楊孟飛,鄭燕紅,倪彥碩,黃曉峰,張正峰,邢卓異

1.中國空間技術(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

1 引言

行星探測是人類認(rèn)識宇宙的重要手段,利用空間探測器開展行星探測活動(dòng)幾乎貫穿整個(gè)航天史。在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空不久,第一個(gè)行星探測器就開始了它的探測征程[1],隨著飛越、環(huán)繞、著陸、巡視、采樣返回等多種探測方式的逐步開展,人類實(shí)現(xiàn)了對太陽系八大行星及其衛(wèi)星、小行星、矮行星、彗星等天體的科學(xué)探測,提升了人類對太陽系起源與演化的認(rèn)知。

自20世紀(jì)60年代以來,美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐空局、日本、印度、中國、阿聯(lián)酋等國家和組織先后開展了行星探測活動(dòng),主要航天國家都制定了各自的行星探測路線,按計(jì)劃組織科學(xué)探測活動(dòng)[2-4]。人類在不斷探索太陽、地球、月球奧秘[5-6]的同時(shí),先后實(shí)施了3次水星探測、46次金星探測、48次火星探測、9次木星探測、4次土星探測、1次天王星探測、1次海王星探測,進(jìn)行了2個(gè)矮行星探測,并開展了多次小行星采樣返回任務(wù)。這些探測任務(wù)取得了豐碩的科學(xué)成果,推動(dòng)了航天系統(tǒng)工程的發(fā)展。我國嫦娥二號衛(wèi)星在國際上首次對圖塔蒂斯小行星實(shí)現(xiàn)了近距離光學(xué)探測,天問一號探測器成功通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星“繞、著、巡”,邁出了我國星際探測征程的重要一步。面對新一輪行星探測熱潮,我國應(yīng)加快未來行星探測任務(wù)布局,增強(qiáng)行星探測核心技術(shù)能力,為提升人類對太陽系的認(rèn)知做出積極貢獻(xiàn)。

本文梳理了太陽系內(nèi)行星探測任務(wù)(不包含地球及月球探測)的實(shí)施情況與未來規(guī)劃,總結(jié)了行星探測相關(guān)的主要科學(xué)問題與發(fā)現(xiàn),分析了行星探測活動(dòng)的發(fā)展趨勢,并結(jié)合我國近期規(guī)劃,提出了我國行星探測的未來發(fā)展路線設(shè)想與引領(lǐng)任務(wù)建議,可為我國行星探測未來發(fā)展提供一定的支持。

2 主要探測任務(wù)情況

太陽系內(nèi)的行星是受太陽引力約束、環(huán)繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)、自身不發(fā)光的天體,是天文學(xué)、地質(zhì)科學(xué)、氣象學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)等共同關(guān)注和研究的對象。太陽系內(nèi)行星探測活動(dòng),呈現(xiàn)出由近及遠(yuǎn)、由易到難、由粗到精的特點(diǎn),從任務(wù)發(fā)展歷程來看,可分為技術(shù)帶動(dòng)與科學(xué)帶動(dòng)兩個(gè)階段。技術(shù)帶動(dòng)階段成功率相對較低,主要以突破相關(guān)技術(shù)為目標(biāo);科學(xué)帶動(dòng)階段任務(wù)成功率明顯提高,更加關(guān)注科學(xué)探測成果的綜合獲取。隨著行星探測任務(wù)的不斷開展,行星探測工程技術(shù)得到了長足的發(fā)展,科學(xué)成果日益豐富,具有更高復(fù)雜度與突破性的探測任務(wù)也處于規(guī)劃研制中。

2.1 任務(wù)實(shí)施情況

人類強(qiáng)烈的求知欲推動(dòng)了行星探測的發(fā)展,已先后實(shí)施了約108次(部分任務(wù)探測了多個(gè)目標(biāo)天體)行星空間探測活動(dòng),對太陽系內(nèi)的行星及星際空間進(jìn)行科學(xué)探測,取得了一系列技術(shù)突破。

水星是太陽系中最靠近太陽的行星,是除地球外已知唯一具有活躍磁場的行星。在水星探測方面,自1973年水手10號升空以來,已實(shí)施了3次探測活動(dòng),如圖1所示,實(shí)現(xiàn)了水星飛越與環(huán)繞。水星探測科學(xué)研究主要集中在水星的表面環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及大氣組成等方面[7-8],相比于金星、火星,人類對水星實(shí)施的探測活動(dòng)還較少,認(rèn)識還需深入。

