深空探測領域開展國際合作的可行性分析

蔡聞一 饒成龍 李東昊 王邵飛 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

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深空探測領域開展國際合作的可行性分析

蔡聞一 饒成龍 李東昊 王邵飛 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

Feasibility Analysis of International Cooperation in Deep Space Exploration

深空探測是當今世界科技發展的前沿領域，具有很強的基礎性、前瞻性、創新性和帶動性，開展深空探測對于科技進步和人類文明的發展具有重要意義。 深空探測重點包括月球探測、火星探測、巨行星探測、小行星及彗星探測等。自20世紀50年代末以來，世界多個航天國家積極開展深空探測活動，空間探測活動的范圍逐漸擴大，探測任務也趨于多樣化。

1 世界深空探測領域整體進展情況

20世紀50年代末，蘇聯、美國開始實施深空探測任務。進入21世紀以來，隨著科學技術的不斷進步，包括中國、日本、印度在內的世界多個國家也紛紛提出了本國的深空探測規劃，將深空探測作為重點發展的航天領域之一。

從1958年8月17日美國發射第一個月球探測器——先驅者－0（Pioneer-0）開始，人類邁向太陽系的深空探測活動至今已有57年的歷史。通過梳理世界范圍內已經開展的深空探測任務，可以看出，開展深空探測的主要目標一般是由近及遠。20世紀60年代，人類探測的對象主要是月球、金星和火星。70年代以后，探測器開始向更遠的目標——水星、木星、土星、天王星、海王星及太陽系其他天體進發。80年代以后，小行星和彗星也成為人類關注的對象。

不同天體探測活動統計概況

據統計，截至2015年12月底，人類共進行了243次深空探測活動，其中，成功和部分成功140次，占總次數的57.6%（這里所說的成功或部分成功的判定依據主要是以是否返回探測數據為準）。

在所有深空探測任務中，以探測月球為主任務的次數最多，達122次，占總數量的50%；探測火星的有41次，占17%；探測金星的有40次，占17%；探測太陽的有8次，占3%；探測水星的有2次，占1%；探測木星、土星等巨行星及其衛星的有5次，占2%；探測彗星和小行星等小天體的有25次左右，占10%。

通過開展一系列深空探測活動，基本了解了月球表面及其土壤的物理化學特性，探測了火星地形、地貌、大氣成分，初步了解了其他行星及彗星的組成，為人類繼續探索太空打下了良好基礎。

2 深空探測領域開展國際合作的必要性

基于以往航天經驗，深空探測的每一次試驗或發射，都需要龐大的技術支撐、經費開支和人員投入，所承擔的風險也很大，涉及多學科多領域多種技術方法，各國獨自開展難以支撐并達到科學目標。因此，只有各國政府及相關組織機構之間開展廣泛的交流與合作，組成“科學家共同體”，科學制定研究計劃和項目，實現信息和探測數據共享，這項事業才能深入持續發展。

節省研制經費，符合各國利益

發射航天器，建造空間設施，開發和利用月球、火星等深空資源，是一項技術含量高、投資巨大、風險巨大的復雜系統工程。在深空探測領域開展國家間的合作，一定程度上可以分攤項目研制所需的巨額經費，這符合那些計劃開展深空探測項目國家的利益。

縮短任務時間，提高研究效率

深空探測是現代科學技術最高水平的集中表現。在深空探測領域開展國際合作，能夠有效分解探測任務的總體難度，充分利用不同國家的優勢技術，降低任務風險，縮短探測任務的整體時間，避免相同目標、相同任務的重復探測，極大地提高深空探測項目的研究效率。

增進相互了解，促進太空資源的和平利用與開發

通過在深空探測領域開展交流和合作，可以增進各個國家在太空領域政策、技術等方面的了解，減少誤解，加強互信，共享太空資源，促進太空資源的和平利用與開發。

發揮示范作用，推進國際宇航合作的深入開展

目前，世界范圍內多個國家和組織都在執行一系列空間探測計劃。具有一定影響力的航天國家和組織應加強交流和合作，促進和平利用太空，積極發揮領頭和示范作用，為全球航天領域國際合作的深入開展打下堅實基礎。

3 深空探測領域國際合作進展情況

深空探測的特點是科技含量高、經濟領域廣、未知因素多、失敗風險高、投資數額大。在全球經濟一體化發展的大趨勢下，各國在探索過程中都不可避免地要開展國際合作，在國家預算縮緊情況下尤其如此。

據統計，在迄今為止所有的深空探測任務中，蘇聯/俄羅斯發射過115次，占總數量的47.3%；美國發射過105次，占總數量的43.2%；日本發射過8次，占總數量的3.2%；歐洲航天局發射過5次，占總數量的2.1%；中國發射過4次，占總數量的1.6%；印度發射過2次，占總數量的0.8%；國際合作4次，占總數量的1.6%（這里主要是指美國與歐洲之間的合作發射）。

