崔平遠(yuǎn)

【摘要】深空探測是人類探索宇宙奧秘、開發(fā)天體資源、拓展空間疆域、實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，是當(dāng)今世界高新科技領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性和帶動(dòng)性的重大活動(dòng)，已成為21世紀(jì)航天大國和空間組織進(jìn)行空間拓展與科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。作為深空探測的熱點(diǎn)目標(biāo)，月球、火星、小天體分別承載了不同的探測功能，美國、俄羅斯、歐空局等航天大國和組織對(duì)這些目標(biāo)開展了相關(guān)探測活動(dòng)，并有一系列的深空探測規(guī)劃。隨著各種高精尖科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國將不斷加快向更遠(yuǎn)深空邁進(jìn)的步伐，從發(fā)展進(jìn)入深空能力，到探索資源利用能力，再到拓展深空能力，為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”目標(biāo)和人類文明進(jìn)步做出重大貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】深空探測 月球探測 火星探測 小天體探測

【中圖分類號(hào)】V11 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.002

遨游宇宙、探索深空是人類一直以來的美好愿景。1957年世界第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射，為人類揭開了開拓外層空間的新篇章。隨后，深空探測逐漸成為人類重要的航天活動(dòng)領(lǐng)域。人類通過對(duì)地球以外其他星體的探測，了解行星的起源和演化規(guī)律，探索和揭示生命的由來及其在宇宙中的進(jìn)化，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球環(huán)境的形成和演變，并為開發(fā)空間資源、保護(hù)地球免受其他小天體危害開辟新的途徑。深空探測對(duì)人類的持續(xù)生存和不斷向地球以外的空間拓展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，深空探測無論在深度還是廣度上都取得了巨大的成就，而推動(dòng)深空探測發(fā)展的原動(dòng)力則是科學(xué)探索與技術(shù)進(jìn)步。技術(shù)發(fā)展是人類破解科學(xué)難題的手段和工具，而距離遙遠(yuǎn)是實(shí)施深空探測任務(wù)所面臨的首要技術(shù)難題。該難題主要表現(xiàn)為：長時(shí)間飛行的能源動(dòng)力問題、遠(yuǎn)距離飛行的測控通信問題、深空飛行的精確導(dǎo)航與控制問題以及對(duì)深空環(huán)境的適應(yīng)性問題等。正是這些問題的出現(xiàn)，才促進(jìn)了利用核裂變產(chǎn)生的能量為探測器提供能源的空間核電源技術(shù)、通過電場力將帶電離子加速噴出形成反作用推力的離子推進(jìn)技術(shù)，以及高頻段測控通信技術(shù)、光通信技術(shù)和深空自主導(dǎo)航與控制等技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，也促進(jìn)了利用太陽光壓作為動(dòng)力的太陽帆等新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)。

人類已經(jīng)渡過了深空探測的初級(jí)階段，正在向中級(jí)階段邁進(jìn)。未來的深空探測活動(dòng)將不僅僅局限于作為人類認(rèn)識(shí)宇宙、了解自然規(guī)律的一種方式，還將成為人類保護(hù)地球、進(jìn)入宇宙、拓展生存空間的一種手段，也將是人類進(jìn)行空間資源開發(fā)與利用、空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。進(jìn)入21世紀(jì)，美國、俄羅斯、歐空局等航天大國和組織相繼制定了20年甚至更長遠(yuǎn)的深空探測規(guī)劃。這些規(guī)劃表明，月球、火星和小行星仍將是未來深空探測的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，但其探測的內(nèi)涵和深度較前期的探測活動(dòng)將有明顯的提升。

月球探測——深空探測的“中轉(zhuǎn)站”