圖1 水星探測典型任務(wù)示意Fig.1 Sketch map of the typical Mercury exploration missions

金星與地球的質(zhì)量、體積都比較接近,但環(huán)境差異巨大,稠密大氣、溫室效應(yīng)、生命元素等使得它成為重要的探測目標(biāo)。在金星探測方面,自1961年斯普特尼克7號以來,已實(shí)施了46次探測活動(dòng),典型任務(wù)如圖2所示,實(shí)現(xiàn)了金星飛越、進(jìn)入、著陸、環(huán)繞探測。金星探測科學(xué)研究主要集中在場、大氣組成與結(jié)構(gòu)、表面環(huán)境及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面[9-10]。金星大氣及表面環(huán)境較為惡劣,最近10年人類未實(shí)施專門的金星探測任務(wù)。

圖2 金星探測典型任務(wù)示意Fig.2 Sketch map of the typical Venus exploration missions

火星距離地球較近,是太陽系內(nèi)自然環(huán)境與地球較為類似的一顆行星,是當(dāng)前人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標(biāo)。在火星探測方面,自1960年火星1960A發(fā)射以來,已實(shí)施了48次探測活動(dòng),典型任務(wù)如圖3所示,實(shí)現(xiàn)了火星飛越、環(huán)繞、著陸、巡視、原位采樣及有動(dòng)力飛行?；鹦翘綔y科學(xué)研究主要集中在火星場、大氣成份與氣候、地質(zhì)與礦物學(xué)、生命跡象、內(nèi)部構(gòu)造及活躍性[11-12],21世紀(jì)以來幾乎每次火星沖日均有探測器飛往火星。

圖3 火星探測典型任務(wù)示意Fig.3 Sketch map of the typical Mars exploration missions

木星是太陽系中最大的一顆行星,是繼月球、火星之后另一個(gè)重要的探測目標(biāo)。在木星探測方面,自1973年先驅(qū)者10號飛越木星以來,已有9次任務(wù)進(jìn)行了木星探測,典型任務(wù)如圖4所示,實(shí)現(xiàn)了飛越、環(huán)繞、大氣進(jìn)入探測。木星探測科學(xué)研究主要集中在木星場、大氣成份、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及木星衛(wèi)星等方面[13],木星與各具特色的衛(wèi)星使得多目標(biāo)探測成為木星探測的重要特點(diǎn)。

圖4 木星探測典型任務(wù)示意Fig.4 Sketch map of the typical Jupiter exploration missions

土星是太陽系的第二大行星,眾多衛(wèi)星及環(huán)結(jié)構(gòu)組成的土星系統(tǒng)是豐富的科學(xué)發(fā)現(xiàn)源。在土星探測方面,自1973年先驅(qū)者11號升空以來,共有4次任務(wù)實(shí)施了土星探測,如圖5所示,實(shí)現(xiàn)了土星飛越、環(huán)繞以及土衛(wèi)六著陸探測。土星探測科學(xué)研究主要集中在土星磁場與輻射場、大氣組成及結(jié)構(gòu)、土星的衛(wèi)星以及環(huán)結(jié)構(gòu)等方面[14],間歇泉、下層海洋等為生命宜居環(huán)境提供了極佳的探測場景。

圖5 土星探測典型任務(wù)示意Fig.5 Sketch map of the typical Saturn exploration missions

天王星、海王星是距太陽較遠(yuǎn)的兩顆冰巨星,對人類而言仍十分神秘。在冰巨星探測方面,目前僅有旅行者2號于1986年1月飛越天王星,發(fā)現(xiàn)了多顆衛(wèi)星和2個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu),并于1989年8月飛越海王星,發(fā)現(xiàn)了多顆衛(wèi)星以及海衛(wèi)一的大氣層。針對天王星、海王星的科學(xué)研究主要集中在磁場與輻射場、表面形貌和大氣組成、衛(wèi)星等方面[15-16]。冰巨星成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)反映出不同于木星、土星的形成環(huán)境和演化過程,冰巨星探測將為太陽系探測提供更為豐富的信息。

此外,太陽系內(nèi)的小天體探測穩(wěn)步發(fā)展,成為先進(jìn)深空探測技術(shù)的試驗(yàn)場。在小天體探測方面,20世紀(jì)80年代以來,以矮行星、小行星、彗星為目標(biāo),實(shí)施了20余次探測活動(dòng),實(shí)現(xiàn)了小天體的飛越、撞擊、環(huán)繞、著陸與采樣返回,如圖6所示。小天體探測科學(xué)研究主要集中在小天體的形成與演化、太陽系早期成份與組成以及內(nèi)部構(gòu)造等方面[17-18]。

