美国深空探测的战略规划及未来趋势研究（下）

国外航天 · 2016-11-22 23:48:54

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5 从美国深空探测战略规划看其未来活动趋势　　　　预算问题成为美国深空探测活动发展的瓶颈　　一直以来，美国有着最为详细和完备的深空探测战略规划。早在2006年，美国航空航天局就发布《2006年太阳系探索路线图》，详细规划了美国航空航天局（NASA）未来深空探测的路线和具体任务，并将其任务分为“发现”（小型）、“新疆域”（中型）和“旗舰”（大型）三种类型，探测范围覆盖月球、火星、水星、金星、木星、土星、天王星、海王星、小行星、彗星等，探测方式包括飞越、环绕、着陆、巡视和采样返回等。　　然而，近年来在全球经济缓慢复苏的大环境下，美国还尚未从2007年爆发的金融危机中完全恢复，政府预算开支的缩减甚至导致美国联邦政府从2014财年一开始就连续关闭16天。因此“缺钱”也是美国航空航天局面临的主要问题。考虑通货膨胀因素，美国航空航天局 2011－2015财年的预算申请几乎是持续下降。在总预算遭到削减的情况下，美国航空航天局 “行星科学”预算也从2011财年的近15亿美元降到2015财年的12.80亿美元。因此，美国航空航天局也不得不采取一些措施，在保证一些重点项目，例如“詹姆斯-韦伯”空间望远镜顺利实施的同时，减少其他项目的预算，例如搁置大型“旗舰”任务（这里专指位于火星和木星之间的小行星带之外的带外行星任务，也称为“外行星”任务）；不再给那些虽然还在轨工作、但科学价值减弱的探测任务（“月球勘察轨道器”、机遇号火星车）分配预算，可能结束其任务；结束“月球探测计划”，不再规划新的无人探月任务等。

美欧“卡西尼-惠更斯”土星探测器　　美国航空航天局在其《2014年战略规划》和《2014年科学计划》等报告中也多次指出，目前美国航空航天局面临的最大挑战就是预算问题，所以该局必须提高成本效益率，有效地进行成本控制与管理。由此可见，预算问题已成为目前美国深空探测活动发展的瓶颈。　　《行星科学10年调查报告》是在预算充足前提下的理想化建议，与现实情况并不匹配　　美国国家科学研究委员会的《行星科学10年调查报告》是从科学探索的角度，对美国未来深空探测的方向和目标提出建议，该报告建议美国未来10年内实施“火星天体生物学探测-收集者”火星车、木卫二和天王星系共3项大型“旗舰”探测任务。其中，实现火星采样返回的“火星天体生物学探测-收集者”新型火星车任务具有最高优先级，木卫二任务次之。此外，报告还建议实施多项“发现”和“新疆域”任务。　　该报告是在美国航空航天局预算充足的前提条件下最为理想化的建议，与目前美国尚未完全恢复的经济大环境并不匹配。报告也指出，美国航空航天局应按照以下4个标准来选择任务并确定任务的优先级，即科学回报率、计划平衡（在多个任务目标之间寻求平衡，并混合进行小型、中型和大型任务）、技术就绪水平、2013－2022年出现的轨道机会。因此，美国航空航天局只能在有限的预算下，最大限度地平衡《行星科学10年调查报告》中提出的建议与美国航空航天局实际能力之间的差距。

