文/ 张雪松

2017年底，美国宇航局（NASA）公布了竞争下一次（第四次）新疆界任务的最新结果：12个竞争提案中两个方案脱颖而出，它们分别是康奈尔大学的楚留莫夫-格拉希门克（67P）取样返回探测的“凯撒”方案，以及约翰霍普金斯大学的土卫六探测的“蜻蜓”方案。它们将在未来进行最后的角逐，预计2019年7月NASA将评选出最后的胜利者，作为第四次新疆界级任务于2024年发射。

▲ 奥西里斯探测器和它携带的返回舱

新疆界级任务的由来

美国是世界上深空探测能力最强的国家，目前美国宇航局的深空探测项目按照预算高低分为三个级别：旗舰级、新疆界级和发现级。美国已经发射了三个新疆界级探测器，分别是探索冥王星的新视野号飞掠器，探索木星的朱诺号轨道器，以及小行星取样返回的奥西里斯探测器。

NASA的旗舰级任务威名赫赫，我们都不会陌生，早已陨落的木星轨道器伽利略号，去年年底刚刚陨落的卡西尼号土星探测器，现在仍然活跃的好奇号火星车都是旗舰级任务，更早还有海盗号火星探测器和旅行者号星际探测器也都是旗舰级任务。发现级任务历史没那么悠久，但同样战果辉煌，第一台火星车探路者号、探索彗星彗发成分的星尘号探测器、深度撞击撞击器、探索水星的信使号和探索小行星的黎明号也都在星空刻下了自己的名字。相对而言，新疆界级任务历史最短任务最少，但它并非不重要，新疆界级任务是美国行星探测承上启下的重要部分。

NASA的深空探测任务林林总总让人目不暇接，那么它们到底有什么区别呢？简单地说，旗舰级任务预算超过10亿美元，是人类达到探索高优先级目标的关键任务，每次任务目标事先确定。发现级任务预算不超过5亿美元，用于多快好省的探索太阳系的行星，它的特点是通过引入项目竞标，由首席科学家（PI）带领团队竞争，这种方式探索目标事前不确定，也更有利于推动创新。新疆界级任务介于两者之间，它的预算不超过10亿美元，吸取了发现级任务首席科学家领导的特点，用于完成那些预算开支超出发现级任务的规模，但重要性和预算又不足以跻身旗舰级之列的探测任务。简单地说，新疆界级任务某种程度上可以看作是发现级任务的放大版，用于弥补发现级任务预算有限，对有些深空探索任务心有余而力不足的遗憾。

“新视野号”任务的成功

NASA的旗舰级任务重要性毋庸置疑，在深空探索体系中的地位也无人撼动。发现级任务以其多快好省和创新灵活的特点，收获了广泛的赞誉，那么新疆界级任务到底成效如何呢？其实我们看现有的三个任务就知道，它已经取得了空前的成功！

“新视野号”任务是第一个新疆界级任务，有趣的是它早在2001年11月就正式入选，而新疆界级任务实际上是2003年才正式进入NASA的预算规划，“新视野号”按照划分原则在时间上溯及既往，也被划为新疆界级探索任务。“新视野号”的目标是冥王星，21世纪初冥王星正好位于近日点附近，如果错过这个发射探测器的机会，将来即使发射性能更好的探测器，冥王星轨道日益远离太阳，冥王星大气也将冷凝，探测获得的科学发现将大打折扣。幸运的是，虽然NASA在20世纪90年代末取消了“冥王星-柯伊伯快车”探测计划，但经过科学家们的大力呼吁，2000年12月20日NASA重新论证探索冥王星的计划，但直到2003年初新视野号探测器才得到预算支持开始研制，并在2006年1月19日由宇宙神5火箭发射升空。

▲ “朱诺”勇闯木星辐射带

▲ 67 P彗星取样返回的“凯撒”方案

NASA内部曾经有句名言：“即使把一块砖头送到木星以远的轨道也是旗舰级任务”，这个戏谑的说法形象地表达了对外太阳系进行探索的难度。然而新视野号探测器是要去探索最遥远的冥王星，却并非一个旗舰级任务，而是一个中等的新疆界级任务，自然要做太多的取舍。“新视野号”只携带了总重30千克的7台科学载荷，其中包括3部相机用于获取可见光、红外和紫外波段的照片，此外还有太阳风测量仪、能量粒子谱仪和尘埃计数器等设备，用于测量冥王星附近的太阳风、大气和尘埃。“新视野号”2015年7月14日飞到最接近冥王星的位置，在距离冥王星12500公里的地方以13.78公里/秒的速度飞掠而过。它在飞掠冥王星-卡戎双星系统时拍摄了大量照片，获取了总计50吉比特的科学数据，事后用了约一年时间才陆陆续续传回地球。