圖6 小天體探測典型任務(wù)示意Fig.6 Sketch map of the typical small body missions

2.2 任務(wù)規(guī)劃情況

面向未來,主要航天國家已開啟了新的行星探測計(jì)劃,主要任務(wù)如圖7所示,多以科學(xué)優(yōu)先,主要通過自下而上、同行評議遴選而出。各航天國家通過不同的任務(wù)級別,對實(shí)現(xiàn)不同程度科學(xué)目標(biāo)、不同資源代價(jià)需求的任務(wù)進(jìn)行支持,進(jìn)一步提升太陽系內(nèi)行星探測能力。

在水星未來探測方面,著陸探測任務(wù)成為重要方向。目前NASA論證中的候選旗艦級水星著陸探測任務(wù)包括巡航級、軌道器、下降級、著陸器(如圖8所示),計(jì)劃2035年發(fā)射,進(jìn)行為期1個(gè)水星年的原位探測,進(jìn)一步了解水星獨(dú)特的礦物和表面環(huán)境,研究水星核的結(jié)構(gòu)特征,探測水星表面的磁場和散逸層。

圖8 計(jì)劃中的水星著陸器Fig.8 The planned Mercury lander

在金星未來探測方面,美國、俄羅斯、歐空局、印度等均制定了探測計(jì)劃[19]。舒克拉雅是印度正在研發(fā)的首個(gè)金星探測器,計(jì)劃2024年12月發(fā)射,將繪制金星表面圖像和次表層結(jié)構(gòu),研究金星大氣成分及與太陽風(fēng)的相互作用。NASA計(jì)劃2027年12月發(fā)射真理號,研究金星地形、表面化學(xué),更深入地了解其地質(zhì)過程,并計(jì)劃2029年6月發(fā)射達(dá)芬奇+,利用飛越和降落開展金星探測,從大氣頂層至金星表面研究金星的起源、演化與現(xiàn)狀。展望號是ESA第二個(gè)金星環(huán)繞探測任務(wù),計(jì)劃2032年發(fā)射,將研究金星地質(zhì)學(xué)演化以及與大氣的關(guān)系,如圖9所示。

圖9 計(jì)劃中的金星探測器示意Fig.9 The planned Venus probes

在火星未來探測方面,目前NASA與ESA計(jì)劃合作實(shí)施火星采樣返回任務(wù),采用多次發(fā)射方案,預(yù)計(jì)2028年左右發(fā)射返回器、著陸器和上升器,利用火星車交接采集的樣品,將采集600g樣品于2033年返回地球。日本將再次向火星發(fā)起沖擊,計(jì)劃2024年9月發(fā)射探測器,實(shí)施火衛(wèi)探測及采樣返回任務(wù),弄清火星兩顆衛(wèi)星的起源和火星的演變過程,預(yù)計(jì)將采集10g火衛(wèi)一星壤于2029年返回地球,如圖10所示。

圖10 計(jì)劃中的火星探測器示意Fig.10 The planned Mars probes

在木星未來探測方面,歐空局主導(dǎo)的木星冰衛(wèi)星探測器已于2023年4月發(fā)射[20],將探測木衛(wèi)二、三、四上存在生命的可能性,并對木星的大氣環(huán)境和磁氣圈開展探測。NASA也正在研制歐羅巴快帆木衛(wèi)探測器[21],將在環(huán)木星軌道對木衛(wèi)二進(jìn)行飛越探測,計(jì)劃2024年10月發(fā)射,并將在2030年抵達(dá)木星后開展科學(xué)探測。

圖11 計(jì)劃中的木星探測器示意Fig.11 The planned Jupiter probes

在土星未來探測方面,NASA選定蜻蜓號作為新疆界任務(wù),計(jì)劃2027年發(fā)射旋翼飛行機(jī)器人在土衛(wèi)六實(shí)現(xiàn)首次受控動(dòng)力大氣飛行,探索土衛(wèi)六的宜居性[22]。同時(shí),土衛(wèi)二環(huán)繞與著陸探測作為候選旗艦級任務(wù)也在積極論證中,計(jì)劃于2038年底發(fā)射,將探測土衛(wèi)二噴射的地下海羽流成分,著陸后探測地下海結(jié)構(gòu)和內(nèi)部演化,并搜尋生命存在的證據(jù)。計(jì)劃中的土衛(wèi)探測器如圖12所示。

