《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報告分析

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

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《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報告分析

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

2015年10月8日，美國航空航天局（NASA）公開發(fā)布了《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報告（以下簡稱《火星之旅》報告），全文35頁，概要介紹了美國分3個階段實施載人火星探索系列任務的規(guī)劃，重申將在21世紀30年代實現(xiàn)載人登陸火星的終極目標。NASA規(guī)劃載人火星探索活動已有數(shù)十年時間，此番報告的發(fā)布是最新舉措，意在向公眾和國際社會“傳達其探索策略并分享進展”。

1　報告出臺背景

美國始終將火星作為載人航天的長遠目標

美國開展載人航天活動已超過半個世紀，載人火星探索的愿景最早可追溯至1969年“阿波羅”（Apollo）首次載人登月前后，時任美國副總統(tǒng)阿格紐領(lǐng)導的太空專題研究組向政府提交了一份有關(guān)“阿波羅”計劃后續(xù)發(fā)展方向的報告，其中提到了實施火星任務、建設(shè)空間站等目標。自此之后，所有有關(guān)載人航天發(fā)展戰(zhàn)略研究的工作組或顧問組，都將火星視為美國載人航天的終極目標。

2003年“哥倫比亞”（Columbia）航天飛機出現(xiàn)重大事故后，為恢復美國民眾對空間探索計劃的支持熱度，也為了自己競選連任，小布什總統(tǒng)于2004年提出“太空探索新構(gòu)想”戰(zhàn)略，宣布美國人將在2020年前重返月球，即“星座”計劃，并為載人探索火星和其他目的地作準備。

奧巴馬總統(tǒng)上任后，面對嚴峻的經(jīng)濟壓力和巨額財政赤字，組建奧古斯丁委員會對正在進行的載人航天計劃進行全面審查。根據(jù)審查結(jié)果，奧巴馬總統(tǒng)于2010年2月宣布取消已進入工程研制階段的“星座”計劃，并借此提出“21世紀太空探索”新戰(zhàn)略，目標是進行“月球以遠”的載人空間探索，提出于21世紀30年代中期實現(xiàn)載人火星軌道飛行，之后實施載人火星登陸。同年，美國又發(fā)布了新版《美國國家空間政策》，將奧巴馬太空探索新政內(nèi)容作為一項民用航天指導方針確定下來。此后，對于載人火星探索的過渡目標，美國一直采取了多目的地探索策略，以火星為終極目標，將月球、近地小行星、拉格朗日點等目標作為備選目標，注重發(fā)展技術(shù)能力，以期在目標確定之時具備相應工程能力。

《火星之旅》報告則是直接響應了2010版《美國國家空間政策》的指示，近年也得到了美國國會授權(quán)法案的支持?！?010財年NASA授權(quán)法案》首次正式將“實施載人火星探索”定為美國載人航天計劃的長遠目標；《2014財年NASA授權(quán)法案》重申了這一承諾，并確認，載人火星探索是NASA的首要使命。

測試中的美國“洞察”火星著陸器

重視能力建設(shè)，連續(xù)出臺頂層技術(shù)規(guī)劃

美國空間探索規(guī)劃當前集中了能實現(xiàn)多目的地探索的能力驅(qū)動戰(zhàn)略。為確保載人航天持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標，美國開展了技術(shù)路線的系統(tǒng)研究并制定了技術(shù)投資規(guī)劃，形成了清晰的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)體系。2010-2015年，美國連續(xù)出臺了《NASA空間技術(shù)路線圖草案》、《NASA空間技術(shù)路線圖與優(yōu)先級》、《NASA空間技術(shù)戰(zhàn)略投資規(guī)劃》以及2015版《NASA技術(shù)路線圖（草案）》等一系列技術(shù)發(fā)展路線與投資舉措，并于2013年成立了NASA空間技術(shù)任務部，管理、投資、研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，確定NASA未來優(yōu)先發(fā)展和重點投資的重大技術(shù)，推動空間探索技術(shù)的跨越式發(fā)展。

