深空探測：空間拓展的戰(zhàn)略制高點

崔平遠

【摘要】深空探測是人類探索宇宙奧秘、開發(fā)天體資源、拓展空間疆域、實施技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，是當(dāng)今世界高新科技領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性和帶動性的重大活動，已成為21世紀航天大國和空間組織進行空間拓展與科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略制高點。作為深空探測的熱點目標，月球、火星、小天體分別承載了不同的探測功能，美國、俄羅斯、歐空局等航天大國和組織對這些目標開展了相關(guān)探測活動，并有一系列的深空探測規(guī)劃。隨著各種高精尖科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國將不斷加快向更遠深空邁進的步伐，從發(fā)展進入深空能力，到探索資源利用能力，再到拓展深空能力，為實現(xiàn)“兩個一百年”目標和人類文明進步做出重大貢獻。

【關(guān)鍵詞】深空探測 月球探測 火星探測 小天體探測

【中圖分類號】V11 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.002

遨游宇宙、探索深空是人類一直以來的美好愿景。1957年世界第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射，為人類揭開了開拓外層空間的新篇章。隨后，深空探測逐漸成為人類重要的航天活動領(lǐng)域。人類通過對地球以外其他星體的探測，了解行星的起源和演化規(guī)律，探索和揭示生命的由來及其在宇宙中的進化，進一步認識地球環(huán)境的形成和演變，并為開發(fā)空間資源、保護地球免受其他小天體危害開辟新的途徑。深空探測對人類的持續(xù)生存和不斷向地球以外的空間拓展有著重要的現(xiàn)實意義。

近年來，深空探測無論在深度還是廣度上都取得了巨大的成就，而推動深空探測發(fā)展的原動力則是科學(xué)探索與技術(shù)進步。技術(shù)發(fā)展是人類破解科學(xué)難題的手段和工具，而距離遙遠是實施深空探測任務(wù)所面臨的首要技術(shù)難題。該難題主要表現(xiàn)為：長時間飛行的能源動力問題、遠距離飛行的測控通信問題、深空飛行的精確導(dǎo)航與控制問題以及對深空環(huán)境的適應(yīng)性問題等。正是這些問題的出現(xiàn)，才促進了利用核裂變產(chǎn)生的能量為探測器提供能源的空間核電源技術(shù)、通過電場力將帶電離子加速噴出形成反作用推力的離子推進技術(shù)，以及高頻段測控通信技術(shù)、光通信技術(shù)和深空自主導(dǎo)航與控制等技術(shù)的發(fā)展。同時，也促進了利用太陽光壓作為動力的太陽帆等新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)。

人類已經(jīng)渡過了深空探測的初級階段，正在向中級階段邁進。未來的深空探測活動將不僅僅局限于作為人類認識宇宙、了解自然規(guī)律的一種方式，還將成為人類保護地球、進入宇宙、拓展生存空間的一種手段，也將是人類進行空間資源開發(fā)與利用、空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。進入21世紀，美國、俄羅斯、歐空局等航天大國和組織相繼制定了20年甚至更長遠的深空探測規(guī)劃。這些規(guī)劃表明，月球、火星和小行星仍將是未來深空探測的重點和熱點，但其探測的內(nèi)涵和深度較前期的探測活動將有明顯的提升。

月球探測——深空探測的“中轉(zhuǎn)站”

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的天體。它一直是人類觀察研究的對象，是人類開展深空探測的首選目標。月球可以作為深空探測的“中轉(zhuǎn)站”和空間技術(shù)的試驗點，富含水冰及各類礦物資源，尤其是月球極區(qū)具有更高的探測價值。因此，技術(shù)成熟的航天大國仍將月球探測作為其深空探測的重要任務(wù)之一，紛紛提出建立月球科研站或基地的構(gòu)想。同時，月球作為深空探測的起點，是實現(xiàn)深空探測突破的首選目標，目前很多新興航天國家和機構(gòu)都將月球探測列為首次深空探測活動的重點。

