù)為中心，但他們很快培養(yǎng)起了行星科學(xué)研究，行星科學(xué)界快速發(fā)展壯大。
2017年，中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)宣布成立首個(gè)官方行星物理專業(yè)委員會(huì)，用十年時(shí)間完成了從無到有的跨躍。委員會(huì)包括國(guó)內(nèi)外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的100多位科學(xué)家，其中一些人曾以地球物理學(xué)家的身份在中國(guó)工作過，另一些人則作為行星科學(xué)家在國(guó)外積累了多年經(jīng)驗(yàn)后返回中國(guó)。同樣在2017年，第一本行星科學(xué)專業(yè)期刊《地球與行星物理》第一期正式出版。
地球的近鄰月球被選為中國(guó)第一個(gè)國(guó)家級(jí)太空探索任務(wù)的目標(biāo)。鑒于其自然資源和當(dāng)前空間工程的發(fā)展?fàn)顩r，月球是理想的空間探索目標(biāo)。中國(guó)的前三顆探月衛(wèi)星——嫦娥一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)分別于2007年、2010年和2013年發(fā)射。這些任務(wù)在地形、風(fēng)化結(jié)構(gòu)和基于月球的天文觀測(cè)方面取得了重要成果，還提供了關(guān)于軟著陸技術(shù)、漫游車和科學(xué)儀器的寶貴的工程知識(shí)，可用于未來針對(duì)月球和其他行星的空間探索。
嫦娥四號(hào)計(jì)劃于2018年登陸月球背面，而首次采樣返回任務(wù)——嫦娥五號(hào)預(yù)計(jì)將于2019年從月球正面帶回約2千克的月球土壤。根據(jù)長(zhǎng)征五號(hào)火箭的發(fā)射計(jì)劃，這兩項(xiàng)任務(wù)可能會(huì)短暫推遲。盡管尚未完全確定，但中國(guó)還計(jì)劃對(duì)月球南極進(jìn)行三次探索。
受益于探月任務(wù)的工程成果，中國(guó)的下一個(gè)國(guó)家級(jí)太空探索任務(wù)可能將目標(biāo)指向火星。火星擁有豐富的科學(xué)探索意義，而且火星上面的環(huán)境可能是宜居的，因此國(guó)際行星科學(xué)界對(duì)它非常感興趣。 2011年，螢火一號(hào)火星探測(cè)器搭乘俄羅斯的福布斯號(hào)采樣返回探測(cè)器發(fā)射，但未能脫離地球軌道。 2016年1月，中國(guó)正式批準(zhǔn)了一項(xiàng)新的火星探索計(jì)劃，并計(jì)劃于2020年夏天從地球發(fā)射，2021年初春抵達(dá)火星。基于嫦娥三號(hào)的著陸技術(shù)以及最新研發(fā)成果，該火星任務(wù)將由一個(gè)探測(cè)器和一個(gè)漫游車組成。
任務(wù)重點(diǎn)關(guān)注的是大氣逃逸和液態(tài)水流失。探測(cè)器將收集關(guān)于近火星等離子體環(huán)境中的全局過程的數(shù)據(jù)，而漫游車將探索著陸點(diǎn)周圍的局部特征。將探測(cè)器和漫游車的測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來，可以提供從全局到局部細(xì)節(jié)的不同尺度上的特征分辨率。探測(cè)器和漫游車都將攜帶攝像頭、雷達(dá)系統(tǒng)和磁力計(jì)。探測(cè)器還將配備等離子體分析儀，用于沿漫游車軌跡測(cè)量火星表面磁場(chǎng)。
這些數(shù)據(jù)（包括對(duì)火星表面的第一次磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果）將用于解析太陽風(fēng)和火星電離層之間相互作用的每日變化，以及電流系統(tǒng)的相關(guān)變化。在漫游車和探測(cè)器上安裝相同類型的儀器允許在空間和地面之間進(jìn)行兩點(diǎn)同步測(cè)量，從而為了解空間等離子體和近地面環(huán)境之間的相互作用，以及隨之而來的能量耗散提供了一個(gè)獨(dú)一無二的機(jī)會(huì)。此外，探測(cè)器和漫游車還可以與歐洲空間局的火星快車號(hào)（MEX）以及美國(guó)宇航局的火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)探測(cè)器（MAVEN）進(jìn)行協(xié)作。
