展望2023年：中国爱因斯坦探针升空，全球近20个科学任务发射 - 科技导报

人类在浩瀚的宇宙面前是渺小的，但人类的空间科学探索精神是伟大的。

空间科学以航天器为主要平台，研究发生在地球、日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、化学及生命等自然现象及其规律。卫星发射升空是空间科学任务迈向成功的关键一步。

2023年预计逾20个空间科学任务升空发射。这些任务克服了诸多创新技术挑战，个别任务已反复延期，迄今发射窗口仍存在不确定性。在此，我们对这些任务进行简要介绍。

空间天文发射3颗卫星，实施2个高空气球任务

1 EP卫星开启X射线时域天文学探测

爱因斯坦探针（EP）于2017年12月经中国科学院批准立项，卫星质量1.45t，运行在600km近地轨道，倾角30 。EP卫星旨在发现和探索宇宙中的X射线暂现源和爆发天体，并发布预警以引导其他天文设备进行后随跟踪观测，目标是发现X射线剧变天体，探索沉寂黑洞耀发和引力波源X射线信号等。

EP卫星以爱因斯坦名字命名，向这位伟大的科学家致敬

EP卫星正在准备进行热真空试验

EP卫星载荷为宽视场望远镜（WXT）和后随望远镜（FXT），其中WXT国际首次大规模采用龙虾眼微孔X射线成像技术和CMOS X射线探测器，12个子望远镜形成大视场进行凝视监测；FXT采用Wolter-I型掠射聚焦望远镜，开展精细后随观测，并通过北斗短报文等引导其他天地设备协同观测。

EP卫星的WXT载荷构型图

EP卫星的FXT载荷构型图

2 XRISM探测来自遥远恒星和星系的X射线辐射

X射线成像和光谱探测卫星（XRISM）是NASA探索者计划（Explorers Program）的机遇型任务（MO），由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）与美国国家航空航天局（NASA）联合研制、欧洲空间局（ESA）参与。XRISM质量2.3t，运行在550km近地轨道，倾角31 ，旨在通过高通量成像和高分辨率光谱探测，研究宇宙中X射线天体。

XRISM卫星概念图

测试中的XRISM卫星

XRISM主要科学载荷包括软X射线光谱仪（Resolve）和宽视场软X射线成像仪（Xtend）。其中Resolve包括X射线镜组件（XMA）和X射线量热光谱仪（X-ray calorimeter spectrometer）；Xtend是由四个CCD探测器组成的阵列，使用相同的X射线镜组件，将视场扩展到38角分（arcmin）。

XRISM卫星软X射线光谱仪的XMA（左）和X射线量热光谱仪（右）

XRISM卫星的宽视场软X射线成像仪

3 Euclid空间望远镜创建宇宙3D地图

欧几里得（Euclid）空间望远镜是ESA“宇宙憧憬（2015-2025）”规划的中型任务（M2），质量为2.16t，运行在日地拉格朗日L2点。欧几里得的观测范围覆盖三分之一天球，旨在绘制宇宙的几何形状，精确测量宇宙的加速度，以理解暗能量暗物质，探索宇宙加速膨胀。

Euclid望远镜概念图

Euclid望远镜集成测试

Euclid将会通过弱引力透镜（Weak Gravitational Lensing）和重子声学震荡现象（Baryonic Acoustic Oscillations）来推测宇宙在不同年龄阶段膨胀的速率。Euclid主镜是1.2m三镜柯式（Korsch）望远镜，科学载荷包括可见光成像仪（VIS）和近红外光谱-光度计（NISP）。

Euclid的有效载荷VIS和NISP

4 南极平流层高空气球2个天文任务

• ASTHROS望远镜探测银河系

NASA亚毫米波长高光谱分辨率观测的天体物理平流层望远镜（ASTHROS）是一项高空气球任务，质量2.5t，将从南极麦克默多站（McMurdo Station）附近发射，目标是在约40km高空飞行21~28天。该氦气球完全充气后体积113万m³（4000万立方英尺），宽约150m，相当于一个足球场大小。

ASTHROS旨在获取银河系和其他星系中恒星的信息，揭示恒星加速或减速对银河系中新恒星形成的影响。作为机遇观测目标，ASTHROS将观测水蛇座TW Hydrae这颗年轻恒星周围的尘埃和气体盘，测量原行星盘的总质量及其分布，揭示恒星周围行星的形成机制。

