中國深空探測領(lǐng)域的發(fā)展及展望

文 葉培建 鄒樂洋 王大軼 彭 兢 張 熇

深空探測一般指對月球及以遠的地外天體進行空間探測的活動。20世紀50年代末，人類開啟了深空探測的序幕。迄今為止，已發(fā)射深空探測任務(wù)超過240次，對太陽系內(nèi)包括月球、行星、彗星、太陽等天體進行了探測，飛行最遠的探測器距離地球超過200億km。通過深空探測，取得了大量科學(xué)探測和技術(shù)成果，拓展了人類對太陽系和宇宙的認識，推動了空間技術(shù)的進步。中國的深空探測起步于月球探測，按照探月工程“繞、落、回”三步走的任務(wù)規(guī)劃，自2003年啟動探月工程一期研制以來，已成功實施了4次探測任務(wù);并正在按計劃進行月球和火星探測任務(wù)的研制工作，即將在今后3年內(nèi)發(fā)射實施。與此同時，正在論證后續(xù)月球、小天體、火星、木星甚至更遠的深空探測任務(wù)。

“嫦娥一號”任務(wù)

“嫦娥一號”任務(wù)是我國首次深空探測任務(wù)，其任務(wù)目標是通過研制和發(fā)射我國第一顆月球探測衛(wèi)星，掌握繞月探測的基本技術(shù)。“嫦娥一號”探測器發(fā)射質(zhì)量2350k g，攜帶了7種科學(xué)載荷，于2007年10月24日發(fā)射，完成了在軌1年設(shè)計壽命期內(nèi)的既定任務(wù)，其后又開展了多項拓展任務(wù)，2009年3月1日受控撞月。

“嫦娥一號”是我國第一顆對地外天體進行環(huán)繞探測的探測器?！版隙鹨惶枴比蝿?wù)的實施，使我國掌握了繞月探測技術(shù)，初步構(gòu)建了月球探測的航天工程系統(tǒng)，獲取了全月球表面的遙感圖像，探測了地月空間環(huán)境，獲取了大量的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，并取得了多項技術(shù)突破，主要有：基于調(diào)相軌道的地月轉(zhuǎn)移和多次近月制動的軌道設(shè)計與控制技術(shù)、多敏感器信息組合定姿和三體指向自主控制技術(shù)、繞月飛行全過程熱控技術(shù)、基于S頻段的400000km的遠距離測控技術(shù)等；建立了USB-VLBI綜合遠距離測定軌系統(tǒng)；研制了國內(nèi)口徑最大的50m和40m地面數(shù)傳接收天線。獲取了多項科學(xué)探測成果：實現(xiàn)了月球表面影像的100%覆蓋、利用激光高度計的測高數(shù)據(jù)制作了分辨率為3km左右的全月球數(shù)字高程模型、利用伽馬射線譜儀的數(shù)據(jù)編制了月表U、K、Th等元素含量分布圖、利用微波探測儀的數(shù)據(jù)得到了全月球不同光照條件的四頻段微波亮度溫度數(shù)據(jù)。“嫦娥一號”任務(wù)的成功標志著我國在月球探測領(lǐng)域取得了歷史性突破，成功邁出了深空探測的第一步，被看作是繼人造衛(wèi)星、載人航天之后中國航天的第三個重要里程碑，也是我國航天器研制中自主創(chuàng)新的一個典范。

“嫦娥二號”任務(wù)

“嫦娥二號”任務(wù)是探月二期工程的先導(dǎo)星，主要目標是獲取高精度月球表面三維影像。“嫦娥二號”探測器發(fā)射質(zhì)量2480k g，攜帶了8種科學(xué)載荷?！版隙鸲枴碧綔y器于2010年10月1日發(fā)射，至2011年5月底，獲取了包括“嫦娥三號”預(yù)選著陸區(qū)高清晰圖像在內(nèi)的月球表面三維影像；2011年8月25日到達了日地拉格朗日L2點（簡稱“日地L2點”），進行了為期10個月的科學(xué)探測；2012年12月13日國際上首次近距離飛越探測4179圖塔蒂斯（Toutatis）小行星；此后“嫦娥二號”一直朝向更遠的深空飛行。