在冰巨星未來探測方面,美國確定了未來10年最高優(yōu)先級的旗艦級任務(wù)——天王星軌道和大氣進(jìn)入探測器[23],計(jì)劃2031年前后發(fā)射,經(jīng)15年飛行到達(dá)天王星,進(jìn)行多年環(huán)繞探測與大氣進(jìn)入原位探測,首次專注于冰巨星探測。同時(shí),其候選旗艦級任務(wù)海王星奧德賽[24]也處于論證中,計(jì)劃2033年發(fā)射,經(jīng)16年飛行進(jìn)入海王星系統(tǒng),對海王星及其衛(wèi)星開展持續(xù)探測活動(dòng)。計(jì)劃中的冰巨星探測器如圖13所示。

在小天體未來探測方面,計(jì)劃在2030年前后發(fā)射的谷神星采樣返回[25]已作為新疆界候選任務(wù)之一,將重點(diǎn)評估谷神星當(dāng)前的宜居性潛力及其起源,為中等大小的行星體宜居性研究奠定基礎(chǔ)。半人馬小行星環(huán)繞與著陸任務(wù)[26]珊瑚號也計(jì)劃在2036—2040年間發(fā)射,經(jīng)13年飛行后對半人馬小行星進(jìn)行環(huán)繞和原位調(diào)查,探索動(dòng)態(tài)演化但成分原始的小冰天體。計(jì)劃中的小天體探測器如圖14所示。

圖14 計(jì)劃中的小天體探測器示意Fig.14 The planned small body probes

從上面各國計(jì)劃的行星探測典型任務(wù)可見,探測活動(dòng)覆蓋了太陽系內(nèi)主要的天體類型,這些行星探測任務(wù)的周期更長,復(fù)雜度更高,探測更精細(xì),可以預(yù)見,行星探測仍是未來航天活動(dòng)的熱點(diǎn)。隨著未來行星探測活動(dòng)實(shí)施難度的不斷加大,科學(xué)需求不斷引出的新問題,對行星探測技術(shù)也提出了越來越高的要求。近年來,行星探測技術(shù)在地形相對導(dǎo)航、高精度著陸、有機(jī)物探測、樣品采集與保護(hù)、目標(biāo)成像與特征獲取、障礙檢測與規(guī)避等方面取得了長足的進(jìn)步。針對規(guī)劃的一系列行星探測任務(wù),各國均大力推進(jìn)行星探測技術(shù)發(fā)展,提升行星探測能力,主要集中在如下幾個(gè)方面:

1)在復(fù)雜環(huán)境方面,重點(diǎn)關(guān)注極端溫度、壓力、輻射與塵埃積累等影響,確保探測器對飛行環(huán)境的適應(yīng)性。

2)在能源需求方面,發(fā)展高效率、柔性太陽翼與能量儲存技術(shù)的同時(shí),大力發(fā)展空間核電技術(shù),提升同位素電源與熱電制冷的效率等是重要環(huán)節(jié)。

3)在數(shù)據(jù)通信方面,在利用微波通信進(jìn)行感興趣目標(biāo)探測的同時(shí),發(fā)展光通信技術(shù)在行星探測中的應(yīng)用成為重要途徑。

4)在自主管理方面,逐漸從設(shè)備級自主向分系統(tǒng)、系統(tǒng)級自主發(fā)展,利用高度整合的自主管理能力,有序地組織探測活動(dòng)中的感知、決策與執(zhí)行。

5)在進(jìn)入、下降與著陸方面,氣動(dòng)減速、弱引力天體的附著與采樣、高效能降落發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)在金星、火星、小天體與海洋類型天體探測中將扮演重要角色。

6)在巡視探測方面,表面移動(dòng)探測的自主能力與長期生存能力成為發(fā)展重點(diǎn),旋翼飛行器、氣球平臺等低空設(shè)施將進(jìn)一步豐富表面探測方式,提升采樣、移動(dòng)與其他表面操作的聯(lián)合探測是重要方向。

7)在科學(xué)儀器方面,不斷向小型、輕質(zhì)、低耗、低噪聲、寬范圍、高靈敏度、高分辨率方向發(fā)展,并將樣品成分的可靠分離、生命表征的準(zhǔn)確提取、返回樣品的特性保持等作為重點(diǎn)。

3 主要科學(xué)問題及發(fā)現(xiàn)

