小天體探測發展態勢

王帥谷知行（ 北京空間科技信息研究所 北京衛星環境工程研究所）

小天體探測發展態勢

王帥1谷知行2
（1 北京空間科技信息研究所 2 北京衛星環境工程研究所）

Development of Small Body Exploration

小天體探測是當前空間探測的一個重要方向，開展小天體探測不僅可以解決眾多基礎科學問題，還有助于避免小天體撞擊地球、引領高新技術和航天工業的發展、提升航天大國地位等。

1 小天體探測的科學目標

小行星探測任務的科學目標和有效載荷

經歷了30余年的發展，小天體探測實現飛越、環繞、著陸和采樣返回等探測方式，探測程度不斷推進，其科學目標也隨之不斷深入。本文按照時間歷程、探測方式分析小天體科學目標的演變情況，及其演變規律和探測重點。

小行星探測的科學目標

小行星探測的頂層科學目標為研究行星、太陽系的形成與演化。為實現這一科學目標，需要根據小行星的分布、構成研究小行星的起源和演變過程，以及太陽系早期的原始成分。

小行星數量眾多且分布廣泛，既有接近地球軌道的近地小行星，也有距離地球遙遠的主帶小行星。小行星探測起步較晚，專門的小行星探測任務多為環繞和著陸任務，深空－1和“南河三”的主要任務為進行技術驗證，因此科學目標較為簡單，開展了小行星飛越任務。為深入了解小行星的形成和演化，小行星探測任務主要研究小行星的構成，特別是小行星的礦物質、水和有機物的情況。

小行星還有一個特點是類型眾多，需要對各類小行星有全面的了解，才能理解天體形成和演化的不同路徑，對太陽系、行星的起源和演化有全面的認識。因此，美國和日本在開展小天體探測任務時都考慮了對小行星各種類型的覆蓋，美國開展的4次小行星探測任務分別探測了S類小行星、Q類小行星、V類和C類小行星、B類小行星，日本主要開展的2次小行星探測任務分別探測了S類小行星和C類小行星，未來還計劃探測D類和Q類小行星。

總的看來，小天體探測一直在進行原位的詳盡成分分析研究。目前美國和日本都在向著更全面的小天體探測發展，重點研究內容為小行星的礦物質、水和有機物以及構成和演化。

彗星探測的科學目標

彗星探測的頂層科學目標為研究太陽系及宇宙的形成與演化，探索生命的起源與發展。為實現這一頂層科學目標，需要根據彗星的軌道、形狀、成分研究彗星的起源和演變過程。

（1）早期的彗星飛越任務

彗星的軌道通常與地球軌道偏差較大，實現交會的難度非常高，早期的任務都是飛越任務，包括日本“先驅者”、歐洲“喬托”和日本行星－A等5個彗星探測器。這些探測器均屬于“哈雷艦隊”任務，于1986年在哈雷彗星返回內太陽系時對其進行了探測。其中，日本探測器進行遠距離的測量，蘇聯探測器扮演先行者的角色，通過較近的飛越定位彗星的彗核，而“喬托”則利用這些探測器返回的信息對哈雷彗星的固體內核進行詳細精確的探測。早期彗星探測任務的科學目標主要是進行全球性的觀測，以及基本構成元素的測量。

（2）近期的彗星采樣返回和著陸任務

進入20世紀90年代以后，只有美國和歐洲對彗星進行了進一步的探測。美國實施了1次彗星飛越采樣返回任務（“星塵”）、1次多彗星飛越任務（“彗核巡游”，失敗），1次彗星撞擊任務（“深度撞擊”），這3次任務逐步加深了對于彗星構成的認識，“星塵”捕獲彗星揮發的物質以研究其成分；“彗核巡游”通過飛越多顆彗星對其進行觀測，進而進一步認識彗核的成分；“深度撞擊”則通過撞擊彗星研究彗星內部物質及其與表面物質的不同。歐洲則執行了1次彗星環繞和著陸任務，由于進入彗星軌道所需速度增量較大，探測器通過多次行星借力并經歷10年飛行才到達目標，目的是對彗星進行詳盡的原位探測，通過多種分析儀研究彗星的成分。