“嫦娥二號”是我國首顆飛入行星際并環(huán)繞太陽飛行的探測器。“嫦娥二號”任務(wù)的實施，獲得了7m分辨率全月圖和備選著陸區(qū)分辨率優(yōu)于1.5m的局部影像圖；實現(xiàn)了日地L2點環(huán)繞探測和圖塔蒂斯小行星飛越探測，獲取了大量的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，并取得了多項技術(shù)突破，主要有：直接地月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計與控制技術(shù)、X頻段高精度測控通信技術(shù)、低密度奇偶校驗碼（LDPC）遙測信道編譯碼技術(shù)等。

“嫦娥三號”任務(wù)

“嫦娥三號”任務(wù)主要目標是通過研制和發(fā)射月球著陸器和巡視器，掌握月球軟著陸和巡視探測技術(shù)?！版隙鹑枴碧綔y器發(fā)射質(zhì)量3780kg，其中巡視器140k g。著陸器與巡視器分別攜帶了4種科學(xué)載荷?！版隙鹑枴碧綔y器于2013年12月2日發(fā)射，12月14日安全著陸在月球北緯44.12°、西經(jīng)19.51°的預(yù)選著陸區(qū)。著陸器隨即開展就位探測，直至目前仍在工作。巡視器于2013年12月15日與著陸器分離，駛抵月面，開展巡視探測，并實現(xiàn)了兩器互拍。

“嫦娥三號”任務(wù)實現(xiàn)了我國首次地外天體軟著陸和巡視勘察，使我國掌握了月球著陸和巡視探測技術(shù)，進一步完善了我國月球探測工程體系，實現(xiàn)了月球就位和巡視探測，獲取了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，并取得了多項技術(shù)突破，主要有：全自主避障的月球軟著陸技術(shù)，月面巡視導(dǎo)航、月面移動、遙操作技術(shù)、同位素?zé)嵩唇Y(jié)合低重力驅(qū)動兩相流體回路技術(shù)的月夜生存和光照自主喚醒技術(shù)、三向測量、差分單向測距、同波束干涉測量關(guān)鍵技術(shù)；研制了月面著陸懸停避障/沖擊/導(dǎo)航控制試驗場、巡視器內(nèi)場和外場、20000N發(fā)動機高模試車臺等試驗設(shè)施；建造了35m、66m口徑深空測控站和65m口徑射電望遠鏡，為后續(xù)深空探測任務(wù)的研制和實施奠定了良好的基礎(chǔ)。

“嫦娥三號”任務(wù)中研制了我國第一臺航天用高比沖高控制精度的變推力發(fā)動機，實現(xiàn)了1500～7500N范圍內(nèi)推力連續(xù)可變、可控，推力控制精度達到7.5N，對我國液體火箭發(fā)動機及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展起到了很大的帶動作用。在軟著陸制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制方面，自主開發(fā)了基于光學(xué)圖像和三維高程數(shù)據(jù)的障礙識別算法，采用了光學(xué)成像粗避障與激光三維成像精避障的接力避障策略，在制導(dǎo)、導(dǎo)航、避障和姿態(tài)控制等方面大量控制方法和策略均為國內(nèi)首次應(yīng)用。首次突破了高精度大動態(tài)激光測距技術(shù)和微波測距測速技術(shù)，同時，使激光、微波體制導(dǎo)航敏感器非合作目標測量技術(shù)在航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用，帶動了激光和微波測量技術(shù)的發(fā)展。

未來我國對于火星、木星以及太陽系邊際的探測都將實現(xiàn)。

月地高速再入返回任務(wù)

