美國深空探測的戰(zhàn)略規(guī)劃及未來趨勢研究（中）

伍曉京 張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

2014年，美國航空航天局（NASA）發(fā)布了《2014年戰(zhàn)略規(guī)劃》（Strategic Plan 2014），制定了NASA包括深空探測在內的各大領域的戰(zhàn)略方向、戰(zhàn)略目的和優(yōu)先級。作為對《2014年戰(zhàn)略規(guī)劃》的響應，并參考美國國家科學研究委員會（NRC）2011年發(fā)布的《行星科學10年調查報告：2013-2022行星科學的愿景和航程》的建議，NASA科學任務部發(fā)布《2014年科學計劃》（Science Plan 2014），進一步明確了NASA未來科學探測包括深空探測的方向、目的和具體目標。

4 NASA深空探測任務的分類

NASA對其深空探測任務有著不同的分類方法，早在其發(fā)布的《2006年太陽系探索路線圖》中就對深空探測任務的類型進行了定義和分類。但2006年之后，NASA并未發(fā)布新的《太陽系探索路線圖》，而是通過其《戰(zhàn)略規(guī)劃》、《科學計劃》等文件來制定NASA未來深空探測活動的方向和目標。分析NASA的《2006年太陽系探索路線圖》、美國國家科學研究委員會的《行星科學10年調查報告》、NASA《2014年科學計劃》和2015財年預算申請文件等報告可以發(fā)現，NASA的深空探測任務按照探測目的地、預算和進度規(guī)模、任務篩選方式等，可以分為多種類型系列。從《2006年太陽系探索路線圖》到《2014年科學計劃》，NASA對深空探測的分類和側重點也發(fā)生了變化，凸顯出目前在美國不容樂觀的經濟大環(huán)境下，NASA在“行星科學”分領域做出的權衡和取舍。

《2006年太陽系探索路線圖》中規(guī)劃“發(fā)現”、“新疆域”和“旗艦”三類任務

NASA在其《2006年太陽系探索路線圖》中，按任務規(guī)模、技術復雜程度以及任務成本和周期，規(guī)劃了三類深空探測任務，即“發(fā)現”（Discovery Mission，小型）、“新疆域”（New Frontier Mission，中型）和“旗艦”（Flagship Mission，大型）任務。

NASA《2006年太陽系探索路線圖》

（1）“發(fā)現”任務

“發(fā)現”計劃（Discovery Program）是NASA的一項太陽系探索計劃，于1992年啟動，旨在向科學機構和研究團體提供機會，通過創(chuàng)新的科學研究設計，揭示太陽系的奧秘，以完成NASA的科學探索目標。

“發(fā)現”計劃通過探測太陽系的行星及其衛(wèi)星、小天體（彗星和小行星）等，來深化對太陽系的了解，并為未來大型探索任務提供基本的參考數據?！鞍l(fā)現”任務均采用“首席專家責任制”（PI-led）的形式，具有研制成本較低、研發(fā)時間較短、科學回報率較高的特點。對于整個任務（設計、開發(fā)、運載、儀器、航天器、發(fā)射、任務操作和數據分析），研制成本低于1.99億美元，總成本低于2.99億美元，遠低于“新疆域”和“旗艦”任務。從任務設計研制到發(fā)射的時間不超過36個月。當時NASA計劃每10年發(fā)射4～7項“發(fā)現”任務。

1）“發(fā)現”計劃的項目選擇。在啟動“發(fā)現”計劃之前，NASA宣布探測某個行星的計劃后，通常要進行獨立的招標和投標來選擇航天器的研制、操作和科學研究單位。這使得任務規(guī)模很大，研制的科學儀器較多，涉及眾多研究團體，花費許多年進行項目組織和發(fā)射，從而耗費大量資金、人力和物力。

“發(fā)現”計劃則是將整個任務的征集、建議和設計都集中到一個任務小組，該小組由來自工業(yè)界、政府實驗室和大學的研究人員組成，由“首席專家”牽頭。通過“競爭公告”選出具體探測任務。

2）“發(fā)現”計劃的實施途徑。為完成“發(fā)現”計劃的主要科學目標—增強對太陽系的了解，“發(fā)現”計劃采用了獨特的實施途徑：①提高任務飛行率，目標是每12～24個月有一次發(fā)射任務；②限制整個任務的成本；③通過新技術的應用提高任務性能；④研究機構、大學、工業(yè)界廣泛參與；⑤提高公眾對太陽系探索的關注度。

“發(fā)現”計劃還是NASA第一個要求面向公眾的計劃，NASA已經意識到空間探索對激發(fā)民眾的熱情和與公眾溝通的重要性?！鞍l(fā)現”計劃采取了支持國家教育的創(chuàng)新途徑，通過互聯網將有關信息傳達給各年齡段的青少年。