1996年11月6日，俄羅斯發射的火星－96 （Mars－96，發射失敗）探測器上攜帶了由德國航天局、歐洲航天局等多家單位參與研制的高精度遙感相機（HRSC）。1999年2月7日，美國航空航天局（NASA）發射的“星塵”（Stardust）彗星探測器的塵埃流量檢測裝置由NASA、芬蘭、德國的多家研究單位共同研制。2008年發射的印度月船－1 （Chandrayaan－1）上攜帶由美國航空航天局提供的微型合成孔徑雷達（Mini-SAR）和歐洲航天局（ESA）研制的相機。

各國深空探測活動次數統計

在任務級的合作方面，最典型的例子是人類歷史上最成功的土星探測器“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）。“卡西尼”軌道器由美國航空航天局研制，“惠更斯”土衛六著陸器由歐洲航天局研制。“卡西尼-惠更斯”土星探測器于1997年10 月15日發射，在2005年1月實現了土衛六軟著陸，發回地球近千張照片。

2003年6月2日發射的歐洲航天局“火星快車”（Mars Express）探測器和美國于同年6月10日、7月7日發射的勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity）火星車，實現了2次深空國際性通信聯絡。“火星快車”與勇氣號、機遇號分別實現了信息交流，標志著人類在建設國際深空通信網絡方面邁出了重要一步，其成功經驗將為今后其他國家聯合進行行星探測提供借鑒。

此外，中國與俄羅斯在2007年簽署了航天合作協議，計劃共同對火星及其衛星——火衛一進行探測。該合作協議的簽署是中俄兩國航天合作歷史上的重要里程碑，標志著中俄兩國航天局在開展大型項目合作方面走出了重要一步，對推動中俄全面戰略協作伙伴關系起到了積極作用。

“卡西尼-惠更斯”土星探測器在軌飛行示意圖

4 中國深空探測領域發展情況

中國航天經過50多年的發展，取得了許多舉世矚目的成績，建立了具有一定國際競爭力的航天工業體系，在深空探測領域也取得了階段性的研究成果。

“嫦娥”月球探測器

中國的月球探測計劃于2004年1月正式啟動，分三期實施：“繞”（繞月探測）、“落”（落月探測）、“回”（采樣返回探測）。

2007年10月24日，嫦娥－1成功發射，在軌有效探測16個月，實現了中國自主研制的衛星進入月球軌道并獲得全月圖。2010年10月1日，嫦娥－2發射，獲得了世界首幅7m分辨率全月圖，對預選的落月區域進行了重點探測。在實現既定工程目標和完成科學探測任務后，開展了日地拉格朗日2點環繞探測，并在距地球7×106km處實現了對圖塔蒂斯小行星的飛越交會探測。嫦娥－3于2013年12月2日發射，12月6日進入月球軌道，12月14日在月球表面著陸，中國成為世界上第三個實現月面軟著陸的國家。

目前，探月工程三期正在實施過程中，將發射月球自動采樣返回器，降落到月球表面后，采集月球土壤和巖石樣品并帶回地球。2014年10月24日，探月工程三期再入返回飛行試驗器（簡稱試驗器）成功發射，同年11月1日，試驗器的返回器在中國內蒙古自治區中部地區順利著陸，圓滿完成再入返回飛行試驗。

探月工程三期再入返回飛行試驗器示意圖

試驗器的返回器成功在著陸區預定區域降落

螢火－1

中國在火星探測方面也選擇了國際合作的方式。2007年3月，中國國家航天局與俄羅斯聯邦航天局簽署了《中國國家航天局和俄羅斯聯邦航天局關于聯合探測火星——火衛一合作的協議》，確定雙方將聯合對火星及其衛星火衛一進行探測。根據協議，俄方的“火衛一-土壤”（Phobos-Grunt）火星探測器與中方小衛星由俄運載火箭同時發射，中方小衛星由“火衛一-土壤”探測器送入繞火星的橢圓軌道。其后，中方小衛星將自主完成對火星空間環境的探測任務，并與“火衛一-土壤”探測器聯合完成對火星環境的探測；“火衛一-土壤”火星探測器著陸在火衛一表面并進行探測，提取火衛一樣品返回地球。在2011年的發射任務中，因俄方探測器所載綜合電子計算機發生故障，未能進入奔火軌道。

雖然此項聯合探測任務沒有取得成功，但通過該項目的合作，中國完成了第一個火星探測器——螢火－1的研制，在行星際探測器的發射過程、運行軌道、姿態控制特點、測控數傳工作模式等方面都有了一定的認識和積累，為后續實施深空領域探測項目奠定了技術基礎。

火星－500實驗計劃

此外，中國還參加了歐洲航天局與俄羅斯聯合開展的火星－500（MARS 500）實驗計劃，共有來自法國、俄羅斯、德國、意大利、中國的6名飛行人員參與，該任務涉及105項實驗，驗證各飛行系統，目的是探索火星探測過程中人與環境的關系，了解未來前往火星的飛行人員的心理和生理狀態，為未來的火星探測活動積累經驗。由于從火箭發射、飛往火星、火星著陸到返回地球的全部過程需要近500天的時間，因此志愿者們體驗了為期520天的完整火星往返之旅的模擬任務，包括250天飛往火星、30天駐留火星以及240天返回地球。

