深空探測：空間拓展的戰略制高點

崔平遠

【摘要】深空探測是人類探索宇宙奧秘、開發天體資源、拓展空間疆域、實施技術創新的重要領域，是當今世界高新科技領域極具挑戰性、創新性和帶動性的重大活動，已成為21世紀航天大國和空間組織進行空間拓展與科技創新的戰略制高點。作為深空探測的熱點目標，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這些目標開展了相關探測活動，并有一系列的深空探測規劃。隨著各種高精尖科學技術的發展，我國將不斷加快向更遠深空邁進的步伐，從發展進入深空能力，到探索資源利用能力，再到拓展深空能力，為實現“兩個一百年”目標和人類文明進步做出重大貢獻。

【關鍵詞】深空探測 月球探測 火星探測 小天體探測

【中圖分類號】V11 【文獻標識碼】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星成功發射，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領域。人類通過對地球以外其他星體的探測，了解行星的起源和演化規律，探索和揭示生命的由來及其在宇宙中的進化，進一步認識地球環境的形成和演變，并為開發空間資源、保護地球免受其他小天體危害開辟新的途徑。深空探測對人類的持續生存和不斷向地球以外的空間拓展有著重要的現實意義。

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，而推動深空探測發展的原動力則是科學探索與技術進步。技術發展是人類破解科學難題的手段和工具，而距離遙遠是實施深空探測任務所面臨的首要技術難題。該難題主要表現為：長時間飛行的能源動力問題、遠距離飛行的測控通信問題、深空飛行的精確導航與控制問題以及對深空環境的適應性問題等。正是這些問題的出現，才促進了利用核裂變產生的能量為探測器提供能源的空間核電源技術、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技術，以及高頻段測控通信技術、光通信技術和深空自主導航與控制等技術的發展。同時，也促進了利用太陽光壓作為動力的太陽帆等新概念和新技術的出現。

人類已經渡過了深空探測的初級階段，正在向中級階段邁進。未來的深空探測活動將不僅僅局限于作為人類認識宇宙、了解自然規律的一種方式，還將成為人類保護地球、進入宇宙、拓展生存空間的一種手段，也將是人類進行空間資源開發與利用、空間科學與技術創新的重要途徑。進入21世紀，美國、俄羅斯、歐空局等航天大國和組織相繼制定了20年甚至更長遠的深空探測規劃。這些規劃表明，月球、火星和小行星仍將是未來深空探測的重點和熱點，但其探測的內涵和深度較前期的探測活動將有明顯的提升。

月球探測——深空探測的“中轉站”

月球是地球唯一的天然衛星，是距離地球最近的天體。它一直是人類觀察研究的對象，是人類開展深空探測的首選目標。月球可以作為深空探測的“中轉站”和空間技術的試驗點，富含水冰及各類礦物資源，尤其是月球極區具有更高的探測價值。因此，技術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之一，紛紛提出建立月球科研站或基地的構想。同時，月球作為深空探測的起點，是實現深空探測突破的首選目標，目前很多新興航天國家和機構都將月球探測列為首次深空探測活動的重點。

自1959年至今，月球探測經歷三個主要時期：初始探月高潮期（1959～1976）、冷戰結束寧靜期（1976～1994）、重返月球研發期（1994至21世紀前30年）。21世紀月球探測的戰略目標是建設月球科研站或基地，開發利用月球資源、能源與環境，為人類社會的可持續發展服務。在“克萊門汀”和“月球勘測者”之后，歐洲的SMART—1計劃、日本的“月球—A”和“月神”計劃以及印度的月球探測計劃相繼實施。它們均以月球資源探測為主要目標，旨在為未來月球資源開發利用奠定基礎?？v觀世界各國21世紀月球探測計劃，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更明確，規模更宏大，參與國家更多。

美國于2004年提出了“重返月球”計劃，旨在建立月球基地，并以此為中轉站實現載人火星探測。牽牛星（Altair）號月球著陸器是美國國家航空航天局（NASA）星座計劃的關鍵組成部分，該計劃結合了航天器、運載火箭以及實現重返月球和太陽系其他目標天體的探測任務。①牽牛星號月球著陸器原計劃在2020年前運送宇航員和相關物資至月球表面，但在2010年由于經費問題該計劃被取消。然而，美國方面并未完全放棄月球探測。NASA在2014年發布了“月球貨運和軟著陸”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地面試驗，預計將于2017年發射。商業途徑將是未來深空探測的另一發展趨勢。

俄羅斯在月球探測上取得過輝煌的成績。21世紀初，俄羅斯公布的空間探索計劃中，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。②盡管近期俄羅斯的深空探測任務由于多種原因被反復延期，但俄羅斯方面始終堅定地將月球探測作為重點，并提出將于2030年實現載人月球探測。

