張軼男，彭兢，鄒樂(lè)洋，徐侃彥

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3.航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司，北京 100094）

引 言

在人類空間探測(cè)的眾多目標(biāo)中，最重要的問(wèn)題之一是回答生命的起源演化和地外天體是否存在生命。為了回答這一問(wèn)題，人類開(kāi)展了大量的深空探測(cè)活動(dòng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止人類已發(fā)射各類深空探測(cè)任務(wù)超過(guò)250次。在這些深空探測(cè)任務(wù)中，有的探測(cè)對(duì)象曾經(jīng)被認(rèn)為可能存在生命，例如月球等；有的探測(cè)對(duì)象至今仍有可能存在生命，如火星、木衛(wèi)二和土衛(wèi)二[1-2]。在針對(duì)這些天體的探測(cè)活動(dòng)中，無(wú)論其任務(wù)目標(biāo)是否包括探測(cè)生命及其相關(guān)物質(zhì)，都應(yīng)采取必要的措施，避免地球上的微生物污染天體，使相關(guān)探測(cè)得到錯(cuò)誤結(jié)果，或影響后續(xù)的生命探測(cè)任務(wù)。與此同時(shí)，自載人登月時(shí)代起，人類就開(kāi)始策劃實(shí)施火星采樣返回等地外天體采樣返回任務(wù)，在實(shí)施這類任務(wù)時(shí)，如何避免從地外天體返回的物質(zhì)危及地球生物圈的安全，也備受關(guān)注。為了避免以上兩種情況，在深空探測(cè)任務(wù)研制和實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)采取措施，避免地球和其他天體之間出現(xiàn)交叉生物污染，這也就是所謂的行星保護(hù)。

1 行星保護(hù)的定義

所謂行星保護(hù)，是指：在開(kāi)展深空探測(cè)時(shí)，應(yīng)避免地球和地外天體間出現(xiàn)交叉生物污染，即地球生命污染其它天體，或從其它天體返回的生命污染地球生物圈。

行星保護(hù)一般包括兩方面要求：

1）正向防護(hù)：保護(hù)被探測(cè)天體的自然狀態(tài)，避免探測(cè)結(jié)果被污染、甚至影響后續(xù)生命探測(cè)活動(dòng)。

2）逆向防護(hù)：避免從地外天體帶回的物質(zhì)污染地球，危及地球生物圈[3]。

2 行星保護(hù)國(guó)際政策

1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星后，1958年國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)理事會(huì)（ICSU）發(fā)起成立了宇宙探測(cè)污染委員會(huì)（CETEX）和空間研究委員會(huì)（COSPAR）等機(jī)構(gòu)。

CETEX提出需要保護(hù)地外生命體，并陳述了4項(xiàng)基本原則：①對(duì)地外生命體探索的自由必須符合行星檢疫要求；②公開(kāi)COSPAR相關(guān)活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)信息；③開(kāi)展實(shí)驗(yàn)需科學(xué)數(shù)據(jù)支持；④不應(yīng)在地球附近天體進(jìn)行核爆。

COSPAR的宗旨是在國(guó)際范圍內(nèi)通過(guò)學(xué)術(shù)交流和組織實(shí)施國(guó)際研究項(xiàng)目，促進(jìn)以衛(wèi)星、飛船、火箭、深空探測(cè)器、高空氣球等為手段的科學(xué)研究。COSPAR有7個(gè)科學(xué)小組，其中第7組為“行星保護(hù)”分委會(huì)，主要在政策和技術(shù)層面提出行星保護(hù)的建議要求。中國(guó)于1993年3月正式加入該組織。