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的天體。它一直是人類觀察研究的對(duì)象，是人類開展深空探測的首選目標(biāo)。月球可以作為深空探測的“中轉(zhuǎn)站”和空間技術(shù)的試驗(yàn)點(diǎn)，富含水冰及各類礦物資源，尤其是月球極區(qū)具有更高的探測價(jià)值。因此，技術(shù)成熟的航天大國仍將月球探測作為其深空探測的重要任務(wù)之一，紛紛提出建立月球科研站或基地的構(gòu)想。同時(shí)，月球作為深空探測的起點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)深空探測突破的首選目標(biāo)，目前很多新興航天國家和機(jī)構(gòu)都將月球探測列為首次深空探測活動(dòng)的重點(diǎn)。

自1959年至今，月球探測經(jīng)歷三個(gè)主要時(shí)期：初始探月高潮期（1959～1976）、冷戰(zhàn)結(jié)束寧靜期（1976～1994）、重返月球研發(fā)期（1994至21世紀(jì)前30年）。21世紀(jì)月球探測的戰(zhàn)略目標(biāo)是建設(shè)月球科研站或基地，開發(fā)利用月球資源、能源與環(huán)境，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。在“克萊門汀”和“月球勘測者”之后，歐洲的SMART—1計(jì)劃、日本的“月球—A”和“月神”計(jì)劃以及印度的月球探測計(jì)劃相繼實(shí)施。它們均以月球資源探測為主要目標(biāo)，旨在為未來月球資源開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)?？v觀世界各國21世紀(jì)月球探測計(jì)劃，與初期的月球探測相比，重返月球、建立月球科研站或基地的目標(biāo)更明確，規(guī)模更宏大，參與國家更多。

美國于2004年提出了“重返月球”計(jì)劃，旨在建立月球基地，并以此為中轉(zhuǎn)站實(shí)現(xiàn)載人火星探測。牽牛星（Altair）號(hào)月球著陸器是美國國家航空航天局（NASA）星座計(jì)劃的關(guān)鍵組成部分，該計(jì)劃結(jié)合了航天器、運(yùn)載火箭以及實(shí)現(xiàn)重返月球和太陽系其他目標(biāo)天體的探測任務(wù)。①牽牛星號(hào)月球著陸器原計(jì)劃在2020年前運(yùn)送宇航員和相關(guān)物資至月球表面，但在2010年由于經(jīng)費(fèi)問題該計(jì)劃被取消。然而，美國方面并未完全放棄月球探測。NASA在2014年發(fā)布了“月球貨運(yùn)和軟著陸”倡議，旨在尋求與私營公司合作將有效載荷送上月面。目前，美國加利福尼亞州的月球快車公司的MX1著陸器已完成了有關(guān)地面試驗(yàn)，預(yù)計(jì)將于2017年發(fā)射。商業(yè)途徑將是未來深空探測的另一發(fā)展趨勢。

俄羅斯在月球探測上取得過輝煌的成績。21世紀(jì)初，俄羅斯公布的空間探索計(jì)劃中，仍將月球探測放在了首位，提出了“月球—水珠”“月球—土壤”等一系列任務(wù)。②盡管近期俄羅斯的深空探測任務(wù)由于多種原因被反復(fù)延期，但俄羅斯方面始終堅(jiān)定地將月球探測作為重點(diǎn)，并提出將于2030年實(shí)現(xiàn)載人月球探測。

歐空局（ESA）在21世紀(jì)初發(fā)布了“曙光”空間探索計(jì)劃（Aurora Programme），提出將月球作為載人火星探測的前哨基地。③2015年5月，歐空局宣稱最早將于2024年在月球背面建立基地，目前正在研發(fā)月球軟著陸技術(shù)。日本在2005年公布的空間探索規(guī)劃中指出，將重點(diǎn)開展月球探測和月球資源利用，通過軟著陸——采樣返回——載人登月三個(gè)階段實(shí)施月球探測計(jì)劃。2015年3月，日本宣布將于2018年執(zhí)行月球軟著陸任務(wù)“月球探測小型著陸器”（Smart Lander for Investigating Moon， SLIM），旨在實(shí)現(xiàn)百米級(jí)的精確軟著陸。印度也計(jì)劃在2017年進(jìn)行第二次月球探測，韓國則提出在2020年發(fā)射月球軌道器和著陸器。

