美国深空探测的战略规划及未来趋势研究(上)

国外航天 · 2016-11-22 23:48:49

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2014年，美国航空航天局（NASA)发布了《2014年战略规划》（Strategic Plan 2014），制定了美国航空航天局包括深空探测在内的各大领域的战略方向、战略目的和优先级。作为对《2014年战略规划》的响应，并参考美国国家科学研究委员会（NRC）2011年发布的《行星科学10年调查报告：2013—2022行星科学的愿景和航程》的建议，美国航空航天局科学任务部发布《2014年科学计划》(SciencePlan 2014），进一步明确了美国航空航天局未来科学探测包括深空探测的方向、目的和具体目标。　　在目前全球经济缓慢复苏、美国经济尚未完全恢复的大环境下，预算问题是美国航空航天局面临的最大挑战，也是美国航空航天局进行深空探测活动的瓶颈。美国航空航天局挣扎于《行星科学10年调查报告》的理想化建议与“缺钱”的现实矛盾中，尤其对于大型“旗舰”任务的态度摇摆不定，几经周折变化，也反映出美国航空航天局在最大限度地实现科学探测目标和合理利用有限的预算分配之间的艰难抉择和权衡过程。　　1美国深空探测发展情况　　美国是迄今为止唯一一个对太阳系内所有行星进行过探测的国家。此外，美国还对太阳、小天体和星际空间开展过大量探测，实现了月球、火星、小行星和土卫六着陆，以及彗星粒子和太阳风粒子采样返回。美国在太阳系探测领域取得了大量科学成果，在全球深空探测领域处于绝对领先地位。　　美国在月球探测方面起步很早，1958年8月17日发射的先驱者—0月球探测器是人类历史上第一个深空探测器。截至2014年9月底，美国共发射了41次无人月球探测任务。　　美国火星探测取得重大成就，开展火星探测任务20次，其中有15次获得了成功，最近的一次任务即“火星大气与挥发物演变”（MAVEN），已于2014年9月22日成功进入火星轨道。

“火星大气与挥发物演变”探测火星示意图　　除月球和火星外，美国还开展金星探测任务6次，太阳探测任务10次，水星探测任务2次，木星和土星系探测任务7次，矮行星、小行星和彗星探测任务7次。　　从深空探测技术水平看，美国已经全面具备覆盖整个太阳系八大行星及卫星、小天体、太阳的探测能力，已经探测过的天体包括月球、火星、金星、水星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、彗星、小行星、太阳等，探测形式多样，包括飞越、环绕、撞击、着陆、巡视勘察、采样返回等。已掌握的技术包括月球飞越、环绕和着陆；火星飞越、环绕、着陆和巡视勘察；金星飞越和环绕；彗星粒子采样返回；太阳风粒子采样返回；小行星环绕和着陆；土卫六着陆（与欧洲合作）等等。　　2、美国未来深空探测战略规划　　美国航空航天局的“战略规划”反映了美国航空航天局的整体战略规划。“战略规划”由美国航空航天局首席财政官办公室组织制定，以确保其与美国航空航天局的预算分配紧密联系。战略规划委员会是由美国航空航天局局长担任主席的顶层团队，负责制定美国航空航天局的多年计划和路线图，然后由美国航空航天局各大任务部和任务支持委员会对这些计划和路线图进一步细化。首席财政官办公室的战略规划团队将根据这些规划和路线图制定美国航空航天局“战略规划”，大约每3年发布一个版本，主要反映美国航空航天局的组织变化情况，定义美国航空航天局完成愿景和任务的途径，以及支持和驱动美国航空航天局进行研究和开发活动的原则。美国航空航天局近年来分别于2014、2011、2006、2003年发布了“战略规划”。　　作为对“战略规划”的响应和补充，美国航空航天局科学任务部几乎同步制定了“科学计划”，规划美国航空航天局科学领域包括太阳物理学、地球科学、行星科学和天体物理学4个分领域未来的活动。