嫦娥二號(hào)在2012年就已經(jīng)對(duì)一顆小行星進(jìn)行了一次飛近觀測(cè)，而嫦娥五號(hào)將帶來有關(guān)采樣返回的重要信息。因此，預(yù)計(jì)接下來將開展彗星或小行星的采樣返回任務(wù)。根據(jù)“十三五”行星戰(zhàn)略，目前中國(guó)有三項(xiàng)行星探索任務(wù)正處于規(guī)劃階段：計(jì)劃于2025年左右執(zhí)行彗星/小行星采樣返回任務(wù)， 2030年左右執(zhí)行火星采樣返回任務(wù)以及木星及其衛(wèi)星探索任務(wù)。然而，火星的采樣返回任務(wù)將強(qiáng)烈依賴未來長(zhǎng)征九號(hào)火箭的建造（堪比美國(guó)土星五號(hào)火箭）。雖然這些任務(wù)都在政府行星戰(zhàn)略之列，但官方的正式批準(zhǔn)和幾項(xiàng)計(jì)劃的優(yōu)先級(jí)將最終取決于其科研優(yōu)勢(shì)和工程技術(shù)挑戰(zhàn)。
這三項(xiàng)任務(wù)的目標(biāo)和優(yōu)先級(jí)引起了熱烈的爭(zhēng)論，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)。整個(gè)決策力圖在科學(xué)目標(biāo)的創(chuàng)新性與實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所需技術(shù)的可行性之間達(dá)成平衡。科學(xué)家更重視對(duì)未知區(qū)域的探索，更重視在當(dāng)下和未來的任務(wù)中與來自其他國(guó)家的科學(xué)家進(jìn)行合作。工程師則傾向于關(guān)注當(dāng)前技術(shù)的可靠性，以及如何基于中國(guó)以往任務(wù)所留下的資源進(jìn)行拓展。雙方必須共同努力，以確保這些任務(wù)可以取得成功，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃中的科學(xué)目標(biāo)。
中國(guó)的整體科學(xué)目標(biāo)是探索行星演化。對(duì)行星進(jìn)行比較分析有助于我們更好地了解地球的演變。 未來的探月計(jì)劃有望解析月球內(nèi)部深處的結(jié)構(gòu)和組成，揭示巖漿海洋結(jié)晶和殼-幔分化的機(jī)制，并提供直接證據(jù)證明月球上水或冰的存在及其來源。
中國(guó)未來潛在的木星探索計(jì)劃或?qū)⑽龂?guó)際行星研究界的關(guān)注。木星研究目前是一個(gè)熱門話題，從美國(guó)宇航局的朱諾號(hào)就可見一斑，未來幾十年可能依然會(huì)延續(xù)這種趨勢(shì)，未來計(jì)劃中的任務(wù)包括美國(guó)宇航局的木衛(wèi)二快船項(xiàng)目（Europa Clipper）和歐洲空間局的木星冰月探測(cè)器（JUICE）。雖然中國(guó)木星探索任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)尚未完全確定，但被納入考慮范圍的有木星的磁層-電離層耦合，木星大氣動(dòng)力學(xué)，以及對(duì)木星衛(wèi)星的探索。
為了探索木星，中國(guó)還將建立一個(gè)地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)站。與大多數(shù)由天體物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)站不同，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目將由中國(guó)科學(xué)院下屬的地質(zhì)與地球物理學(xué)研究所的行星科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)。它將用于研究木衛(wèi)一（木星最活躍的衛(wèi)星）和木星磁層之間的相互作用，以及這種相互作用如何影響木星的磁層-電離層耦合系統(tǒng)。這個(gè)項(xiàng)目需要大量的國(guó)際合作（例如，比利時(shí)列日大學(xué)的天體物理學(xué)和行星研究團(tuán)隊(duì)）。
預(yù)計(jì)中國(guó)的貢獻(xiàn)之一是在位于西藏的一個(gè)最佳觀測(cè)點(diǎn)提供兩個(gè)1米直徑的望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)將在2020年投入使用。由于木星是該觀測(cè)站的科研重點(diǎn)，未來十年，它還將為歐洲空間局、美國(guó)宇航局和中國(guó)的木星系統(tǒng)探索任務(wù)提供重要支持。
科學(xué)家們?cè)谥袊?guó)太空探索領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位比以往任何時(shí)候都強(qiáng)，并且目標(biāo)也不僅僅局限于單純的技術(shù)演示。為了使這些太空任務(wù)的科學(xué)回報(bào)最大化，國(guó)際合作受到了高度重視。越來越多在美國(guó)和歐洲受訓(xùn)的年輕科學(xué)家正選擇回國(guó)與國(guó)際團(tuán)隊(duì)展開合作。毫無疑問，中國(guó)已經(jīng)邁開了行星探索國(guó)際化的步伐，正成為這一領(lǐng)域的重要參與者。 |
