小天體探測發(fā)展態(tài)勢

王帥谷知行（ 北京空間科技信息研究所 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

小天體探測發(fā)展態(tài)勢

王帥1谷知行2
（1 北京空間科技信息研究所 2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

Development of Small Body Exploration

小天體探測是當(dāng)前空間探測的一個重要方向，開展小天體探測不僅可以解決眾多基礎(chǔ)科學(xué)問題，還有助于避免小天體撞擊地球、引領(lǐng)高新技術(shù)和航天工業(yè)的發(fā)展、提升航天大國地位等。

1 小天體探測的科學(xué)目標(biāo)

小行星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)和有效載荷

經(jīng)歷了30余年的發(fā)展，小天體探測實現(xiàn)飛越、環(huán)繞、著陸和采樣返回等探測方式，探測程度不斷推進(jìn)，其科學(xué)目標(biāo)也隨之不斷深入。本文按照時間歷程、探測方式分析小天體科學(xué)目標(biāo)的演變情況，及其演變規(guī)律和探測重點。

小行星探測的科學(xué)目標(biāo)

小行星探測的頂層科學(xué)目標(biāo)為研究行星、太陽系的形成與演化。為實現(xiàn)這一科學(xué)目標(biāo)，需要根據(jù)小行星的分布、構(gòu)成研究小行星的起源和演變過程，以及太陽系早期的原始成分。

小行星數(shù)量眾多且分布廣泛，既有接近地球軌道的近地小行星，也有距離地球遙遠(yuǎn)的主帶小行星。小行星探測起步較晚，專門的小行星探測任務(wù)多為環(huán)繞和著陸任務(wù)，深空－1和“南河三”的主要任務(wù)為進(jìn)行技術(shù)驗證，因此科學(xué)目標(biāo)較為簡單，開展了小行星飛越任務(wù)。為深入了解小行星的形成和演化，小行星探測任務(wù)主要研究小行星的構(gòu)成，特別是小行星的礦物質(zhì)、水和有機(jī)物的情況。

小行星還有一個特點是類型眾多，需要對各類小行星有全面的了解，才能理解天體形成和演化的不同路徑，對太陽系、行星的起源和演化有全面的認(rèn)識。因此，美國和日本在開展小天體探測任務(wù)時都考慮了對小行星各種類型的覆蓋，美國開展的4次小行星探測任務(wù)分別探測了S類小行星、Q類小行星、V類和C類小行星、B類小行星，日本主要開展的2次小行星探測任務(wù)分別探測了S類小行星和C類小行星，未來還計劃探測D類和Q類小行星。

總的看來，小天體探測一直在進(jìn)行原位的詳盡成分分析研究。目前美國和日本都在向著更全面的小天體探測發(fā)展，重點研究內(nèi)容為小行星的礦物質(zhì)、水和有機(jī)物以及構(gòu)成和演化。

彗星探測的科學(xué)目標(biāo)

彗星探測的頂層科學(xué)目標(biāo)為研究太陽系及宇宙的形成與演化，探索生命的起源與發(fā)展。為實現(xiàn)這一頂層科學(xué)目標(biāo)，需要根據(jù)彗星的軌道、形狀、成分研究彗星的起源和演變過程。

（1）早期的彗星飛越任務(wù)

彗星的軌道通常與地球軌道偏差較大，實現(xiàn)交會的難度非常高，早期的任務(wù)都是飛越任務(wù)，包括日本“先驅(qū)者”、歐洲“喬托”和日本行星－A等5個彗星探測器。這些探測器均屬于“哈雷艦隊”任務(wù)，于1986年在哈雷彗星返回內(nèi)太陽系時對其進(jìn)行了探測。其中，日本探測器進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測量，蘇聯(lián)探測器扮演先行者的角色，通過較近的飛越定位彗星的彗核，而“喬托”則利用這些探測器返回的信息對哈雷彗星的固體內(nèi)核進(jìn)行詳細(xì)精確的探測。早期彗星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)主要是進(jìn)行全球性的觀測，以及基本構(gòu)成元素的測量。

（2）近期的彗星采樣返回和著陸任務(wù)

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，只有美國和歐洲對彗星進(jìn)行了進(jìn)一步的探測。美國實施了1次彗星飛越采樣返回任務(wù)（“星塵”）、1次多彗星飛越任務(wù)（“彗核巡游”，失敗），1次彗星撞擊任務(wù)（“深度撞擊”），這3次任務(wù)逐步加深了對于彗星構(gòu)成的認(rèn)識，“星塵”捕獲彗星揮發(fā)的物質(zhì)以研究其成分；“彗核巡游”通過飛越多顆彗星對其進(jìn)行觀測，進(jìn)而進(jìn)一步認(rèn)識彗核的成分；“深度撞擊”則通過撞擊彗星研究彗星內(nèi)部物質(zhì)及其與表面物質(zhì)的不同。歐洲則執(zhí)行了1次彗星環(huán)繞和著陸任務(wù)，由于進(jìn)入彗星軌道所需速度增量較大，探測器通過多次行星借力并經(jīng)歷10年飛行才到達(dá)目標(biāo)，目的是對彗星進(jìn)行詳盡的原位探測，通過多種分析儀研究彗星的成分。

