深空探測領(lǐng)域開展國際合作的可行性分析

蔡聞一 饒成龍 李東昊 王邵飛 （中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

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深空探測領(lǐng)域開展國際合作的可行性分析

蔡聞一 饒成龍 李東昊 王邵飛 （中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

Feasibility Analysis of International Cooperation in Deep Space Exploration

深空探測是當今世界科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域，具有很強的基礎(chǔ)性、前瞻性、創(chuàng)新性和帶動性，開展深空探測對于科技進步和人類文明的發(fā)展具有重要意義。 深空探測重點包括月球探測、火星探測、巨行星探測、小行星及彗星探測等。自20世紀50年代末以來，世界多個航天國家積極開展深空探測活動，空間探測活動的范圍逐漸擴大，探測任務(wù)也趨于多樣化。

1 世界深空探測領(lǐng)域整體進展情況

20世紀50年代末，蘇聯(lián)、美國開始實施深空探測任務(wù)。進入21世紀以來，隨著科學技術(shù)的不斷進步，包括中國、日本、印度在內(nèi)的世界多個國家也紛紛提出了本國的深空探測規(guī)劃，將深空探測作為重點發(fā)展的航天領(lǐng)域之一。

從1958年8月17日美國發(fā)射第一個月球探測器——先驅(qū)者－0（Pioneer-0）開始，人類邁向太陽系的深空探測活動至今已有57年的歷史。通過梳理世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展的深空探測任務(wù)，可以看出，開展深空探測的主要目標一般是由近及遠。20世紀60年代，人類探測的對象主要是月球、金星和火星。70年代以后，探測器開始向更遠的目標——水星、木星、土星、天王星、海王星及太陽系其他天體進發(fā)。80年代以后，小行星和彗星也成為人類關(guān)注的對象。

不同天體探測活動統(tǒng)計概況

據(jù)統(tǒng)計，截至2015年12月底，人類共進行了243次深空探測活動，其中，成功和部分成功140次，占總次數(shù)的57.6%（這里所說的成功或部分成功的判定依據(jù)主要是以是否返回探測數(shù)據(jù)為準）。

在所有深空探測任務(wù)中，以探測月球為主任務(wù)的次數(shù)最多，達122次，占總數(shù)量的50%；探測火星的有41次，占17%；探測金星的有40次，占17%；探測太陽的有8次，占3%；探測水星的有2次，占1%；探測木星、土星等巨行星及其衛(wèi)星的有5次，占2%；探測彗星和小行星等小天體的有25次左右，占10%。

通過開展一系列深空探測活動，基本了解了月球表面及其土壤的物理化學特性，探測了火星地形、地貌、大氣成分，初步了解了其他行星及彗星的組成，為人類繼續(xù)探索太空打下了良好基礎(chǔ)。

2 深空探測領(lǐng)域開展國際合作的必要性

基于以往航天經(jīng)驗，深空探測的每一次試驗或發(fā)射，都需要龐大的技術(shù)支撐、經(jīng)費開支和人員投入，所承擔的風險也很大，涉及多學科多領(lǐng)域多種技術(shù)方法，各國獨自開展難以支撐并達到科學目標。因此，只有各國政府及相關(guān)組織機構(gòu)之間開展廣泛的交流與合作，組成“科學家共同體”，科學制定研究計劃和項目，實現(xiàn)信息和探測數(shù)據(jù)共享，這項事業(yè)才能深入持續(xù)發(fā)展。

節(jié)省研制經(jīng)費，符合各國利益

發(fā)射航天器，建造空間設(shè)施，開發(fā)和利用月球、火星等深空資源，是一項技術(shù)含量高、投資巨大、風險巨大的復雜系統(tǒng)工程。在深空探測領(lǐng)域開展國家間的合作，一定程度上可以分攤項目研制所需的巨額經(jīng)費，這符合那些計劃開展深空探測項目國家的利益。

縮短任務(wù)時間，提高研究效率

深空探測是現(xiàn)代科學技術(shù)最高水平的集中表現(xiàn)。在深空探測領(lǐng)域開展國際合作，能夠有效分解探測任務(wù)的總體難度，充分利用不同國家的優(yōu)勢技術(shù)，降低任務(wù)風險，縮短探測任務(wù)的整體時間，避免相同目標、相同任務(wù)的重復探測，極大地提高深空探測項目的研究效率。

增進相互了解，促進太空資源的和平利用與開發(fā)

通過在深空探測領(lǐng)域開展交流和合作，可以增進各個國家在太空領(lǐng)域政策、技術(shù)等方面的了解，減少誤解，加強互信，共享太空資源，促進太空資源的和平利用與開發(fā)。