1967年，聯(lián)合國(guó)發(fā)布了《關(guān)于各國(guó)探索和利用包括月球和其他天體在內(nèi)外層空間活動(dòng)的原則條約》（簡(jiǎn)稱《外層空間條約/外太空條約》），該條約1967年1月27日開(kāi)放供簽署，1967年10月10日生效。我國(guó)于1983年簽署該條約，自1983年12月30日起生效?！锻鈱涌臻g條約》第九條中規(guī)定：“各締約國(guó)探索和利用外層空間（包括月球和其他天體），應(yīng)以合作和互助原則為準(zhǔn)則；各締約國(guó)在外層空間（包括月球和其他天體）所進(jìn)行的一切活動(dòng)，應(yīng)妥善照顧其他締約國(guó)的同等利益。各締約國(guó)從事研究、探索外層空間（包括月球和其他天體）時(shí)，應(yīng)避免使其遭受有害的污染，以及地球以外的物質(zhì)，使地球環(huán)境發(fā)生不利的變化”[4]。

在聯(lián)合國(guó)領(lǐng)導(dǎo)下，COSPAR開(kāi)始制定行星保護(hù)的有關(guān)國(guó)際政策。1964年，COSPAR咨詢委員會(huì)以決議的形式出版了行星檢疫要求，即最早的行星保護(hù)政策草案，其中要求：探測(cè)器應(yīng)采用滅菌技術(shù)，將地外天體探測(cè)活動(dòng)中地球生物污染的可能性降低到1×10–4；對(duì)未滅菌的低空飛越或在軌探測(cè)器，污染概率應(yīng)小于3×10–5[5]。1984年，COSPAR針對(duì)不同的探測(cè)對(duì)象和任務(wù)形式，將行星保護(hù)需求劃分為5類，規(guī)定了不同類別任務(wù)的具體要求。此后，COSPAR不斷發(fā)展和完善國(guó)際行星保護(hù)政策，目前每2年更新一次。

2017年12月發(fā)布的最新版COSPAR行星保護(hù)國(guó)際政策，具體規(guī)定如表1～2所示[6]。

表1 行星保護(hù)任務(wù)的類別定義Table 1 Definition of planetary protection categories in COSPAR planetary protection policy

表2 5類任務(wù)的行星保護(hù)任務(wù)政策性要求Table 2 Requirements for five categories in COSPAR planetary protection policy

COSPAR建議：在制定行星保護(hù)需求時(shí)，世界各國(guó)的COSPAR委員們應(yīng)告知COSPAR，并在合理的時(shí)間向 COSPAR提供任務(wù)行星保護(hù)的流程等信息，并在有可能存在污染風(fēng)險(xiǎn)的深空探測(cè)任務(wù)結(jié)束后的1年內(nèi)，再次提供相關(guān)信息。COSPAR將向大眾公布這些報(bào)告，每年向聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)提交報(bào)告記錄。針對(duì)國(guó)際合作深空探測(cè)任務(wù)，建議由牽頭國(guó)組織提交這些報(bào)告。COSPAR制定的國(guó)際行星保護(hù)政策要求，用于指導(dǎo)各國(guó)/地區(qū)航天機(jī)構(gòu)在深空探測(cè)任務(wù)中開(kāi)展行星保護(hù)。

3 國(guó)際行星保護(hù)發(fā)展概況

在深空探測(cè)任務(wù)的研制和執(zhí)行過(guò)程中，美歐等國(guó)航天機(jī)構(gòu)均嚴(yán)格遵守了行星保護(hù)的政策法規(guī)，并建立了各自的行星保護(hù)技術(shù)和管理體系，通過(guò)實(shí)施行星保護(hù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 美國(guó)行星保護(hù)現(xiàn)狀

美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）是目前在行星保護(hù)研究方面最為規(guī)范的航天機(jī)構(gòu)。NASA在成立之初就十分重視行星保護(hù)工作（見(jiàn)圖1），1959年在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）成立了生物學(xué)研究辦公室，后來(lái)發(fā)展為隸屬于NASA總部的行星保護(hù)辦公室，設(shè)立了行星保護(hù)官，專門(mén)負(fù)責(zé)行星保護(hù)技術(shù)研究與規(guī)范制定，審批各項(xiàng)深空探測(cè)任務(wù)的行星保護(hù)計(jì)劃，并對(duì)全周期行星保護(hù)措施的落實(shí)情況進(jìn)行監(jiān)督審查。行星保護(hù)官直接向3個(gè)主管副局長(zhǎng)之一匯報(bào)工作。