無人火星探測成就奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)

美國是全球唯一一個全面掌握火星掠飛、環(huán)繞、著陸和巡視勘察技術(shù)的國家，取得火星探測史上多個“第一”，在火星探測領(lǐng)域占據(jù)絕對領(lǐng)先地位。7個軌道器成功入軌并長期工作，3個著陸器和4臺火星車登陸火星，為后續(xù)載人火星探索奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。2015年9月28日，NASA公布火星表面存在液態(tài)水活動的強有力證據(jù)，將全世界目光聚焦到火星上。未來幾年，美國將繼續(xù)開展深入的火星探測任務，包括2018年發(fā)射“洞察”（InSight）火星鉆巖著陸器和2020年發(fā)射新型火星車等。

2　報告主要內(nèi)容

《火星之旅》報告分六部分，回答了“為什么要探索火星”的問題，給出了未來若干年的探索目標和戰(zhàn)略方針，提出了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)想，重點介紹了NASA以火星探索為中心，在技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)研制方面已經(jīng)取得的最新進展，并總結(jié)了火星探索面臨的挑戰(zhàn)。

探索火星的目的和目標

（1）探索目的

火星科學價值極高，其形成和演變的過程和地球相似，可幫助人類了解更多關(guān)于地球歷史和未來的信息。NASA認為，對火星進行探索可以回答一系列問題：①地球以外是否曾出現(xiàn)過生命？②火星未來能否成為人類移居的家園？③火星能否提供宇宙其他地方存在生命或者地球上生命如何起源的信息？④火星是否能夠告訴我們有關(guān)地球的過去、現(xiàn)在和未來的信息？

（2）探索目標

NASA致力于領(lǐng)導美國和全球火星探索活動，旨在向太陽系深處和火星表面拓展人類足跡，采用人類和機器人聯(lián)合探測的方式填補知識缺口，并探尋可能存在的地外生命。在此過程中，依靠日益增多的國際和商業(yè)合作伙伴實現(xiàn)目標并獲得經(jīng)濟效益，鞏固美國在地球上和太空中的領(lǐng)導地位。

探索途徑指導方針和特點

針對載人火星探索途徑，NASA制定了一組指導性方針，為可持續(xù)、可負擔的載人航天計劃提供全局指導，以確保NASA的投入有效且高效。這些方針可歸納為：

1）近期適應當前預算額度，中、遠期考慮國家經(jīng)濟增長潛力；

2）探索與科學互相促進；

3）近期任務應用高成熟度技術(shù)，同時持續(xù)投資突破性技術(shù)；

4）采取聯(lián)合探測方式，協(xié)調(diào)開展載人任務和機器人任務；

5）推動美國相關(guān)企業(yè)廣泛參與，進一步提升工業(yè)基礎(chǔ)；

6）形成彈性體系結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施強調(diào)多用途、牽引性、可演進；

7）密切新型國際和商業(yè)合作伙伴關(guān)系，充分利用當前“國際空間站”的合作伙伴關(guān)系，并構(gòu)建新型商業(yè)協(xié)作性探索機制。

在該報告中，NASA提出了逐步發(fā)展的“彈性”探索途徑，該路徑具有如下特點。

1）后勤需求最小化：盡量減少所需系統(tǒng)數(shù)量，使用原位資源進行維護，以實現(xiàn)任務的自給自足；

2）模塊化：即硬件標準化及對復雜分系統(tǒng)采用簡單接口；

3）通用性：開發(fā)可在多個目的地服務多種用途的系統(tǒng)；

4）可擴展性：研制具有應用強化路徑的初始硬件；

5）可負擔性：針對全系列任務而非單一任務優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)，最大程度降低開發(fā)成本。