發(fā)揮示范作用，推進國際宇航合作的深入開展

目前，世界范圍內(nèi)多個國家和組織都在執(zhí)行一系列空間探測計劃。具有一定影響力的航天國家和組織應(yīng)加強交流和合作，促進和平利用太空，積極發(fā)揮領(lǐng)頭和示范作用，為全球航天領(lǐng)域國際合作的深入開展打下堅實基礎(chǔ)。

3 深空探測領(lǐng)域國際合作進展情況

深空探測的特點是科技含量高、經(jīng)濟領(lǐng)域廣、未知因素多、失敗風險高、投資數(shù)額大。在全球經(jīng)濟一體化發(fā)展的大趨勢下，各國在探索過程中都不可避免地要開展國際合作，在國家預(yù)算縮緊情況下尤其如此。

據(jù)統(tǒng)計，在迄今為止所有的深空探測任務(wù)中，蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射過115次，占總數(shù)量的47.3%；美國發(fā)射過105次，占總數(shù)量的43.2%；日本發(fā)射過8次，占總數(shù)量的3.2%；歐洲航天局發(fā)射過5次，占總數(shù)量的2.1%；中國發(fā)射過4次，占總數(shù)量的1.6%；印度發(fā)射過2次，占總數(shù)量的0.8%；國際合作4次，占總數(shù)量的1.6%（這里主要是指美國與歐洲之間的合作發(fā)射）。

1996年11月6日，俄羅斯發(fā)射的火星－96 （Mars－96，發(fā)射失?。┨綔y器上攜帶了由德國航天局、歐洲航天局等多家單位參與研制的高精度遙感相機（HRSC）。1999年2月7日，美國航空航天局（NASA）發(fā)射的“星塵”（Stardust）彗星探測器的塵埃流量檢測裝置由NASA、芬蘭、德國的多家研究單位共同研制。2008年發(fā)射的印度月船－1 （Chandrayaan－1）上攜帶由美國航空航天局提供的微型合成孔徑雷達（Mini-SAR）和歐洲航天局（ESA）研制的相機。

各國深空探測活動次數(shù)統(tǒng)計

在任務(wù)級的合作方面，最典型的例子是人類歷史上最成功的土星探測器“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）。“卡西尼”軌道器由美國航空航天局研制，“惠更斯”土衛(wèi)六著陸器由歐洲航天局研制?！翱ㄎ髂?惠更斯”土星探測器于1997年10 月15日發(fā)射，在2005年1月實現(xiàn)了土衛(wèi)六軟著陸，發(fā)回地球近千張照片。

2003年6月2日發(fā)射的歐洲航天局“火星快車”（Mars Express）探測器和美國于同年6月10日、7月7日發(fā)射的勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity）火星車，實現(xiàn)了2次深空國際性通信聯(lián)絡(luò)?！盎鹦强燔嚒迸c勇氣號、機遇號分別實現(xiàn)了信息交流，標志著人類在建設(shè)國際深空通信網(wǎng)絡(luò)方面邁出了重要一步，其成功經(jīng)驗將為今后其他國家聯(lián)合進行行星探測提供借鑒。

此外，中國與俄羅斯在2007年簽署了航天合作協(xié)議，計劃共同對火星及其衛(wèi)星——火衛(wèi)一進行探測。該合作協(xié)議的簽署是中俄兩國航天合作歷史上的重要里程碑，標志著中俄兩國航天局在開展大型項目合作方面走出了重要一步，對推動中俄全面戰(zhàn)略協(xié)作伙伴關(guān)系起到了積極作用。

“卡西尼-惠更斯”土星探測器在軌飛行示意圖

4 中國深空探測領(lǐng)域發(fā)展情況

中國航天經(jīng)過50多年的發(fā)展，取得了許多舉世矚目的成績，建立了具有一定國際競爭力的航天工業(yè)體系，在深空探測領(lǐng)域也取得了階段性的研究成果。

“嫦娥”月球探測器

中國的月球探測計劃于2004年1月正式啟動，分三期實施：“繞”（繞月探測）、“落”（落月探測）、“回”（采樣返回探測）。

2007年10月24日，嫦娥－1成功發(fā)射，在軌有效探測16個月，實現(xiàn)了中國自主研制的衛(wèi)星進入月球軌道并獲得全月圖。2010年10月1日，嫦娥－2發(fā)射，獲得了世界首幅7m分辨率全月圖，對預(yù)選的落月區(qū)域進行了重點探測。在實現(xiàn)既定工程目標和完成科學探測任務(wù)后，開展了日地拉格朗日2點環(huán)繞探測，并在距地球7×106km處實現(xiàn)了對圖塔蒂斯小行星的飛越交會探測。嫦娥－3于2013年12月2日發(fā)射，12月6日進入月球軌道，12月14日在月球表面著陸，中國成為世界上第三個實現(xiàn)月面軟著陸的國家。