“發(fā)現”計劃提倡試驗和采用新技術。每項任務都通過與工業(yè)界合作，將新技術轉移到空間任務中應用，特別是那些能夠增強科學數據獲取能力和降低成本的技術。

目前，NASA“發(fā)現”計劃已經發(fā)射了11項太陽系探測任務，第12項任務是計劃于2016年發(fā)射的“洞察”火星深度鉆巖著陸器。

NASA“發(fā)現”計劃已發(fā)射的11項任務

續(xù) 表

（2）“新疆域”任務

“新疆域”計劃（New Frontier Program）是一項用“中型航天器”探索太陽系的計劃，將通過高質量的、強調科學研究的任務設計來增強對太陽系的了解。該計劃的目標是每36個月發(fā)射1次“高科學回報”的行星科學研究任務。NASA《2006年太陽系探索路線圖》建議每10年發(fā)射2～4次“新疆域”任務。

“新疆域”計劃將基于那些在“發(fā)現”計劃中采用的創(chuàng)新方法，選擇中等規(guī)模的任務，這些任務是在“發(fā)現”計劃的成本和時間條件下無法完成的，任務成本不超過7.5億美元?！靶陆颉比蝿找餐ㄟ^“競爭公告”的形式進行選擇，大多數從《行星科學10年調查報告》中推薦的任務中產生。

“新疆域”計劃的第1項任務是2006年發(fā)射的“新視野”（New Horizons）冥王星及柯伊伯帶小行星探測任務，成本為6.5億美元，包括探測器研制、發(fā)射、運行和后期費用；第2項任務是于2011年發(fā)射的“朱諾”（Juno）木星探測任務；第3項任務是將于2016年發(fā)射的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex，又名“起源光譜釋義資源識別安全風化層探測器”）小行星探測任務。

（3）“旗艦”任務

“旗艦”任務是NASA深空探測的大型任務，這類任務通常為復雜的、到達星體表面的任務，例如現場樣品分析、大型著陸器等，任務成本約7.5億到數十億美元，研制周期約7年。

N A S A已經實施的“旗艦”任務包括“旅行者”（Voyager）行星際探測器、“麥哲倫”（Magellan）金星探測器、“伽利略”（Galileo）木星探測器、“卡西尼-惠更斯”（C a s s i n i-H u y g e n s）土星探測器和“火星科學實驗室”（MSL）。NASA《2006年太陽系探索路線圖》建議未來NASA將執(zhí)行的“旗艦”任務有木衛(wèi)二、土衛(wèi)六、土衛(wèi)二、金星、海王星、海衛(wèi)一等探測任務。

《2014年科學計劃》在繼續(xù)推進中、小型任務的同時，弱化大型任務

NASA在《2014年科學計劃》中，按照探測目標的不同，將深空探測任務分為以下三類：

1）內行星（Inner planets）任務：探測月球、火星及其衛(wèi)星、金星、水星。

2）外行星（Outer planets）任務：探測木星、木星環(huán)以及木星衛(wèi)星（尤其是木衛(wèi)二），土星、土星環(huán)以及土星衛(wèi)星（尤其是土衛(wèi)六和土衛(wèi)二），天王星（Uranus）及其衛(wèi)星，海王星（Neptune）及海衛(wèi)一（Triton），矮行星—冥王星及其衛(wèi)星，以及其他柯伊伯帶天體等。

3）小天體（Small bodies）任務：探測彗星、小行星、矮行星—谷神星等。

除上述分類方法外，按照實施途徑，NASA的深空探測任務也被分為3個“任務開發(fā)”計劃（Mission Development Program）和2個研究計劃，分別為“發(fā)現”、“新疆域”、“火星探測”（MEP）、“行星科學研究與分析”和“近地物體”計劃（Near-Earth Objects Program）。由于預算問題，NASA暫時擱置了“旗艦”任務，因此《2014年科學計劃》并未再將成本最高的“旗艦”計劃單獨列出。不過歸入NASA“火星探測”計劃中的2020年新型火星車實際上也達到了“旗艦”任務的規(guī)模，成本高達15億美元。

（1）繼續(xù)推進“發(fā)現”計劃

它是NASA《2006年太陽系探索路線圖》中定義的“發(fā)現”計劃。根據《行星科學10年調查報告》，“發(fā)現”任務的成本應低于5億美元，未來NASA還計劃繼續(xù)實施“發(fā)現”任務。