月地高速再入返回任務(wù)的主要目標是通過研制和發(fā)射由服務(wù)艙和返回器組成的月地高速再入返回飛行器，實現(xiàn)第二宇宙速度再入返回。月地高速再入返回飛行器發(fā)射質(zhì)量2450kg，其中服務(wù)艙2117k g，返回器333k g。月地高速再入返回飛行器于2014年10月24日發(fā)射；11月1日，服務(wù)艙與返回器分離，返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸；服務(wù)艙經(jīng)過規(guī)避機動后，執(zhí)行了地月L2點探測、環(huán)月軌道交會對接遠程導(dǎo)引飛行試驗、“嫦娥五號”著陸區(qū)高分辨率成像等試驗。

月地高速再入返回任務(wù)的實施，使我國掌握了第二宇宙速度半彈道跳躍式再入返回技術(shù)，構(gòu)建了月地高速再入返回工程體系，實現(xiàn)了第二宇宙速度安全返回，并開展了月地往返多目標探測，獲取了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)；并取得了多項技術(shù)突破，主要有：雙平臺協(xié)同運行的總體技術(shù)，大傾角變軌道空間借力飛行技術(shù)，高速再入返回氣動、熱防護和G N C技術(shù)，高速再入返回跟蹤測量和搜索回收技術(shù)，地月系統(tǒng)往返飛行和地月拉格朗日L2點（簡稱“地月L2點”）探測技術(shù)；新建了高能脈沖風(fēng)洞、高焓膨脹管風(fēng)洞、超聲速電弧風(fēng)洞和跨超/高超聲速氣動力試驗系統(tǒng)，建立了深空跳躍式高速再入返回跟蹤測量和搜索回收系統(tǒng)。

目前，有3次深空探測任務(wù)正在研制過程中，即：實現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視探測的“嫦娥四號”（編者注：本文刊發(fā)時“嫦娥四號”已發(fā)射并成功在月球背面軟著陸），實現(xiàn)月球自動采樣返回的“嫦娥五號”和實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測的火星探測器。下面分別對以上任務(wù)的進展進行介紹。

“嫦娥四號”于2018年12月8日成功發(fā)射

“嫦娥四號”任務(wù)

“嫦娥四號”任務(wù)的主要目標是實現(xiàn)國際上首次月球背面軟著陸和巡視探測?！版隙鹚奶枴比蝿?wù)主要包括中繼星、著陸器和巡視器。中繼星已于2018年5月21日發(fā)射，6月14日成功實施軌道捕獲控制，進入環(huán)繞地月L2點的Halo使命軌道，成為世界首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛(wèi)星。著陸器和巡視器發(fā)射并開展月球背面軟著陸和巡視探測，中繼星將建立著陸器和巡視器與地球之間的通信鏈路，實現(xiàn)國際首次地月L2點中繼通信。

“嫦娥四號”任務(wù)搭載了3臺國際合作載荷，分別為中繼星上搭載的荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)研制的低頻射電譜儀、著陸器上搭載的德國基爾大學(xué)研制的月球中子及輻射劑量探測儀，以及巡視器上搭載的瑞典空間物理研究所研制的中性原子探測儀。其中，低頻射電譜儀將被用于在月球背面獨特的無線電環(huán)境中開展銀河系的低頻大尺度輻射特性研究。嫦娥四號任務(wù)在研制過程中將突破多項關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：地月L2平動點中繼衛(wèi)星軌道設(shè)計與通信技術(shù)、同位素溫差電源技術(shù)和適應(yīng)復(fù)雜地形條件下的安全著陸技術(shù)等。

“嫦娥五號”任務(wù)

“嫦娥五號”任務(wù)的主要目標是研制和發(fā)射采樣返回探測器，實現(xiàn)我國首次地外天體無人自動采樣返回。探測器由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成，發(fā)射質(zhì)量約8200kg?！版隙鹞逄枴碧綔y器于2011年1月1日進入工程研制階段，目前已完成正樣研制工作，待命出廠。

