深空探测：空间拓展的战略制高点

【摘要】深空探测是人类探索宇宙奥秘、开发天体资源、拓展空间疆域、实施技术创新的重要领域，是当今世界高新科技领域极具挑战性、创新性和带动性的重大活动，已成为21世纪航天大国和空间组织进行空间拓展与科技创新的战略制高点。作为深空探测的热点目标，月球、火星、小天体分别承载了不同的探测功能，美国、俄罗斯、欧空局等航天大国和组织对这些目标开展了相关探测活动，并有一系列的深空探测规划。随着各种高精尖科学技术的发展，我国将不断加快向更远深空迈进的步伐，从发展进入深空能力，到探索资源利用能力，再到拓展深空能力，为实现“两个一百年”目标和人类文明进步做出重大贡献。

【关键词】深空探测 月球探测 火星探测 小天体探测

【中图分类号】V11 【文献标识码】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.002

遨游宇宙、探索深空是人类一直以来的美好愿景。1957年世界第一颗人造卫星成功发射，为人类揭开了开拓外层空间的新篇章。随后，深空探测逐渐成为人类重要的航天活动领域。人类通过对地球以外其他星体的探测，了解行星的起源和演化规律，探索和揭示生命的由来及其在宇宙中的进化，进一步认识地球环境的形成和演变，并为开发空间资源、保护地球免受其他小天体危害开辟新的途径。深空探测对人类的持续生存和不断向地球以外的空间拓展有着重要的现实意义。

近年来，深空探测无论在深度还是广度上都取得了巨大的成就，而推动深空探测发展的原动力则是科学探索与技术进步。技术发展是人类破解科学难题的手段和工具，而距离遥远是实施深空探测任务所面临的首要技术难题。该难题主要表现为：长时间飞行的能源动力问题、远距离飞行的测控通信问题、深空飞行的精确导航与控制问题以及对深空环境的适应性问题等。正是这些问题的出现，才促进了利用核裂变产生的能量为探测器提供能源的空间核电源技术、通过电场力将带电离子加速喷出形成反作用推力的离子推进技术，以及高频段测控通信技术、光通信技术和深空自主导航与控制等技术的发展。同时，也促进了利用太阳光压作为动力的太阳帆等新概念和新技术的出现。

人类已经渡过了深空探测的初级阶段，正在向中级阶段迈进。未来的深空探测活动将不仅仅局限于作为人类认识宇宙、了解自然规律的一种方式，还将成为人类保护地球、进入宇宙、拓展生存空间的一种手段，也将是人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径。进入21世纪，美国、俄罗斯、欧空局等航天大国和组织相继制定了20年甚至更长远的深空探测规划。这些规划表明，月球、火星和小行星仍将是未来深空探测的重点和热点，但其探测的内涵和深度较前期的探测活动将有明显的提升。

月球探测——深空探测的“中转站”

月球是地球唯一的天然卫星，是距离地球最近的天体。它一直是人类观察研究的对象，是人类开展深空探测的首选目标。月球可以作为深空探测的“中转站”和空间技术的试验点，富含水冰及各类矿物资源，尤其是月球极区具有更高的探测价值。因此，技术成熟的航天大国仍将月球探测作为其深空探测的重要任务之一，纷纷提出建立月球科研站或基地的构想。同时，月球作为深空探测的起点，是实现深空探测突破的首选目标，目前很多新兴航天国家和机构都将月球探测列为首次深空探测活动的重点。

自1959年至今，月球探测经历三个主要时期：初始探月高潮期（1959～1976）、冷战结束宁静期（1976～1994）、重返月球研发期（1994至21世纪前30年）。21世纪月球探测的战略目标是建设月球科研站或基地，开发利用月球资源、能源与环境，为人类社会的可持续发展服务。在“克莱门汀”和“月球勘测者”之后，欧洲的SMART—1计划、日本的“月球—A”和“月神”计划以及印度的月球探测计划相继实施。它们均以月球资源探测为主要目标，旨在为未来月球资源开发利用奠定基础。纵观世界各国21世纪月球探测计划，与初期的月球探测相比，重返月球、建立月球科研站或基地的目标更明确，规模更宏大，参与国家更多。

美国于2004年提出了“重返月球”计划，旨在建立月球基地，并以此为中转站实现载人火星探测。牵牛星（Altair）号月球着陆器是美国国家航空航天局（NASA）星座计划的关键组成部分，该计划结合了航天器、运载火箭以及实现重返月球和太阳系其他目标天体的探测任务。①牵牛星号月球着陆器原计划在2020年前运送宇航员和相关物资至月球表面，但在2010年由于经费问题该计划被取消。然而，美国方面并未完全放弃月球探测。NASA在2014年发布了“月球货运和软着陆”倡议，旨在寻求与私营公司合作将有效载荷送上月面。目前，美国加利福尼亚州的月球快车公司的MX1着陆器已完成了有关地面试验，预计将于2017年发射。商业途径将是未来深空探测的另一发展趋势。

