郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

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《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報(bào)告分析

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

2015年10月8日，美國(guó)航空航天局（NASA）公開發(fā)布了《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱《火星之旅》報(bào)告），全文35頁(yè)，概要介紹了美國(guó)分3個(gè)階段實(shí)施載人火星探索系列任務(wù)的規(guī)劃，重申將在21世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)載人登陸火星的終極目標(biāo)。NASA規(guī)劃載人火星探索活動(dòng)已有數(shù)十年時(shí)間，此番報(bào)告的發(fā)布是最新舉措，意在向公眾和國(guó)際社會(huì)“傳達(dá)其探索策略并分享進(jìn)展”。

1　報(bào)告出臺(tái)背景

美國(guó)始終將火星作為載人航天的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)

美國(guó)開展載人航天活動(dòng)已超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，載人火星探索的愿景最早可追溯至1969年“阿波羅”（Apollo）首次載人登月前后，時(shí)任美國(guó)副總統(tǒng)阿格紐領(lǐng)導(dǎo)的太空專題研究組向政府提交了一份有關(guān)“阿波羅”計(jì)劃后續(xù)發(fā)展方向的報(bào)告，其中提到了實(shí)施火星任務(wù)、建設(shè)空間站等目標(biāo)。自此之后，所有有關(guān)載人航天發(fā)展戰(zhàn)略研究的工作組或顧問組，都將火星視為美國(guó)載人航天的終極目標(biāo)。

2003年“哥倫比亞”（Columbia）航天飛機(jī)出現(xiàn)重大事故后，為恢復(fù)美國(guó)民眾對(duì)空間探索計(jì)劃的支持熱度，也為了自己競(jìng)選連任，小布什總統(tǒng)于2004年提出“太空探索新構(gòu)想”戰(zhàn)略，宣布美國(guó)人將在2020年前重返月球，即“星座”計(jì)劃，并為載人探索火星和其他目的地作準(zhǔn)備。

奧巴馬總統(tǒng)上任后，面對(duì)嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)壓力和巨額財(cái)政赤字，組建奧古斯丁委員會(huì)對(duì)正在進(jìn)行的載人航天計(jì)劃進(jìn)行全面審查。根據(jù)審查結(jié)果，奧巴馬總統(tǒng)于2010年2月宣布取消已進(jìn)入工程研制階段的“星座”計(jì)劃，并借此提出“21世紀(jì)太空探索”新戰(zhàn)略，目標(biāo)是進(jìn)行“月球以遠(yuǎn)”的載人空間探索，提出于21世紀(jì)30年代中期實(shí)現(xiàn)載人火星軌道飛行，之后實(shí)施載人火星登陸。同年，美國(guó)又發(fā)布了新版《美國(guó)國(guó)家空間政策》，將奧巴馬太空探索新政內(nèi)容作為一項(xiàng)民用航天指導(dǎo)方針確定下來(lái)。此后，對(duì)于載人火星探索的過(guò)渡目標(biāo)，美國(guó)一直采取了多目的地探索策略，以火星為終極目標(biāo)，將月球、近地小行星、拉格朗日點(diǎn)等目標(biāo)作為備選目標(biāo)，注重發(fā)展技術(shù)能力，以期在目標(biāo)確定之時(shí)具備相應(yīng)工程能力。

《火星之旅》報(bào)告則是直接響應(yīng)了2010版《美國(guó)國(guó)家空間政策》的指示，近年也得到了美國(guó)國(guó)會(huì)授權(quán)法案的支持?！?010財(cái)年NASA授權(quán)法案》首次正式將“實(shí)施載人火星探索”定為美國(guó)載人航天計(jì)劃的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)；《2014財(cái)年NASA授權(quán)法案》重申了這一承諾，并確認(rèn)，載人火星探索是NASA的首要使命。