隨著行星探測的不斷深入,科學(xué)問題成為行星探測最主要的驅(qū)動(dòng)力。國內(nèi)外的學(xué)術(shù)組織與機(jī)構(gòu)在開展科學(xué)問題研究的過程中對行星探測的主要科學(xué)問題均有論述。2005年、2021年《Science》先后兩次發(fā)布了125個(gè)最重要的前沿科學(xué)問題[27-28],其中如表1所示的多個(gè)問題與行星探測密切相關(guān)。

表1 《Science》發(fā)布的行星探測相關(guān)前沿科學(xué)問題Table 1 The frontier scientific issues of planetary exploration published by Science

中國航天大會(huì)自2020年以來,已連續(xù)3年發(fā)布10個(gè)宇航領(lǐng)域難題[29],其中如表2所示的地外生存、宜居行星搜尋、小行星防御等多個(gè)問題與行星探測直接相關(guān)。

表2 中國航天大會(huì)提出的行星探測相關(guān)難題Table 2 The conundrum of planetary exploration proposed by the China space conference

2021年,歐空局發(fā)布了空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃《遠(yuǎn)航2050》[30-31],聚焦重大科學(xué)前沿,前瞻未來技術(shù)創(chuàng)新,確定了行星科學(xué)作為5個(gè)專題之一的科學(xué)任務(wù)方向,見表3,尤其是大型任務(wù)瞄準(zhǔn)木星、土星等巨行星的衛(wèi)星,實(shí)施系內(nèi)的地外生命探尋。

表3 《遠(yuǎn)航2050》明確的行星探測相關(guān)的科學(xué)方向Table 3 The scientific aspects of planetary exploration proposed by Voyage 2050

2022年,美國國家科學(xué)院發(fā)布《行星科學(xué)十年調(diào)查2023-2032》[32],梳理總結(jié)了11項(xiàng)與系內(nèi)行星探測密切相關(guān)的科學(xué)問題,并歸屬于行星起源、行星演化、宜居環(huán)境。

圍繞這些科學(xué)問題(見表4),近年來行星探測活動(dòng)獲得了眾多科學(xué)發(fā)現(xiàn),如表5所示,提升了人類對太陽系的認(rèn)知?？梢?行星探測不僅是解決許多影響人類發(fā)展的重大工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)難題的重要手段,也有助于回答重大前沿科學(xué)問題。這些與行星探測相關(guān)的問題主要集中在行星形成與演化、生命存在與宜居等方面,科學(xué)發(fā)現(xiàn)的表述雖然簡潔,具體工作卻異常復(fù)雜,后續(xù)還需一系列的行星探測活動(dòng),積累大量的數(shù)據(jù)和證據(jù)才有可能進(jìn)一步突破。

表4 《行星科學(xué)十年調(diào)查》提出的科學(xué)問題Table 4 The scientific questions proposed by decadal strategy for planetary

表5 行星探測的主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)Table 5 The main scientific discoveries of planetary exploration

4 行星探測發(fā)展展望

隨著行星探測的不斷發(fā)展,通過多種探測形式,實(shí)現(xiàn)了太陽系內(nèi)各種類型天體的探測,特別是近30年來,行星探測復(fù)雜性不斷增加,探測目標(biāo)不斷豐富?？傮w來看,美國處于絕對領(lǐng)先和領(lǐng)導(dǎo)地位,實(shí)現(xiàn)了行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星及彗星探測,在科學(xué)認(rèn)知、成果轉(zhuǎn)化等方面也取得了巨大成功。俄羅斯的技術(shù)積累仍具有強(qiáng)大的實(shí)力,實(shí)現(xiàn)了金星環(huán)繞、漂浮與著陸探測,并持續(xù)開展火星探測活動(dòng)。歐空局通過國際合作與創(chuàng)新性發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了火星、金星、彗星探測,成功登陸土衛(wèi)六,并正在開展水星、木星探測。日本開展了火星、金星、水星探測,并率先將小行星樣品帶回地球。印度、阿聯(lián)酋實(shí)現(xiàn)了火星環(huán)繞探測,全方位提升航天競爭力。中國通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星繞、落、巡,邁出了行星探測重要一步。可以預(yù)見,未來行星探測的隊(duì)伍將不斷壯大,并在競爭與合作中不斷向前發(fā)展。在太陽系各行星探測方面呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢:

(1)火星探測是近期行星探測的焦點(diǎn)

20世紀(jì)90年代后,火星成為行星探測的主要目標(biāo)(約占58.3%),針對火星的外層空間、表面環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均已開展了廣泛的探測。火星是目前探測活動(dòng)最密集、認(rèn)知程度最高的行星,其作為行星探測主要目標(biāo)的趨勢在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。未來一段時(shí)間,以火星采樣返回為焦點(diǎn)的火星探測任務(wù)將成為最有影響力的行星探測活動(dòng)。

