世界深空探测发展态势及展望

航天 · 2016-11-22 23:46:40

……　　　　1. 世界深空探测发展现状　　截止“新视野”探测器完成冥王星探测为止，世界各国针对月球以远的太阳系天体共开展过234次探测活动。20世纪90年代以前主要探测目标为月球、火星和金星。在这一阶段，仅有美国和苏联两国开展深空探测方面的活动。由于其中包含了美苏两国政治竞争因素，该阶段的深空探测多以实现突破为主，任务量紧密但探测的科学回报较低，失败率也很高。20世纪90年代中期开始，欧盟、日本和中国等国开始涉足深空探测，并结合当前技术发展水平和科学探测意义，将探测目标重点锁定在月球、小行星和火星。尽管该阶段的任务没有20世纪60~70年代密集，但任务类型更为复杂，科学回报显著提高，显得更为理智和意义深远。

深空探测活动统计图　　　　月球和小天体的探测　　　　月球和小天体都具有可接近性好、资源可利用性高等优点。因此，在当前技术水平下，进行月球和小天体的探测和资源利用成为了各国关注的一个焦点。　　月球作为距离地球最近的天体，是所有国家开展深空探测的首选目标。1959年，苏联的月球－2实现了月球硬着陆任务，开启了人类征服近地以远空间的征程。在此之后，美、欧、日、中、印等国先后完成了月球探测任务。这些探测任务揭开了月球的神秘面纱，使得月球成为人们研究最彻底的天体，以及人类唯一涉足的地外天体。由于月球可接近性好，进行月球资源的开采和利用将是缓解地球资源压力的一条重要途径。另一方面，开展月球探测可以为未来深空无人和载人探测提供技术验证。　　20世纪90年代以来月球和小天体的探测情况统计　　小天体指围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的天体，主要包括小行星、彗星、流星体和其他星际物质。小天体探测不仅有助于揭示太阳系的起源和演化，还可以促进资源利用和行星防御的研究。小天体质量较小、引力微弱、易于逃逸，因此进行小天体资源采集相比于月球更为简单。另一方面，小天体载人探测也被认为是火星载人探测道路上重要的试验步骤。目前为止，小天体探测共进行过12次，其中彗星探测7次，小行星探测5次。　　　　类地行星的探测　　类地行星指主要由硅酸盐岩石或金属构成的一类行星。太阳系内的类地行星包括水星、金星、地球和火星，其共同特点为距离太阳较近，半径和质量较小。由于类地行星距离地球较近，且结构与地球类似，成为了人类探索行星的首选目的地。　　水星是距离太阳最近的行星，由于太阳引力较强并且水星几乎没有大气层，进行水星环绕和着陆任务难度很大。另一方面，水星表面温差极大，其宜居性并不好。因此，人类探测水星的热情并不高。目前，仅有水手－10和信使号探测器进行过水星探测。然而，水星是太阳系类地行星中除地球之外唯一有显著磁场的行星，观测其磁场仍具有较大的探测价值。　　金星是距离地球最近的行星，其体积和质量与地球最为接近，在探测以前曾被认为是最可能存在生命的太阳系行星。1962年，美国的水手－2探测器成功飞越金星，完成了人类首次行星探测。测量数据表明，金星覆盖有厚重的二氧化碳大气层，表面温度高达400℃以上。这些证据表明，金星存在生命的可能性非常小，一定程度上打击了人类探测金星的热情。此后，美国将重点转向火星探测，仅发射了共6颗金星探测器。而苏联共进行了33次金星探测，在金星探测方面达到了领先地位。20世纪90年代以来，仅欧洲航天局（ESA）和日本各执行过一次金星探测任务。　　火星是距离地球第二近的行星，还是最可能存在生命的行星。目前，人类共进行了42次火星探测。其中，美国20次，成功15次；苏联/俄罗斯19次，仅成功5次；欧洲和印度各成功1次，日本则失败1次。美国始终对火星保持了极大的兴趣，保持着火星探测的绝对领先地位。大量的探测数据都表明，火星曾存在液态水，很可能适合生命出现和生存。这进一步增加了人类对火星探测的兴趣，也使得火星成为了载人深空探测的首个行星目的地。　　　　太阳系其他天体的探测　　限于当前的技术水平，对于距离地球遥远的太阳、巨行星和柯伊伯带天体，进行近距离的探测较为困难。目前，针对这些天体进行的深空探测活动还比较少。　　太阳探测活动对研究人类生存环境具有重大的意义，而深空太阳探测可以得到地面、近地观测难以获得的信息。深空太阳探测主要分为两类，一类为在环绕太阳轨道进行的探测，另一类为在日地拉格朗日点进行的探测。截止2015年7月为止，环绕太阳的探测任务共10次，在日地拉格朗日点进行的太阳探测共5次。　　巨行星通常由气体或冰等低沸点的物质构成，体积都较大，包括气态巨行星和冰巨星。太阳系内的巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。这些巨行星距离地球较远，探测难度较大，目前仅有美国探测过这些行星。最近的研究表明木星和土星的卫星具有生命存在的可能性，未来对于这些卫星的探测将成为寻找地外生命重要的组成部分。　　柯伊伯带位于海王星轨道外，充满了大大小小的冰冻天体。这些冰冻天体保留了太阳系形成初期的物质形态，其探测任务有助于认识太阳系的起源。目前，只有“新视野”完成了冥王星系统的探测，其还将于2017－2020年进行其他1～2个柯伊伯带天体的探测。探测柯伊伯带天体不仅需要很高的发射速度，还需要克服寒冷和黑暗带来的诸多问题，并且短时间内任务的回报比较低。因此，现在各航天国家还没有设立相关的探测计划。　　2. 未来深空探测未来发展态势及展望　　综上所述，目前深空探测的重点主要集中在月球、火星和小天体上。在未来20年，该趋势仍将保持不变，任务类型趋于多样化并向载人探测方面发展。美、欧、俄、日、中、印等国针对这些重点探测目标都制定了探测计划。