總的看來，彗星的探測經歷了粗略的觀測與簡單的成分研究階段，已經進入詳盡的成分分析研究階段，目前科學目標為更為深入全面的研究彗星構成，特別是水和有機物的探測和研究。

2 小天體探測戰略規劃簡介

小天體探測屬于空間探測的一部分，各國的小天體探測戰略規劃屬于空間探測戰略規劃的一部分。

美國

美國空間探測的長期戰略是基于第一次空間探測高潮獲得的成果和20世紀90年代以來空間探測獲得的新發現，開展太陽系的持續探索。進入21世紀后，美國提出了覆蓋太陽系主要天體、長遠目標為實現載人火星探測的中長期規劃，進一步延伸人類的活動疆域。但由于預算不足等問題，美國航空航天局（NASA）權衡多方面因素，將探測重點集中在火星探測上，同時加大國際合作和商業合作，以減少任務的成本和風險。

從奧巴馬上臺后的戰略規劃看，美國將主要的精力和經費都放在了載人火星探測上，同時將小行星作為一個重點探測目標，開展載人火星探測的試驗任務。小行星在美國空間探測戰略中的定位為空間探測任務的試驗場（目前主要為載人火星探測任務的試驗場），這一點從美國過去的小天體探測任務也可以看出。美國共進行了7次小天體探測任務，其中5次屬于“發現計劃”（小型科學探測任務），1次屬于“新盛世計劃”（深空技術試驗任務），最近的1次屬于“新疆域計劃”。小天體探測任務在執行科學探測的同時更接近于新技術/策略的試驗任務。未來美國小天體探測的走向并不明晰，目前規劃的載人小天體探測任務存在諸多爭議，但其作為空間探測試驗任務這一定位應該不會改變。

歐洲

歐洲的空間探測活動遵從兩條主線，一是以火星探測為核心內容的“曙光計劃”，長遠目標是實現載人火星飛行，期間將通過無人火星和月球探測任務驗證未來載人火星探測的相關技術；二是“宇宙愿景2015-2025”框架下的空間科學項目，描繪了歐洲未來20年的空間探測和空間科學戰略規劃，其中的“太陽系探索”領域包括了除火星以外的其他行星探測、小天體探測以及太陽探測。歐洲各國重點關注的是發展本國的優勢系統技術能力，作為“選做”項目的“曙光計劃”進展并不順利，項目數度延期或擱置，目前歐洲航天局（ESA）正通過國際合作方式推進火星探測和月球探測；而“宇宙愿景2015-2025”的空間科學項目始終處于穩步實施狀態，已成為歐洲各國航天合作的核心。

歐洲目前的空間探測戰略重點為火星探測和月球探測，同時兼顧太陽系各類天體的探測。歐洲在進行空間探測時重視技術的發展，同時關注各類天體的覆蓋，因此相比于持續對1顆天體的探測而言，包含新技術的新型探測任務更具有吸引力。歐洲近20年來發射的空間探測任務的目標全部都不同，并且未來規劃的水星探測、近太陽探測和木星冰衛星探測也全部都不同。不過“羅塞塔-菲萊”彗星探測器屬于歐洲航天局“地平線2000長期科學計劃”的4個基石任務之一，對于奠定歐洲空間探測基礎能力具有重大意義。因此，可以判斷小天體探測任務對于歐洲的定位包含了占領彗星探測先機，進行空間探測技術驗證并奠定空間探測基礎的意義。短期內，歐洲并沒有進一步探測小天體的計劃。

日本

日本的空間探測戰略規劃是繼續深化優勢探測項目，集中資源開展多類型的小行星采樣返回任務，以繼續保持其在小行星探測領域的優勢地位，并通過自身發展或國際合作開展月球探測和其他行星探測。日本空間探測發展戰略是堅持以自身為基礎，實施具有獨創性的探測任務，擴大與歐洲、美國等空間探測領域先進國家的合作，為日本獨立掌握有關技術積累經驗，使日本空間科學研究和空間探測技術得以持續發展。