(2)木星系、土星系探測將成為熱點(diǎn)

目前針對木星、土星實(shí)施的環(huán)繞探測任務(wù)還較少,在氣態(tài)巨行星的大氣環(huán)境、表面環(huán)境及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面認(rèn)識還不清晰?；钴S的木衛(wèi)一可能是超過金、水星的恐怖星球,土衛(wèi)二、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六等地下海洋可能存在生命宜居環(huán)境,將促使木星系、土星系成為行星探測的下一個(gè)熱點(diǎn)。未來一段時(shí)間,木星與土星的環(huán)繞與進(jìn)入探測仍是主要的探測方式,而木衛(wèi)、土衛(wèi)則可能進(jìn)入著陸探測,甚至采樣返回階段。

(3)冰巨星探測將拓展精細(xì)探測范圍

目前人類尚未實(shí)施過冰巨星及其衛(wèi)星的環(huán)繞探測,對冰巨星的大氣層、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其衛(wèi)星認(rèn)識均較為局限,而可能在未來撞向海王星或被撕裂的海衛(wèi)一也引起了科學(xué)家的極大興趣。隨著證認(rèn)的系外行星數(shù)量逐漸增加,研究冰巨星還可以提供有關(guān)圍繞其他恒星運(yùn)行行星的信息。未來一段時(shí)間,天王星、海王星將成為行星探測拓展探測范圍的重要陣地,冰巨星環(huán)繞與進(jìn)入探測等有望帶來科學(xué)方面的突破。

(4)金星探測重回行星探測視野

1990年前,金星是行星探測的重要目標(biāo)(約占56.5%),通過美國、蘇聯(lián)兩個(gè)航天強(qiáng)國的不懈努力,人類對金星的大氣結(jié)構(gòu)整體上已具有了一定程度的認(rèn)識,但對金星表面環(huán)境與內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究相對滯后,亟待新的探測任務(wù)獲取數(shù)據(jù)信息,生命元素探尋也為金星探測注入了新的活力。未來一段時(shí)間,更為精細(xì)、更長壽命的金星大氣與表面探測、金星原位采樣探測將成為重要方向,金星大氣采樣返回等也可能逐漸興起。

(5)水星探測深化內(nèi)太陽系探索

水星探測雖然任務(wù)較少,但已從飛越探測過渡至環(huán)繞探測。近年來的探測活動(dòng)揭示水星具有全球規(guī)模的磁場,表面富含揮發(fā)分,火山作用在水星表面廣泛分布。水星探測有助于人類理解早期太陽系物理化學(xué)過程,并認(rèn)識類地行星的形成。未來一段時(shí)間,水星環(huán)繞與著陸探測將成為主要的探測模式,尤其是通過著陸探測豐富探測數(shù)據(jù)。

(6)小天體探測將保持活躍水平

在太陽系、行星的起源與演化科學(xué)問題推動(dòng)下,矮行星、小行星等小天體探測發(fā)展迅速,近年來已開展了多次小行星采樣返回任務(wù)。行星衛(wèi)星與小天體探測技術(shù)具有較好的結(jié)合點(diǎn),小行星防御重視程度也逐漸上升,因此,小天體探測活動(dòng)仍將保持當(dāng)前活躍水平。未來一段時(shí)間,小天體探測目標(biāo)可能將逐漸從近地向小行星帶、特洛伊小行星群、柯伊伯帶等發(fā)展。

5 我國行星探測發(fā)展設(shè)想

行星探測作為空間科學(xué)與空間技術(shù)交叉的戰(zhàn)略制高點(diǎn),科學(xué)探索能力和工程技術(shù)水平已成為航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志。中國航天通過60多年的發(fā)展,行星探測從無到有,嫦娥二號成功飛越圖塔蒂斯小行星,實(shí)現(xiàn)了該小行星國際首次近距離光學(xué)探測;天問一號成功通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星“繞、著、巡”,邁出了我國星際探測征程的重要一步,使我國在火星探測領(lǐng)域進(jìn)入世界先進(jìn)行列。目前,天問二號小行星探測任務(wù)正在研制過程中,天問三號火星取樣返回、天問四號木星系及行星際穿越探測任務(wù)也在開展攻關(guān)論證,整體來看,我國近期的行星探測規(guī)劃較為明確,行星探測活動(dòng)日益活躍。然而,我國行星科學(xué)空間探索活動(dòng)起步相對較晚,戰(zhàn)略系統(tǒng)性還有待加強(qiáng),前沿科學(xué)問題認(rèn)識有待突破,關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展仍有滯后現(xiàn)象。