未来深空探测计划　　月球探测进入新的发展阶段，竞争日趋激烈　　月球可以作为深空探测的“中转站”和空间技术的试验点，并且富含水冰及各类矿物资源，特别是月球极区等高价值探测区域。因此，技术成熟的航天大国仍将月球探测作为其深空探测的重点项目之一，纷纷提出建立月球基地的构想。另一方面，月球作为深空探测的起步点，是实现深空探测突破的第一步，目前很多新兴航天国家和机构也都将月球探测列为未来探测的重点。　　美国作为唯一完成载人登月的国家，于2004年提出了“重返月球”计划，旨在建立月球基地，并以此为跳板实现载人火星探测。2010年，由于经费问题该计划被取消。然而，美国方面并未完全放弃月球探测。NASA在2014年发布了“月球货运和软着陆”倡议，旨在寻求与私营公司合作将有效载荷送上月面。目前，月球快车公司的MX－1着陆器已完成了有关地面试验，预计将于2017年发射。商业途径将是未来深空探测的另一项发展趋势。　　俄罗斯在冷战时期实现了月球的首次探测和无人采样返回等任务，在月球探测上取得过辉煌的成绩。21世纪初，俄罗斯公布的太空探索计划中，仍将月球探测放在了首位，提出了“月球-水珠”、“月球-土壤”等一系列任务。尽管近期俄罗斯的深空探测任务由于多种原因被反复延期，但俄罗斯方面始终坚定的将月球探测作为重点，并提出将于2030年实现载人月球探测。　　中国是第3个实现月球软着陆和巡视任务的国家，共实施过4次月球探测，下一步将实施采样返回任务。未来10年内，中国的深空探测重点将仍然在月球探测上，这将有利于未来月球资源的开发利用和火星探测任务的技术试验准备。

月球基地构想图　　ESA在21世纪初发布了“曙光”空间探索计划，提出将月球作为火星载人探测的前哨基地。2015年5月，ESA下任局长宣称最早将于2024年在月球暗面建立月球基地，目前正在研发月球软着陆技术。日本在2005年公布的空间探索规划中就指出，将重点开展月球探测和月球资源利用，通过软着陆—采样返回—载人登月3个阶段实施月球探测计划。2015年3月，日本宣布将于2018年执行月球软着陆任务“SLIM”，旨在实现百米级的精确软着陆。印度也计划将在2017年进行第二次月球探测，韩国提出在2020年发射月球轨道器和着陆器。　　　　火星探测仍是行星探测的首选目标　　　　作为太阳系内结构和环境最接近地球的行星，火星始终是最受关注的行星探测目标。21世纪以来多个国家提出了火星载人探测任务，意欲将人类的活动疆域扩展至火星。　　美国在21世纪初就提出了覆盖太阳系主要天体、长远目标实现载人火星探测的中长期规划。美国的载人火星探测任务，将首先执行机器人先驱任务，并完成火星采样返回任务；然后，结合月球或载人小行星探测任务完成载人火星探测的空间技术验证；最后，实现火星的载人探测任务。在最终完成载人火星探测前，小行星探测等众多任务都包含了为载人火星探测做技术准备的意义。目前，美国计划最早发射的火星探测任务为2016年发射的“洞察”火星着陆器。