5 關于深空探測領域開展國際合作的思考

從全球范圍來說，現在深空探測還在探索階段，探索和利用深空是一項復雜、艱巨、高風險、高投入的事業，開展國際合作，將是深空探測的必然發展趨勢。經過載人航天工程、探月工程，中國在運載火箭技術、探測器研制等方面擁有良好的基礎，已經具備開展更大規模深空探測的人才和技術儲備。中俄火星探測項目的合作經驗，也將為后續與其他國家和地區開展國際合作提供借鑒和參考。

政治環境

鑒于大型航天項目的高成本與技術復雜性，近年來，各國政府、企業界、學術界均表示出了拓展全球航天合作的意向，在未來的深空探測規劃中都明確了國際合作是其中的一個重要方面，都有加強合作的政治意愿。一些國家也發布了相關政策，強調國際航天合作，為國家間開展太空探索合作與交流提供了政策依據。我國政府一貫主張在平等互利、和平利用、共同發展原則的基礎上，加強與世界各國在太空領域的交流與合作，促進包容性發展。

2013年，習近平總書記提出建設“新絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的戰略構想，即“一帶一路”戰略。“一帶一路”一端連接發達的歐洲經濟圈，另一端連接極具活力的東亞經濟圈，將帶動中亞、西亞、南亞以及東南亞的發展，并且輻射到非洲去。“一帶一路”戰略的實施，也將為中國與“一帶一路”沿線國家在航天領域開展合作提供契機，推動“一帶一路”沿線的各個國家加大航天合作力度，推進航天基礎設施建設，包括空間和地面設施，實現空間數據的共享，利用中國在載人航天、月球探測、火星探測方面積累的經驗，促進“一帶一路”沿線國家在深空探測領域的嘗試和拓展，推動各國航天技術水平的提升，促進經濟共同發展。

研究經費

通過梳理各個國家近50多年來的深空探測活動可以看出，美國、俄羅斯、歐洲、印度等國家通過開展月球探測、火星探測等深空探測活動，一定程度上帶動了本國航天技術及國民經濟的整體發展。但同時也可以看到，開展深空探測活動，開發和利用月球、火星等深空資源，是一項投資巨大、風險巨大的復雜系統工程。各國為了實施本國的深空探測計劃，都投入了巨大的財力。

在深空探測領域開展國家間的合作，可以實現資源共享、優勢互補。根據本國的經濟實力和科學技術水平，不同的國家有著不同的合作動機。對科技水平相對較低的國家來說，通過開展國際合作，可以分攤項目研制所需的巨額經費，從而確保足夠的經費支持，一定程度上可以解決在航天技術研發過程中的經費不足的困難，這符合計劃開展深空探測項目相關國家的自身利益。

歐洲“火星快車”探測器

科技交流

在深空探測領域開展國際合作，能夠有效分解探測任務的總體難度，充分利用不同國家的優勢技術和成熟技術，降低任務風險，縮短探測任務的整體時間，避免相同目標、相同任務的重復探測，極大地提高深空探測項目的研究效率。

在運載火箭領域，我國自主研制的“長征”系列火箭家族型譜不斷完善，目前已經形成了10余種型號的火箭家族，運載火箭的總體技術水平達到國際先進水平，國際競爭能力不斷提升，能夠承擔的發射任務范圍不斷擴大，可用于發射近地軌道、太陽同步軌道和地球同步轉移軌道的多種衛星及載人飛船，也可以執行深空的發射任務。

此外，除甘肅酒泉、山西太原、四川西昌外，我國在海南文昌新建了第4個航天發射場。該發射場位于低緯度，距離赤道只有19°，能夠為火箭發射節省大量的燃料，并且基本滿足了全球各種軌道航天器發射要求，如：地球同步軌道衛星、大質量極軌衛星、大噸位空間站和深空探測衛星等航天器的發射任務。

人才培養

航天產業的人才培養周期長，產業發展也需要大量的高素質人才支撐。為適應這一需求，各國政府均加大力度培養航天人才，減少人才流失，從而鞏固航天工業的技術實力。科技人才是發展深空探測的主體，建設一支高素質的科技人才隊伍是成功實施深空探測計劃的關鍵因素。因此，要開展深空探測活動，必須將科技人才隊伍建設納入總體發展戰略，加強深空探測領域科技人才培養。

6 結束語

經過50多年的航天工程實踐，我國在技術基礎和實施方面，已經具備了開展深空探測研究的能力，并且在空間科學和航天技術領域培養造就了一支高素質的科技隊伍，擁有較為豐富的人才資源。在開展深空探測活動時，可以通過開展學術交流、教育培訓、聯合研究、派遣訪問學者等合作方式，促進不同國家間空間探索領域人才的交流和溝通，帶動參與合作項目國家的青年科技人員成長，培養出更多、更優秀的航天人才隊伍，促進科技人才隊伍整體能力的提升。