世界深空探測發(fā)展態(tài)勢及展望

王帥 盧波（北京空間科技信息研究所）

2015年7月14日，美國“新視野”探測器首次實現(xiàn)了冥王星的近距離探測，從而完成了太陽系原“九大行星”的探測，標志著人類行星際觀測第一階段任務的完成。此次探測歷時3462天，跨越4.8×109km的距離，為人類50余年的深空探測歷史劃上了濃墨重彩的一筆。

深空探測是世界航天領域最前沿的科技創(chuàng)新活動之一，不僅可以增進人類對宇宙空間未知領域、太陽系和生命起源的認識，還可以推動空間科技的發(fā)展，促進空間資源的開發(fā)和利用。因此，深空探測已成為世界各國未來航天領域發(fā)展的主要方向之一。

深空探測的重要里程碑

自20世紀50年代以來，人類先后完成了月球、太陽和原“九大行星”的探測。整體的探測趨勢包含兩個方面的發(fā)展：一方面，參與深空探測的國家日益增多，呈現(xiàn)出分散性和合作性的趨勢；另一方面，探測活動相比于初期有所減少，但單個任務的科學探測回報顯著提高，呈現(xiàn)出由粗放型向集約型過渡的發(fā)展趨勢。未來20年，美、俄、歐、中、日等國將重點圍繞火星、月球和小行星進行一系列的探測，在完成科學探測的同時擴展人類的生存空間。

1 世界深空探測發(fā)展現(xiàn)狀

截至“新視野”探測器完成冥王星探測，世界各國針對月球以遠的太陽系天體共開展過234次探測活動。20世紀90年代以前主要探測目標為月球、火星和金星。在這一階段，僅有美國和蘇聯(lián)兩國開展深空探測方面的活動。由于其中包含了美蘇兩國政治競爭因素，該階段的深空探測多以實現(xiàn)突破為主，任務量緊密但探測的科學回報較低，失敗率也很高。20世紀90年代中期開始，歐盟、日本和中國等國開始涉足深空探測，并結(jié)合當前技術發(fā)展水平和科學探測意義，將探測目標重點鎖定在月球、小行星和火星。盡管該階段的任務沒有20世紀60-70年代密集，但任務類型更為復雜，科學回報顯著提高，顯得更為理智和意義深遠。

深空探測活動統(tǒng)計圖

20世紀90年代以來月球和小天體的探測情況統(tǒng)計

月球和小天體的探測

月球和小天體都具有可接近性好、資源可利用性高等優(yōu)點。因此，在當前技術水平下，進行月球和小天體的探測和資源利用成為了各國關注的一個焦點。

月球作為距離地球最近的天體，是所有國家開展深空探測的首選目標。1959年，蘇聯(lián)的月球－2實現(xiàn)了月球硬著陸任務，開啟了人類征服近地以遠空間的征程。在此之后，美、歐、日、中、印等國先后完成了月球探測任務。這些探測任務揭開了月球的神秘面紗，使得月球成為人們研究最徹底的天體，以及人類唯一涉足的地外天體。由于月球可接近性好，進行月球資源的開采和利用將是緩解地球資源壓力的一條重要途徑。另一方面，開展月球探測可以為未來深空無人和載人探測提供技術基礎。

小天體指圍繞太陽運轉(zhuǎn)但不符合行星和矮行星條件的天體，主要包括小行星、彗星、流星體和其他星際物質(zhì)。小天體探測不僅有助于揭示太陽系的起源和演化，還可以促進資源利用和行星防御的研究。小天體質(zhì)量較小、引力微弱、易于逃逸，因此進行小天體資源采集相比于月球更為簡單。另一方面，小天體載人探測也被認為是火星載人探測道路上重要的試驗步驟。目前為止，小天體探測共進行過12次，其中彗星探測7次，小行星探測5次。

類地行星的探測

類地行星指主要由硅酸鹽巖石或金屬構成的一類行星。太陽系內(nèi)的類地行星包括水星、金星、地球和火星，其共同特點是距離太陽較近，半徑和質(zhì)量較小。由于類地行星距離地球較近，且結(jié)構與地球類似，成為了人類探索行星的首選目的地。