20世紀80年代，日本計劃進軍空間探測領域，當時設定了包含金星、火星探測在內的“行星”（PLANET）計劃。但由于哈雷彗星回歸帶來的全球哈雷彗星探測熱潮，日本將前兩次任務更改為哈雷彗星探測任務，即“先驅者”和行星－A任務。這兩次任務的成功奠定了日本空間探測的基礎能力，但此時日本重點關注的仍是大行星的探測任務。20世紀90年代初，日本開始研究進行小行星采樣返回任務，意圖占領小行星探測的先機，并最終形成了“隼”近距離觀測任務，該任務在發射入軌后更名為“隼鳥”。“隼鳥”成功帶回小行星樣品之后，日本占據了小行星探測的先機，這徹底堅定了日本進行小行星探測的計劃，并促成了原始天體探測計劃的設立。

日本行星科學會根據科學界的研究情況，為空間探測制定了獨特的長期戰略目標，即研究早期生命環境的演化—揭開生命圈的誕生條件之謎。為實現這一戰略目標，日本設立了5條路徑，其中3條路徑都與小行星探測密不可分。目前，日本已經探測了S類小行星，探測C類小行星的隼鳥－2也已經發射成功，未來還計劃發射隼鳥－X對更原始的D類、P類小行星進行探測。2015年，日本提出將開展火星衛星采樣返回任務，作為小行星探測與火星探測之間連接的橋梁。科學家認為，火星衛星很可能是火星捕獲的D類小行星，內部可能保留有原始的信息。因此，未來火星衛星采樣返回可能是“隼鳥”系列的延續。

其他國家

目前，開展過專門小天體探測任務的國家/地區只有美國、歐洲和日本。不過，一些國家已經將小行星探測任務列入未來探測的日程中，但并沒有系統的小天體探測戰略規劃。

俄羅斯航天工業目前正處于改革和調整之中，其空間探測戰略和政策也發生多次變更，目前無法明確其探測路線及規劃。2015年，俄羅斯制定《2016-2025年聯邦航天發展規劃（草案）》，指出俄羅斯將重點開展月球探測，同時實現火星衛星采樣返回探測和小天體探測，并參與空間探測領域的國際項目等。目前，俄羅斯對小行星阿波菲斯的探測計劃已經進入定義階段。除此之外，韓國和印度也制定了小行星探測的規劃，但尚沒有實施細節。

3 小天體探測能力概況

通過對主要航天國家小天體探測的進展情況分析可以看出，美國在任務數量以及任務多樣性上占據了絕對優勢，日本和歐洲則分別在小行星探測和彗星探測領域取得了領先地位。但這只能部分代表已經探測的進展情況，不能全面反映出各國在小天體探測方面的能力。本節將通過分析美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度在空間探測技術領域的進展情況，簡單分析各國在小天體探測方面具備的能力。

空間探測技術涉及范圍廣泛，包括任務設計能力、發射推進系統、空間推進技術、通信、導航、制導技術等。本文僅考慮是否可以成功抵達探測目標，以及在目標可以執行怎樣的操作兩個方面，對各國的技術能力進行簡單的總結和分析。

目標可達能力

目標可達能力指的是能夠將航天器發射至目標天體的能力，主要可以分為四個方面，分別為任務設計能力，空間探測平臺制造能力，發射和空間推進能力以及通信遙測能力。

任務設計能力。它主要指探測目標的選取和軌道設計能力。由于小天體數量眾多，這點對于小天體探測而言尤為重要。通過合理的設計，在其他能力不變的情況下可以探測更遠的、更具科學價值的目標，也可以實現探測器的多目標探測。根據各國以往的任務可以看出，美國、歐洲都具有最強的任務設計能力，其任務復雜度最高，任務過程可以包含多次行星借力和多個目標天體的探測。日本的任務設計相對而言并不復雜，但由于其多個空間探測任務遭受故障，在拯救任務的過程中實施了復雜的飛行方案，因此在任務設計方面日本也具有相當的能力。