俄罗斯在月球探测上取得过辉煌的成绩。21世纪初，俄罗斯公布的空间探索计划中，仍将月球探测放在了首位，提出了“月球—水珠”“月球—土壤”等一系列任务。②尽管近期俄罗斯的深空探测任务由于多种原因被反复延期，但俄罗斯方面始终坚定地将月球探测作为重点，并提出将于2030年实现载人月球探测。

欧空局（ESA）在21世纪初发布了“曙光”空间探索计划（Aurora Programme），提出将月球作为载人火星探测的前哨基地。③2015年5月，欧空局宣称最早将于2024年在月球背面建立基地，目前正在研發月球软着陆技术。日本在2005年公布的空间探索规划中指出，将重点开展月球探测和月球资源利用，通过软着陆——采样返回——载人登月三个阶段实施月球探测计划。2015年3月，日本宣布将于2018年执行月球软着陆任务“月球探测小型着陆器”（Smart Lander for Investigating Moon， SLIM），旨在实现百米级的精确软着陆。印度也计划在2017年进行第二次月球探测，韩国则提出在2020年发射月球轨道器和着陆器。

中国是第三个实现月球软着陆和巡视任务的国家。从2007年发射的“嫦娥一号”绕月探测，到2010年发射的“嫦娥二号”实现“一探三”，再到2013年发射的“嫦娥三号”月面软着陆，中国探月工程“绕—落—回”三步走战略④前两步已取得圆满成功，下一步将在2018年前后实现人类首次月球背面软着陆与采样返回任务，为开展更远深空目标的探测活动奠定基础。

火星探测——行星探测的首选目标

作为太阳系内结构和环境最接近地球的行星，火星始终是最受关注的行星探测目标。从上世纪60年代开始，人类拉开了对火星进行近距离探测的序幕，探测方式也随着空间技术水平的提高，由“飞越、绕飞”向“着陆、巡游”发展。其中，具有代表性的火星着陆探测任务包括美国的“海盗号”（Viking）、“火星探路者”（MPF）、“勇气号”（MER—A）和“机遇号”（MER—B）、“凤凰号”（Phinex）、“好奇号”（Curiosity）以及欧空局的“火星快车”（Mars Express）和“猎兔犬2号”（Beagle 2）等。这其中尤以2011年11月26日发射升空、2012年8月6日成功着陆火星的“好奇号”最具代表性。“好奇号”是美国迄今最大、最昂贵、最先进的火星车，对新一代进入制导技术、导航与轨迹姿态控制技术、火星软着陆技术等进行了验证，⑤进一步推进了火星着陆探测技术的发展。

21世纪以来，多个国家提出了载人火星探测计划，意欲将人类的活动疆域扩展至火星。美国的载人火星探测计划，将首先执行机器人先驱任务，并完成火星采样返回，继而结合月球或载人小行星探测任务，完成载人火星探测技术的试验验证，最后完成火星的载人探测任务。在实施载人火星探测前的小行星探测等众多深空探测任务均包含有为载人火星探测所做的技术演练与储备。

在欧空局的“曙光”计划中，提出了在21世纪30年代中期实现载人火星探测的长期目标。计划的核心为火星探测，将通过建立月球前哨基地进行载人火星任务的技术开发和验证，最终实现载人火星探测。欧空局已与俄罗斯正式签署协议，共同实施2016年和2018年的“火星生命探测计划”（ExoMars）任务。然而不幸的是，“ExoMars 2016”火星探测任务由于在着陆过程中减速推进器提前关闭导致着陆器失速坠毁。⑥

俄罗斯除了参与欧空局的ExoMars项目之外，还计划于2025年再次实施“火卫一—土壤”（Phobos—Grunt）火卫一采样返回任务。日本在2015年6月宣布将于2021年向火星卫星发射采样探测器，实现火星卫星的首次采样返回。印度则计划于2018年实施第二次火星探测任务。另外，新兴航天国家也将目光锁定在了火星探测，阿联酋计划于2020年实施火星探测任务——“希望号”（Hope），韩国则提出2026年和2030年发射火星轨道器和着陆器。

中国拟于2020年前后实施火星“绕—落—巡”一体化探测任务，该任务由环绕器和着陆巡视器组成，其中环绕器将环火星飞行1个火星年，火星车将在火星表面运行90个火星日。在此期间，将重点探测火星形貌与地质构造特征、土壤特征与水冰分布、表面物质组成、大气电离层及气候特征以及物理场与内部结构。

小天体探测——深空探测的特殊目标

小天体探测是研究太阳系形成与演化、生命起源与进化，以及抵御外来天体撞击地球的重要技术途径。同时，也可为试验新型空间技术，尤其是深空探测技术提供验证平台。随着航天技术的发展和空间科学研究目标的提高，小天体探测由早期的“飞越、环绕”探测，逐渐发展到目前的“撞击、附着与采样返回”。