水星是距離太陽最近的行星，由于太陽引力較強并且水星幾乎沒有大氣層，進行水星環(huán)繞和著陸任務難度很大。另一方面，水星表面溫差極大，其宜居性不好。因此，人類探測水星的熱情并不高。目前，僅有水手－10和信使號探測器進行過水星探測。然而，水星是太陽系類地行星中除地球之外唯一有顯著磁場的行星，觀測其磁場仍具有較大的探測價值。

金星是距離地球最近的行星，其體積和質(zhì)量與地球最為接近，在探測以前曾被認為是最可能存在生命的太陽系行星。1962年，美國的水手－2探測器成功飛越金星，完成了人類首次行星探測。測量數(shù)據(jù)表明，金星覆蓋有厚重的二氧化碳大氣層，表面溫度高達400℃以上。這些證據(jù)表明，金星存在生命的可能性非常小，一定程度上打擊了人類探測金星的熱情，僅發(fā)射了共6顆金星探測器。而蘇聯(lián)共進行了33次金星探測，在金星探測方面達到了領先地位。20世紀90年代以來，僅歐洲航天局（ESA）和日本各執(zhí)行過一次金星探測任務。此后，美國將重點轉(zhuǎn)向火星探測。

火星是距離地球第二近的行星，還是最可能存在生命的行星。目前，人類共進行了42次火星探測。其中，美國20次，成功15次；蘇聯(lián)/俄羅斯19次，僅成功5次；歐洲和印度各成功1次，日本則失敗1次。美國始終對火星保持了極大的興趣，保持著火星探測的絕對領先地位。大量的探測數(shù)據(jù)都表明，火星曾存在液態(tài)水，很可能適合生命出現(xiàn)和生存。這進一步增加了人類對火星探測的興趣，也使得火星成為了載人深空探測的首個行星目的地。

太陽系其他天體的探測

限于當前的技術水平，對于距離地球遙遠的太陽、巨行星和柯伊伯帶天體，進行近距離的探測較為困難。目前，針對這些天體進行的深空探測活動還比較少。

20世紀90年代以來類地行星的探測情況統(tǒng)計

20世紀90年代以來太陽、巨行星和冥王星的探測情況統(tǒng)計

太陽探測活動對研究人類生存環(huán)境具有重大的意義，而深空太陽探測可以得到地面、近地觀測難以獲得的信息。深空太陽探測主要分為兩類，一類為在環(huán)繞太陽軌道進行的探測，另一類為在日地拉格朗日點進行的探測。截至2015年7月，環(huán)繞太陽的探測任務共10次，在日地拉格朗日點進行的太陽探測共5次。

巨行星包括氣態(tài)巨行星和冰巨星，通常由氣體或冰等低沸點的物質(zhì)構成，體積都較大。太陽系內(nèi)的巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。這些巨行星距離地球較遠，探測難度較大，目前僅有美國探測過這些行星。最近的研究表明木星和土星的衛(wèi)星具有生命存在的可能性，未來對于這些衛(wèi)星的探測將成為尋找地外生命重要的組成部分。

柯伊伯帶位于海王星軌道外，充滿了大大小小的冰凍天體。這些冰凍天體保留了太陽系形成初期的物質(zhì)形態(tài)，其探測任務有助于認識太陽系的起源。目前，只有“新視野”完成了冥王星系統(tǒng)的探測，其還將于2017－2020年進行其他1～2個柯伊伯帶天體的探測。探測柯伊伯帶天體不僅需要很高的發(fā)射速度，還需要克服寒冷和黑暗帶來的諸多問題，并且短時間內(nèi)任務的回報比較低。因此，現(xiàn)在各航天國家還沒有設立相關的探測計劃。

2 世界深空探測未來發(fā)展態(tài)勢及展望

綜上所述，目前深空探測的重點主要集中在月球、火星和小天體上。未來20年，該趨勢仍將繼續(xù)保持，任務類型趨于多樣化并向載人探測方面發(fā)展。美、歐、俄、日、中、印等國針對這些重點探測目標都制定了探測計劃。