自1959年至今，月球探測經(jīng)歷三個主要時期：初始探月高潮期（1959～1976）、冷戰(zhàn)結(jié)束寧靜期（1976～1994）、重返月球研發(fā)期（1994至21世紀前30年）。21世紀月球探測的戰(zhàn)略目標是建設(shè)月球科研站或基地，開發(fā)利用月球資源、能源與環(huán)境，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。在“克萊門汀”和“月球勘測者”之后，歐洲的SMART—1計劃、日本的“月球—A”和“月神”計劃以及印度的月球探測計劃相繼實施。它們均以月球資源探測為主要目標，旨在為未來月球資源開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)?？v觀世界各國21世紀月球探測計劃，與初期的月球探測相比，重返月球、建立月球科研站或基地的目標更明確，規(guī)模更宏大，參與國家更多。

美國于2004年提出了“重返月球”計劃，旨在建立月球基地，并以此為中轉(zhuǎn)站實現(xiàn)載人火星探測。牽牛星（Altair）號月球著陸器是美國國家航空航天局（NASA）星座計劃的關(guān)鍵組成部分，該計劃結(jié)合了航天器、運載火箭以及實現(xiàn)重返月球和太陽系其他目標天體的探測任務(wù)。①牽牛星號月球著陸器原計劃在2020年前運送宇航員和相關(guān)物資至月球表面，但在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。NASA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，美國加利福尼亞州的月球快車公司的MX1著陸器已完成了有關(guān)地面試驗，預(yù)計將于2017年發(fā)射。商業(yè)途徑將是未來深空探測的另一發(fā)展趨勢。

俄羅斯在月球探測上取得過輝煌的成績。21世紀初，俄羅斯公布的空間探索計劃中，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(wù)。②盡管近期俄羅斯的深空探測任務(wù)由于多種原因被反復(fù)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年實現(xiàn)載人月球探測。

歐空局（ESA）在21世紀初發(fā)布了“曙光”空間探索計劃（Aurora Programme），提出將月球作為載人火星探測的前哨基地。③2015年5月，歐空局宣稱最早將于2024年在月球背面建立基地，目前正在研發(fā)月球軟著陸技術(shù)。日本在2005年公布的空間探索規(guī)劃中指出，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——載人登月三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(wù)“月球探測小型著陸器”（Smart Lander for Investigating Moon， SLIM），旨在實現(xiàn)百米級的精確軟著陸。印度也計劃在2017年進行第二次月球探測，韓國則提出在2020年發(fā)射月球軌道器和著陸器。

中國是第三個實現(xiàn)月球軟著陸和巡視任務(wù)的國家。從2007年發(fā)射的“嫦娥一號”繞月探測，到2010年發(fā)射的“嫦娥二號”實現(xiàn)“一探三”，再到2013年發(fā)射的“嫦娥三號”月面軟著陸，中國探月工程“繞—落—回”三步走戰(zhàn)略④前兩步已取得圓滿成功，下一步將在2018年前后實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸與采樣返回任務(wù)，為開展更遠深空目標的探測活動奠定基礎(chǔ)。

火星探測——行星探測的首選目標

作為太陽系內(nèi)結(jié)構(gòu)和環(huán)境最接近地球的行星，火星始終是最受關(guān)注的行星探測目標。從上世紀60年代開始，人類拉開了對火星進行近距離探測的序幕，探測方式也隨著空間技術(shù)水平的提高，由“飛越、繞飛”向“著陸、巡游”發(fā)展。其中，具有代表性的火星著陸探測任務(wù)包括美國的“海盜號”（Viking）、“火星探路者”（MPF）、“勇氣號”（MER—A）和“機遇號”（MER—B）、“鳳凰號”（Phinex）、“好奇號”（Curiosity）以及歐空局的“火星快車”（Mars Express）和“獵兔犬2號”（Beagle 2）等。這其中尤以2011年11月26日發(fā)射升空、2012年8月6日成功著陸火星的“好奇號”最具代表性。“好奇號”是美國迄今最大、最昂貴、最先進的火星車，對新一代進入制導(dǎo)技術(shù)、導(dǎo)航與軌跡姿態(tài)控制技術(shù)、火星軟著陸技術(shù)等進行了驗證，⑤進一步推進了火星著陸探測技術(shù)的發(fā)展。