圖1 NASA行星保護(hù)管理體系框架Fig.1 Framework of NASA planetary protection management

NASA有明確的行星保護(hù)技術(shù)體系，發(fā)布了《航天器內(nèi)外部生物污染控制》等一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并針對(duì)不同類型的任務(wù)細(xì)化了不同的行星保護(hù)技術(shù)和管理要求，在航天器的飛行軌跡設(shè)計(jì)、單機(jī)設(shè)備研制、總裝與測(cè)試等過(guò)程中，均對(duì)行星保護(hù)措施的落實(shí)情況進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督審查。

1959年美國(guó)在月球探測(cè)“徘徊者”（Ranger）系列任務(wù)中實(shí)施行星保護(hù)；1975年發(fā)射的“海盜號(hào)”（Viking）最為嚴(yán)格，甚至占探測(cè)器的總研制經(jīng)費(fèi)近25%[7]；近年來(lái)執(zhí)行的火星探測(cè)（環(huán)繞/著陸/巡視）、木星和土星探測(cè)等任務(wù)中，均嚴(yán)密策劃、嚴(yán)格執(zhí)行COSPAR和NASA自身的行星保護(hù)政策、法規(guī)和各項(xiàng)管理制度[8-10]。在最新NASA系統(tǒng)工程手冊(cè)中，明確了開(kāi)展行星保護(hù)的基本原則[11]，并要求每個(gè)深空探測(cè)的項(xiàng)目執(zhí)行情況都應(yīng)通過(guò)COSPAR向聯(lián)合國(guó)匯報(bào)。

NASA建立了行星保護(hù)網(wǎng)站，相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)均可以在其行星保護(hù)網(wǎng)站中查到[12]。

3.2 歐洲行星保護(hù)現(xiàn)狀

歐洲空間局（European Space Agency，ESA）有規(guī)范的行星保護(hù)制度[13]。在向ESA局長(zhǎng)匯報(bào)的質(zhì)量/產(chǎn)保部門(mén)中，設(shè)置獨(dú)立的行星保護(hù)辦公室，監(jiān)督ESA各項(xiàng)任務(wù)研制過(guò)程中行星保護(hù)的執(zhí)行情況。ESA規(guī)定：在每個(gè)深空探測(cè)任務(wù)頂層需求中必須明確行星保護(hù)具體需求，并在研制/出廠總結(jié)中報(bào)告研制情況；每個(gè)項(xiàng)目應(yīng)設(shè)置行星保護(hù)負(fù)責(zé)人，直接向項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)。

ESA在開(kāi)展火星探測(cè)的過(guò)程中，十分重視行星保護(hù)工作。無(wú)論是“火星快車(chē)”（Mars Express）/“獵兔犬2號(hào)”（Beagle 2）[14]、還是2016年發(fā)射的“火星生物學(xué)”2016（ExoMars2016）任務(wù)中，均對(duì)微生物總量、探測(cè)器撞擊火星概率、探測(cè)器研制和發(fā)射前AIT過(guò)程的微生物檢測(cè)和消殺等提出了嚴(yán)格的要求。其任務(wù)實(shí)施結(jié)果符合COSPAR國(guó)際行星保護(hù)政策的要求。

此外，ESA和NASA共同約定，只和執(zhí)行國(guó)際行星保護(hù)規(guī)定的組織機(jī)構(gòu)開(kāi)展深空探測(cè)合作。ESA的火星、彗星和小行星探測(cè)等任務(wù)均嚴(yán)格按要求實(shí)施行星保護(hù)。