“新视野号”极大地扩展了人们对冥王星的认识。在它抵近飞掠前人们只有地面望远镜和哈勃空间望远镜远距离遥感拍摄的模糊照片，而“新视野号”飞掠冥王星带来了最高分辨率约60米的“高清”照片，分辨率和成像质量远远超过了哈勃望空间远镜。“新视野号”的照片显示冥王星存在复杂的地质结构，它表面存在大量的甲烷冰，还发现了山脉、峡谷、冰川、陨石坑甚至冰火山，它的北极存在甲烷冰和氮冰构成的极冠。通过统计表面的陨石坑数量，科学家们发现冥王星表面有些地方十分古老，是太阳系刚刚形成时就存在并保留到今天，而有些地方十分年轻，很可能只有1000万年历史。这个独特的发现说明冥王星存在相当活跃的地质活动，遥远而寒冷的冥王星看来并不是一个死寂的星球。

“新视野号”的紫外线成像光谱仪搜集了冥王星大气的数据，发现冥王星大气层高度可达1600公里，最高处是氮气，中下部是甲烷，而在靠近表面的地方还有碳氢化合物。这个稀薄而巨大的大气层并非可有可无，根据探测，冥王星也有持续的四季变化，冥王星表面的冰川很可能就是升华冷凝而成，甚至因此存在冰川侵蚀现象，造就了多样化的地形。科学家们将冥王星表面巨大的心形结构命名为“汤博” 区，以纪念冥王星的发现者汤博。汤博区内的大冰原命名为“斯普特尼克”平原，纪念人类发射的第一颗人造卫星。值得一提的是，冥王星地图上已经留下了中国文化的印记，郑和山、孟婆斑和玉兔线已经成为国际天文联合会正式命名的冥王星地名。

“朱诺”和“奥西里斯”任务

“朱诺号”是第二个新疆界级任务，它是人类的第二个木星轨道器，前辈正是NASA的旗舰级任务伽利略号探测器。“朱诺号”虽然预算没那么多，但设计上很有特色，它是人类第一个使用太阳能电池为动力的外太阳系探测器！另外“伽利略号”已经拍摄了大量木星照片，而朱诺号探测器的重点是研究木星的磁场、引力场和内部结构，并获取木星核心质量、大气成分等重要数据，至于它的可见光相机，性能反而相对有限。

▲ 木星极区（南极）气旋

▲ 探索土卫六泰坦的“蜻蜓”方案

“朱诺号”同样使用宇宙神5火箭发射，2011年8月5日发射的“朱诺号”2013年飞过地球轨道，使用一次地球引力辅助加速（引力弹弓）飞向木星，2016年7月5日“朱诺号”进入木星轨道。木星作为太阳系最大的行星拥有最多的质量和最强的磁场，木星磁场顶着太阳风形成一把彗星状的巨伞，磁场长尾甚至远达6亿公里外的土星轨道！木星磁场不仅范围广，强度也令人头皮发麻，木星附近具有极强的辐射，别说人无法生存，连一般的电子设备都无法承受。“朱诺号”为了闯过鬼门关，使用了专用的抗辐射加固处理器，可以在100万倍于致死辐射强度的环境下工作！“朱诺号”还设计了专门的钛壳降低木星周围辐射带的影响，保证内部电子设备的正常工作。“朱诺号”的姿态保持都没有使用当今成熟可靠的三轴稳定方式，而是选用了古老但更可靠的自旋稳定方式。即使如此强化，要在木星磁场深处展开研究仍然需要精打细算。“朱诺号”设计寿命只能绕木星飞行37圈，而探测器入轨后出现推进系统阀门故障，原定从53.5天周期轨道转入14天轨道的机动被迫推迟，后来又出现计算机意外重启并进入安全模式，退出安全模式后NASA经过评估，2017年2月放弃了转入14天轨道的计划，但这样一来“朱诺号”只能绕木星飞行14圈了。

