新时代大幕开启:2021年人类航天五大看点

2020年,对于人类社会而言,是充满挑战、极其不平凡的一年;而对于人类航天而言,却是百花齐放、孕育众多机遇的一年。

这一年,人类共计发射火箭114次,中美两国分别发射了39次和44次,占到了七成以上,两股势力引领世界航天的格局明显。

2021年,世界航天将迎来一系列高难度任务,将会成为航天史上具有划时代意义的一年。

中国正式进入空间站时代

人类航天最难的技术莫过于载人航天。1961年苏联(俄罗斯)和美国率先突破并全面掌握这项技术,之后一直处于垄断地位,直到2003年10月15日,中国神舟五号飞船才打破这项垄断。时至今日,中、美、俄依然是仅有的三个全面独立掌握各项载人航天技术的国家。

对于载人航天技术而言,建立长期在轨、多人驻留的空间站是巅峰高地,也是最终目标。

中国建造天宫空间站的三大火箭主力©️| 中国载人航天工程网官方 微博

2021年春,中国载人航天工程将开始实施最重要的第三步,全面建造天宫空间站。未来两年内,长征二号F(神箭,发射神舟载人飞船)、长征七号(发射天舟货运飞船)和长征五号B(发射天宫最重要的核心舱和实验舱等)这三大主力火箭将陆续进行11次任务,以期顺利建成中国天宫空间站。

千年之前苏轼曾经问过:“不知天上宫阙,今夕是何年?”对于中国而言,2022年时,天上宫阙不再是古人浪漫的幻想,国际空间站也将不再孤独。

人类最强火星探测阵容陆续抵达

由于相对位置关系,从地球出发去火星,理想探测窗口每26个月才出现一次。2020年7月的火星探测窗口,人类派出了史无前例的火星探测阵容,三个任务先后出发。其中包括:

1.7月20日,阿联酋首个火星探测器“希望号”发射成功,她也是阿拉伯世界首次火星探测器;

2.7月23日,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空,天问一号包括轨道器、着陆器、巡视器,是人类探测火星近几十年来工程技术方面最复杂的一次任务;

3.7月30日,美国“毅力号”火星车携首架火星直升机“机智”号一同前往火星,这也是人类最复杂最昂贵的火星探测任务,机智号是人类首次在地外天体使用直升机技术。

2020年发射的人类三大火星探测任务:希望号,天问一号和毅力号©️|NASA/CNSA

三个任务将在2021年2月份陆续抵达火星。阿联酋的“希望号”预计于2月9日抵达火星附近,并准备制动进入环绕火星轨道,中国的“天问一号”将在一天之后的2月10日左右抵达,美国的“毅力号”将在2月18日前后抵达。

2月11日是中国农历除夕夜,天问一号将会为14亿中国人送上最特殊的祝福。

史上最贵科学类任务:詹姆斯·韦伯太空望远镜发射

随着技术难度和预期目标的逐渐提升,原计划2007年发射、预算5亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜,一直拖延到2021年10月31日发射、预算逼近100亿美元。这让它的成本甚至远超著名的哈勃太空望远镜,成为当之无愧的史上最贵科学类航天任务。

测试中的詹姆斯·韦伯太空望远镜©️|NASA

目前,詹姆斯·韦伯太空望远镜迎来了一个重大进展:五层太阳伞测试完毕,这意味着它已经基本能够满足2021年的发射目标。

五层太阳伞每层展开时有300平米左右,每层厚度25微米或50微米(第一层),小于人的头发直径(80-100微米),这厚度已经包括了镀的硅膜和铝膜。

发射前,需要将它们先折叠起来塞进火箭里,发射后,它们将在距离地球150万千米外的太空中完整展开,这过程会经历非常大的温度变化。不仅如此,望远镜的工作环境在零下220摄氏度左右,这意味着,它要有较好的降温能力,能做到最高降温300摄氏度(理论设计值)。

当然,它18面镜片的要求更高,它们要求加工抛光、展开和控制、高低温变形精度都在10纳米级别,大概是几十个铍(镜片主要材料)原子摆在一起的宽度。

需要强调的是,不像哈勃望远镜,发射之后出了问题还可以维修,詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射是“一锤子买卖”。希望明年我们能顺利见证这个不可思议的任务成功。

Space X迎来大破局之年

作为商业航天势力的引领者,美国太空探索技术公司Space X成为了搅动世界航天的超级“鲶鱼”。

仅在2020年,Space X进行了26次火箭发射,100%成功,总发射次数突破100,发射的载荷数量和重量都为世界之最。

在2020年的26次发射任务中,5次为新火箭、21次为复用火箭,突破了火箭7次发射复用技术。其中2次为载人任务,让美国重新获得本土出发的载人航天能力;3次为军方载荷,获得了不菲的利润;14次为星链任务,共计部署了800余颗卫星,使得Space X跃居为世界最大卫星运营商。

星舰全箭测试艺术效果图©️|Space X

2021年,Space X将迎来跨越式发展。年初,创始人伊隆·马斯克公布了火箭发射计划,预计在2021年实现48次火箭发射,超过2020年美国总火箭发射次数。

其中,绝大部分为复用火箭,15次发射部署的星链卫星数量将相比现有规模翻倍;约10次为美国和德国的军方载荷;3-4次为商业载人任务,甚至会运送包括影星汤姆·克鲁斯在内的4人乘组前往国际空间站拍摄电影。

2020年末,在12.5千米高飞行测试中,最多能运送100名宇航员的星舰在最后时刻遗憾爆炸。2021年将有密集测试计划,预计将实现首次全箭测试。

2021年,或许是检验Space X从“鲶鱼”成长为“鲸鱼”的一年。

迈向深空,人类的脚步越走越远

2021年,将会有一系列复杂的深空探测任务迎来重要节点时刻。

太空发射系统和猎户座飞船©️|NASA

已经吞金近400亿美元的NASA重型火箭太空发射系统(SLS)和猎户座飞船组合将迎来关键时刻,它们将为阿尔忒弥斯月球探测计划执行首次飞行任务,这是目前世界最先进火箭和飞船的组合测试。

NASA露西号小行星探测器将会发射。这是人类史上最复杂的一次小行星探测任务,在12年的时间内,它将遍访1颗主带小行星和6颗特洛伊小行星。

NASA朱诺号木星探测器将迎来重要时刻。它已经在太空中飞行了9年之久,原计划在2021年7月30日完成第34次接近木星后受控坠入木星,实现类似卡西尼号坠入土星的“华丽终章”。科学家们依然在紧张评估它的状态,可能会延期它的服役时间。

NASA冥王号(OSIRIS-REx)小行星探测器将会从贝努出发,将耗时三年返回地球。2020年,我们见证了日本隼鸟二号从小行星带样本成功返回地球的壮举,期待冥王号(OSIRIS-REx)小行星探测器的精彩表现。

此外,我们还有更多的太空勇士们在旅程中。帕克太阳探测器和太阳轨道器依然在通过异常复杂的行星引力助推之旅前往太阳;贝皮·科隆博号继续飞在探索水星的旅途中;旅行者一号和二号已经在太阳系外旅行了43年,并且依然在工作;新视野号还在太阳系的边缘寻找下一个探测目标。它们是人类的使者,更是人类的英雄。

2021年,人类航天迈入新时代的大幕,即将开启!

本文由科普中国融合创作出品,太空精酿制作,中国科学院计算机网络信息中心监制,“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

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