“嫦娥五號”任務(wù)涉及多個飛行階段、多個組合體構(gòu)型。發(fā)射后，探測器以四器組合體形式運行，在地月轉(zhuǎn)移與近月制動后，著陸上升組合體與軌道器—返回器組合體（簡稱“軌返組合體”）分離并實施動力下降。在月面軟著陸后，著陸上升組合體開展鉆取采樣、表取采樣和樣品封裝，并開展一系列科學(xué)探測。月面工作完成后，上升器與著陸器分離，以著陸器為平臺起飛進入環(huán)月軌道，與軌返組合體完成交會對接和樣品轉(zhuǎn)移。之后，軌返組合體與上升器分離，通過軌道機動進入月地轉(zhuǎn)移軌道，在距離地表5000k m高度處返回器與軌道器分離，半彈道跳躍式再入地球，著陸于預(yù)定著陸場。

在研制過程中，已突破多項關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：多探測器系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、月球采樣封裝技術(shù)、月面起飛技術(shù)、月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移等技術(shù)，并建立了一批地面試驗驗證設(shè)施，具體包括：著陸起飛綜合試驗系統(tǒng)、交會對接和樣品轉(zhuǎn)移全物理試驗系統(tǒng)、羽流導(dǎo)流試驗系統(tǒng)、采樣封裝試驗系統(tǒng)。建立了月球樣品存儲與分析實驗室、35m南美深空測控站和密云35m數(shù)據(jù)接收天線。

首次火星探測任務(wù)

2016年1月，我國首次火星探測任務(wù)正式批復(fù)立項，任務(wù)目標是研制火星環(huán)繞器和著陸巡視器，其中，環(huán)繞器主要開展火星環(huán)繞探測，并為著陸巡視器提供中繼通信服務(wù)，著陸巡視器主要開展就位和巡視探測。首次火星探測任務(wù)發(fā)射質(zhì)量4920kg，預(yù)計于2020年擇機發(fā)射，2021年到達并在火星表面著陸。

在首次火星探測任務(wù)的研制過程中，將突破火星制動技術(shù)，環(huán)繞技術(shù)，進入、下降與著陸技術(shù)（E D L），以及火面巡視技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。其中，E D L是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。我國首次火星探測任務(wù)將采用“彈道—升力式”進入方式，利用新型的盤縫帶傘進行減速，并采用著陸緩沖機構(gòu)實現(xiàn)著陸緩沖，完成E D L任務(wù)。目前，首次火星探測任務(wù)研制工作進展順利。通過首次火星探測任務(wù)的研制與實施，有望使我國成為世界上第一個在首次任務(wù)中即實現(xiàn)火星“繞、落、巡”的國家。

月球永久陰影區(qū)探測任務(wù)

月球極區(qū)的永久陰影區(qū)富含水冰，具有極高的探測價值。月球永久陰影區(qū)探測器由著陸平臺和陰影區(qū)移動探測器組成，其中著陸平臺在發(fā)射和在軌飛行過程中作為移動探測器的服務(wù)平臺，攜帶移動探測器在臨近永久陰影區(qū)的月面光照區(qū)著陸，并繼續(xù)為移動探測器提供能源和測控支持；移動探測器月面著陸后與著陸平臺分離，通過月面移動（低空飛行或月面行走方式）進入永久陰影區(qū)，完成探測任務(wù)。月球永久陰影區(qū)探測任務(wù)將為我國最終建立月球科研站奠定良好的基礎(chǔ)。

小行星采樣返回探測任務(wù)