中國是第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸和巡視任務(wù)的國家。從2007年發(fā)射的“嫦娥一號(hào)”繞月探測，到2010年發(fā)射的“嫦娥二號(hào)”實(shí)現(xiàn)“一探三”，再到2013年發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”月面軟著陸，中國探月工程“繞—落—回”三步走戰(zhàn)略④前兩步已取得圓滿成功，下一步將在2018年前后實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸與采樣返回任務(wù)，為開展更遠(yuǎn)深空目標(biāo)的探測活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

火星探測——行星探測的首選目標(biāo)

作為太陽系內(nèi)結(jié)構(gòu)和環(huán)境最接近地球的行星，火星始終是最受關(guān)注的行星探測目標(biāo)。從上世紀(jì)60年代開始，人類拉開了對(duì)火星進(jìn)行近距離探測的序幕，探測方式也隨著空間技術(shù)水平的提高，由“飛越、繞飛”向“著陸、巡游”發(fā)展。其中，具有代表性的火星著陸探測任務(wù)包括美國的“海盜號(hào)”（Viking）、“火星探路者”（MPF）、“勇氣號(hào)”（MER—A）和“機(jī)遇號(hào)”（MER—B）、“鳳凰號(hào)”（Phinex）、“好奇號(hào)”（Curiosity）以及歐空局的“火星快車”（Mars Express）和“獵兔犬2號(hào)”（Beagle 2）等。這其中尤以2011年11月26日發(fā)射升空、2012年8月6日成功著陸火星的“好奇號(hào)”最具代表性?！昂闷嫣?hào)”是美國迄今最大、最昂貴、最先進(jìn)的火星車，對(duì)新一代進(jìn)入制導(dǎo)技術(shù)、導(dǎo)航與軌跡姿態(tài)控制技術(shù)、火星軟著陸技術(shù)等進(jìn)行了驗(yàn)證，⑤進(jìn)一步推進(jìn)了火星著陸探測技術(shù)的發(fā)展。

21世紀(jì)以來，多個(gè)國家提出了載人火星探測計(jì)劃，意欲將人類的活動(dòng)疆域擴(kuò)展至火星。美國的載人火星探測計(jì)劃，將首先執(zhí)行機(jī)器人先驅(qū)任務(wù)，并完成火星采樣返回，繼而結(jié)合月球或載人小行星探測任務(wù)，完成載人火星探測技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，最后完成火星的載人探測任務(wù)。在實(shí)施載人火星探測前的小行星探測等眾多深空探測任務(wù)均包含有為載人火星探測所做的技術(shù)演練與儲(chǔ)備。

在歐空局的“曙光”計(jì)劃中，提出了在21世紀(jì)30年代中期實(shí)現(xiàn)載人火星探測的長期目標(biāo)。計(jì)劃的核心為火星探測，將通過建立月球前哨基地進(jìn)行載人火星任務(wù)的技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)載人火星探測。歐空局已與俄羅斯正式簽署協(xié)議，共同實(shí)施2016年和2018年的“火星生命探測計(jì)劃”（ExoMars）任務(wù)。然而不幸的是，“ExoMars 2016”火星探測任務(wù)由于在著陸過程中減速推進(jìn)器提前關(guān)閉導(dǎo)致著陸器失速墜毀。⑥

俄羅斯除了參與歐空局的ExoMars項(xiàng)目之外，還計(jì)劃于2025年再次實(shí)施“火衛(wèi)一—土壤”（Phobos—Grunt）火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)。日本在2015年6月宣布將于2021年向火星衛(wèi)星發(fā)射采樣探測器，實(shí)現(xiàn)火星衛(wèi)星的首次采樣返回。印度則計(jì)劃于2018年實(shí)施第二次火星探測任務(wù)。另外，新興航天國家也將目光鎖定在了火星探測，阿聯(lián)酋計(jì)劃于2020年實(shí)施火星探測任務(wù)——“希望號(hào)”（Hope），韓國則提出2026年和2030年發(fā)射火星軌道器和著陸器。

