在今年的全國兩會期間，全國政協(xié)委員、中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁院士向媒體介紹了中國航天的宏偉發(fā)展藍(lán)圖。天問一號成功火星探測以后，我國將繼續(xù)進(jìn)行小行星采樣返回、火星采樣返回、木星探測等規(guī)劃，以及更遙遠(yuǎn)的太陽系邊緣探測。吳偉仁說：“我們希望在2049年完成100個天文單位，到達(dá)距離地球150億公里的地方”。
一個天文單位是地球到太陽的平均距離，需光速行進(jìn)500秒、約1.5億千米，對于人類而言是個真正的“天文”數(shù)字。以月球?qū)Ρ葹槔嚯x地球僅約0.0025天文單位，光速耗時1.3秒即可。而吳院士介紹的規(guī)劃，直接把我們的視線導(dǎo)向了太陽系的邊緣，光速行進(jìn)需要十幾個小時。那里是無比空曠的柯伊伯帶，卻藏著太陽系最深層的秘密。
太陽系概念圖（圖源：NASA）
太陽系是所有人類的家園，它是由一顆恒星、八大行星、數(shù)百顆衛(wèi)星及更多小天體組成的龐大系統(tǒng)。但它又是渺小的，僅在銀河系中，就有約1000-4000億顆太陽這樣的恒星，而銀河系又是宇宙一隅的沙塵。人類目前可觀測到的宇宙半徑已經(jīng)達(dá)到465億光年，光速行進(jìn)要數(shù)百億年！
人類航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基有句經(jīng)典名言，可以昭示人類航天應(yīng)該努力的未來：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)待在搖籃里”。100多年后人類航天所認(rèn)知的世界遠(yuǎn)比他所了解的廣闊，如果同樣按照他的邏輯去定義，太陽系僅是人類的第一個“家”。走出家門，才是人類長遠(yuǎn)的未來。
飛出太陽系并不容易，起步就很艱難。航天器需在掙脫地球引力束縛之后，繼續(xù)逃離太陽引力的影響。太陽的質(zhì)量是地球33萬倍以上，即便它的引力在地球軌道附近已經(jīng)弱了不少、依然是航天器徹底逃離的最大障礙。中國現(xiàn)有最強(qiáng)火箭是870噸重的長征五號，它能允許約5噸重的天問一號抵達(dá)火星，但若讓天問一號逃離太陽引力束縛還需要變得更強(qiáng)。因而，吳院士說到我們首要解決的問題是研發(fā)更加強(qiáng)力的重型火箭。
航天器就像飛出地球的風(fēng)箏，我們需要一條線控制飛行，這就是航天領(lǐng)域內(nèi)的遙測通信技術(shù)。相比地球附近的航天器，深空探測航天器的距離更遠(yuǎn)，這也意味著信號衰減更多，對深空通信網(wǎng)提出更高的要求。僅以我國為天問一號在天津新造的深空通信天線為例，它直徑達(dá)到70米、面積超過20個籃球場、質(zhì)量超過2700噸！未來我們需要更強(qiáng)軟硬件結(jié)合的深空通信網(wǎng)絡(luò)來支持沖出太陽系的旅途。
核能幾乎是太陽系邊緣探測的唯一選項（圖源：公開版權(quán)）
此外，距離太陽越遠(yuǎn)所能收集的太陽能越弱，能量跟航天器與太陽的距離（的平方）成反比。這意味著在100天文單位之外，太陽能密度已經(jīng)降到了地球附近的萬分之一，遠(yuǎn)不足以支持航天器的正常工作。與此同時，能飛出太陽系的任務(wù)時長動輒跨度數(shù)十年，也要求能量系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作。以目前人類科學(xué)技術(shù)水平而言，使用超長待機(jī)的放射性同位素電機(jī)（俗稱“核電池”）幾乎是唯一的選擇，例如钚-238原料的核電池半衰期長達(dá)88年。我國已在嫦娥四號探測器上，初步測試了相應(yīng)技術(shù)，用衰變產(chǎn)生的能量給器件保溫和提供部分電力。
沖出太陽系，航天器本身也要變得更強(qiáng)，它需要質(zhì)量盡量輕、功能卻盡量多，這才能實現(xiàn)重型火箭“大馬送快車”的效果，讓一個注定昂貴的任務(wù)發(fā)揮出最大價值。因而，還需要為航天器配套研發(fā)多種科學(xué)儀器，甚至是顛覆性的新技術(shù)。歷史上，攝像管技術(shù)、電荷耦合元件（CCD）成像技術(shù)甚至Wi-Fi技術(shù)等都和人類航天和天文探測的發(fā)展息息相關(guān)。為了讓航天器更快沖出太陽系，科學(xué)家們還采取了行星引力助推加速等顛覆性想法，這也是未來中國航天器的首要選項之一。
最近的一個太陽系使者新視野號（圖源：NASA）
這是一個有著極高門檻的目標(biāo)，只有擁有頂級航天技術(shù)實力才能使之成為現(xiàn)實。截至目前，人類僅有美國國家航空航天局的先驅(qū)者10號（1972年）、先驅(qū)者11號（1973年）、旅行者1號（1977年）、旅行者2號（1977年）和新視野號（2006年）處在離開太陽系的旅途中。其中，旅行者2號更是抓住了太陽系內(nèi)每175年一遇的各大行星完美幾何關(guān)系，實現(xiàn)了一次遍訪木星、土星、天王星、海王星。截至2022年3月，在“核電池”的支持下，史上最遠(yuǎn)航天器旅行者1號已經(jīng)在太空中工作了45年，距離地球233億千米（約156個天文單位），光速都需要21個半小時才能追上。
從以上分析可以看出，沖出太陽系的航天探測，不僅是中國航天宏大無比的夢想，還是對航天科技水平有重大提升的絕佳機(jī)會。我們需要重型運(yùn)載火箭、深空通信網(wǎng)絡(luò)、新一代智能航天器、航天器核能、深空制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等一系列技術(shù)，這些也必將成為航天技術(shù)的更高整體發(fā)展平臺，甚至促進(jìn)其他相關(guān)制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
中國人的夢想經(jīng)常用“星辰大?！彼膫€字來形容。不過從天文學(xué)的意義來看，我們還只是一直在太陽附近生存，距離太陽最近的另一個星辰“比鄰星”都仍有4.2光年，還有很長的路要走。
宇宙空曠無比。一方面，我們能感慨中國人用“星辰大海”描述夢想時的維度之大；另一方面，也告訴所有的中國航天人，沖出太陽系是我們必然要為之努力的長遠(yuǎn)目標(biāo)，讓夢想照進(jìn)現(xiàn)實。
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