21世紀以來，多個國家提出了載人火星探測計劃，意欲將人類的活動疆域擴展至火星。美國的載人火星探測計劃，將首先執(zhí)行機器人先驅(qū)任務(wù)，并完成火星采樣返回，繼而結(jié)合月球或載人小行星探測任務(wù)，完成載人火星探測技術(shù)的試驗驗證，最后完成火星的載人探測任務(wù)。在實施載人火星探測前的小行星探測等眾多深空探測任務(wù)均包含有為載人火星探測所做的技術(shù)演練與儲備。

在歐空局的“曙光”計劃中，提出了在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，將通過建立月球前哨基地進行載人火星任務(wù)的技術(shù)開發(fā)和驗證，最終實現(xiàn)載人火星探測。歐空局已與俄羅斯正式簽署協(xié)議，共同實施2016年和2018年的“火星生命探測計劃”（ExoMars）任務(wù)。然而不幸的是，“ExoMars 2016”火星探測任務(wù)由于在著陸過程中減速推進器提前關(guān)閉導(dǎo)致著陸器失速墜毀。⑥

俄羅斯除了參與歐空局的ExoMars項目之外，還計劃于2025年再次實施“火衛(wèi)一—土壤”（Phobos—Grunt）火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)。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(wù)。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(wù)——“希望號”（Hope），韓國則提出2026年和2030年發(fā)射火星軌道器和著陸器。

中國擬于2020年前后實施火星“繞—落—巡”一體化探測任務(wù)，該任務(wù)由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，其中環(huán)繞器將環(huán)火星飛行1個火星年，火星車將在火星表面運行90個火星日。在此期間，將重點探測火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、土壤特征與水冰分布、表面物質(zhì)組成、大氣電離層及氣候特征以及物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

小天體探測——深空探測的特殊目標

小天體探測是研究太陽系形成與演化、生命起源與進化，以及抵御外來天體撞擊地球的重要技術(shù)途徑。同時，也可為試驗新型空間技術(shù)，尤其是深空探測技術(shù)提供驗證平臺。隨著航天技術(shù)的發(fā)展和空間科學(xué)研究目標的提高，小天體探測由早期的“飛越、環(huán)繞”探測，逐漸發(fā)展到目前的“撞擊、附著與采樣返回”。

美國“近地小行星交會”（Near Earth Asteroid Rendezvous， NEAR）任務(wù)、日本“隼鳥”（Hayabusa）任務(wù)和歐空局“羅塞塔”（Rosetta）任務(wù)是小天體探測成功的典范。2001年2月，美國NEAR Shoemaker（簡稱NEAR）探測器成功附著于433 Eros小行星表面，成為首個在小天體表面附著的探測器。NEAR首先對Eros小行星進行了為期一年的環(huán)繞探測，后成功完成了附著拓展任務(wù)。⑦2005年11月，日本Hayabusa探測器自主附著于25143 Itokawa小行星表面，并于2010年6月攜帶收集到的小行星樣本成功返回了地球。Hayabusa任務(wù)對弱引力環(huán)境下的自主光學(xué)導(dǎo)航與控制技術(shù)進行了試驗驗證，首次利用自主導(dǎo)航與控制技術(shù)實現(xiàn)了小天體表面附著。⑧該任務(wù)采用了基于光學(xué)導(dǎo)航相機和激光雷達的自主導(dǎo)航方案，并在下降過程中投放人工信標，利用導(dǎo)航相機對人工信標進行跟蹤以消除水平方向速度。任務(wù)采用了“接觸—分離”（Touch And Go，TAG）附著方式，在小行星表面短暫附著并采集樣品，然后上升離開。Hayabusa還攜帶了一個小型跳躍式表面巡視器MINERVA，但釋放時因速度略超過了逃逸速度而投放失敗。與NEAR不同，Hayabusa采用了懸停方式對小行星進行觀測，然后從懸停位置下降附著在小行星表面。2014年11月，歐空局發(fā)射的Rosetta探測器成功釋放著陸器“菲萊”（Philae），Philae隨后緩慢附著于67P/Churyumov—Gerasimenko彗星表面，首次實現(xiàn)了彗星表面附著。⑨Philae采用了無控的彈道式下降，以及冷氣推進與錨定結(jié)合的固定方式，但由于冷氣推進與錨定裝置均發(fā)生故障，著陸器在彗星表面發(fā)生了兩次反彈，最終落入陰影區(qū)域，在電池電量耗盡后無法充電而進入休眠狀態(tài)。隨著彗星接近太陽而使光照條件改善，地面站曾于2015年6至7月間斷性地接收到著陸器信號，但此后再次失去聯(lián)系。