小行星探測任務(wù)體現(xiàn)了多樣性和獨特性，任務(wù)探測成果關(guān)系到探尋宇宙的起源演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源等重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)問題，能反映公眾感興趣的工程基礎(chǔ)問題（資源、預(yù)警），已成為深空探測的熱點。小行星采樣返回探測任務(wù)中，探測器將首先完成近地小行星繞飛探測，選定備選著陸后進行附著和采樣，完成后返回地球。返回器彈道式高速再入地球大氣層并在預(yù)定著陸場著陸，主探測器在地球借力后飛向主帶彗星，開展主帶彗星繞飛探測。與隼鳥號、歐西里斯號等小行星采樣返回任務(wù)采用的“即觸即走”的采樣方式不同，我國的小行星采樣返回任務(wù)中將在探測器穩(wěn)定附著于小行星的情況下完成樣品采集與封裝，預(yù)期樣品采集量更大。同時，在一次任務(wù)中實現(xiàn)小行星采樣返回和主帶彗星繞飛探測，預(yù)期科學(xué)成果豐碩。

火星采樣返回探測任務(wù)

火星采樣返回探測任務(wù)的目標是在2030年前實施火星土壤和巖石的無人采樣，并將樣品返回地球開展科學(xué)研究。將采用兩次發(fā)射的方式，分別發(fā)射執(zhí)行不同子任務(wù)的兩個不同功能的探測器，其中一個完成火星捕獲、樣品轉(zhuǎn)移收納與火地返回，另一個完成火星大氣進入、下降與著陸，火星表面上升以及樣品投送。預(yù)期將突破火星表面起飛上升技術(shù)，火星表面智能采樣、封裝和傳遞技術(shù)，環(huán)火軌道樣品捕獲和轉(zhuǎn)移技術(shù)，火星大氣輔助變軌技術(shù)，環(huán)火軌道交會技術(shù)和火星采樣返回微生物污染檢測與防護技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

木星系及行星際穿越探測任務(wù)

木星系及行星際穿越探測任務(wù)的目標是實現(xiàn)木星、木衛(wèi)四的環(huán)繞探測和行星際穿越探測，為深化對木星系和行星際的相關(guān)科學(xué)研究提供科學(xué)探測數(shù)據(jù)。探測任務(wù)由木星系探測器和行星際穿越器組成。在到達木星前，行星際穿越器與木星系探測器分離，行星際穿越器在木星借力后飛往天王星，開展行星際穿越探測，同時，木星系探測器在實施軌道機動后開展木星及木衛(wèi)四探測。

太陽系邊際探測任務(wù)

太陽系邊際探測任務(wù)的目標是飛行到距離太陽約150億公里（約100A U）的日球?qū)舆吔?，開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙演化、生命起源等重大科學(xué)問題的探測與研究。參考“旅行者”任務(wù)的實施經(jīng)驗，為提高太陽系邊際探測任務(wù)獲取科學(xué)成果的可靠性，因此考慮同型設(shè)計，同期發(fā)射兩顆探測器，飛向兩個方向，開展日球?qū)与p向多目標飛越探測，使科學(xué)成果最大化。通過任務(wù)的實施，突破太陽系邊際探測軌道設(shè)計，高效能源技術(shù)，遠距離測控數(shù)傳技術(shù)，自主控制與管理等深空探測共性關(guān)鍵技術(shù)，使我國具備外太陽系甚至太陽系外深空探測能力。

結(jié)語

我國在深空探測領(lǐng)域取得了一系列進展和突破。展望未來，隨著我國科技水平的不斷提升，深空探測的深度和廣度將不斷拓展。在月球探測方面，首先將按已有規(guī)劃穩(wěn)步推進，如期完成“繞、落、回”三步走的戰(zhàn)略目標。在此基礎(chǔ)上，將進一步開展月球永久陰影區(qū)探測。在火星探測方面，首次火星探測任務(wù)研制進展順利，有望實現(xiàn)高起點的火星探測。小行星采樣返回、火星采樣返回、木星系及行星際穿越、太陽系邊際探測等任務(wù)正在論證中，將持續(xù)帶動我國航天技術(shù)進步，促進科學(xué)認知重大創(chuàng)新，在建設(shè)航天強國的道路上更進一步，為人類文明做出我國應(yīng)有的貢獻。