“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)想

NASA力圖整合全局資源，并與眾多伙伴合作從當前的“依賴地球”型載人航天計劃起步，經(jīng)由地月空間“試驗場”，發(fā)展出“擺脫地球”的深空能力。NASA遵循以下增量式步驟，發(fā)展并驗證相關(guān)能力。

1）“依賴地球”階段：主要指“國際空間站”上的研究活動，試驗技術(shù)并推進人體健康和績效研究，為將來長時間深空探測任務奠定基礎(chǔ)。

2）“試驗場”階段：NASA將嘗試在深空環(huán)境（主要是地月空間）中進行復雜任務，但將其復雜程度限定為“乘組可在數(shù)天內(nèi)返回地球”，借此提升并驗證人類在距離母星地球非常遙遠的深空中生活、工作所必需的能力。

3）“擺脫地球”階段：建立在“國際空間站”和深空探索既得經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，使前往火星附近（低火星軌道或火星其中一顆衛(wèi)星）的載人任務成為可能，并最終實現(xiàn)載人登陸火星。登上火星后，不僅是到訪，還要長期駐留。

面臨的挑戰(zhàn)

在深空中生活和工作的技術(shù)和運行挑戰(zhàn)可分為三類：“運輸”，高效、安全、可靠地將人類乘員和貨物送入空間，并在其中航行；“在太空中工作”，實現(xiàn)乘員和機器人系統(tǒng)的生產(chǎn)性作業(yè)；“保持健康”，可為人類提供安全、健康和可持續(xù)探索環(huán)境的居住系統(tǒng)?？朔@三類障礙是長達1000天的載人火星任務和延續(xù)數(shù)十年的空間探索系列任務面臨的首要挑戰(zhàn)。

NASA載人火星探索“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)想

3　報告的幾點分析

從報告提供的關(guān)鍵信息上看，與NASA以往不同時期公布的載人火星探索“規(guī)劃”別無二致，既沒有給出具體的任務時間表，也沒有給出整個計劃的大概預算。因此，如NASA所說，該報告僅為傳達其探索策略，并分享進展。

時逢美國聯(lián)邦政府新財年，有爭取政府經(jīng)費支持之意

雖然美國政府和國會都支持載人火星探索，但在預算和撥款上微乎其微，載人火星計劃也沒有立項和給予專項撥款。經(jīng)費問題成為制約載人火星計劃的最大瓶頸。每年10月1日是美國聯(lián)邦政府新財年的開始，因此，NASA多選擇在這一時間發(fā)布規(guī)劃和重大發(fā)現(xiàn)，有爭取經(jīng)費之意。NASA先是在2015年9月底高調(diào)宣布火星表面存在液態(tài)水活動的證據(jù)，又分批公布了“阿波羅”探月期間的大量高清照片；10月7日，NASA副局長羅伯特·萊特福特在美國國會山午餐會上聲稱，NASA可以在不增加當前預算的情況下完成載人火星探索。緊接著在10月8日，NASA發(fā)布了《火星之旅》報告。NASA選擇這一時機發(fā)布報告和NASA高層上下奔走的原因無非是繼續(xù)宣傳和游說，為載人火星探索工程立項作努力。

載人火星探索挑戰(zhàn)巨大，技術(shù)突破和國際合作必不可少

一旦著手實施載人火星探索，就意味著開始了人類歷史上持續(xù)時間最長、距離最遠、規(guī)模最大的航天活動。載人火星探索除必須有國家級持續(xù)投入的保障外，技術(shù)和合作伙伴關(guān)系也都是關(guān)鍵要素?；鹦翘剿魉柰顿Y之巨大，非一國所能獨立承擔。因此，開展國際合作是未來載人深空探索，尤其是載人火星探索的必然途徑?！痘鹦侵谩穲蟾嬷幸矊掖翁岬絿H合作伙伴關(guān)系的重要性。2011年9月，NASA牽頭，美、俄、歐、日等12個國家或組織共同發(fā)布了《全球探索路線圖》，并于2013年8月更新，亦將火星作為各國一致的長期發(fā)展目標。不過，未來載人空間探索雖以國際合作為主，但仍由美國主導，《全球探索路線圖》也是按照美國的意圖制定，其他國家參與開發(fā)所需的系統(tǒng)和技術(shù)。