3.3 日本行星保護(hù)現(xiàn)狀

日本的深空探測(cè)始于20世紀(jì)80年代。早在第一個(gè)火星探測(cè)任務(wù)“希望號(hào)”（Nozomi，1998年）任務(wù)中，就開(kāi)始了行星保護(hù)實(shí)踐。在后來(lái)的“隼鳥(niǎo)”小行星采樣返回探測(cè)任務(wù)中，也按照COSPAR的國(guó)際行星保護(hù)政策要求開(kāi)展工作。近年來(lái)，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）組織和參與的深空探測(cè)任務(wù)不斷增多，逐步建立了行星保護(hù)機(jī)制，其框架見(jiàn)圖2。

3.4 俄羅斯行星保護(hù)現(xiàn)狀

蘇聯(lián)/俄羅斯在早期的火星、金星探測(cè)活動(dòng)中，均開(kāi)展了有特色的行星保護(hù)研究工作，但公開(kāi)披露資料較少[7]。俄羅斯近年來(lái)多和ESA合作開(kāi)展深空探測(cè)，如“火星生物學(xué)”2016和2020等火星探測(cè)任務(wù)；其歐洲合作伙伴聲稱：俄方按要求開(kāi)展了行星保護(hù)。

俄航局目前尚無(wú)專門(mén)的行星保護(hù)辦公室等管理機(jī)構(gòu)和管理制度。

3.5 印度行星保護(hù)現(xiàn)狀

印度空間研究機(jī)構(gòu)（Indian Space Research Organisation，ISRO）目前尚無(wú)專門(mén)的行星保護(hù)辦公室等機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的管理制度。

印度已實(shí)施火星環(huán)繞探測(cè)，但國(guó)際上對(duì)其行星保護(hù)執(zhí)行情況了解不多，大多數(shù)歐美行星保護(hù)專家都對(duì)印度的行星保護(hù)現(xiàn)狀存疑。

4 行星保護(hù)技術(shù)分析

行星保護(hù)的目的不是對(duì)地外天體實(shí)施泛環(huán)保主義，而是保護(hù)人類開(kāi)展地外生命探測(cè)的科學(xué)結(jié)果，確?？臻g生命探測(cè)活動(dòng)的有效性；同時(shí)也要包括保護(hù)地球的生態(tài)系統(tǒng)。因此，行星保護(hù)既是深空探測(cè)任務(wù)的內(nèi)在需求，又是確保實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)的必要手段。

行星保護(hù)技術(shù)是基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是在對(duì)地球/地外天體生命科學(xué)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，采取必要、合理的技術(shù)手段，確?？臻g探測(cè)活動(dòng)有序進(jìn)行，從而獲得可靠的科學(xué)探測(cè)成果。

圖2 JAXA行星保護(hù)管理體系框架Fig.2 Framework of JAXA planetary protection management

通過(guò)分析國(guó)外深空探測(cè)行星保護(hù)實(shí)踐的歷史，不難看出，在實(shí)施深空探測(cè)任務(wù)的過(guò)程中，實(shí)施行星保護(hù)的具體技術(shù)手段主要包括：

1）任務(wù)分析和需求確定：依據(jù)行星保護(hù)國(guó)際政策，結(jié)合每個(gè)深空探測(cè)任務(wù)的具體設(shè)計(jì)，如任務(wù)目標(biāo)、飛行軌道、飛行過(guò)程等，確定行星保護(hù)的總需求；并將總需求合理分配到單機(jī)、探測(cè)器系統(tǒng)總體、飛行軌道、飛行程序等各方面，最終確保在一定時(shí)間內(nèi)（如50年）對(duì)特定目標(biāo)天體的污染概率達(dá)到要求。