木卫二

木卫二快帆示意图　　美国科学界仍希望大力推进深空探测，尤其支持科学回报最高的“旗舰”任务　　虽然就财年预算申请情况看，美国深空探测面临预算不足的问题，某些探测任务即将搁置甚至取消，但美国科学界对深空探测的态度是大力支持的，科学家们尤其重视科学价值最高的大型“旗舰”任务。　　《行星科学10年调查报告》代表美国科学界发出了支持行星科学的最强音，然而，奥巴马于2012年2月向国会提交的美国2013财年预算案中，将“行星科学”的预算从2012财年的15亿美元削减为12亿美元，削减幅度达20%，直接导致美国退出与欧洲合作的“火星生物学”任务。此举在美国航天界掀起轩然大波，各方反应强烈。在航天界具有较大影响力的非政府、非盈利组织——行星协会（Planetary Society）发表文章明确表示对预算不满，认为美国航空航天局“在火星探测的道路上渐行渐远”。文章还指出，美国航空航天局此举将使美国的行星探测活动滞后数十年，至少在未来5年内，美国深空探测步伐将渐缓，极大影响对地外生命的探测。此外，许多行星科学家也发表评论警告不应削减美国用于行星探测的预算。　　　　稳步推进中小型探测任务，但内部对于大型任务的态度摇摆不定，在理想与现实中挣扎　　美国航空航天局未来将稳步推进“发现”和“新疆域”计划的实施，在2013－2022年内，进行约4次“发现”任务和2次“新疆域”任务，与《行星科学10年调查报告》的建议相符，也基本达到美国航空航天局制定这两项计划之初定下的目标，即在10年内实施4～7次“发现”计划和2～4次“新疆域”计划。　　然而，对于大型“旗舰”任务，美国航空航天局的态度却处于摇摆不定和前后矛盾中。2009年10月，欧洲航天局（ESA）和美国航空航天局协议联合进行火星采样返回任务，当时预计于2016年和2018年分两次分别发射轨道器和1～2辆漫游车，漫游车即欧洲的“火星生物学”和美国的“火星天体生物学探测-收集者”。其中“火星天体生物学探测-收集者”即为《行星科学10年调查报告》建议的大型“旗舰”任务，估计成本为25亿～35亿美元左右。2012年，由于美国航空航天局行星科学的2013财年预算被削减高达20%，美国航空航天局不得不宣布取消与欧洲的合作，仅以提供仪器的方式继续参与任务。　　2013年，随着好奇号火星车成功着陆火星并进行探测工作，美国航空航天局宣布计划2020年将发射新型火星车，成本约15亿美元，并在2015财年预算申请中为其分配了预算。该任务成本规模达到美国航空航天局“旗舰”任务的成本规模，实际上也是一项“旗舰”任务。