在制定“战略规划”和“科学计划”时，美国航空航天局也会充分考虑美国国家科学研究委员会《行星科学10年调查报告》提出的建议，包括各分领域的发展方向、优先级任务目标等。美国航空航天局在制定财年预算时，也会体现“战略规划”和“科学计划”的主要政策和方向。因此结合美国航空航天局的“战略规划”、“科学计划”、美国国家科学研究委员会的《行星科学10年调查报告》以及美国航空航天局近几个财年的预算申请等文件，可以对美国未来深空探测战略规划进行分析和总结。　　由于美国航空航天局并未对深空探测器进行严格定义，其“科学”领域的4个分领域“太阳物理学”、“地球科学”、“行星科学”和“天体物理学”中，“行星科学”中的航天器基本上都属于深空探测器，但同时在“太阳物理学”中也有少量深空探测器，例如旅行者—1、2等。因此在进行分析时，主要参考与“行星科学”分领域相关的章节与数据，同时也兼顾少量“太阳物理学”分领域中与深空探测相关的内容。

旅行者—1在宇宙空间飞行示意图　　“战略规划”制定了美国航空航天局顶层战略发展方向　　(1)《2014年战略规划》的战略目的和战略目标　　美国航空航天局《2014年战略规划》提出了以下3项战略目的以及相应的16项战略目标：　　1)扩展美国航空航天局探索空间的知识和能力，增加美国航空航天局探索空间的机会。①扩展人类在太阳系的探索疆域，实现火星表面载人探测，推动探索、科学和创新进步，造福人类，加强国际合作（由载人探索运行任务部负责）；②在国际空间站上进行科学和技术研究，为未来的空间探索打下基础；③鼓励商业航天经济的发展，推动基础生物学和物理学的进步，使全人类受益（由载人探索运行任务部负责）；④促进美国商业航天的发展，并利用其能力向空间运送货物和乘员（由载人探索运行任务部负责）；⑤理解太阳及其与地球和太阳系的相互作用，包括对空间天气进行研究（属于“科学”领域的“太阳物理学”，由科学任务部负责）；⑥研究太阳系的起源和演变，探索可能的生命痕迹（属于“科学”领域的“行星科学”，由科学任务部负责）；⑦研究宇宙的运行机制，探索宇宙的起源和演变，搜寻围绕其他恒星运行的行星上的生命痕迹（属于“科学”领域的“天体物理学”，由科学任务部负责）；⑧对美国航空航天局的任务进行转化，推动国家前沿、创新航天技术的不断发展和成熟（由空间技术任务部负责）。　　2）增进对地球的理解，研发能够改善人们生活质量的技术。①推动航空学研究，使美国和全球的航空业实现安全和可持续的革命性转换（由航空学研究任务部负责）；②增进对地球系统的了解，应对环境变化，改善人们的生活（属于“科学”领域的“地球科学”，由科学任务部负责）；③优化机构技术投资，鼓励开放式创新，促进技术注入，确保获取最大的国家利益（由首席技术专家办公室负责）；④通过与其他机构的合作，推动“科学、技术、工程和数学”（STEM）教育和人才队伍培养，从而鼓励学生、教师和教职工参与美国航空航天局的任务（由教育办公室负责）。　　3）为美国公众服务，通过有效管理人员、技术能力和基础设施，完成美国航空航天局的各项任务。①吸引并培养具有丰富经验的、有能力的、多样化的人才队伍，建立具有创新氛围的工作环境，为美国航空航天局的任务提供所需的设施、工具与服务（由任务支持部负责）；②确保美国航空航天局的战略、技术和计划能力的可用和持续发展，以维持美国航空航天局的任务（由载人探索运行任务部负责）；③提供安全、有效和可负担的信息技术和服务以支持美国航空航天局的任务（由首席信息官办公室负责）；④确保对美国航空航天局计划的有效管理和运行，从而安全地、成功地完成任务（由安全和任务保障办公室等部门负责）。　　这3项战略目的与相应的战略目标指导了美国航空航天局的大部分活动，分别由美国航空航天局目前的4个任务部——航空学研究任务部、载人探索运行任务部、科学任务部、空间技术任务部以及其他支持部门领导和负责，其中一部分内容涉及深空探测。