測(cè)試中的美國(guó)“洞察”火星著陸器

重視能力建設(shè)，連續(xù)出臺(tái)頂層技術(shù)規(guī)劃

美國(guó)空間探索規(guī)劃當(dāng)前集中了能實(shí)現(xiàn)多目的地探索的能力驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略。為確保載人航天持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，美國(guó)開展了技術(shù)路線的系統(tǒng)研究并制定了技術(shù)投資規(guī)劃，形成了清晰的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)體系。2010-2015年，美國(guó)連續(xù)出臺(tái)了《NASA空間技術(shù)路線圖草案》、《NASA空間技術(shù)路線圖與優(yōu)先級(jí)》、《NASA空間技術(shù)戰(zhàn)略投資規(guī)劃》以及2015版《NASA技術(shù)路線圖（草案）》等一系列技術(shù)發(fā)展路線與投資舉措，并于2013年成立了NASA空間技術(shù)任務(wù)部，管理、投資、研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，確定NASA未來(lái)優(yōu)先發(fā)展和重點(diǎn)投資的重大技術(shù)，推動(dòng)空間探索技術(shù)的跨越式發(fā)展。

無(wú)人火星探測(cè)成就奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)

美國(guó)是全球唯一一個(gè)全面掌握火星掠飛、環(huán)繞、著陸和巡視勘察技術(shù)的國(guó)家，取得火星探測(cè)史上多個(gè)“第一”，在火星探測(cè)領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先地位。7個(gè)軌道器成功入軌并長(zhǎng)期工作，3個(gè)著陸器和4臺(tái)火星車登陸火星，為后續(xù)載人火星探索奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。2015年9月28日，NASA公布火星表面存在液態(tài)水活動(dòng)的強(qiáng)有力證據(jù)，將全世界目光聚焦到火星上。未來(lái)幾年，美國(guó)將繼續(xù)開展深入的火星探測(cè)任務(wù)，包括2018年發(fā)射“洞察”（InSight）火星鉆巖著陸器和2020年發(fā)射新型火星車等。

2　報(bào)告主要內(nèi)容

《火星之旅》報(bào)告分六部分，回答了“為什么要探索火星”的問題，給出了未來(lái)若干年的探索目標(biāo)和戰(zhàn)略方針，提出了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)想，重點(diǎn)介紹了NASA以火星探索為中心，在技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)研制方面已經(jīng)取得的最新進(jìn)展，并總結(jié)了火星探索面臨的挑戰(zhàn)。

探索火星的目的和目標(biāo)

（1）探索目的

火星科學(xué)價(jià)值極高，其形成和演變的過(guò)程和地球相似，可幫助人類了解更多關(guān)于地球歷史和未來(lái)的信息。NASA認(rèn)為，對(duì)火星進(jìn)行探索可以回答一系列問題：①地球以外是否曾出現(xiàn)過(guò)生命？②火星未來(lái)能否成為人類移居的家園？③火星能否提供宇宙其他地方存在生命或者地球上生命如何起源的信息？④火星是否能夠告訴我們有關(guān)地球的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的信息？

（2）探索目標(biāo)

NASA致力于領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)和全球火星探索活動(dòng)，旨在向太陽(yáng)系深處和火星表面拓展人類足跡，采用人類和機(jī)器人聯(lián)合探測(cè)的方式填補(bǔ)知識(shí)缺口，并探尋可能存在的地外生命。在此過(guò)程中，依靠日益增多的國(guó)際和商業(yè)合作伙伴實(shí)現(xiàn)目標(biāo)并獲得經(jīng)濟(jì)效益，鞏固美國(guó)在地球上和太空中的領(lǐng)導(dǎo)地位。

探索途徑指導(dǎo)方針和特點(diǎn)

針對(duì)載人火星探索途徑，NASA制定了一組指導(dǎo)性方針，為可持續(xù)、可負(fù)擔(dān)的載人航天計(jì)劃提供全局指導(dǎo)，以確保NASA的投入有效且高效。這些方針可歸納為：

1）近期適應(yīng)當(dāng)前預(yù)算額度，中、遠(yuǎn)期考慮國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)潛力；