ASTHROS概念图

ASTHROS望远镜主镜2.5m，由9块镀有镍与金的面板组成，用于亚毫米波高光谱分辨率观测，是有史以来在高空气球上飞行的最大口径望远镜。

ASTHROS的2.5m主镜

• GUSTO望远镜测量星际介质

银河/银河系外超长驻空气球（ULDB）光谱太赫兹天文台（GUSTO）是NASA探索者计划的机遇型任务（MO）。GUSTO质量2.0t，利用南极夏季的反气旋天气现象，在36km高空停留100~170天，具体取决于天气状况。GUSTO旨在测量星际介质，确定银河系中星际气体的生命周期，了解银河系中心的动力学。

GUSTO概念图

GUSTO携带了主镜1m口径的望远镜，以及太赫兹探测阵列，将绘制银河系和大麦哲伦星云（LMC）的星际介质中的氮、碳和氧元素光谱（在158μm、63μm和205μm处测量碳、氮和氧发射线）。

GUSTO太赫兹探测器

日球层物理发射1颗太阳卫星，ISS搭载1个空间物理载荷

1 Aditya L1开启印度日地拉格朗日L1点探日之旅

阿迪蒂亚号日地L1点太阳观测卫星（Aditya L1）由印度空间研究组织（ISRO）研发，质量1.5t，运行在日地拉格朗日L1点。Aditya L1任务的科学目标是观测日冕物质抛射（CME）、太阳耀斑起源及其行星际传播，提供空间天气预报数据。

Aditya L1概念图

该任务主要科学载荷有：可见光日冕仪（VELC）、太阳紫外成像望远镜（SUIT）、太阳风粒子探测仪（ASPEX）、等离子体探测包（PAPA）、太阳低能X射线谱仪（SoLEXS）、太阳高能X射线谱仪（HEL1OS）和磁强计。

Aditya L1卫星载荷示意图

Aditya L1的SUIT示意图

2 ISS搭载AWE研究全球重力波特征

全球中层大气波动探测仪（AWE）是NASA探索者计划的机遇型任务（MO），搭载在国际空间站（ISS，400km近地轨道）运行。AWE观测大气中间层的气辉，研究全球重力波（GWs）特征，测量由强天气扰动产生的小规模（30~300km）重力波的光谱，及其对电离层-热层-中间层（ITM）的影响，揭示驱动地球高层空间天气的各类因素。

AWE概念图

AWE的高级中间层温度测绘仪（AMTM）是一种宽视场红外成像仪，旨在表征全球中间层重力波特性，分析地球环境和空间天气之间的联系。

AMTM结构示意图

行星科学实施2项深空探测，发射多个月球任务

1 JUICE启程观测木星及其3个卫星

“果汁”号木星冰卫星探测器（JUICE）是ESA“宇宙憧憬”规划中的大型任务（L1），质量5.3t，计划在2031年7月到达木星，绕木星数月，并完成木卫二、木卫三和木卫四的飞越，最后进入环木卫三的轨道。

JUICE任务旨在了解木星系及与其卫星的复杂关系，用3年以上时间对木星及其3个最大的卫星（木卫二、木卫三和木卫四）进行详细观测，探索这3颗具有地下海洋的卫星的宜居性。

JUICE概念图

JUICE进行集成测试

JUICE任务的主要科学载荷包括：光学相机系统（JANUS）、木卫和木星（可见光-红外）成像光谱仪（MAJIS）、紫外成像光谱仪（UVS）、亚毫米波（外差）光谱仪（SWI）、木卫三激光测高仪（GALA）、冰卫星次表层探测雷达（RIME）、磁通门磁强计（J-MAG）、粒子环境探测包（PEP）、无线电和等离子体波探测包（RPWI）、木星及其伽利略卫星重力场和地球物理场探测器（3GM）和行星射电干涉仪和多普勒试验（PRIDE）。

JUICE的SWI

JUICE的PEP

2 Psyche将探访火星和木星之间的独特金属小行星

“灵神号”小行星探测卫星（Psyche）是NASA行星科学小型任务（Discovery-15），旨在探测位于主小行星带的铁镍金属小行星灵神星（Psyche）。“灵神号”任务质量1.4t，计划2029年8月抵达小行星灵神星，分别在700km、290km、170km和85km不同高度的轨道上，进行为期21个月的探测。