總的看來，彗星的探測經(jīng)歷了粗略的觀測與簡單的成分研究階段，已經(jīng)進(jìn)入詳盡的成分分析研究階段，目前科學(xué)目標(biāo)為更為深入全面的研究彗星構(gòu)成，特別是水和有機(jī)物的探測和研究。

2 小天體探測戰(zhàn)略規(guī)劃簡介

小天體探測屬于空間探測的一部分，各國的小天體探測戰(zhàn)略規(guī)劃屬于空間探測戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分。

美國

美國空間探測的長期戰(zhàn)略是基于第一次空間探測高潮獲得的成果和20世紀(jì)90年代以來空間探測獲得的新發(fā)現(xiàn)，開展太陽系的持續(xù)探索。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國提出了覆蓋太陽系主要天體、長遠(yuǎn)目標(biāo)為實現(xiàn)載人火星探測的中長期規(guī)劃，進(jìn)一步延伸人類的活動疆域。但由于預(yù)算不足等問題，美國航空航天局（NASA）權(quán)衡多方面因素，將探測重點集中在火星探測上，同時加大國際合作和商業(yè)合作，以減少任務(wù)的成本和風(fēng)險。

從奧巴馬上臺后的戰(zhàn)略規(guī)劃看，美國將主要的精力和經(jīng)費都放在了載人火星探測上，同時將小行星作為一個重點探測目標(biāo)，開展載人火星探測的試驗任務(wù)。小行星在美國空間探測戰(zhàn)略中的定位為空間探測任務(wù)的試驗場（目前主要為載人火星探測任務(wù)的試驗場），這一點從美國過去的小天體探測任務(wù)也可以看出。美國共進(jìn)行了7次小天體探測任務(wù)，其中5次屬于“發(fā)現(xiàn)計劃”（小型科學(xué)探測任務(wù)），1次屬于“新盛世計劃”（深空技術(shù)試驗任務(wù)），最近的1次屬于“新疆域計劃”。小天體探測任務(wù)在執(zhí)行科學(xué)探測的同時更接近于新技術(shù)/策略的試驗任務(wù)。未來美國小天體探測的走向并不明晰，目前規(guī)劃的載人小天體探測任務(wù)存在諸多爭議，但其作為空間探測試驗任務(wù)這一定位應(yīng)該不會改變。

歐洲

歐洲的空間探測活動遵從兩條主線，一是以火星探測為核心內(nèi)容的“曙光計劃”，長遠(yuǎn)目標(biāo)是實現(xiàn)載人火星飛行，期間將通過無人火星和月球探測任務(wù)驗證未來載人火星探測的相關(guān)技術(shù)；二是“宇宙愿景2015-2025”框架下的空間科學(xué)項目，描繪了歐洲未來20年的空間探測和空間科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃，其中的“太陽系探索”領(lǐng)域包括了除火星以外的其他行星探測、小天體探測以及太陽探測。歐洲各國重點關(guān)注的是發(fā)展本國的優(yōu)勢系統(tǒng)技術(shù)能力，作為“選做”項目的“曙光計劃”進(jìn)展并不順利，項目數(shù)度延期或擱置，目前歐洲航天局（ESA）正通過國際合作方式推進(jìn)火星探測和月球探測；而“宇宙愿景2015-2025”的空間科學(xué)項目始終處于穩(wěn)步實施狀態(tài)，已成為歐洲各國航天合作的核心。

歐洲目前的空間探測戰(zhàn)略重點為火星探測和月球探測，同時兼顧太陽系各類天體的探測。歐洲在進(jìn)行空間探測時重視技術(shù)的發(fā)展，同時關(guān)注各類天體的覆蓋，因此相比于持續(xù)對1顆天體的探測而言，包含新技術(shù)的新型探測任務(wù)更具有吸引力。歐洲近20年來發(fā)射的空間探測任務(wù)的目標(biāo)全部都不同，并且未來規(guī)劃的水星探測、近太陽探測和木星冰衛(wèi)星探測也全部都不同。不過“羅塞塔-菲萊”彗星探測器屬于歐洲航天局“地平線2000長期科學(xué)計劃”的4個基石任務(wù)之一，對于奠定歐洲空間探測基礎(chǔ)能力具有重大意義。因此，可以判斷小天體探測任務(wù)對于歐洲的定位包含了占領(lǐng)彗星探測先機(jī)，進(jìn)行空間探測技術(shù)驗證并奠定空間探測基礎(chǔ)的意義。短期內(nèi)，歐洲并沒有進(jìn)一步探測小天體的計劃。