5.1 發(fā)展路線設(shè)想

我國未來行星探測任務(wù)應(yīng)結(jié)合行星探測技術(shù)的不斷發(fā)展,以高水平發(fā)展為原則,分階段、分步驟圍繞行星科學(xué)前沿重大問題,深化行星科學(xué)認(rèn)知,揭示行星起源與演化規(guī)律、生命與宜居性奧秘。

(1)2023—2030年發(fā)展設(shè)想

該階段重點(diǎn)完成行星探測領(lǐng)域布局,圍繞小行星、火星、木星等實(shí)施探測活動(dòng),突破當(dāng)前制約我國探索能力的關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)通過天問二號、天問三號、天問四號等任務(wù)實(shí)施,在弱引力天體采樣、火星采樣返回、氣態(tài)巨行星探測等方面取得突破性成果,實(shí)現(xiàn)行星際探索能力的躍升。

(2)2030—2040年發(fā)展設(shè)想

該階段重點(diǎn)實(shí)施冰巨星、內(nèi)行星及土星系等探測活動(dòng),產(chǎn)生一批新發(fā)現(xiàn)新認(rèn)知的原創(chuàng)性成果。重點(diǎn)通過海王星及其衛(wèi)星探測、水星環(huán)繞與著陸探測、金星環(huán)繞與進(jìn)入探測、土星系探測及土衛(wèi)采樣返回等任務(wù),在地外生命蹤跡探尋、太陽系物質(zhì)組成及分布等方面取得原創(chuàng)性成果,具備地外天體資源開發(fā)與利用能力。

(3)2040—2050年發(fā)展設(shè)想

該階段重點(diǎn)通過火星資源開發(fā)與利用、小天體操控與開發(fā)等任務(wù),在太陽系起源演化、地外生命探尋等方面取得重大原創(chuàng)性成果,空間開發(fā)利用不斷提升,探索能力覆蓋從水星到海王星以遠(yuǎn)。

立足我國現(xiàn)有行星探測基礎(chǔ),建議我國未來行星探測可按圖15分階段實(shí)施探測活動(dòng),推動(dòng)我國行星探測向更高水平發(fā)展。

圖15 我國太陽系內(nèi)行星探測任務(wù)設(shè)想Fig.15 The Chinese planetary exploration conceiving route of solar system

5.2 引領(lǐng)任務(wù)建議

我國2030年前將實(shí)施的探測任務(wù)正在穩(wěn)步推進(jìn),但2030年后將實(shí)施的具有國際引領(lǐng)性的高水平行星探測任務(wù)還不清晰,我國應(yīng)加緊開展頂層任務(wù)設(shè)計(jì),在新一輪行星探測熱潮中實(shí)現(xiàn)技術(shù)能力躍升、原創(chuàng)成果突破、行星探測引領(lǐng),為推進(jìn)人類文明的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

冰域天體探測已成為當(dāng)前國際深空探測領(lǐng)域的熱點(diǎn),海王星作為目前已知最接近太陽系邊緣的行星,保留了大量太陽系形成初期的氣體,包含原恒星云的狀態(tài)條件和行星形成的位置信息,是研究太陽系和系外行星的藍(lán)本。從地球前往海王星將跨越太陽系雪線,探測器將穿過火星與木星之間的小行星帶、木星與海王星之間的半人馬小行星,這為探測其中的冰域小天體提供了可能。冰域小天體在地質(zhì)時(shí)間尺度上的穩(wěn)定性,將極大豐富人類對行星冰凍圈的認(rèn)知。冰域小天體、海王星系統(tǒng)均蘊(yùn)含很高的科學(xué)價(jià)值,建議通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)海王星系統(tǒng)環(huán)繞并兼顧冰域小天體精細(xì)觀測,不僅可以填補(bǔ)國際深空探測的領(lǐng)域空白,突破科學(xué)探測的前沿技術(shù),還將有助于解決包括太陽系形成與演化、宇宙起源和生命起源等在內(nèi)的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題。然而,極遠(yuǎn)、極寒的環(huán)境使得飛往海王星的探測任務(wù)的技術(shù)難度極大,目前也僅有旅行者2號對其進(jìn)行過飛越探測。隨著我國深空探測能力的不斷提高、空間核動(dòng)力技術(shù)的不斷進(jìn)展,目前已具備一定的海王星系統(tǒng)探測能力,為推動(dòng)工程任務(wù)的實(shí)施,還亟需開展如下技術(shù)研究:

(1)高可靠深空推進(jìn)技術(shù)

行星探測器的推進(jìn)系統(tǒng)為探測器飛行過程中的姿態(tài)控制和軌道控制提供動(dòng)力,嚴(yán)重制約著深空探測的能力。海王星系統(tǒng)環(huán)繞探測等任務(wù)具有太陽能源不恒定、發(fā)射質(zhì)量受限、速度增量需求大、在軌飛行時(shí)間長、可靠性要求高等特點(diǎn),需重點(diǎn)突破輕小型化、高可靠、長壽命的核推進(jìn)、電推進(jìn)等技術(shù)。

(2)高效率能源供給技術(shù)

行星探測日益增長的功率需求以及探測任務(wù)低溫低光強(qiáng)的環(huán)境特征,對探測器能源的高效率、高穩(wěn)定性提出了越來越高的要求,需重點(diǎn)突破具有耐惡劣環(huán)境、長壽命、大功率、高效率等適用于行星際穿越以及海王星及其衛(wèi)星的環(huán)繞任務(wù)的同位素溫差電源及反應(yīng)堆技術(shù)。

(3)超遠(yuǎn)距測控通信技術(shù)

行星際測控通信技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)太陽系內(nèi)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的連續(xù)通信。與飛往海王星等的行星探測器進(jìn)行通信,具有時(shí)延極大、空間傳播損耗嚴(yán)重、接收信息信噪比極低、信道動(dòng)態(tài)變化大的特點(diǎn),需重點(diǎn)突破弱信號捕獲與跟蹤、高靈敏度測距、高功率利用率的對地?cái)?shù)據(jù)傳輸和大口徑可展開耐超低溫天線等技術(shù),提高通信鏈路和測控精度。

(4)智能與自主管理技術(shù)

由于行星探測目標(biāo)遠(yuǎn)、飛行時(shí)間長、所處環(huán)境動(dòng)態(tài)多變等特點(diǎn),行星探測器面臨指令上傳延時(shí)大、星體的空間遮擋、低數(shù)據(jù)傳輸率、長期可靠性和非預(yù)期狀態(tài)下的安全性等問題,傳統(tǒng)的地面遙控手段對行星探測器的管控能力相對有限。因此,基于星上計(jì)算機(jī),構(gòu)建在軌智能化、自主化管理能力是未來行星探測技術(shù)發(fā)展必須突破的方向。

(5)先進(jìn)載荷探測技術(shù)

行星探測活動(dòng)將堅(jiān)持以“科學(xué)優(yōu)先”為原則,利用科學(xué)或工程載荷對行星臨近空間、表面及內(nèi)部進(jìn)行探測,是研究行星科學(xué)問題的重要實(shí)現(xiàn)載體。行星探測先進(jìn)載荷種類繁多,承擔(dān)的科學(xué)目標(biāo)從單一到多元、從簡單到復(fù)雜,集成化、小型化需求明顯,適應(yīng)深低溫環(huán)境的高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高能量分辨率的行星探測載荷技術(shù)是發(fā)展重點(diǎn)。

6 結(jié)論

隨著行星探測活動(dòng)的不斷開展,行星探測工程技術(shù)得到了長足的發(fā)展,科學(xué)成果日益豐富。太陽系內(nèi)行星探測活動(dòng)經(jīng)歷了技術(shù)帶動(dòng)階段,并已逐漸轉(zhuǎn)入科學(xué)帶動(dòng)階段,呈現(xiàn)出由近及遠(yuǎn)、由易到難、由粗到精的特點(diǎn),行星探測的主要科學(xué)問題集中在行星形成與演化、生命存在與宜居等方面,通過一系列行星探測活動(dòng)已取得了大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)。面向未來,各主要航天國家規(guī)劃了任務(wù)周期更長、復(fù)雜度更高、探測更精細(xì)的行星探測任務(wù),我國應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有行星探測基礎(chǔ),以“科學(xué)優(yōu)先”為原則實(shí)施太陽系內(nèi)行星探測,進(jìn)一步突破行星探測共性、核心技術(shù),獲取原創(chuàng)性科學(xué)成果,提升太陽系內(nèi)行星探測能力。

致 謝感謝中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心王赤院士多次參與交流討論,并對論文提出了寶貴意見和建議。