“灵神号”小行星探测卫星概念图

Psyche正在JPL进行系统集成和测试

Psyche任务主要科学载荷是磁强计、多光谱成像仪（MSI）、γ射线和中子谱仪（GRNS）、X波段重力探测仪（X-band Gravity Science Investigation）。Psyche任务还将进行深空光通信（DSOC）试验（技术验证），DSOC是一种复杂的新型激光通信技术，利用近红外光子进行数据编码，适用于深空对地通信。

多光谱成像仪（MSI）

γ射线和中子谱仪（GRNS）

3 面向月球实施2次探测任务，4次快递服务，1项技术验证

• Chandrayaan-3继续开展月表软着陆试验

月船三号（Chandrayaan-3）由印度ISRO研发，由着陆器和月球车组成，利用月船二号（Chandrayaan 2）的轨道器对地通信。月船三号主要目标是验证月球软着陆技术，计划降落在月球南极，开展月表特别永久阴影区的探测。月球南极表面的阴影区比北极大得多，可能存在水，南极地区还有一些包含着早期太阳系化石记录的陨石坑。

月船三号的着陆点与月船二号相同，其着陆器和巡视器设计也与月船二号着陆失败的维克拉姆着陆器（Vikram，1350kg，以ISRO创始人名字命名）和布拉格安巡视器（Pragyan，25kg，梵语“智慧”的意思）相似。

Chandrayaan-3概念图

Chandrayaan-3正在进行集成测试

• Lunar Trailblazer瞄准直接探测月表水

月球开拓者（Lunar Trailblazer）是NASA小型创新型行星探索任务（SIMPLEx），质量0.2t，运行在距离月表100km（ 30km）极地圆轨道。月球开拓者任务是探测月表关键位置的水，了解水的形态、丰度和分布，评估月表水可能的时间变化，重点探测永久阴影区（PSR）的水冰特征。

月球开拓者（Lunar Trailblazer）任务概念图

月球开拓者任务的主要科学载荷是高分辨率挥发物和矿物月球测绘仪（HVM³）和月球热测绘仪（Lunar Thermal Mapper）。HVM³将直接探测月表水，确定月表水形态（OH/H2O/冰）、丰度、位置、以及随时间变化规律，绘制永久阴影区（PSR）的水冰形态、丰度和分布图。LTM是多通道热辐射测绘仪，揭示月球表面的温度特性，阐明表面温度如何影响月球上水的分布。

高分辨率挥发物和矿物月球测绘仪（HVM³）

• 4次商业月球有效载荷快递服务

NASA商业月球有效载荷快递服务（CLPS）是以商业航天公司竞争的方式，将有效载荷运载到月球表面，以推进科学和技术的进步。2018年9家美国商业公司加入CLPS项目，一年后又增加了5家供应商，使符合条件的供应商总数达到14家。

①Peregrine-1将运送90kg有载载荷着陆撞击坑

天体机器人公司（Astrobotic）的“游隼1号”（Peregrine-1）着陆器，质量0.77t，着陆在直径145km的死湖大撞击坑（Lacus Mortis/ the Lake of Death）。Peregrine-1旨在研究月球外逸层、月球风化层的热性质和氢丰度、磁场和辐射环境，还将测试先进的太阳能电池阵列。

Peregrine-1概念图

Peregrine-1共携带90kg有载载荷，其中NASA的科学载荷主要有：激光反向反射器阵列（LRA）、导航多普勒激光雷达（NDL）、着陆器的表面外逸层改变（SEAL）、月表光伏监测（PILS）、线性能量转移光谱仪（LETS）、近红外挥发性光谱仪系统（NIRVSS）、质谱仪（MSolo）、离子阱质谱仪（PITMS）、中子光谱仪系统（NSS）、月表中子测量仪（NMLS）和磁通门磁强计（MAG）；还包括英国太空点（Spacebit）私营公司研制的“晨蜘蛛”（朝の，Asagumo）月球车，是迄今最轻的月球车，有四条腿，外形酷似蜘蛛，不是通常的轮式巡视器。