日本

日本的空間探測戰(zhàn)略規(guī)劃是繼續(xù)深化優(yōu)勢探測項目，集中資源開展多類型的小行星采樣返回任務(wù)，以繼續(xù)保持其在小行星探測領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，并通過自身發(fā)展或國際合作開展月球探測和其他行星探測。日本空間探測發(fā)展戰(zhàn)略是堅持以自身為基礎(chǔ)，實施具有獨創(chuàng)性的探測任務(wù)，擴(kuò)大與歐洲、美國等空間探測領(lǐng)域先進(jìn)國家的合作，為日本獨立掌握有關(guān)技術(shù)積累經(jīng)驗，使日本空間科學(xué)研究和空間探測技術(shù)得以持續(xù)發(fā)展。

20世紀(jì)80年代，日本計劃進(jìn)軍空間探測領(lǐng)域，當(dāng)時設(shè)定了包含金星、火星探測在內(nèi)的“行星”（PLANET）計劃。但由于哈雷彗星回歸帶來的全球哈雷彗星探測熱潮，日本將前兩次任務(wù)更改為哈雷彗星探測任務(wù)，即“先驅(qū)者”和行星－A任務(wù)。這兩次任務(wù)的成功奠定了日本空間探測的基礎(chǔ)能力，但此時日本重點關(guān)注的仍是大行星的探測任務(wù)。20世紀(jì)90年代初，日本開始研究進(jìn)行小行星采樣返回任務(wù)，意圖占領(lǐng)小行星探測的先機(jī)，并最終形成了“隼”近距離觀測任務(wù)，該任務(wù)在發(fā)射入軌后更名為“隼鳥”?！蚌励B”成功帶回小行星樣品之后，日本占據(jù)了小行星探測的先機(jī)，這徹底堅定了日本進(jìn)行小行星探測的計劃，并促成了原始天體探測計劃的設(shè)立。

日本行星科學(xué)會根據(jù)科學(xué)界的研究情況，為空間探測制定了獨特的長期戰(zhàn)略目標(biāo)，即研究早期生命環(huán)境的演化—揭開生命圈的誕生條件之謎。為實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，日本設(shè)立了5條路徑，其中3條路徑都與小行星探測密不可分。目前，日本已經(jīng)探測了S類小行星，探測C類小行星的隼鳥－2也已經(jīng)發(fā)射成功，未來還計劃發(fā)射隼鳥－X對更原始的D類、P類小行星進(jìn)行探測。2015年，日本提出將開展火星衛(wèi)星采樣返回任務(wù)，作為小行星探測與火星探測之間連接的橋梁。科學(xué)家認(rèn)為，火星衛(wèi)星很可能是火星捕獲的D類小行星，內(nèi)部可能保留有原始的信息。因此，未來火星衛(wèi)星采樣返回可能是“隼鳥”系列的延續(xù)。

其他國家

目前，開展過專門小天體探測任務(wù)的國家/地區(qū)只有美國、歐洲和日本。不過，一些國家已經(jīng)將小行星探測任務(wù)列入未來探測的日程中，但并沒有系統(tǒng)的小天體探測戰(zhàn)略規(guī)劃。

俄羅斯航天工業(yè)目前正處于改革和調(diào)整之中，其空間探測戰(zhàn)略和政策也發(fā)生多次變更，目前無法明確其探測路線及規(guī)劃。2015年，俄羅斯制定《2016-2025年聯(lián)邦航天發(fā)展規(guī)劃（草案）》，指出俄羅斯將重點開展月球探測，同時實現(xiàn)火星衛(wèi)星采樣返回探測和小天體探測，并參與空間探測領(lǐng)域的國際項目等。目前，俄羅斯對小行星阿波菲斯的探測計劃已經(jīng)進(jìn)入定義階段。除此之外，韓國和印度也制定了小行星探測的規(guī)劃，但尚沒有實施細(xì)節(jié)。

3 小天體探測能力概況

通過對主要航天國家小天體探測的進(jìn)展情況分析可以看出，美國在任務(wù)數(shù)量以及任務(wù)多樣性上占據(jù)了絕對優(yōu)勢，日本和歐洲則分別在小行星探測和彗星探測領(lǐng)域取得了領(lǐng)先地位。但這只能部分代表已經(jīng)探測的進(jìn)展情況，不能全面反映出各國在小天體探測方面的能力。本節(jié)將通過分析美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度在空間探測技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展情況，簡單分析各國在小天體探測方面具備的能力。