美国2020年将要发射的新型火星车示意图　　在开展新型火星车研制工作的同时，美国航空航天局局长查尔斯·博尔登在2013年12月的一次战略管理委员会会议时表示，“忘记‘旗舰’任务吧，这类任务是目前美国航空航天局负担不起的任务。”同期的其他一些文章和评论也都指出，美国航空航天局目前的预算环境无法继续支持“旗舰”任务。美国航空航天局的首席科学家艾伦·斯托芬则表示木卫二上可能有生命痕迹，探测意义重大。美国航空航天局主管“科学”领域的副局长约翰·格伦斯菲尔德多次表明，美国航空航天局并不是要放弃“旗舰”任务，将在合适的时候重新启动大型任务。继而2014年美国航空航天局发布2015财年预算申请，又为进行木卫二任务的概念研究分配了预算。上述事实说明，美国航空航天局目前处于“缺钱”的现实和追求科学探索的理想之间的矛盾中。美国因为缺钱退出“火星生物学”任务，不久之后又宣布耗资数十亿美元开发2020新型火星车，一方面美国航空航天局局长宣称“旗舰”任务负担不起；另一方面美国航空航天局的其他官员和科学家又在强调“旗舰”任务的重要性，表现出对这种具有高科学回报率的大型任务的极大热情。　　　　美国航空航天局深空探测预算和具体任务的确定实际上是美国白宫与国会相互角力和彼此权衡的结果　　美国航空航天局的财年预算实际上是奥巴马政府与国会之间相互角力并最终达成妥协的结果。例如博尔登局长认为美国航空航天局目前无法负担大型旗舰任务，并在2014财年预算申请中指出，木卫二任务研究小组对木卫二的3种探测方案（即着陆器、轨道器和掠飞器）进行研究后发现，美国航空航天局目前不具备负担木卫二任务的能力，将不会实施上述任何方案。　　然而，国会不顾政府的反对，在2014财年明确给美国航空航天局额外注资8000万美元，表示对木卫二任务的支持。因此奥巴马在2015财年预算申请中分配了1500万美元的预算用于木卫二任务的概念研究，这样的妥协明显是为了“取悦”国会，也体现出政府与国会之间的复杂关系。　　由此可见，美国航空航天局深空探测活动的实施很大程度上受到白宫和国会的制约，不仅美国航空航天局内部包括管理者和科研人员之间存在意见分歧，白宫和国会之间也暗自较量和权衡，这些因素都将对美国深空探测战略规划的制定和实施产生深远影响。　　6 美国深空探测战略规划特点及未来活动发展趋势　　　　在进行太阳系科学探索的同时，为实现载人火星探测最终目标打下基础　　美国的深空探测活动除了研究太阳系的构成、起源和演变情况，并探索可能的生命痕迹之外，还是美国载人深空探索活动不可或缺的先驱任务。美国未来载人航天长期战略中的目的地包括月球、地月空间（拉格朗日点和月球轨道）、近地小行星和火星系统（火星及其卫星）。无人探测任务可为美国未来载人探测活动提供重要支持，包括探索具有重要科学价值的目的地、勘测未来的着陆地点、提供后勤支持、建立月球前哨站等，为美国最终实现载人火星探测打下坚实基础。　　美国未来深空探测战略规划重点突出，以火星为重点，弱化月球探测　　未来美国深空探测战略规划将以火星探测为重点。对美国航空航天局 2015财年预算进行分析，2015－2019财年美国航空航天局分配给所有火星探测任务的预算（包括“火星探测计划”和“洞察”火星车）占同财年整个“行星科学”预算的35%～47%，足见美国航空航天局对火星探测的重视程度。美国目前在轨的火星探测器包括“火星奥德赛”、“火星勘察轨道器”、好奇号火星车、机遇号火星车和“火星大气与挥发物演变”轨道器，除机遇号火星车可能即将结束任务外（但美国航空航天局也可能通过别的途径为其提供预算），其他探测器都将持续在轨工作，为未来的火星探测任务提供数据中继服务或继续进行科学探测。美国航空航天局未来还将执行的火星探测任务包括“洞察”着陆器和2020新型火星车。此外，美国航空航天局还将以提供仪器支持的形式参与2016和2018年欧洲与俄罗斯合作的“火星生物学”任务。　　美国并未明确规划未来的月球探测任务（“新疆域”计划中仅有一项月球采样返回的候选任务），因此结束了“月球探索计划”，并且未给目前唯一在轨的月球任务－－“月球勘察轨道器”任务分配新的预算，可能将在2015财年结束该任务。截至2014年8月，美国已经发射了41个无人月球探测器，并实现了载人登月，在月球探测领域已经取得了辉煌的成就，获得了有关月球环境的大量科学数据。因此在预算有限的情况下，未来美国航空航天局将弱化无人月球探测，将探测重点集中到火星探测上去，为实现美国深空探测的最终目标－－载人火星探测打下基础。　　在突出火星探测重点的同时，兼顾覆盖其他行星和小天体的探测　　美国目前已经具备了探索太阳系八大行星和小天体的能力，未来的深空探测活动将在以火星探测为重点方向的同时，也兼顾其他领域的探测，未来的“发现”和“新疆域”任务的候选任务涵盖小行星、彗星、土星、金星等多个行星和小天体目标，包括彗星表面采样返回、月球南极艾特肯盆地采样返回、土星探测器、特洛伊小行星探测与交会、金星原位探测器等。　　充分参考《行星科学10年调查报告》的建议，量力而行，寻求可负担的发展模式　　在有限的预算下，美国航空航天局在制定深空探测战略规划时，仍然充分参考《行星科学10年调查报告》的建议，在不显著增加预算的前提下，尽可能地平衡该报告的理想化建议和现实之间的关系，量力而行，寻求可负担的发展模式。美国航空航天局减少了报告中建议的中小型任务的次数，并缩减大型任务的成本规模。例如，在进行木卫二任务概念研究时，充分考虑成本效益，尽力将成本控制在10亿美元左右，并且最大限度地实现可能的科学目标，研究团队还正评估利用未来的“航天发射系统”和“猎鹰”重型运载火箭发射木卫二任务的可能性。　　美国航空航天局在《2014年科学计划》中，肯定了《行星科学10年调查报告》中提出的火星采样返回任务的优先级最高的建议，提出将提高成本效益率，执行低风险任务。

美国“航天发射系统”（SLS）示意图

美国火星采样返回设想图　　高度重视国际合作，未来以提供仪器和任务支持的方式为主进行国际合作　　美国在多份报告中都不断强调深空探测国际合作的重要性，并付诸行动。但由于预算问题，美国目前没有计划与其他国家进行系统级的国际合作（由参与合作的国家分别提供系统级部件和运载火箭）的任务，而是以提供仪器组件或任务支持的方式参与其他国家的探测项目。　　例如欧洲航天局的“贝皮-科伦坡”上将携带美国航空航天局的质谱仪组件，用于确定水星表面的化学成分，研究水星的地质历史。