月球探測進入新的發(fā)展階段，競爭日趨激烈

月球可以作為深空探測的“中轉(zhuǎn)站”和空間技術的試驗點，并且富含水冰及各類礦物資源，特別是月球極區(qū)等高價值探測區(qū)域。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點項目之一，紛紛提出建立月球基地的構想。另一方面，月球作為深空探測的起步點，是實現(xiàn)深空探測突破的第一步，目前很多新興航天國家和機構也都將月球探測列為未來探測的重點。

美國作為唯一完成載人登月的國家，于2004年提出了“重返月球”計劃，旨在建立月球基地，并以此為跳板實現(xiàn)載人火星探測。2010年，由于經(jīng)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。美國航空航天局在2014年發(fā)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，月球快車公司的MX－1著陸器已完成了有關地面試驗，預計將于2017年發(fā)射。商業(yè)途徑將是未來深空探測的另一項發(fā)展趨勢。

未來深空探測計劃

俄羅斯在冷戰(zhàn)時期實現(xiàn)了月球的首次探測和無人采樣返回等任務，在月球探測上取得過輝煌的成績。21世紀初，俄羅斯公布的太空探索計劃中，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。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年實施載人月球探測。

月球基地構想圖

中國是世界上第3個實現(xiàn)月球軟著陸和巡視任務的國家，共實施過4次月球探測，下一步將實施采樣返回任務。未來10年內(nèi)，中國的深空探測重點將仍然在月球探測上，這將有利于未來月球資源的開發(fā)利用和火星探測任務的技術試驗準備。

歐洲航天局在21世紀初發(fā)布了“曙光”空間探索計劃，提出將月球作為火星載人探測的前哨基地。2015年5月，ESA宣稱最早將于2024年在月球暗面建立月球基地，目前正在研發(fā)月球軟著陸技術。日本在2005年公布的空間探索規(guī)劃中就指出，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3個階段實施月球探測計劃。2015年3月，日本宣布將于2018年執(zhí)行月球軟著陸任務的“小型月球著陸器”（SLIM），旨在實現(xiàn)百米級的精確軟著陸。印度也計劃將在2017年進行第二次月球探測，韓國提出在2020年發(fā)射月球軌道器和著陸器。

火星探測仍是行星探測的首選目標

作為太陽系內(nèi)結(jié)構和環(huán)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。21世紀以來多個國家提出了火星載人探測任務，意欲將人類的活動疆域擴展至火星。

“洞察”火星著陸器

美國在21世紀初就提出了覆蓋太陽系主要天體、長遠目標實現(xiàn)載人火星探測的中長期規(guī)劃。美國的載人火星探測任務，將首先執(zhí)行機器人先驅(qū)任務，并完成火星采樣返回任務；然后，結(jié)合月球或載人小行星探測任務完成載人火星探測的空間技術驗證；最后，實現(xiàn)火星的載人探測任務。在最終完成載人火星探測前，小行星探測等眾多任務都包含了為載人火星探測做技術準備的意義。目前，美國計劃最早發(fā)射的火星探測任務為2016年發(fā)射的“洞察”火星著陸器。

歐洲在2004年發(fā)布了“曙光”計劃，提出在21世紀30年代中期實現(xiàn)載人火星探測的長期目標。計劃的核心為火星探測，并將通過建立月球前哨基地進行載人火星任務的技術開發(fā)和驗證，最終實現(xiàn)載人火星探測。目前，ESA已與俄羅斯正式簽署協(xié)議共同實施2016年和2018年的“火星生物學”（ExoMars）任務。

俄羅斯除了參與歐洲的“火星生物學”項目之外，還計劃于2025年再次實施“火衛(wèi)一-土壤”火衛(wèi)一采樣返回任務。日本在2015年6月宣布將于2021年向火星衛(wèi)星發(fā)射采樣探測器，實現(xiàn)火星衛(wèi)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(lián)酋計劃于2020年實施火星探測任務“希望”，韓國則提出2026年和2030年發(fā)射火星軌道器和著陸器。