Peregrine-1的NIRVSS

Peregrine-1的NSS在振动台上进行测试

Asagumo月球车概念图

②Nova-C/IM-1将运送100kg有载载荷着陆月谷

直觉机器公司（Intuitive Machines）的新星-C月球着陆器（Nova-C/IM-1），质量1.908t，计划着陆在风暴洋的施勒特尔月谷（Schröter's Valley）。该着陆器旨在研究月表与羽流的相互作用、射电天文学以及月表的空间天气，还将演示验证精确着陆技术及通信、导航能力。

IM-1/Nova-C着陆器概念图

IM-1/Nova-C着陆器共携带100kg有效载荷，主要包括5个NASA的科学载荷：激光反向反射器阵列（LRA）、导航多普勒激光雷达（NDL）、月球导航演示器（LN-1）、用于月球羽状表面研究的立体相机（SCALPSS）以及月表低频射电天文观测（ROLSES）。此外，该着陆器搭载的主要商业载荷包括：太空点（Spacebit）公司研制轮式月球车、美国安柏瑞德航空大学研发的鹰眼相机（EagleCAM）以及国际月球天文台协会（ILOA@夏威夷）的ILO-X望远镜。

Spacebit研制的轮式月球车

③Prime-1/IM-2将运送40kg有载载荷着陆月球南极

直觉机器公司（Intuitive Machines）的月球极地资源与冰开采实验（Prime-1/IM-2），质量2t，计划着陆在南极附近。Prime-1/IM-2旨在验证原位资源利用（ISRU）的可行性，并在地下对冰进行采样和分析。

Prime 1（IM-2）概念图

PRIME-1任务由Nova-C月球着陆器携带40kg有效载荷，主要包括探索新地形风化层的冰钻（TRIDENT）和质谱仪（MSolo）。TRIDENT钻探可深达1m，将月壤提取到地表。MSolo是一种商用现成（COTS）质谱仪，分析钻屑中的水和其他化合物及不同深度的月壤样本。

PRIME-1的TRIDENT准备开展热真空测试

PRIME-1的MSolo

④XL-1将运送100kg有载载荷至月球南极

马斯滕空间系统公司（Masten Space Systems of Mojave）月球着陆器1号任务（Xelene Lander 1，XL-1），质量0.675t，计划着陆在南极附近。

该任务旨在研究地幔柱-表面相互作用、风化层物理特性、表面辐射环境、极地风化层热特性、矿物学和氢含量以及月球外逸层的组成，可能包括冰的挥发物。

Masten XL-1 Lander的概念图

Masten XL-1任务携带100kg有效载荷，包括月球紧凑型红外成像系统（L-CIRiS）、线性能量转移光谱仪（LETS）、海姆达尔相机系统（Heimdall）、质谱仪（MSoLo）、近红外挥发性光谱仪系统（NIRVSS）以及激光反向反射器阵列（LRA），样本采集、形态滤波和月壤探测（SAMPLR）机械臂，MoonRanger微型月球车及其携带的中子光谱仪（Neutron Spectrometer）。后续可能会增加商业载荷。

• SLIM任务验证日本月表软着陆技术

“苗条号”探测月球智能着陆器（SLIM）由JAXA研发，质量0.19t，运行轨道从地月转移轨道、环月轨道至月表着陆。SLIM计划与XRISM一起在日本种子岛航天中心发射，将降落在月球熔岩管入口马利厄斯丘陵洞穴附近，旨在验证精准的月球软着陆技术。

SLIM将携带着陆雷达（LR）和表面的矿物探测多波段相机（MCME）等仪器。

SLIM任务概念图

SLIM集成测试

空间地球科学实施4项任务，开展1项搭载

1 NISAR开展全球尺度地表测量

双频合成孔径雷达卫星（NISAR）是美国NASA和印度ISRO合作的大型任务，将从印度的Satish Dhawan航天中心发射。NISAR质量2.8t，运行在高度747km的太阳同步轨道，倾角98.4 ，轨道周期100min，每12天对整个地球完成一次扫描。

NISAR旨在对生态系统失衡、自然灾害、冰盖塌陷、农业和森林生物量等地表变化及其原因进行全球尺度测量。

NISAR概念图

NISAR科学载荷包括NASA研制的L波段极化合成孔径雷达（L-SAR）和ISRO研制的S波段极化合成孔径雷达（S-SAR）。

NISAR结构示意图

2 EarthCARE旨在揭示气溶胶-云-辐射相互作用

云、气溶胶和辐射监测卫星（EarthCARE）是ESA地球探索者核心任务（Earth Explorers-6），日本JAXA参与。EarthCARE质量2.35t，运行在高度400km的近地轨道，倾角97 。