尽管人算不如天算，但“朱诺号”已经取得了巨大的成功。“朱诺号”的磁强计正在测量木星磁场，有望对木星获得除地球外最精细的行星磁场数据，绘制木星磁场的精细立体结构图。“朱诺号”的重力科学载荷将对木星引力场进行探测，深入探察木星的内部结构包括核心质量，了解木星的内部质量分布包括木星核心质量，让我们完善木星等气体巨行星形成的理论。木星高能粒子探测器用于探测木星大气的氢氦氧等离子的能量和分布，通过测量木星的氢氧比例确定木星上水的丰度。通过“朱诺号”的深入探测，科学家们发现木星磁场比此前推测的还要强大，7.766高斯的磁场强度比地球上最强的磁场还要强10倍！木星磁场形状不规则，预示着磁场产生地可能不是木星的金属核心。“朱诺号”相机拍到木星极地存在多个地球大小的气旋，它的微波辐射计发现木星大气的云带十分诡异，赤道云带一直深入到木星大气深处。

“新视野号”和“朱诺号”取得了很大的成功，而第三个新疆界级任务“奥西里斯”正在飞向小行星的途中。奥西里斯探测器的目标是对“贝努”1999 RQ36号小行星进行取样返回探测，贝努是一颗碳质小行星，可能富含水分甚至有机物，它的样本有助于我们了解太阳系早期以及生命的演化。贝努小行星直径大约560米，从轨道数据推测2200年前有碰撞地球带来毁灭的可能性，奥西里斯探测器的访问也对我们进一步了解这颗小行星，在未来防范飞来横祸具有一定的价值。奥西里斯探测器的全称是“起源、光谱释义、资源识别、安全和风化层探测器”，这么别扭的称呼就是为了凑出奥西里斯（埃及神话的丰饶之神和冥王）这个名字，暗合这次任务探索生命起源和地球安全的目标，实在是煞费苦心了。

▲ 新视野号冥王星探测器

虽然名字很有特色，不过奥西里斯号探测器的核心任务还是取样返回。2016年9月奥西里斯探测器发射升空，2018年12月飞过小行星拍照并确定取样区，2020年7月着陆贝努小行星并采集约60克样本，最后在2023年释放返回舱着陆美国犹他州。奥西里斯号探测器从某种意义上说是美国被日本的“隼鸟”号计划刺激的产物，“隼鸟”率先实现了小行星取样返回，而小行星探测也由于它的科学价值外加奥巴马的载人登陆小行星计划成了热门，奥西里斯号探测器在第三个新疆界级任务中脱颖而出也就不奇怪了。不过话说回来，奥西里斯号探测器的任务难度和科学价值，相比新视野号和朱诺号多少有些逊色。

新颖的第四次新疆界任务

第四个新疆界级任务的竞争开始于2017年1月，各个团队纷纷向NASA提交探测方案，最终形成了12个不同的方案。其中包括彗星取样返回的三个方案，月球背面南极-艾特肯盆地取样返回的月球方案，对海洋世界（土星卫星）进行探索的四个方案，还有一个土星探测器方案，寂寞已久的金星也迎来了三个探测方案。

美国深空探索中一直把生命起源和探测作为重点，在这种倾向下67P彗星取样返回的“凯撒”和探索土卫六泰坦的“蜻蜓”方案脱颖而出也就不足为奇了。67P彗星正是欧空局罗塞塔-菲莱探测器的目标，其远日点在木星轨道以远，保留了大量太阳系早期的起源信息。欧空局当年曾打算实施彗星取样返回，不过由于技术难度和预算太大退而次之，罗塞塔探测器对67P彗星的探测成绩斐然，大大加深了我们对彗星的了解，如果能从67P彗星取样返回，我们对彗星、太阳系乃至生命的起源和历史，都将获得更多的认识。

“蜻蜓”方案要探测的土卫六泰坦更是一颗诱人的卫星，它拥有比地球还稠密的大气层，虽然温度低但表面存在甲烷湖泊，大气层存在甲烷云层和甲烷雨，这几乎就是一个微缩版的早期地球。土卫六存在生命么？科学家们对此猜测很多，有人认为它的甲烷湖中可能存在简单的早期生命。“蜻蜓”任务将是一个着陆的旋翼机，其飞行高度可达4公里，飞行距离可达数十公里，对土卫六表面和大气层进行多点探索，探测生命起源以前的有机物的演化过程，搜索是否存在水甚至碳氢化合物为基础的生命。它可能为我们带来地球早期环境下复杂有机物发展演化的线索，如果发现了地外生命，那就更是意外的惊喜了。

总而言之，无论是67P彗星取样的“凯撒”方案还是土卫六探测的“蜻蜓”方案，目标都是为了追寻生命的起源。无论是哪个方案最终获胜，其探测成果都将是令人期待的。