中國擬于2020年前后實(shí)施火星“繞—落—巡”一體化探測任務(wù)，該任務(wù)由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，其中環(huán)繞器將環(huán)火星飛行1個(gè)火星年，火星車將在火星表面運(yùn)行90個(gè)火星日。在此期間，將重點(diǎn)探測火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、土壤特征與水冰分布、表面物質(zhì)組成、大氣電離層及氣候特征以及物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

小天體探測——深空探測的特殊目標(biāo)

小天體探測是研究太陽系形成與演化、生命起源與進(jìn)化，以及抵御外來天體撞擊地球的重要技術(shù)途徑。同時(shí)，也可為試驗(yàn)新型空間技術(shù)，尤其是深空探測技術(shù)提供驗(yàn)證平臺(tái)。隨著航天技術(shù)的發(fā)展和空間科學(xué)研究目標(biāo)的提高，小天體探測由早期的“飛越、環(huán)繞”探測，逐漸發(fā)展到目前的“撞擊、附著與采樣返回”。

美國“近地小行星交會(huì)”（Near Earth Asteroid Rendezvous， NEAR）任務(wù)、日本“隼鳥”（Hayabusa）任務(wù)和歐空局“羅塞塔”（Rosetta）任務(wù)是小天體探測成功的典范。2001年2月，美國NEAR Shoemaker（簡稱NEAR）探測器成功附著于433 Eros小行星表面，成為首個(gè)在小天體表面附著的探測器。NEAR首先對(duì)Eros小行星進(jìn)行了為期一年的環(huán)繞探測，后成功完成了附著拓展任務(wù)。⑦2005年11月，日本Hayabusa探測器自主附著于25143 Itokawa小行星表面，并于2010年6月攜帶收集到的小行星樣本成功返回了地球。Hayabusa任務(wù)對(duì)弱引力環(huán)境下的自主光學(xué)導(dǎo)航與控制技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，首次利用自主導(dǎo)航與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小天體表面附著。⑧該任務(wù)采用了基于光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)和激光雷達(dá)的自主導(dǎo)航方案，并在下降過程中投放人工信標(biāo)，利用導(dǎo)航相機(jī)對(duì)人工信標(biāo)進(jìn)行跟蹤以消除水平方向速度。任務(wù)采用了“接觸—分離”（Touch And Go，TAG）附著方式，在小行星表面短暫附著并采集樣品，然后上升離開。Hayabusa還攜帶了一個(gè)小型跳躍式表面巡視器MINERVA，但釋放時(shí)因速度略超過了逃逸速度而投放失敗。與NEAR不同，Hayabusa采用了懸停方式對(duì)小行星進(jìn)行觀測，然后從懸停位置下降附著在小行星表面。2014年11月，歐空局發(fā)射的Rosetta探測器成功釋放著陸器“菲萊”（Philae），Philae隨后緩慢附著于67P/Churyumov—Gerasimenko彗星表面，首次實(shí)現(xiàn)了彗星表面附著。⑨Philae采用了無控的彈道式下降，以及冷氣推進(jìn)與錨定結(jié)合的固定方式，但由于冷氣推進(jìn)與錨定裝置均發(fā)生故障，著陸器在彗星表面發(fā)生了兩次反彈，最終落入陰影區(qū)域，在電池電量耗盡后無法充電而進(jìn)入休眠狀態(tài)。隨著彗星接近太陽而使光照條件改善，地面站曾于2015年6至7月間斷性地接收到著陸器信號(hào)，但此后再次失去聯(lián)系。