目前，探月工程三期正在實施過程中，將發(fā)射月球自動采樣返回器，降落到月球表面后，采集月球土壤和巖石樣品并帶回地球。2014年10月24日，探月工程三期再入返回飛行試驗器（簡稱試驗器）成功發(fā)射，同年11月1日，試驗器的返回器在中國內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)順利著陸，圓滿完成再入返回飛行試驗。

探月工程三期再入返回飛行試驗器示意圖

試驗器的返回器成功在著陸區(qū)預(yù)定區(qū)域降落

螢火－1

中國在火星探測方面也選擇了國際合作的方式。2007年3月，中國國家航天局與俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了《中國國家航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局關(guān)于聯(lián)合探測火星——火衛(wèi)一合作的協(xié)議》，確定雙方將聯(lián)合對火星及其衛(wèi)星火衛(wèi)一進行探測。根據(jù)協(xié)議，俄方的“火衛(wèi)一-土壤”（Phobos-Grunt）火星探測器與中方小衛(wèi)星由俄運載火箭同時發(fā)射，中方小衛(wèi)星由“火衛(wèi)一-土壤”探測器送入繞火星的橢圓軌道。其后，中方小衛(wèi)星將自主完成對火星空間環(huán)境的探測任務(wù)，并與“火衛(wèi)一-土壤”探測器聯(lián)合完成對火星環(huán)境的探測；“火衛(wèi)一-土壤”火星探測器著陸在火衛(wèi)一表面并進行探測，提取火衛(wèi)一樣品返回地球。在2011年的發(fā)射任務(wù)中，因俄方探測器所載綜合電子計算機發(fā)生故障，未能進入奔火軌道。

雖然此項聯(lián)合探測任務(wù)沒有取得成功，但通過該項目的合作，中國完成了第一個火星探測器——螢火－1的研制，在行星際探測器的發(fā)射過程、運行軌道、姿態(tài)控制特點、測控數(shù)傳工作模式等方面都有了一定的認識和積累，為后續(xù)實施深空領(lǐng)域探測項目奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

火星－500實驗計劃

此外，中國還參加了歐洲航天局與俄羅斯聯(lián)合開展的火星－500（MARS 500）實驗計劃，共有來自法國、俄羅斯、德國、意大利、中國的6名飛行人員參與，該任務(wù)涉及105項實驗，驗證各飛行系統(tǒng)，目的是探索火星探測過程中人與環(huán)境的關(guān)系，了解未來前往火星的飛行人員的心理和生理狀態(tài)，為未來的火星探測活動積累經(jīng)驗。由于從火箭發(fā)射、飛往火星、火星著陸到返回地球的全部過程需要近500天的時間，因此志愿者們體驗了為期520天的完整火星往返之旅的模擬任務(wù)，包括250天飛往火星、30天駐留火星以及240天返回地球。

5 關(guān)于深空探測領(lǐng)域開展國際合作的思考

從全球范圍來說，現(xiàn)在深空探測還在探索階段，探索和利用深空是一項復雜、艱巨、高風險、高投入的事業(yè)，開展國際合作，將是深空探測的必然發(fā)展趨勢。經(jīng)過載人航天工程、探月工程，中國在運載火箭技術(shù)、探測器研制等方面擁有良好的基礎(chǔ)，已經(jīng)具備開展更大規(guī)模深空探測的人才和技術(shù)儲備。中俄火星探測項目的合作經(jīng)驗，也將為后續(xù)與其他國家和地區(qū)開展國際合作提供借鑒和參考。

政治環(huán)境

鑒于大型航天項目的高成本與技術(shù)復雜性，近年來，各國政府、企業(yè)界、學術(shù)界均表示出了拓展全球航天合作的意向，在未來的深空探測規(guī)劃中都明確了國際合作是其中的一個重要方面，都有加強合作的政治意愿。一些國家也發(fā)布了相關(guān)政策，強調(diào)國際航天合作，為國家間開展太空探索合作與交流提供了政策依據(jù)。我國政府一貫主張在平等互利、和平利用、共同發(fā)展原則的基礎(chǔ)上，加強與世界各國在太空領(lǐng)域的交流與合作，促進包容性發(fā)展。