歐空局（ESA）在21世紀初發布了“曙光”空間探索計劃（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，目前正在研發月球軟著陸技術。日本在2005年公布的空間探索規劃中指出，將重點開展月球探測和月球資源利用，通過軟著陸——采樣返回——載人登月三個階段實施月球探測計劃。2015年3月，日本宣布將于2018年執行月球軟著陸任務“月球探測小型著陸器”（Smart Lander for Investigating Moon， SLIM），旨在實現百米級的精確軟著陸。印度也計劃在2017年進行第二次月球探測，韓國則提出在2020年發射月球軌道器和著陸器。

中國是第三個實現月球軟著陸和巡視任務的國家。從2007年發射的“嫦娥一號”繞月探測，到2010年發射的“嫦娥二號”實現“一探三”，再到2013年發射的“嫦娥三號”月面軟著陸，中國探月工程“繞—落—回”三步走戰略④前兩步已取得圓滿成功，下一步將在2018年前后實現人類首次月球背面軟著陸與采樣返回任務，為開展更遠深空目標的探測活動奠定基礎。

火星探測——行星探測的首選目標

作為太陽系內結構和環境最接近地球的行星，火星始終是最受關注的行星探測目標。從上世紀60年代開始，人類拉開了對火星進行近距離探測的序幕，探測方式也隨著空間技術水平的提高，由“飛越、繞飛”向“著陸、巡游”發展。其中，具有代表性的火星著陸探測任務包括美國的“海盜號”（Viking）、“火星探路者”（MPF）、“勇氣號”（MER—A）和“機遇號”（MER—B）、“鳳凰號”（Phinex）、“好奇號”（Curiosity）以及歐空局的“火星快車”（Mars Express）和“獵兔犬2號”（Beagle 2）等。這其中尤以2011年11月26日發射升空、2012年8月6日成功著陸火星的“好奇號”最具代表性。“好奇號”是美國迄今最大、最昂貴、最先進的火星車，對新一代進入制導技術、導航與軌跡姿態控制技術、火星軟著陸技術等進行了驗證，⑤進一步推進了火星著陸探測技術的發展。

21世紀以來，多個國家提出了載人火星探測計劃，意欲將人類的活動疆域擴展至火星。美國的載人火星探測計劃，將首先執行機器人先驅任務，并完成火星采樣返回，繼而結合月球或載人小行星探測任務，完成載人火星探測技術的試驗驗證，最后完成火星的載人探測任務。在實施載人火星探測前的小行星探測等眾多深空探測任務均包含有為載人火星探測所做的技術演練與儲備。

在歐空局的“曙光”計劃中，提出了在21世紀30年代中期實現載人火星探測的長期目標。計劃的核心為火星探測，將通過建立月球前哨基地進行載人火星任務的技術開發和驗證，最終實現載人火星探測。歐空局已與俄羅斯正式簽署協議，共同實施2016年和2018年的“火星生命探測計劃”（ExoMars）任務。然而不幸的是，“ExoMars 2016”火星探測任務由于在著陸過程中減速推進器提前關閉導致著陸器失速墜毀。⑥

俄羅斯除了參與歐空局的ExoMars項目之外，還計劃于2025年再次實施“火衛一—土壤”（Phobos—Grunt）火衛一采樣返回任務。日本在2015年6月宣布將于2021年向火星衛星發射采樣探測器，實現火星衛星的首次采樣返回。印度則計劃于2018年實施第二次火星探測任務。另外，新興航天國家也將目光鎖定在了火星探測，阿聯酋計劃于2020年實施火星探測任務——“希望號”（Hope），韓國則提出2026年和2030年發射火星軌道器和著陸器。

中國擬于2020年前后實施火星“繞—落—巡”一體化探測任務，該任務由環繞器和著陸巡視器組成，其中環繞器將環火星飛行1個火星年，火星車將在火星表面運行90個火星日。在此期間，將重點探測火星形貌與地質構造特征、土壤特征與水冰分布、表面物質組成、大氣電離層及氣候特征以及物理場與內部結構。

小天體探測——深空探測的特殊目標

小天體探測是研究太陽系形成與演化、生命起源與進化，以及抵御外來天體撞擊地球的重要技術途徑。同時，也可為試驗新型空間技術，尤其是深空探測技術提供驗證平臺。隨著航天技術的發展和空間科學研究目標的提高，小天體探測由早期的“飛越、環繞”探測，逐漸發展到目前的“撞擊、附著與采樣返回”。