美国航空航天局在《2014年战略规划》中指出，美国航空航天局的未来非常清晰，将继续进行载人和机器人空间探索，并开发可用于航空航天的新技术，在保护地球的同时，增进对地球和宇宙的了解。美国航空航天局还指出，将通过与工业界、学术界和其他国家的航天机构的合作实现未来愿景，并鼓励公众参与到美国航空航天局的活动中去。美国航空航天局的战略主旨是与国内和国际的合作伙伴一起，进行航空航天探索与研究，使全人类受益。　　（2）《2014年战略规划》强调深空探测的重要作用，指出深空探测面临的问题和挑战　　美国航空航天局在《2014年战略规划》中多次强调了包括深空探测在内的“科学”领域的重要作用，指出机器人探测是我们探索太阳系的主要方法，也是载人空间探索的重要先驱任务，并表明美国航空航天局将继续不遗余力地在控制成本和进度的前提下进行科学探索。　　《2014年战略规划》指出美国航空航天局在“行星科学”分领域面临的挑战有两个，一是任务成本评估与管理，尤其是对于那些复杂的大型探测项目，美国航空航天局应提高效率，更好地进行任务成本控制。在过去3年里，美国航空航天局发射的多项“行星科学”任务都成功地控制在既定成本和进度内。美国航空航天局的长期目标仍然是控制成本和进度，确保任务的持续性。二是钚—238的生产与供应。钚—238为美国航空航天局的放射性同位素热电发生器提供能源，可在无法获取太阳能时为航天器提供电能。20世纪80年代，美国停止了钚—238的生产，钚—238的供应一直受到限制，目前已将耗尽。由于钚—238对于行星科学乃至载人探测来说非常重要，所以美国航空航天局行星科学部门目前正与美国能源部一起重启钚—238的生产工作，以满足未来数10年内对钚—238的需求。

测试“新视野”冥王星探测器使用的放射性同位素热电发生器　　美国航空航天局科学任务部“科学计划”规划美国深空探测发展方向和具体目标　　《2014年科学计划》指出，评判美国航空航天局科学任务部工作成功与否的标准有三个，第一是回答科学任务部提出的科学问题；第二是体现《行星科学10年调查报告》中建议的任务优先级；第三是响应美国政府和国会的航天政策。　　（1）美国航空航天局未来的科学探索面临六大挑战　　在美国航空航天局科学任务部《2010年科学计划》进行改进和完善的基础上，《2014年科学计划》指出了美国航空航天局未来进行科学探索活动面临的六大挑战，分别是通往太空的途径（即运载火箭）、任务成本评估与管理、技术开发与验证、国际合作、行星保护和长期计划规划等。　　（2）美国航空航天局行星科学发展规划　　1）美国航空航天局行星科学战略目标。美国航空航天局行星科学的战略目标是确定太阳系的构成、起源和演变，并探索可能的生命痕迹。美国航空航天局对太阳系的探索需要回答以下几个基本科学问题：太阳系是怎样形成和演变的？地球之外的天体上是否存在生命？有哪些会对地球生命造成威胁的星体或事件？　　科学任务部将以上问题转换成以下几项科学目标：探索并观测太阳系中的天体，并理解它们是如何形成和演变的；进一步理解太阳系运行、作用和演变的化学与物理过程；探索并发现那些过去可能有过生命或现在存在生命的地方；进一步理解地球上生命的起源和演变，指导人们搜寻其他生命痕迹；鉴别并描述太阳系中可能威胁地球的天体，或为载人探测提供资源。　　2）美国航空航天局行星科学也面临着预算不足、技术投资削减等重大挑战。除整个科学探索领域面临的六大挑战外，美国航空航天局强调了目前行星科学分领域面临的3个问题，第一是目前美国航空航天局行星科学的预算分配与《行星科学10年调查报告》中的假设不匹配，这将影响美国航空航天局科学任务部在未来10年中执行《行星科学10年调查报告》建议的探索活动。在当前受限的预算环境下，美国航空航天局可能需要在“竞争任务”和“战略任务”之间进行权衡和取舍，包括探测的目的地、研究和技术投资方向等。“竞争任务”是通过公开的“竞争公告”筛选而来的任务，多为小型和中型任务。“战略任务”从多项候选的“任务概念”中发展而来，这些“任务概念”或者来自由科学咨询委员会和工作小组进行的各种调查和研究，或者为满足具体的美国航空航天局科学目的而制定，一般为成本较高的大型任务。第二是目前美国航空航天局面临着钚-238即将耗尽的危机。第三是行星科学部门的技术研发活动依赖于来自那些大型战略任务的资金，例如“卡西尼”（Cassini）、“火星勘察轨道器”（MRO）和“火星科学实验室”（MSL）等，随着美国航空航天局规划的未来大型战略任务的减少，对技术研发的投资也会相应减少。