欧洲和日本合作研制的“贝皮-科伦坡”探测器　　2016年欧洲航天局 “火星生物学”任务 “示踪气体轨道器”上将搭载美国航空航天局的Electra无线电通信设备。2018年欧洲航天局 “火星生物学”漫游车上将搭载美国航空航天局的“火星有机物分子分析仪-质谱仪”（MOMA-MS）。　　美国航空航天局还将为ESA的“木星冰卫星探测器”（JUICE）任务提供约1亿美元的仪器，包括1个以美国为主进行研制的紫外光谱仪和2个以欧洲为主、美国参与研制的仪器，即“冰卫星探索雷达”和“粒子环境包”。　　美国航空航天局以任务支持的方式进行的国际合作包括分配预算研究日本隼鸟－1探测器带回的糸川小行星样品；在隼鸟－2任务的跟踪和轨道确定等方面提供支持等。　　7 启示与建议　　对美国航空航天局深空探测战略规划的发展情况、变化原因和未来趋势进行分析和总结，可为我国深空探测战略规划的制定提供以下几点建议。　　　　制定长期的、可持续的深空探测战略规划，并稳步推进　　深空探测并不是一项短期的、功利性的单个项目，而是一项有着崇高的科学目标、巨大经济效益并可极大提升国家综合国力的大型工程。全球各大航天国家尤其是美国，都制定了自己的深空探测战略规划，树立了深空探测的中长期目标，并朝着这一目标推进。我国应考虑实际情况，以可持续发展的原则规划全局，制定一项完备、持续的深空探测战略规划，扎实推进深空探测事业。　　高度重视深空探测，敢于投入、超前投入　　世界各大航天国家都非常重视对深空探测的投入，美国为确保其在火星探测领域的绝对领先和霸主地位，尽管火星探测的成本高、风险大，仍投入25亿美元进行新一代火星漫游车－－好奇号的研制，并取得了巨大的成功。为确保深空探测战略规划的稳步实施，我国更应高度重视在深空探测领域的投入。　　　　在有重点地选择探测目标的前提下，兼顾其他领域的探测　　进入21世纪以来，世界主要航天国家和组织均制定了火星探测规划，并正在密集实施。火星探测已成为继月球探测之后全球空间活动的另一个重点，未来20年的大多数火星窗口均安排了火星探测器发射任务。作为彰显大国地位的重要战略性领域，以火星为主要探测对象的深空探测越来越受到重视。　　深空探测涉及到太阳系八大行星、小天体、太阳等众多目标，存在时间和资金方面的限制，不可能全部覆盖。因此，我国应有重点地选择深空探测目标，着重发展一个或几个领域的探测，例如火星探测、月球探测等，同时在资源允许的情况下，兼顾其他天体的探测。　　　　重视技术投资，同步开展预先研究　　深空探测面临大量技术难题，临时进行技术开发，从时间上、进度上都为时已晚。美国长期重视深空探测的技术预研与储备，制定了未来10年内的技术投资规划。美国航空航天局行星科学部门与空间技术任务部合作，对美国航空航天局的投资进行管理，探索可在行星任务中验证新技术的机会。美国航空航天局投资进行发电、推进、导航、大气捕获、仪器、小型化、辐射减缓、行星保护、样品采集、返回和处理等新技术的开发。　　在充分考虑我国当前的技术能力和未来任务需要的基础上，我国应该高度重视技术预研和储备，提前进行核心技术预先研究项目，实现新的技术跨越，为我国未来深空探测活动打下基础。　　大力提倡国际合作，深入探索不同层面的合作途径和模式　　深空探测项目的研制成本高、周期长，且直接经济效益反应不迅速，国际合作是目前全球深空探测活动的大趋势，已有多个国家成功进行了深空探测领域的国际合作，取得了巨大成功，还有多项未来的探测任务也将采取国际合作模式。深空探测有多个层面上的国际合作模式，包括顶层战略规划制定，具体探测任务系统级，以及提供仪器和任务支持形式的合作。　　在目前预算并不充裕的情况下，美国采取了以提供仪器和任务支持为主的国际合作形式。我国也应在充分考虑政治、经济和技术多种因素的前提下，广泛寻求国际合作的机会，深入探索不同层面的国际合作途径和模式，达到分担成本、共享成果的目的。　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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