2013年，習近平總書記提出建設(shè)“新絲綢之路經(jīng)濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的戰(zhàn)略構(gòu)想，即“一帶一路”戰(zhàn)略?！耙粠б宦贰币欢诉B接發(fā)達的歐洲經(jīng)濟圈，另一端連接極具活力的東亞經(jīng)濟圈，將帶動中亞、西亞、南亞以及東南亞的發(fā)展，并且輻射到非洲去?！耙粠б宦贰睉?zhàn)略的實施，也將為中國與“一帶一路”沿線國家在航天領(lǐng)域開展合作提供契機，推動“一帶一路”沿線的各個國家加大航天合作力度，推進航天基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括空間和地面設(shè)施，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享，利用中國在載人航天、月球探測、火星探測方面積累的經(jīng)驗，促進“一帶一路”沿線國家在深空探測領(lǐng)域的嘗試和拓展，推動各國航天技術(shù)水平的提升，促進經(jīng)濟共同發(fā)展。

研究經(jīng)費

通過梳理各個國家近50多年來的深空探測活動可以看出，美國、俄羅斯、歐洲、印度等國家通過開展月球探測、火星探測等深空探測活動，一定程度上帶動了本國航天技術(shù)及國民經(jīng)濟的整體發(fā)展。但同時也可以看到，開展深空探測活動，開發(fā)和利用月球、火星等深空資源，是一項投資巨大、風險巨大的復雜系統(tǒng)工程。各國為了實施本國的深空探測計劃，都投入了巨大的財力。

在深空探測領(lǐng)域開展國家間的合作，可以實現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補。根據(jù)本國的經(jīng)濟實力和科學技術(shù)水平，不同的國家有著不同的合作動機。對科技水平相對較低的國家來說，通過開展國際合作，可以分攤項目研制所需的巨額經(jīng)費，從而確保足夠的經(jīng)費支持，一定程度上可以解決在航天技術(shù)研發(fā)過程中的經(jīng)費不足的困難，這符合計劃開展深空探測項目相關(guān)國家的自身利益。

歐洲“火星快車”探測器

科技交流

在深空探測領(lǐng)域開展國際合作，能夠有效分解探測任務(wù)的總體難度，充分利用不同國家的優(yōu)勢技術(shù)和成熟技術(shù)，降低任務(wù)風險，縮短探測任務(wù)的整體時間，避免相同目標、相同任務(wù)的重復探測，極大地提高深空探測項目的研究效率。

在運載火箭領(lǐng)域，我國自主研制的“長征”系列火箭家族型譜不斷完善，目前已經(jīng)形成了10余種型號的火箭家族，運載火箭的總體技術(shù)水平達到國際先進水平，國際競爭能力不斷提升，能夠承擔的發(fā)射任務(wù)范圍不斷擴大，可用于發(fā)射近地軌道、太陽同步軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道的多種衛(wèi)星及載人飛船，也可以執(zhí)行深空的發(fā)射任務(wù)。

此外，除甘肅酒泉、山西太原、四川西昌外，我國在海南文昌新建了第4個航天發(fā)射場。該發(fā)射場位于低緯度，距離赤道只有19°，能夠為火箭發(fā)射節(jié)省大量的燃料，并且基本滿足了全球各種軌道航天器發(fā)射要求，如：地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務(wù)。

人才培養(yǎng)

航天產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)周期長，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也需要大量的高素質(zhì)人才支撐。為適應(yīng)這一需求，各國政府均加大力度培養(yǎng)航天人才，減少人才流失，從而鞏固航天工業(yè)的技術(shù)實力。科技人才是發(fā)展深空探測的主體，建設(shè)一支高素質(zhì)的科技人才隊伍是成功實施深空探測計劃的關(guān)鍵因素。因此，要開展深空探測活動，必須將科技人才隊伍建設(shè)納入總體發(fā)展戰(zhàn)略，加強深空探測領(lǐng)域科技人才培養(yǎng)。

6 結(jié)束語

經(jīng)過50多年的航天工程實踐，我國在技術(shù)基礎(chǔ)和實施方面，已經(jīng)具備了開展深空探測研究的能力，并且在空間科學和航天技術(shù)領(lǐng)域培養(yǎng)造就了一支高素質(zhì)的科技隊伍，擁有較為豐富的人才資源。在開展深空探測活動時，可以通過開展學術(shù)交流、教育培訓、聯(lián)合研究、派遣訪問學者等合作方式，促進不同國家間空間探索領(lǐng)域人才的交流和溝通，帶動參與合作項目國家的青年科技人員成長，培養(yǎng)出更多、更優(yōu)秀的航天人才隊伍，促進科技人才隊伍整體能力的提升。