在今年的全国两会期间，全国政协委员、中国探月工程总设计师吴伟仁院士向媒体介绍了中国航天的宏伟发展蓝图。天问一号成功火星探测以后，我国将继续进行小行星采样返回、火星采样返回、木星探测等规划，以及更遥远的太阳系边缘探测。吴伟仁说：“我们希望在2049年完成100个天文单位，到达距离地球150亿公里的地方”。
一个天文单位是地球到太阳的平均距离，需光速行进500秒、约1.5亿千米，对于人类而言是个真正的“天文”数字。以月球对比为例，它距离地球仅约0.0025天文单位，光速耗时1.3秒即可。而吴院士介绍的规划，直接把我们的视线导向了太阳系的边缘，光速行进需要十几个小时。那里是无比空旷的柯伊伯带，却藏着太阳系最深层的秘密。
太阳系概念图（图源：NASA）
太阳系是所有人类的家园，它是由一颗恒星、八大行星、数百颗卫星及更多小天体组成的庞大系统。但它又是渺小的，仅在银河系中，就有约1000-4000亿颗太阳这样的恒星，而银河系又是宇宙一隅的沙尘。人类目前可观测到的宇宙半径已经达到465亿光年，光速行进要数百亿年！
人类航天先驱齐奥尔科夫斯基有句经典名言，可以昭示人类航天应该努力的未来：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远待在摇篮里”。100多年后人类航天所认知的世界远比他所了解的广阔，如果同样按照他的逻辑去定义，太阳系仅是人类的第一个“家”。走出家门，才是人类长远的未来。
飞出太阳系并不容易，起步就很艰难。航天器需在挣脱地球引力束缚之后，继续逃离太阳引力的影响。太阳的质量是地球33万倍以上，即便它的引力在地球轨道附近已经弱了不少、依然是航天器彻底逃离的最大障碍。中国现有最强火箭是870吨重的长征五号，它能允许约5吨重的天问一号抵达火星，但若让天问一号逃离太阳引力束缚还需要变得更强。因而，吴院士说到我们首要解决的问题是研发更加强力的重型火箭。
航天器就像飞出地球的风筝，我们需要一条线控制飞行，这就是航天领域内的遥测通信技术。相比地球附近的航天器，深空探测航天器的距离更远，这也意味着信号衰减更多，对深空通信网提出更高的要求。仅以我国为天问一号在天津新造的深空通信天线为例，它直径达到70米、面积超过20个篮球尝质量超过2700吨！未来我们需要更强软硬件结合的深空通信网络来支持冲出太阳系的旅途。
核能几乎是太阳系边缘探测的唯一选项（图源：公开版权）
此外，距离太阳越远所能收集的太阳能越弱，能量跟航天器与太阳的距离（的平方）成反比。这意味着在100天文单位之外，太阳能密度已经降到了地球附近的万分之一，远不足以支持航天器的正常工作。与此同时，能飞出太阳系的任务时长动辄跨度数十年，也要求能量系统能长期稳定工作。以目前人类科学技术水平而言，使用超长待机的放射性同位素电机（俗称“核电池”）几乎是唯一的选择，例如钚-238原料的核电池半衰期长达88年。我国已在嫦娥四号探测器上，初步测试了相应技术，用衰变产生的能量给器件保温和提供部分电力。
冲出太阳系，航天器本身也要变得更强，它需要质量尽量轻、功能却尽量多，这才能实现重型火箭“大马送快车”的效果，让一个注定昂贵的任务发挥出最大价值。因而，还需要为航天器配套研发多种科学仪器，甚至是颠覆性的新技术。历史上，摄像管技术、电荷耦合元件（CCD）成像技术甚至Wi-Fi技术等都和人类航天和天文探测的发展息息相关。为了让航天器更快冲出太阳系，科学家们还采取了行星引力助推加速等颠覆性想法，这也是未来中国航天器的首要选项之一。
最近的一个太阳系使者新视野号（图源：NASA）
这是一个有着极高门槛的目标，只有拥有顶级航天技术实力才能使之成为现实。截至目前，人类仅有美国国家航空航天局的先驱者10号（1972年）、先驱者11号（1973年）、旅行者1号（1977年）、旅行者2号（1977年）和新视野号（2006年）处在离开太阳系的旅途中。其中，旅行者2号更是抓住了太阳系内每175年一遇的各大行星完美几何关系，实现了一次遍访木星、土星、天王星、海王星。截至2022年3月，在“核电池”的支持下，史上最远航天器旅行者1号已经在太空中工作了45年，距离地球233亿千米（约156个天文单位），光速都需要21个半小时才能追上。
从以上分析可以看出，冲出太阳系的航天探测，不仅是中国航天宏大无比的梦想，还是对航天科技水平有重大提升的绝佳机会。我们需要重型运载火箭、深空通信网络、新一代智能航天器、航天器核能、深空制导导航与控制等一系列技术，这些也必将成为航天技术的更高整体发展平台，甚至促进其他相关制造业和信息产业的发展。
中国人的梦想经常用“星辰大海”四个字来形容。不过从天文学的意义来看，我们还只是一直在太阳附近生存，距离太阳最近的另一个星辰“比邻星”都仍有4.2光年，还有很长的路要走。
宇宙空旷无比。一方面，我们能感慨中国人用“星辰大海”描述梦想时的维度之大；另一方面，也告诉所有的中国航天人，冲出太阳系是我们必然要为之努力的长远目标，让梦想照进现实。
（本文已发表到《中国航天报》，受权转载）