目前，日本和美國正在實(shí)施新的小行星采樣返回任務(wù)。日本“隼鳥2號(hào)”（Hayabusa 2）任務(wù)于2014年12月發(fā)射，對(duì)C類小行星1999 JU3進(jìn)行采樣返回。探測器預(yù)計(jì)2018年6月到達(dá)1999 JU3小行星，進(jìn)行為期一年半的探測活動(dòng)，然后于2019年12月返回，2020年12月到達(dá)地球。美國OSIRIS—REx任務(wù)于2016年9月發(fā)射，將對(duì)Bennu小行星進(jìn)行采樣返回探測，計(jì)劃采集不少于60g樣品。OSIRIS—REx探測器計(jì)劃于2018年到達(dá)Bennu小行星，采集樣品后于2023年返回地球。

此外，美國計(jì)劃在2020年與歐空局合作實(shí)施“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估任務(wù)”（AIDA），并于2020～2021年發(fā)射“小行星重定向飛行器”（ARV）。其中，“小行星重定向飛行器”將負(fù)責(zé)捕獲小行星的一塊巨石，并將其拖至月球軌道。⑩這一創(chuàng)新性任務(wù)方式不僅可以驗(yàn)證小行星偏轉(zhuǎn)等一系列技術(shù)，還為小行星資源利用與開發(fā)提供了新的思路。

我國的“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星在完成月球探測任務(wù)和日地拉格朗日L2點(diǎn)探測任務(wù)后，對(duì)Toutatis小行星進(jìn)行了首次近距離飛越探測，使我國成為第四個(gè)對(duì)小行星開展探測的國家。?我國計(jì)劃在2024年前后開展多任務(wù)小行星探測活動(dòng)，與此同時(shí)，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高等院校也在積極開展聯(lián)合小行星探測的論證工作，以尋求更多的實(shí)施小行星探測的機(jī)會(huì)。

結(jié)束語

浩瀚的宇宙中有著無數(shù)等待人類去探索的秘密，而人類對(duì)于外層空間的探測才剛剛開始。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類認(rèn)知能力的發(fā)展，開展深空探測，進(jìn)入更深、更遠(yuǎn)、更廣闊的太陽系和宇宙空間，將成為人類航天活動(dòng)的重要方面，也是人類探索宇宙奧秘和尋求長久生存發(fā)展的必然選擇。同時(shí)，探索浩瀚宇宙也是當(dāng)今世界高新科技領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的活動(dòng)，開展深空探測對(duì)于推動(dòng)空間技術(shù)、空間科學(xué)、空間應(yīng)用的發(fā)展，帶動(dòng)科技創(chuàng)新，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)進(jìn)步等都具有十分重要的意義。

盡管中國在深空探測領(lǐng)域起步較晚，在諸多方面還是空白，但是相信隨著各種高精尖科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國將不斷加快向更遠(yuǎn)深空邁進(jìn)的步伐：從發(fā)展進(jìn)入深空能力——至2018/2020年實(shí)現(xiàn)人類在月球背面首次著陸巡視以及我國首次火星環(huán)繞、著陸和巡視聯(lián)合探測，到探索資源利用能力——至2030年前后實(shí)現(xiàn)全月面到達(dá)、原位資源開發(fā)利用、火星及小行星取樣返回，再到拓展深遠(yuǎn)空間能力——至2050年建成月球科研站或基地并具有太陽系任意天體可到達(dá)可探索能力。我們要堅(jiān)持走中國特色的深空探測之路，集中全國優(yōu)勢力量，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，重點(diǎn)突破，跨越發(fā)展，支持我國航天強(qiáng)國、科技強(qiáng)國和制造強(qiáng)國建設(shè)。中國的深空探測活動(dòng)將為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興的中國夢、為人類文明進(jìn)步做出重大貢獻(xiàn)。

（博士研究生高艾為本文的撰寫提供了很好的素材，博士研究生徐瑞和于正湜對(duì)本文的修改提出了寶貴建議，對(duì)三位博士的貢獻(xiàn)表示感謝）

注釋

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責(zé) 編∕樊保玲