“洞察”火星着陆器　　欧洲在2004年发布了“曙光”计划，提出在21世纪30年代中期实现载人火星探测的长期目标。计划的核心为火星探测，并将通过建立月球前哨基地进行载人火星任务的技术开发和验证，最终实现载人火星探测。目前，ESA已与俄罗斯正式签署协议共同实施2016年和2018年的“火星生物学”（ExoMars）任务。　　俄罗斯除了参与欧洲的“火星生物学”项目之外，还计划于2025年再次实施“火卫一-土壤”火卫一采样返回任务。日本在2015年6月宣布将于2021年向火星卫星发射采样探测器，实现火星卫星的首次采样返回。印度则计划于2018年实施第二次火星探测任务。另外，新兴航天国家也将目光锁定在了火星探测，阿联酋计划于2020年实施火星探测任务“希望”，韩国则提出2026年和2030年发射火星轨道器和着陆器。　　　　小天体探测更具灵活性，是空间探测的重要目标　　小天体探测不仅具有空间资源利用和探测太阳系起源的意义，还是火星载人探测技术试验的关键阶段之一。另外，小天体对地球存在潜在碰撞威胁也引起了巨大的关注。目前，美国和日本都制定了明确的小行星探测计划，其他航天国家则也表示了实施小行星探测的意愿。　　美国计划在2025年前实施3次小行星探测任务，分别为2016年的小行星采样返回任务“源光谱释义资源安全风化层辨认探测器”（OSIRIS-Rex），2020年与ESA合作实施的“小行星撞击与偏转评估任务”（AIDA），以及2020-2021年发射的“小行星重定向飞行器”（ARV）。其中，“小行星重定向飞行器”将负责捕获小行星的一块巨石，并将其拖至月球轨道。这一创新性任务方式不仅可以验证小行星偏转等一系列技术，还为小行星资源利用与开发提供了一条新的道路。

“小行星重定向飞行器”捕获巨石示意图　　日本通过小行星采样探测，走出了独特的深空探测之路，并取得了巨大的成功。未来，日本将继续发展小行星采样探测，使日本空间科学研究和空间探测技术得到进一步的发展。2014年，日本成功发射了隼鸟－2小行星探测器，目标是对1999JU3小行星进行采样返回任务，目前该任务仍在飞行途中。　　其他国家方面，俄罗斯对小行星Apophis的探测计划尚在定义阶段，韩国方面则宣称将于2032年发射小行星采样返回探测器，印度方面也表示将适时开展小行星探测。　　太阳系其他天体探测逐步扩展　　在锁定上述三类重点探测目标的同时，各国也分别给出了其他天体的探测计划。类地行星探测方面，欧洲与日本将在2016年合作发射“贝皮-哥伦布”水星探测器；俄罗斯也计划在2024年后发射金星－D复合探测器。在巨行星探测方面，美、欧在近期都将目标锁定在了木星系统上，NASA计划于2020年发射探测器飞往木卫二，ESA则计划于2022年发射“木星冰卫星探测器”。太阳探测方面，美国计划于2018年前发射“太阳探测器+”，这将是首个进入太阳日冕的飞行器；欧洲计划2017年发射“太阳轨道器”，俄罗斯则计划2022年前发射“近太阳探测器”。这些近距离太阳观测任务将研究太阳黑子、日冕、太阳风以及太阳磁场等。　　　　3. 总结与启示　　1）探测目的地集中在月球、火星和小行星。21世纪以来，人类经过广泛的空间探索后，将近期的探测目的地重点锁定在了月球、火星和小行星上。其中，月球和小行星便于进行探索和资源利用，同时也是进行深空技术试验的绝佳场所；火星则是生命可能存在的地外行星，具有科学探索的巨大吸引力，同时也是载人地外行星活动的重要目的地。　　2）探测方式趋于复杂化和组合化。深空探测经历了飞越、撞击、环绕、软着陆、巡视和采样返回等多个阶段，任务方式有着不断复杂化和组合化的趋势。在锁定月球、火星等已探索目标的基础上，该趋势将进一步加深。未来的探测将集中于小行星和火星的采样返回任务、月球基地的建设、以及载人小行星和火星探测任务等复杂任务。并且火星采样等任务将采取多次发射，共同完成的组合方式进行。　　3）深空探测应长远规划、超前部署、提前攻关。从世界各国的规划可以看出，目前的多个计划（小行星载人探测，无人采样，月球基地等）都与未来载人火星探测有着密切的关系。这是由于载人火星探测的技术涉及范围广、技术难度高，必须在任务实施很早之前就开展技术开发与验证工作。为了实施载人火星探测，各国早在21世纪初就开始了各项筹备工作。该现象同样适用于其他未来深空探测任务，因此深空探测应尽早进行长期规划，提前梳理关键技术，加强技术储备。　　上文选自《国际太空》，如需详情请查阅该期刊。

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