2）開(kāi)發(fā)適應(yīng)深空探測(cè)任務(wù)研制過(guò)程的微生物檢測(cè)和消殺技術(shù)[15]：基于生物醫(yī)藥和食品工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，識(shí)別研制過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的微生物（例如嗜極微生物）[16-17]，開(kāi)發(fā)或改進(jìn)既能適應(yīng)飛行器材料、又不影響單機(jī)/部組件/系統(tǒng)功能性能的特定微生物檢測(cè)和消殺技術(shù)，例如培養(yǎng)法檢測(cè)技術(shù)和分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)[18-19]，物理消殺技術(shù)和干熱滅菌技術(shù)等[20-21]，形成能夠適應(yīng)多種不同需求的微生物檢測(cè)和消殺技術(shù)體系，滿足不同任務(wù)的行星保護(hù)需求。

3）行星保護(hù)關(guān)鍵單機(jī)研制：包括研制行星保護(hù)專用設(shè)備和關(guān)鍵單機(jī)；例如能將火星進(jìn)入/著陸器整器或關(guān)鍵設(shè)備包裹起來(lái)的生物防護(hù)罩[22]，在AIT和發(fā)射前將凈化后的探測(cè)器整器/部組件/關(guān)鍵單機(jī)/零件保護(hù)起來(lái)，到達(dá)火星軌道或在火星表面軟著陸后再打開(kāi)；針對(duì)探測(cè)地外生命及其相關(guān)物質(zhì)的關(guān)鍵有效載荷或單機(jī)，在研制過(guò)程中應(yīng)設(shè)計(jì)專門(mén)的密封空間或結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)微生物消殺處理，使得關(guān)鍵單機(jī)在交付整器前不被地球生物污染[23]。

4）控制航天器總裝、集成和測(cè)試（Assembly Integration and Test，AIT）過(guò)程控制：在符合要求的單機(jī)交付后，在深空探測(cè)器AIT和發(fā)射前與運(yùn)載火箭的聯(lián)合操作過(guò)程中，應(yīng)在符合微生物控制要求的潔凈環(huán)境中進(jìn)行操作，同時(shí)對(duì)接觸飛行產(chǎn)品的人、工具、操作流程等各方面提出具體的措施，確保經(jīng)過(guò)消殺后的深空探測(cè)器飛行產(chǎn)品在發(fā)射前所攜帶的微生物總量符合預(yù)定的要求[11]。

5）發(fā)射后的飛行控制：針對(duì)具體的任務(wù)形式和飛行軌道，分析不應(yīng)撞擊目標(biāo)天體的飛行器的撞擊概率，合理設(shè)計(jì)飛行軌道，確保在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)撞擊概率小于給定值；對(duì)于可能/必然進(jìn)入火星大氣等目標(biāo)天體大氣的飛行器或部組件，分析完全燒蝕和裂解的可能性，這一過(guò)程可以將外露表面的殘留微生物殺死，但內(nèi)部則不一定；深空探測(cè)器發(fā)射后，所經(jīng)歷的空間環(huán)境和時(shí)間將會(huì)對(duì)其微生物總量產(chǎn)生影響，通過(guò)分析和設(shè)計(jì)，可以選擇適當(dāng)?shù)娘w控措施，降低污染概率[9]。

5 最新進(jìn)展和思考

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類探索地外天體的腳步不斷加快，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始涉足深空探測(cè)。特別是在火星探測(cè)方面，除了20世紀(jì)起就發(fā)射超過(guò)30次火星探測(cè)任務(wù)的美國(guó)和俄羅斯，歐洲和印度也分別發(fā)射了火星探測(cè)器。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年后人類共發(fā)射了12次火星探測(cè)任務(wù)，是新世紀(jì)深空探測(cè)中探測(cè)次數(shù)最多的目標(biāo)。與此同時(shí)，美國(guó)和俄羅斯都提出了火星采樣返回的設(shè)想，歐洲雖然沒(méi)有獨(dú)立的火星采樣返回計(jì)劃，但一直致力于和美國(guó)等國(guó)家開(kāi)展國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)火星采樣返回。除了傳統(tǒng)航天國(guó)家/地區(qū)政府支持的深空探測(cè)任務(wù)，蓬勃發(fā)展的私人商業(yè)航天也開(kāi)始涉足深空探測(cè)，2018年2月，SpaceX公司將一輛特斯拉跑車(chē)送入了穿越火星的軌道，但發(fā)射前并未實(shí)施行星保護(hù)，這甚至在美國(guó)國(guó)內(nèi)引發(fā)了行星保護(hù)專家的質(zhì)疑——目前，美國(guó)只有NASA致力于行星保護(hù)，沒(méi)有針對(duì)商業(yè)航天的行星保護(hù)管理制度和政府機(jī)構(gòu)。