美國“近地小行星交會”（Near Earth Asteroid Rendezvous， NEAR）任務、日本“隼鳥”（Hayabusa）任務和歐空局“羅塞塔”（Rosetta）任務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，成為首個在小天體表面附著的探測器。NEAR首先對Eros小行星進行了為期一年的環繞探測，后成功完成了附著拓展任務。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任務對弱引力環境下的自主光學導航與控制技術進行了試驗驗證，首次利用自主導航與控制技術實現了小天體表面附著。⑧該任務采用了基于光學導航相機和激光雷達的自主導航方案，并在下降過程中投放人工信標，利用導航相機對人工信標進行跟蹤以消除水平方向速度。任務采用了“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還攜帶了一個小型跳躍式表面巡視器MINERVA，但釋放時因速度略超過了逃逸速度而投放失敗。與NEAR不同，Hayabusa采用了懸停方式對小行星進行觀測，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，首次實現了彗星表面附著。⑨Philae采用了無控的彈道式下降，以及冷氣推進與錨定結合的固定方式，但由于冷氣推進與錨定裝置均發生故障，著陸器在彗星表面發生了兩次反彈，最終落入陰影區域，在電池電量耗盡后無法充電而進入休眠狀態。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，但此后再次失去聯系。

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

此外，美國計劃在2020年與歐空局合作實施“小行星撞擊與偏轉評估任務”（AIDA），并于2020～2021年發射“小行星重定向飛行器”（ARV）。其中，“小行星重定向飛行器”將負責捕獲小行星的一塊巨石，并將其拖至月球軌道。⑩這一創新性任務方式不僅可以驗證小行星偏轉等一系列技術，還為小行星資源利用與開發提供了新的思路。

我國的“嫦娥二號”衛星在完成月球探測任務和日地拉格朗日L2點探測任務后，對Toutatis小行星進行了首次近距離飛越探測，使我國成為第四個對小行星開展探測的國家。?我國計劃在2024年前后開展多任務小行星探測活動，與此同時，相關科研機構和高等院校也在積極開展聯合小行星探測的論證工作，以尋求更多的實施小行星探測的機會。

結束語

浩瀚的宇宙中有著無數等待人類去探索的秘密，而人類對于外層空間的探測才剛剛開始。隨著科學技術的進步和人類認知能力的發展，開展深空探測，進入更深、更遠、更廣闊的太陽系和宇宙空間，將成為人類航天活動的重要方面，也是人類探索宇宙奧秘和尋求長久生存發展的必然選擇。同時，探索浩瀚宇宙也是當今世界高新科技領域極具挑戰性的活動，開展深空探測對于推動空間技術、空間科學、空間應用的發展，帶動科技創新，促進經濟和社會持續進步等都具有十分重要的意義。

盡管中國在深空探測領域起步較晚，在諸多方面還是空白，但是相信隨著各種高精尖科學技術的發展，我國將不斷加快向更遠深空邁進的步伐：從發展進入深空能力——至2018/2020年實現人類在月球背面首次著陸巡視以及我國首次火星環繞、著陸和巡視聯合探測，到探索資源利用能力——至2030年前后實現全月面到達、原位資源開發利用、火星及小行星取樣返回，再到拓展深遠空間能力——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可探索能力。我們要堅持走中國特色的深空探測之路，集中全國優勢力量，創新驅動，重點突破，跨越發展，支持我國航天強國、科技強國和制造強國建設。中國的深空探測活動將為實現“兩個一百年”目標和中華民族偉大復興的中國夢、為人類文明進步做出重大貢獻。

（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本文的修改提出了寶貴建議，對三位博士的貢獻表示感謝）

注釋

Cohen M. From Apollo LM to Altair， "Design， Environments， Infrastructure， Missions， and Operations"， AIAA SPACE 2009 Conference & Exposition， 2015.

Karachevtseva I P， Kokhanov A A， Konopikhin A A， "Cartographic and Geodetic Methods to Characterize the Potential Landing Sites for the Future Russian Missions Luna-Glob and Luna-Resurs"， Solar System Research， 2015， 49（2）： pp.92-109.

Messina P， Ongaro F， "Aurora - The European Space Exploration Programme"， ESA Bulletin-European Space Agency， 2003， 115： pp.34-39.

http：//news.xinhuanet.com/tech/2010-09/29/c_12618892.htm.

Ivanov M C， Winski R G， Grover M R， et al.， "Mars science laboratory entry guidance improvements study for the Mars 2018 mission"， IEEE Aerospace Conference， Big Sky， Montana， March 3-10， 2012；Grotzinger J P， Crisp J， Vasavada A R， et al.， "Mars science laboratory mission and science investigation"， Space Science Reviews， 2012， 170： pp.1-52.

Wilson E.， "Success and loss for ExoMars 2016"， Chemical & Engineering News， 2016， 94（43）： 6-6.

Dunham D W， Farquhar R W， Mcadams J V， et al.， "Implementation of the first asteroid landing"， Icarus， 2002， 159（2）： pp.433-438.

Kawaguchi J.， "The hayabusa mission - its seven years flight"， IEEE Symposium on VLSI Circuits （VLSIC）， Honolulu， USA， June 15-17， 2011.

Hand E.， "Philae probe makes bumpy touchdown on a comet"， Science， 2014， 346（6212）： pp.900-901.

https：//www.nasa.gov/content/asteroid-redirect-mission-images.

http：//news.xinhuanet.com/mil/2012-12/17/c_124103097.htm.

責 編∕樊保玲