目前在轨飞行的“火星勘察轨道器”示意图　　美国航空航天局多个深空探测器在轨工作，探测范围全面广泛，侧重火星探测。目前，美国航空航天局科学任务部的“行星科学”分领域共有9个轨道器和2辆火星漫游车正在工作，此外还以提供仪器等方式参与了4项其他国家的深空探测任务。在轨的11个探测器中，水星探测器1个，冥王星和小行星探测器2个，月球探测器1个，木星探测器1个，土星探测器1个，火星探测器为5个。其中火星探测器所占比例为45%以上。　　4）美国航空航天局计划的深空探测任务数量有限，仍以火星为主。目前,美国航空航天局计划实施的深空探测任务有3项，包括2项火星探测任务和1项小行星采样返回任务。此外美国航空航天局还将参与多项其他国家的探测任务。　　5）美国航空航天局未来的探测任务。美国航空航天局未来还将继续推进“发现”和“新疆域”计划，仍将采用“竞争公告”的形式筛选出具体探测任务。　　《行星科学10年调查报告》建议将火星采样返回任务作为优先级最高的深空探测任务　　《行星科学10年调查报告》是由美国国家科学研究委员会发布的报告，大约每10年发布一版，目的是为美国航空航天局和其他美国政府机构制定行星科学领域的战略规划提供参考。除《行星科学10年调查报告》外，美国国家科学研究委员每10年还发布《天文学与天体物理学10年调查报告》、《地球科学10年调查报告》、《太阳物理学10年调查报告》等。以上4类10年调查报告涵盖了美国航空航天局科学领域的四大分领域——地球科学、太阳物理学、行星科学和天体物理学。　　《行星科学10年调查报告》阐述了未来10年行星科学需要解决的关键问题和探索规划。目前最新的版本为2011年3月7日发布的《2013—2022行星科学的愿景和航程》。报告建议美国未来10年内实施的旗舰任务包括“火星天体生物学探测-收集者”火星车任务、木卫二任务和天王星系任务。其中实现火星采样返回的“火星天体生物学探测-收集者”火星车任务具有最高优先级，木卫二任务次之。“火星天体生物学探测-收集者”火星车原本计划用于美国和欧洲合作的“火星生物学”火星采样返回任务，当时计划于2016年和2018年分两次分别发射轨道器和1～2辆火星车（欧洲“火星生物学”和美国“火星天体生物学探测-收集者”）。2012年，由于财政问题，美国宣布取消与欧洲合作探测火星，欧洲转而寻求与俄罗斯的合作。2013年3月14日，欧洲航天局与俄罗斯联邦航天局正式签署合作协议，将于2016年和2018年合作探测火星。虽然取消了与欧洲合作的火星探测任务，但美国仍然高度重视火星探测，美国航空航天局也在2015财年预算申请中为“洞察”火星深度钻岩探测器、火星漫游者—2020分配了预算，其中后者的探测目标与之前的“火星天体生物学探测-收集者”火星车相似，即“寻找、鉴别、收集、存储火星环境中的样品，为之后的采样返回任务做准备”，充分体现了对《行星科学10年调查报告》建议的回应。但与“火星天体生物学探测-收集者”火星车不同的是，2020年新型火星车并不基于机遇号和勇气号火星车的设计，而是将基于好奇号火星车的设计。此外，美国航空航天局在2015财年预算申请中也为可能的木卫二任务分配了研究经费。　　……　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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