美国“近地小行星交会”（Near Earth Asteroid Rendezvous， NEAR）任务、日本“隼鸟”（Hayabusa）任务和欧空局“罗塞塔”（Rosetta）任务是小天体探测成功的典范。2001年2月，美国NEAR Shoemaker（简称NEAR）探测器成功附着于433 Eros小行星表面，成为首个在小天体表面附着的探测器。NEAR首先对Eros小行星进行了为期一年的环绕探测，后成功完成了附着拓展任务。⑦2005年11月，日本Hayabusa探测器自主附着于25143 Itokawa小行星表面，并于2010年6月携带收集到的小行星样本成功返回了地球。Hayabusa任务对弱引力环境下的自主光学导航与控制技术进行了试验验证，首次利用自主导航与控制技术实现了小天体表面附着。⑧该任务采用了基于光学导航相机和激光雷达的自主导航方案，并在下降过程中投放人工信标，利用导航相机对人工信标进行跟踪以消除水平方向速度。任务采用了“接触—分离”（Touch And Go，TAG）附着方式，在小行星表面短暂附着并采集样品，然后上升离开。Hayabusa还携带了一个小型跳跃式表面巡视器MINERVA，但释放时因速度略超过了逃逸速度而投放失败。与NEAR不同，Hayabusa采用了悬停方式对小行星进行观测，然后从悬停位置下降附着在小行星表面。2014年11月，欧空局发射的Rosetta探测器成功释放着陸器“菲莱”（Philae），Philae随后缓慢附着于67P/Churyumov—Gerasimenko彗星表面，首次实现了彗星表面附着。⑨Philae采用了无控的弹道式下降，以及冷气推进与锚定结合的固定方式，但由于冷气推进与锚定装置均发生故障，着陆器在彗星表面发生了两次反弹，最终落入阴影区域，在电池电量耗尽后无法充电而进入休眠状态。随着彗星接近太阳而使光照条件改善，地面站曾于2015年6至7月间断性地接收到着陆器信号，但此后再次失去联系。

目前，日本和美国正在实施新的小行星采样返回任务。日本“隼鸟2号”（Hayabusa 2）任务于2014年12月发射，对C类小行星1999 JU3进行采样返回。探测器预计2018年6月到达1999 JU3小行星，进行为期一年半的探测活动，然后于2019年12月返回，2020年12月到达地球。美国OSIRIS—REx任务于2016年9月发射，将对Bennu小行星进行采样返回探测，计划采集不少于60g样品。OSIRIS—REx探测器计划于2018年到达Bennu小行星，采集样品后于2023年返回地球。

此外，美国计划在2020年与欧空局合作实施“小行星撞击与偏转评估任务”（AIDA），并于2020～2021年发射“小行星重定向飞行器”（ARV）。其中，“小行星重定向飞行器”将负责捕获小行星的一块巨石，并将其拖至月球轨道。⑩这一创新性任务方式不仅可以验证小行星偏转等一系列技术，还为小行星资源利用与开发提供了新的思路。

我国的“嫦娥二号”卫星在完成月球探测任务和日地拉格朗日L2点探测任务后，对Toutatis小行星进行了首次近距离飞越探测，使我国成为第四个对小行星开展探测的国家。⑪我国计划在2024年前后开展多任务小行星探测活动，与此同时，相关科研机构和高等院校也在积极开展联合小行星探测的论证工作，以寻求更多的实施小行星探测的机会。

结束语

浩瀚的宇宙中有着无数等待人类去探索的秘密，而人类对于外层空间的探测才刚刚开始。随着科学技术的进步和人类认知能力的发展，开展深空探测，进入更深、更远、更广阔的太阳系和宇宙空间，将成为人类航天活动的重要方面，也是人类探索宇宙奥秘和寻求长久生存发展的必然选择。同时，探索浩瀚宇宙也是当今世界高新科技领域极具挑战性的活动，开展深空探测对于推动空间技术、空间科学、空间应用的发展，带动科技创新，促进经济和社会持续进步等都具有十分重要的意义。

尽管中国在深空探测领域起步较晚，在诸多方面还是空白，但是相信随着各种高精尖科学技术的发展，我国将不断加快向更远深空迈进的步伐：从发展进入深空能力——至2018/2020年实现人类在月球背面首次着陆巡视以及我国首次火星环绕、着陆和巡视联合探测，到探索资源利用能力——至2030年前后实现全月面到达、原位资源开发利用、火星及小行星取样返回，再到拓展深远空间能力——至2050年建成月球科研站或基地并具有太阳系任意天体可到达可探索能力。我们要坚持走中国特色的深空探测之路，集中全国优势力量，创新驱动，重点突破，跨越发展，支持我国航天强国、科技强国和制造强国建设。中国的深空探测活动将为实现“两个一百年”目标和中华民族伟大复兴的中国梦、为人类文明进步做出重大贡献。

（博士研究生高艾为本文的撰写提供了很好的素材，博士研究生徐瑞和于正湜对本文的修改提出了宝贵建议，对三位博士的贡献表示感谢）

注释

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責 编∕樊保玲

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