2）探索與科學(xué)互相促進(jìn)；

3）近期任務(wù)應(yīng)用高成熟度技術(shù)，同時(shí)持續(xù)投資突破性技術(shù)；

4）采取聯(lián)合探測(cè)方式，協(xié)調(diào)開展載人任務(wù)和機(jī)器人任務(wù)；

5）推動(dòng)美國(guó)相關(guān)企業(yè)廣泛參與，進(jìn)一步提升工業(yè)基礎(chǔ)；

6）形成彈性體系結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)調(diào)多用途、牽引性、可演進(jìn)；

7）密切新型國(guó)際和商業(yè)合作伙伴關(guān)系，充分利用當(dāng)前“國(guó)際空間站”的合作伙伴關(guān)系，并構(gòu)建新型商業(yè)協(xié)作性探索機(jī)制。

在該報(bào)告中，NASA提出了逐步發(fā)展的“彈性”探索途徑，該路徑具有如下特點(diǎn)。

1）后勤需求最小化：盡量減少所需系統(tǒng)數(shù)量，使用原位資源進(jìn)行維護(hù)，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自給自足；

2）模塊化：即硬件標(biāo)準(zhǔn)化及對(duì)復(fù)雜分系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單接口；

3）通用性：開發(fā)可在多個(gè)目的地服務(wù)多種用途的系統(tǒng)；

4）可擴(kuò)展性：研制具有應(yīng)用強(qiáng)化路徑的初始硬件；

5）可負(fù)擔(dān)性：針對(duì)全系列任務(wù)而非單一任務(wù)優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)，最大程度降低開發(fā)成本。

“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)想

NASA力圖整合全局資源，并與眾多伙伴合作從當(dāng)前的“依賴地球”型載人航天計(jì)劃起步，經(jīng)由地月空間“試驗(yàn)場(chǎng)”，發(fā)展出“擺脫地球”的深空能力。NASA遵循以下增量式步驟，發(fā)展并驗(yàn)證相關(guān)能力。

1）“依賴地球”階段：主要指“國(guó)際空間站”上的研究活動(dòng)，試驗(yàn)技術(shù)并推進(jìn)人體健康和績(jī)效研究，為將來(lái)長(zhǎng)時(shí)間深空探測(cè)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

2）“試驗(yàn)場(chǎng)”階段：NASA將嘗試在深空環(huán)境（主要是地月空間）中進(jìn)行復(fù)雜任務(wù)，但將其復(fù)雜程度限定為“乘組可在數(shù)天內(nèi)返回地球”，借此提升并驗(yàn)證人類在距離母星地球非常遙遠(yuǎn)的深空中生活、工作所必需的能力。

3）“擺脫地球”階段：建立在“國(guó)際空間站”和深空探索既得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使前往火星附近（低火星軌道或火星其中一顆衛(wèi)星）的載人任務(wù)成為可能，并最終實(shí)現(xiàn)載人登陸火星。登上火星后，不僅是到訪，還要長(zhǎng)期駐留。

面臨的挑戰(zhàn)

在深空中生活和工作的技術(shù)和運(yùn)行挑戰(zhàn)可分為三類：“運(yùn)輸”，高效、安全、可靠地將人類乘員和貨物送入空間，并在其中航行；“在太空中工作”，實(shí)現(xiàn)乘員和機(jī)器人系統(tǒng)的生產(chǎn)性作業(yè)；“保持健康”，可為人類提供安全、健康和可持續(xù)探索環(huán)境的居住系統(tǒng)?？朔@三類障礙是長(zhǎng)達(dá)1000天的載人火星任務(wù)和延續(xù)數(shù)十年的空間探索系列任務(wù)面臨的首要挑戰(zhàn)。