EarthCARE旨在全球范围观测自然和人为气溶胶特性及其与云、大气辐射的相互作用，大气液态水和冰的垂直分布和云的输送以及云和降水的相互作用，以揭示气溶胶-云-辐射相互作用。

云、气溶胶和辐射监测卫星（EarthCARE）运行示意图

EarthCARE的结构示意图

测试中的EarthCARE

EarthCARE主要科学载荷是ESA研制的大气激光雷达（ATLID）、多光谱成像仪（MSI）、宽带辐射计（BBR）以及JAXA研制的云剖面雷达（CPR）。

EarthCARE的BBR

3 Biomass关注全球森林生物量观测反演

“生物量”卫星（Biomass）是ESA地球探索者核心任务（Earth Explorers-7），质量1.17t，运行在高度666km的太阳同步近圆形轨道，具体取决于不同的任务阶段。

Biomass旨在观测全球林业的现状和动态，实现森林植被垂直结构探测，次地表地质填图、林下地形高精度提取、冰盖冰川流速探测等，以揭示林业在地球碳循环和气候变化中的作用。

Biomass卫星示意图

Biomass卫星正在进行“热弹性变形”测试

Biomass卫星主要科学载荷是全极化P波段（435 MHz）合成孔径雷达，确定森林中储存的生物量和碳量。

Biomass卫星结构示意图

4 “澳科一号”双星将观测地磁场变化特征

“澳科一号”双星（Macao Science 1）是澳门特别行政区政府与国家航天局联合研制的澳门首颗科学与技术试验卫星。“澳科一号”由A、B两颗星组成，质量约为0.5t，将运行在低倾角近赤道轨道（near-equatorial orbit）。

“澳科一号”旨在观测南大西洋上空地球磁场异常区（SAA）磁场变化的精细特征，实现地磁场中近期变化预报，获取辐射带高能电子宽能带能谱分布等信息，提供高精度、高分辨率、长期矢量磁场数据和有关该地区高能粒子的信息，有望在天文与地球科学交叉领域（深地、深海、深空）作出有意义的成果。

“澳科一号”A星配备先进的高精度向量磁力仪、高稳定光学平台、高精度标量磁力仪等；B星配备太阳X射线探测器、能量电子谱仪等。

“澳科一号”双星概念图

“澳科一号”双星模型

5 PREFIRE双立方星瞄准地球辐射能量探测

极地辐射能远红外实验双立方星（PREFIRE）是NASA地球系统探路者计划（ESSP）的地球创投搭载任务（EVI-4）。这两个6U立方星运行在高度470~650km的近极地轨道，倾角82 ~98 。

PREFIRE旨在探测地球发出的辐射能量，以寻找关于北极变暖、海冰减少和冰层融化的原因。

PREFIRE任务概念图

PREFIRE主要科学载荷是小型热红外光谱仪（TIRS），覆盖0~45µm，光谱分辨率为0.84µm，测量远红外辐射随时间变化情况。该载荷基于NASA火星勘测轨道器（MRO）相关技术改进而来。

PREFIRE每颗立方星携带的TIRS结构示意图

6 TEMPO搭载在商业卫星上开展大气成分和气候测量

对流层排放-污染监测（TEMPO）是NASA地球系统探路者计划（ESSP）的地球创投搭载任务（EVI-1）。TEMPO质量148kg，搭载在商业通信卫星Intelsat 40e顶部，运行在高度约35000km的地球静止轨道。

TEMPO任务示意图

TEMPO旨在提供更详细精确的大气成分和气候相关的测量数据，提高空气质量（AQ）和气候变化的预测。

TEMPO的光栅光谱仪（grating spectrometer）将测量从紫外线（290~490nm）到可见光（540~740nm）波长的太阳反向散射辐射。TEMPO还将监测气溶胶、云参数、紫外线辐射以及对流层臭氧（O3）化学循环中的主要成分：二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）组成对流层臭氧（O3）、甲醛（H2CO）、乙二醛（C2H2O2）、水蒸气（H2O）。

TEMPO位于地球静止通信卫星Intelsat 40e顶部

参考文献

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本文作者：王琴、时蓬、白青江、范全林

作者简介：王琴，中国科学院国家空间中心，副研究员，研究方向为空间科学发展战略研究。