瞄準火星探索，NASA持續(xù)推進相關(guān)系統(tǒng)研制和技術(shù)開發(fā)

美國是大型在軌載人航天器“國際空間站”的主要合作伙伴，近年逐步將近地軌道運輸服務轉(zhuǎn)交給商業(yè)公司，NASA自身則瞄準近地軌道以遠探索能力，發(fā)展相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)。美國正在研制的新型載人航天器和重型運載火箭，發(fā)展完備后可到達深空多個目的地，實現(xiàn)美國目前采取的多目的地探索策略。在載人火星探索所需的關(guān)鍵技術(shù)方面，美國也在通過技術(shù)投資規(guī)劃、創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)計劃等并行開發(fā)、試驗、驗證和應用。雖然美國還沒有確定載人火星探索的具體時間表，但就目前形勢而言，各系統(tǒng)和技術(shù)進展良好，已為載人火星探索奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

美國國內(nèi)反應平平，規(guī)劃落實受多方掣肘

雖然NASA公布的載人火星探索規(guī)劃雄心勃勃，但美國國會對該報告提出批評。同樣，該報告及NASA最近的一系列舉措也沒有引起美國公眾的強烈反響。

NASA局長查爾斯·博爾登屢次在公開場合高調(diào)宣傳載人火星探索。2015年10月28日，博爾登發(fā)表演講稱，總統(tǒng)換屆已使美國載人航天發(fā)展多次陷于危局，如果下一任總統(tǒng)再次改變主意，在載人火星探索的問題上有任何遲疑，NASA“必遭毀滅”。

未來用于載人登火星的美國“獵戶座”載人飛船示意圖

美國國會則不太理會NASA的宣傳手段，指出該報告沒有實質(zhì)內(nèi)容，敦促NASA制定更詳細的載人火星探索計劃，并警告說，NASA不顧細節(jié)的作法會使整個計劃受困，美國無法依靠其實現(xiàn)載人火星任務。同時稱，美國載人火星探索缺乏進展是奧巴馬政府之責，因其總想削減NASA深空計劃經(jīng)費。2015年10月9日，在眾議院舉行的NASA載人深空探索聽證會上，眾議院科學委員會主席拉瑪爾·史密斯批評NASA的《火星之旅》報告，稱其“沒有時間表，沒有預算，盡是些漂亮的圖片和動聽的話，這些是不可能讓我們到達火星的”。共和黨議員指責政府預算案的原因主要是新火箭“空間發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的首次發(fā)射已經(jīng)推遲了1年，而可預見的還有其與“獵戶座”（Orion）載人飛船的首次組合飛行將再度推遲2年。

似是在回應美國國會一直以來的批評之聲，奧巴馬總統(tǒng)在2015年國情咨文演說中強調(diào)，“投資空間技術(shù)至關(guān)重要”，并表示美國的長遠目標是“要駐留在太空中，而不僅僅是到訪”。白宮在2015年10月底發(fā)布新版《美國創(chuàng)新新戰(zhàn)略》，表示將大力支持空間探索等九大領(lǐng)域；與白宮協(xié)商后，美國參眾兩院亦在10月底批準通過兩黨預算協(xié)議，決定2016和2017財年將聯(lián)邦非強制性開支上限提高了800億美元，意味著美國聯(lián)邦政府各研發(fā)機構(gòu)的經(jīng)費可能會有不同程度的增加。但這都不應引發(fā)盲目樂觀，如NASA局長所說，2016年美國大選將至，在總統(tǒng)決定政策的聯(lián)邦體制下，新總統(tǒng)的戰(zhàn)略思想才是關(guān)鍵。

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