NASA載人火星探索“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)想

3　報(bào)告的幾點(diǎn)分析

從報(bào)告提供的關(guān)鍵信息上看，與NASA以往不同時(shí)期公布的載人火星探索“規(guī)劃”別無(wú)二致，既沒有給出具體的任務(wù)時(shí)間表，也沒有給出整個(gè)計(jì)劃的大概預(yù)算。因此，如NASA所說(shuō)，該報(bào)告僅為傳達(dá)其探索策略，并分享進(jìn)展。

時(shí)逢美國(guó)聯(lián)邦政府新財(cái)年，有爭(zhēng)取政府經(jīng)費(fèi)支持之意

雖然美國(guó)政府和國(guó)會(huì)都支持載人火星探索，但在預(yù)算和撥款上微乎其微，載人火星計(jì)劃也沒有立項(xiàng)和給予專項(xiàng)撥款。經(jīng)費(fèi)問題成為制約載人火星計(jì)劃的最大瓶頸。每年10月1日是美國(guó)聯(lián)邦政府新財(cái)年的開始，因此，NASA多選擇在這一時(shí)間發(fā)布規(guī)劃和重大發(fā)現(xiàn)，有爭(zhēng)取經(jīng)費(fèi)之意。NASA先是在2015年9月底高調(diào)宣布火星表面存在液態(tài)水活動(dòng)的證據(jù)，又分批公布了“阿波羅”探月期間的大量高清照片；10月7日，NASA副局長(zhǎng)羅伯特·萊特福特在美國(guó)國(guó)會(huì)山午餐會(huì)上聲稱，NASA可以在不增加當(dāng)前預(yù)算的情況下完成載人火星探索。緊接著在10月8日，NASA發(fā)布了《火星之旅》報(bào)告。NASA選擇這一時(shí)機(jī)發(fā)布報(bào)告和NASA高層上下奔走的原因無(wú)非是繼續(xù)宣傳和游說(shuō)，為載人火星探索工程立項(xiàng)作努力。

載人火星探索挑戰(zhàn)巨大，技術(shù)突破和國(guó)際合作必不可少

一旦著手實(shí)施載人火星探索，就意味著開始了人類歷史上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、距離最遠(yuǎn)、規(guī)模最大的航天活動(dòng)。載人火星探索除必須有國(guó)家級(jí)持續(xù)投入的保障外，技術(shù)和合作伙伴關(guān)系也都是關(guān)鍵要素?；鹦翘剿魉柰顿Y之巨大，非一國(guó)所能獨(dú)立承擔(dān)。因此，開展國(guó)際合作是未來(lái)載人深空探索，尤其是載人火星探索的必然途徑。《火星之旅》報(bào)告中也屢次提到國(guó)際合作伙伴關(guān)系的重要性。2011年9月，NASA牽頭，美、俄、歐、日等12個(gè)國(guó)家或組織共同發(fā)布了《全球探索路線圖》，并于2013年8月更新，亦將火星作為各國(guó)一致的長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。不過(guò)，未來(lái)載人空間探索雖以國(guó)際合作為主，但仍由美國(guó)主導(dǎo)，《全球探索路線圖》也是按照美國(guó)的意圖制定，其他國(guó)家參與開發(fā)所需的系統(tǒng)和技術(shù)。

瞄準(zhǔn)火星探索，NASA持續(xù)推進(jìn)相關(guān)系統(tǒng)研制和技術(shù)開發(fā)

美國(guó)是大型在軌載人航天器“國(guó)際空間站”的主要合作伙伴，近年逐步將近地軌道運(yùn)輸服務(wù)轉(zhuǎn)交給商業(yè)公司，NASA自身則瞄準(zhǔn)近地軌道以遠(yuǎn)探索能力，發(fā)展相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)。美國(guó)正在研制的新型載人航天器和重型運(yùn)載火箭，發(fā)展完備后可到達(dá)深空多個(gè)目的地，實(shí)現(xiàn)美國(guó)目前采取的多目的地探索策略。在載人火星探索所需的關(guān)鍵技術(shù)方面，美國(guó)也在通過(guò)技術(shù)投資規(guī)劃、創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)計(jì)劃等并行開發(fā)、試驗(yàn)、驗(yàn)證和應(yīng)用。雖然美國(guó)還沒有確定載人火星探索的具體時(shí)間表，但就目前形勢(shì)而言，各系統(tǒng)和技術(shù)進(jìn)展良好，已為載人火星探索奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