目前，日本和美國正在實施新的小行星采樣返回任務(wù)。日本“隼鳥2號”（Hayabusa 2）任務(wù)于2014年12月發(fā)射，對C類小行星1999 JU3進行采樣返回。探測器預(yù)計2018年6月到達1999 JU3小行星，進行為期一年半的探測活動，然后于2019年12月返回，2020年12月到達地球。美國OSIRIS—REx任務(wù)于2016年9月發(fā)射，將對Bennu小行星進行采樣返回探測，計劃采集不少于60g樣品。OSIRIS—REx探測器計劃于2018年到達Bennu小行星，采集樣品后于2023年返回地球。

此外，美國計劃在2020年與歐空局合作實施“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)”（AIDA），并于2020～2021年發(fā)射“小行星重定向飛行器”（ARV）。其中，“小行星重定向飛行器”將負責(zé)捕獲小行星的一塊巨石，并將其拖至月球軌道。⑩這一創(chuàng)新性任務(wù)方式不僅可以驗證小行星偏轉(zhuǎn)等一系列技術(shù)，還為小行星資源利用與開發(fā)提供了新的思路。

我國的“嫦娥二號”衛(wèi)星在完成月球探測任務(wù)和日地拉格朗日L2點探測任務(wù)后，對Toutatis小行星進行了首次近距離飛越探測，使我國成為第四個對小行星開展探測的國家。?我國計劃在2024年前后開展多任務(wù)小行星探測活動，與此同時，相關(guān)科研機構(gòu)和高等院校也在積極開展聯(lián)合小行星探測的論證工作，以尋求更多的實施小行星探測的機會。

結(jié)束語

浩瀚的宇宙中有著無數(shù)等待人類去探索的秘密，而人類對于外層空間的探測才剛剛開始。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人類認知能力的發(fā)展，開展深空探測，進入更深、更遠、更廣闊的太陽系和宇宙空間，將成為人類航天活動的重要方面，也是人類探索宇宙奧秘和尋求長久生存發(fā)展的必然選擇。同時，探索浩瀚宇宙也是當(dāng)今世界高新科技領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的活動，開展深空探測對于推動空間技術(shù)、空間科學(xué)、空間應(yīng)用的發(fā)展，帶動科技創(chuàng)新，促進經(jīng)濟和社會持續(xù)進步等都具有十分重要的意義。

盡管中國在深空探測領(lǐng)域起步較晚，在諸多方面還是空白，但是相信隨著各種高精尖科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國將不斷加快向更遠深空邁進的步伐：從發(fā)展進入深空能力——至2018/2020年實現(xiàn)人類在月球背面首次著陸巡視以及我國首次火星環(huán)繞、著陸和巡視聯(lián)合探測，到探索資源利用能力——至2030年前后實現(xiàn)全月面到達、原位資源開發(fā)利用、火星及小行星取樣返回，再到拓展深遠空間能力——至2050年建成月球科研站或基地并具有太陽系任意天體可到達可探索能力。我們要堅持走中國特色的深空探測之路，集中全國優(yōu)勢力量，創(chuàng)新驅(qū)動，重點突破，跨越發(fā)展，支持我國航天強國、科技強國和制造強國建設(shè)。中國的深空探測活動將為實現(xiàn)“兩個一百年”目標和中華民族偉大復(fù)興的中國夢、為人類文明進步做出重大貢獻。

（博士研究生高艾為本文的撰寫提供了很好的素材，博士研究生徐瑞和于正湜對本文的修改提出了寶貴建議，對三位博士的貢獻表示感謝）

注釋

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責(zé) 編∕樊保玲