（2）繼續(xù)推進“新疆域”計劃

它是NASA《2006年太陽系探索路線圖》中定義的“新疆域”計劃。根據《行星科學10年調查報告》，“新疆域”任務的成本應低于10億美元。

（3）將“火星探測”計劃單獨歸為一類任務，凸顯火星探測的重要性

“火星探測”計劃是NASA于1993年制定的一項長期火星探測計劃，包括火星軌道器、著陸器和漫游車任務，目的是探索火星目前的環(huán)境、氣候、地質歷史和存在生命痕跡的可能性。1992年，NASA的“火星觀測者”（Mars Observer）任務失敗，促使NASA正式制定了“火星探測”計劃。廣義上來說，自1993年之后NASA的火星探測任務都屬于“火星探測”計劃，但“火星探測”計劃中的任務也可能屬于NASA“發(fā)現”、“新疆域”、“旗艦”計劃。

早期的“火星探測”計劃任務包括“火星奧德賽”（Mars Odyssey）、“火星探測漫游者”（MER，勇氣號和機遇號）、“火星勘察軌道器”（MRO）、“鳳凰”（Phoenix）火星著陸器等，其主要探測目的都是“尋找水”（Follow th e Water）。只有在發(fā)現了火星上過去和現在存在水的證據之后，才有可能進一步探索火星上是否有生命痕跡。NASA的火星探測器已經發(fā)現火星表面有水和支持微生物生存的證據，最新的“火星科學實驗室”的探測目的是為了“尋找生命痕跡”。

下述表1統(tǒng)計呈現為B超診斷檢查與最終病理檢查結果的同向比較。從結果統(tǒng)計中可以看到，本組70例根據最終的病理結果顯示，包括結節(jié)性甲狀腺腫55例、橋本甲狀腺炎2例、甲狀腺腺瘤11例、甲狀腺癌2例。在B超診斷檢查中，直接檢出結節(jié)性甲狀腺腫50例，檢出符合率高達90.9%；橋本甲狀腺炎2例全部檢出，符合率100%；甲狀腺腺瘤11例成功檢出9例，符合率為81.8%；此外，早期相對難診斷的甲狀腺癌2例檢出1例?？傮w來看，70例患者成功檢出62例，符合率高達88.6%。

“火星探測”計劃有以下4項目標：①確定火星上是否曾經存在生命；②研究火星氣候；③研究火星地質情況；④為未來的載人探測火星做準備。

（4）“行星科學研究與分析”計劃

該計劃旨在利用NASA已經實施的探測任務獲取的數據，進行系統(tǒng)的研究與分析，從以下幾個方面支持NASA行星科學分領域的研究：

1）具有存儲、分發(fā)NASA行星探測任務所采集樣品的設備，并支持對樣品進行分析。

NASA“火星探測”計劃

2）行星數據系統(tǒng)（PDS）用于存儲和分發(fā)來自行星探測任務的數據。

3）成立虛擬研究所，例如N A S A天體生物學研究所（NAI）和太陽系探索研究虛擬研究所（SSERVI），與NASA的天體物理學部門進行合作。

（5）“近地物體”計劃

NASA一直對彗星、小行星等近地物體進行探測和研究，目的是規(guī)避近地物體對地球的威脅，以及為研究太陽系起源提供幫助?！敖匚矬w”計劃對95%以上的直徑大于1km的近地物體進行了編目，為NASA的小行星和彗星探測任務提供支持。NASA行星科學部門提供資金，采取光學和雷達技術觀測這些近地物體的軌道、形狀、大小和旋轉狀態(tài)，從而更好地理解這些近地物體的運動、組成和特性。

“近地物體”計劃具有以下獨一無二的任務支持能力：

1）位于史密森天體物理學天文臺的微小行星中心，對所有小行星、彗星、柯伊伯帶物體以及其他小天體和太陽系所有已知的近地物體進行編目。

2）位于夏威夷的紅外望遠鏡設施、金石雷達等觀測設施，作為對無人探測器的補充。2015財年預算不再投資月球探測和機遇號火星車項目，仍為可能的大型外行星探測任務分配預算

NASA在2015財年預算申請中，分配給行星科學的預算除“發(fā)現”、“新疆域”、“火星探測”、“行星科學研究”（包括近地物體研究）等計劃之外，還給“外行星”計劃分配了1500萬美元的預算，主要是用于未來可能進行的木衛(wèi)二探測任務的概念研究工作。

此外，NASA結束了“月球探索”計劃（Lunar Quest Program），表明未來NASA并未規(guī)劃新的月球探測任務。NASA將原本屬于該計劃的“月球勘察軌道器”（LRO）歸入“發(fā)現”計劃中，但在2015財年預算申請中并未給“月球勘察軌道器”分配預算，意味著“月球勘察軌道器”有可能在2014財年就結束任務。但NASA也表示，將研究“月球勘察軌道器”進行擴展任務的可能性，如果確定將進行擴展任務，將由美國“機會、增長、安全倡議”（OGSI）為其提供資金。在2016財年申請預算中明確將在2016財年停止“月球勘察軌道器”的運行。

除“月球探索”計劃外，NASA在2015財年申請中也未給工作時間超過10年的機遇號火星車分配預算。（未完待續(xù)）