小天體探測更具靈活性，是空間探測的重要目標

小天體探測不僅具有空間資源利用和探測太陽系起源的意義，還是火星載人探測技術試驗的關鍵階段之一。另外，小天體對地球存在潛在碰撞威脅也引起了巨大的關注。目前，美國和日本都制定了明確的小行星探測計劃，其他航天國家則也表示了實施小行星探測的意愿。

美國計劃在2025年前實施3次小行星探測任務，分別為2016年的小行星采樣返回任務“源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器”（OSIRIS-Rex），2020年與ESA合作實施的“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務”（AIDA），以及2020-2021年發(fā)射的“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。這一創(chuàng)新性任務方式不僅可以驗證小行星偏轉(zhuǎn)等一系列技術，還可為小行星資源利用與開發(fā)提供一條新的道路。

“小行星重定向飛行器”捕獲巨石示意圖

日本通過小行星采樣探測，走出了獨特的深空探測之路，并取得了巨大的成功。未來，日本將繼續(xù)發(fā)展小行星采樣探測，使日本空間科學研究和空間探測技術得到進一步的發(fā)展。2014年，日本成功發(fā)射了隼鳥－2小行星探測器，目標是對1999JU3小行星進行采樣返回任務，目前該任務仍在飛行途中。

其他國家方面，俄羅斯對小行星Apophis的探測計劃尚在定義階段，韓國方面則宣稱將于2032年發(fā)射小行星采樣返回探測器，印度方面也表示將適時開展小行星探測。

太陽系其他天體探測逐步擴展

在鎖定上述三類重點探測目標的同時，各國也分別給出了其他天體的探測計劃。類地行星探測方面，歐洲與日本將在2016年合作發(fā)射“貝皮-哥倫布”水星探測器；俄羅斯也計劃在2024年后發(fā)射金星－D復合探測器。在巨行星探測方面，美、歐在近期都將目標鎖定在了木星系統(tǒng)上，NASA計劃于2020年發(fā)射探測器飛往木衛(wèi)二，ESA則計劃于2022年發(fā)射“木星冰衛(wèi)星探測器”。太陽探測方面，美國計劃于2018年前發(fā)射“太陽探測器+”，這將是首個進入太陽日冕的飛行器；歐洲計劃2017年發(fā)射“太陽軌道器”，俄羅斯則計劃2022年前發(fā)射“近太陽探測器”。這些近距離太陽觀測任務將研究太陽黑子、日冕、太陽風以及太陽磁場等。

3 總結(jié)與啟示

1）探測目的地集中在月球、火星和小行星。21世紀以來，人類經(jīng)過廣泛的空間探索后，將近期的探測目的地重點鎖定在了月球、火星和小行星上。其中，月球和小行星便于進行探索和資源利用，同時也是進行深空技術試驗的絕佳場所；火星則是生命可能存在的地外行星，具有科學探索的巨大吸引力，同時也是載人地外行星活動的重要目的地。

2）探測方式趨于復雜化和組合化。深空探測經(jīng)歷了飛越、撞擊、環(huán)繞、軟著陸、巡視和采樣返回等多個階段，任務方式有著不斷復雜化和組合化的趨勢。在鎖定月球、火星等已探索目標的基礎上，該趨勢將進一步加深。未來的探測將集中于小行星和火星的采樣返回任務、月球基地的建設、以及載人小行星和火星探測任務等復雜任務。并且火星采樣等任務將采取多次發(fā)射，共同完成的組合方式進行。

3）深空探測應長遠規(guī)劃、超前部署、提前攻關。從世界各國的規(guī)劃可以看出，目前的多個計劃（小行星載人探測，無人采樣，月球基地等）都與未來載人火星探測有著密切的關系。這是由于載人火星探測的技術涉及范圍廣、技術難度高，必須在任務實施很早之前就開展技術開發(fā)與驗證工作。為了實施載人火星探測，各國早在21世紀初就開始了各項籌備工作。該現(xiàn)象同樣適用于其他未來深空探測任務，因此深空探測應盡早進行長期規(guī)劃，提前梳理關鍵技術，加強技術儲備。