美國(guó)國(guó)內(nèi)反應(yīng)平平，規(guī)劃落實(shí)受多方掣肘

雖然NASA公布的載人火星探索規(guī)劃雄心勃勃，但美國(guó)國(guó)會(huì)對(duì)該報(bào)告提出批評(píng)。同樣，該報(bào)告及NASA最近的一系列舉措也沒有引起美國(guó)公眾的強(qiáng)烈反響。

NASA局長(zhǎng)查爾斯·博爾登屢次在公開場(chǎng)合高調(diào)宣傳載人火星探索。2015年10月28日，博爾登發(fā)表演講稱，總統(tǒng)換屆已使美國(guó)載人航天發(fā)展多次陷于危局，如果下一任總統(tǒng)再次改變主意，在載人火星探索的問題上有任何遲疑，NASA“必遭毀滅”。

未來(lái)用于載人登火星的美國(guó)“獵戶座”載人飛船示意圖

美國(guó)國(guó)會(huì)則不太理會(huì)NASA的宣傳手段，指出該報(bào)告沒有實(shí)質(zhì)內(nèi)容，敦促NASA制定更詳細(xì)的載人火星探索計(jì)劃，并警告說(shuō)，NASA不顧細(xì)節(jié)的作法會(huì)使整個(gè)計(jì)劃受困，美國(guó)無(wú)法依靠其實(shí)現(xiàn)載人火星任務(wù)。同時(shí)稱，美國(guó)載人火星探索缺乏進(jìn)展是奧巴馬政府之責(zé)，因其總想削減NASA深空計(jì)劃經(jīng)費(fèi)。2015年10月9日，在眾議院舉行的NASA載人深空探索聽證會(huì)上，眾議院科學(xué)委員會(huì)主席拉瑪爾·史密斯批評(píng)NASA的《火星之旅》報(bào)告，稱其“沒有時(shí)間表，沒有預(yù)算，盡是些漂亮的圖片和動(dòng)聽的話，這些是不可能讓我們到達(dá)火星的”。共和黨議員指責(zé)政府預(yù)算案的原因主要是新火箭“空間發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的首次發(fā)射已經(jīng)推遲了1年，而可預(yù)見的還有其與“獵戶座”（Orion）載人飛船的首次組合飛行將再度推遲2年。

似是在回應(yīng)美國(guó)國(guó)會(huì)一直以來(lái)的批評(píng)之聲，奧巴馬總統(tǒng)在2015年國(guó)情咨文演說(shuō)中強(qiáng)調(diào)，“投資空間技術(shù)至關(guān)重要”，并表示美國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是“要駐留在太空中，而不僅僅是到訪”。白宮在2015年10月底發(fā)布新版《美國(guó)創(chuàng)新新戰(zhàn)略》，表示將大力支持空間探索等九大領(lǐng)域；與白宮協(xié)商后，美國(guó)參眾兩院亦在10月底批準(zhǔn)通過(guò)兩黨預(yù)算協(xié)議，決定2016和2017財(cái)年將聯(lián)邦非強(qiáng)制性開支上限提高了800億美元，意味著美國(guó)聯(lián)邦政府各研發(fā)機(jī)構(gòu)的經(jīng)費(fèi)可能會(huì)有不同程度的增加。但這都不應(yīng)引發(fā)盲目樂觀，如NASA局長(zhǎng)所說(shuō)，2016年美國(guó)大選將至，在總統(tǒng)決定政策的聯(lián)邦體制下，新總統(tǒng)的戰(zhàn)略思想才是關(guān)鍵。

Analysis on NASA’s Journey to Mars—Pioneering Next Steps in Space Exploration NASA