空間探測平臺制造能力。它主要指探測器平臺是否可以滿足空間探測要求的環境。目前從各國空間探測的進展情況看，美國、歐洲、俄羅斯、日本和印度都具備了最基本的能力，其中美國、歐洲和俄羅斯具有設計和發射大型平臺的能力和經驗，日本只有設計小于1t探測器的經驗，而印度則是基于衛星平臺進行了修改，在探測平臺制造能力方面弱于日本。

發射和空間推進能力。它主要指火箭運載能力和探測器推進系統的推進能力，這兩方面決定了探測器最遠可以到達的距離。火箭運載能力方面，美國的宇宙神－5可以達到1.8×104t的低地球軌道（LEO）運載能力，俄羅斯的質子－M可以達到2.2×104t以上的LEO運載能力，歐洲的阿里安－5可以達到2.1×104t的LEO運載能力，日本的H-2B火箭可以達到1.6×104t的LEO運載能力，印度的“地球同步衛星運載火箭”（GSLV）則可以達到0.5×104t的LEO運載能力。探測器推進系統方面，美國、歐洲和日本都已經掌握了深空電推進系統技術，但日本在推力大小方面落后于美國和歐洲，同時日本掌握了深空太陽帆推進技術。因此，在發射和推進能力上，美國和歐洲具有領先地位，向內可以發射近太陽探測任務，向外則可以發射木星以遠任務；日本和俄羅斯緊隨其后，可以發射金星到火星范圍內的任務；印度則能將小型探測器發射至金星到火星范圍。

主要航天國家/地區小天體探測能力對比

通信遙測能力。它主要是地面與空間探測器之間的通信、遙測能力。美國的深空網是當前通信遙測能力最強的天線系統，并且美國在火星布置的多個軌道器可以為火星表面任務提供深空通信中繼服務。歐洲和俄羅斯深空通信網處于第二梯隊，可以實現與發射和空間推進能力相匹配的通信遙測，其中歐洲的深空通信網在近期已經可以獲得木星探測器回傳的信號。日本和印度在通信遙測能力上較弱，其空間探測任務的深空通信常借助于美國、歐洲的設施。

操作能力

操作能力指的是能夠在目標天體實施的探測手段，主要決定于接近段的導航制導能力，進入、下降和著陸能力以及有效載荷能力。

導航制導能力。它主要指探測器能否精準進入目標天體軌道的能力。從以往任務看，美國、歐洲和日本都可以利用光學制導等措施實現精確入軌；俄羅斯在蘇聯時期的空間探測任務同樣可以實現精確入軌，但近30年來俄羅斯沒有成功實施過空間探測任務，并不好判斷其導航制導的精度；印度的導航制導能力較低。

下降和著陸能力。它主要指探測器接近小行星以及著陸在小行星上的能力。美國并未發射過專門的小天體著陸任務，但通過控制“近地小行星交會”探測器實現了首次小行星軟著陸，結合其火星著陸任務能力看，美國在下降和著陸方面具有絕對的領先優勢。歐洲實現了首次彗星軟著陸，日本實現了首次小行星著陸采樣返回，可以說兩者在小天體下降和著陸方面具有領先的技術。俄羅斯和印度則沒有實施過類似任務。

有效載荷能力。它指的是制造小天體探測所需有效載荷的能力。由于有效載荷種類繁多，不以具體的有效載荷精度衡量其能力，而是從過往任務的科學探測儀器上推斷有效載荷能力。美國和歐洲在探測時重視科學目標，其探測器攜帶的有效載荷具有國際領先水平；日本探測器攜帶的有效載荷較少，其能力略低于美國和歐洲；俄羅斯盡管沒有實施過類似任務，但蘇聯時期實施的空間探測形成了一定的積累；印度在科學探測方面并不重視，其技術能力也較低，因此有效載荷能力很低。

綜合來看，美國和歐洲在小天體探測能力上具有較大的領先優勢，美國實施的小天體探測任務數量和多樣性最多，歐洲則在彗星探測進展上領先；日本和俄羅斯的小天體探測能力緊隨其后，但日本實施了2次小行星采樣返回任務，使其在小行星探測上具有一定的領先地位；印度的小天體探測能力較低，目前還未涉及這一領域。