作為深空探測(cè)的熱點(diǎn)目標(biāo)，火星是目前行星保護(hù)重點(diǎn)關(guān)注的主要天體之一。面對(duì)新的形勢(shì)，行星保護(hù)的國(guó)際政策和具體實(shí)施面臨新的挑戰(zhàn)。2016年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（National Academy of Science）的空間研究理事會(huì)（Space Studies Board）組織開(kāi)展了對(duì)國(guó)際和國(guó)內(nèi)行星保護(hù)政策形成過(guò)程和發(fā)展情況的研究，并提出了后續(xù)的措施和建議[24]。同年，歐盟“地平線（Horizon）2020”框架下支持開(kāi)展了“外太陽(yáng)系行星保護(hù)”（Planetary Protection of Outer Solar System）項(xiàng)目研究工作，針對(duì)火星以遠(yuǎn)的木星和土星冰衛(wèi)星中可能存在液態(tài)海洋和生命的木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和土衛(wèi)六等天體探測(cè)的行星保護(hù)開(kāi)展研究。

在當(dāng)前深空探測(cè)領(lǐng)域的新形勢(shì)下，行星保護(hù)方面出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題，例如：如何確保行星保護(hù)政策的要求合理可行，使得科學(xué)需求和工程可實(shí)現(xiàn)性達(dá)到合理的平衡；如何確保對(duì)每個(gè)任務(wù)行星保護(hù)實(shí)施效果的評(píng)價(jià)是客觀的：以NASA為例，行星保護(hù)辦公室既是政策的制定和監(jiān)督者，同時(shí)又是政策的實(shí)施者，其責(zé)任存在矛盾之處；如何確保行星保護(hù)能夠覆蓋正在興起的商業(yè)航天活動(dòng)；目前國(guó)際上每2年甚至更長(zhǎng)時(shí)間修訂一次國(guó)際行星保護(hù)政策，隨著探測(cè)目標(biāo)不斷擴(kuò)大，探測(cè)方式不斷多樣化，如何建立快速響應(yīng)的行星保護(hù)政策形成機(jī)制；隨著探測(cè)能力的增強(qiáng)和科學(xué)認(rèn)知的深化，行星保護(hù)政策正在逐漸放寬，原有的行星保護(hù)中對(duì)保護(hù)的時(shí)間要求設(shè)定是否合理，如何做到與時(shí)俱進(jìn)；如何改變當(dāng)前以美國(guó)為主制定國(guó)際行星保護(hù)政策現(xiàn)狀，促成更多國(guó)家和機(jī)構(gòu)參與，從而確保人類的深空探測(cè)活動(dòng)總體上符合行星保護(hù)的基本原則和要求等等。針對(duì)以上問(wèn)題，如何修訂和完善行星保護(hù)的國(guó)際政策、明確各航天國(guó)家和機(jī)構(gòu)（包括商業(yè)航天企業(yè)）的配套制度和實(shí)施過(guò)程，才能更有效地確保未來(lái)的深空探測(cè)活動(dòng)符合行星保護(hù)的政策要求，從而保護(hù)未來(lái)的科學(xué)成果，這值得每一個(gè)國(guó)家行星保護(hù)責(zé)任機(jī)構(gòu)和相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)一步研究，也值得每一位正在或?qū)⒁铝τ谏羁仗剿鞯墓こ處熒钊胨伎肌?/p>