空間探測技術(shù)涉及范圍廣泛，包括任務(wù)設(shè)計能力、發(fā)射推進(jìn)系統(tǒng)、空間推進(jìn)技術(shù)、通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)等。本文僅考慮是否可以成功抵達(dá)探測目標(biāo)，以及在目標(biāo)可以執(zhí)行怎樣的操作兩個方面，對各國的技術(shù)能力進(jìn)行簡單的總結(jié)和分析。

目標(biāo)可達(dá)能力

目標(biāo)可達(dá)能力指的是能夠?qū)⒑教炱靼l(fā)射至目標(biāo)天體的能力，主要可以分為四個方面，分別為任務(wù)設(shè)計能力，空間探測平臺制造能力，發(fā)射和空間推進(jìn)能力以及通信遙測能力。

任務(wù)設(shè)計能力。它主要指探測目標(biāo)的選取和軌道設(shè)計能力。由于小天體數(shù)量眾多，這點對于小天體探測而言尤為重要。通過合理的設(shè)計，在其他能力不變的情況下可以探測更遠(yuǎn)的、更具科學(xué)價值的目標(biāo)，也可以實現(xiàn)探測器的多目標(biāo)探測。根據(jù)各國以往的任務(wù)可以看出，美國、歐洲都具有最強的任務(wù)設(shè)計能力，其任務(wù)復(fù)雜度最高，任務(wù)過程可以包含多次行星借力和多個目標(biāo)天體的探測。日本的任務(wù)設(shè)計相對而言并不復(fù)雜，但由于其多個空間探測任務(wù)遭受故障，在拯救任務(wù)的過程中實施了復(fù)雜的飛行方案，因此在任務(wù)設(shè)計方面日本也具有相當(dāng)?shù)哪芰Α?/p>

空間探測平臺制造能力。它主要指探測器平臺是否可以滿足空間探測要求的環(huán)境。目前從各國空間探測的進(jìn)展情況看，美國、歐洲、俄羅斯、日本和印度都具備了最基本的能力，其中美國、歐洲和俄羅斯具有設(shè)計和發(fā)射大型平臺的能力和經(jīng)驗，日本只有設(shè)計小于1t探測器的經(jīng)驗，而印度則是基于衛(wèi)星平臺進(jìn)行了修改，在探測平臺制造能力方面弱于日本。

發(fā)射和空間推進(jìn)能力。它主要指火箭運載能力和探測器推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)能力，這兩方面決定了探測器最遠(yuǎn)可以到達(dá)的距離?；鸺\載能力方面，美國的宇宙神－5可以達(dá)到1.8×104t的低地球軌道（LEO）運載能力，俄羅斯的質(zhì)子－M可以達(dá)到2.2×104t以上的LEO運載能力，歐洲的阿里安－5可以達(dá)到2.1×104t的LEO運載能力，日本的H-2B火箭可以達(dá)到1.6×104t的LEO運載能力，印度的“地球同步衛(wèi)星運載火箭”（GSLV）則可以達(dá)到0.5×104t的LEO運載能力。探測器推進(jìn)系統(tǒng)方面，美國、歐洲和日本都已經(jīng)掌握了深空電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，但日本在推力大小方面落后于美國和歐洲，同時日本掌握了深空太陽帆推進(jìn)技術(shù)。因此，在發(fā)射和推進(jìn)能力上，美國和歐洲具有領(lǐng)先地位，向內(nèi)可以發(fā)射近太陽探測任務(wù)，向外則可以發(fā)射木星以遠(yuǎn)任務(wù)；日本和俄羅斯緊隨其后，可以發(fā)射金星到火星范圍內(nèi)的任務(wù)；印度則能將小型探測器發(fā)射至金星到火星范圍。

主要航天國家/地區(qū)小天體探測能力對比

通信遙測能力。它主要是地面與空間探測器之間的通信、遙測能力。美國的深空網(wǎng)是當(dāng)前通信遙測能力最強的天線系統(tǒng)，并且美國在火星布置的多個軌道器可以為火星表面任務(wù)提供深空通信中繼服務(wù)。歐洲和俄羅斯深空通信網(wǎng)處于第二梯隊，可以實現(xiàn)與發(fā)射和空間推進(jìn)能力相匹配的通信遙測，其中歐洲的深空通信網(wǎng)在近期已經(jīng)可以獲得木星探測器回傳的信號。日本和印度在通信遙測能力上較弱，其空間探測任務(wù)的深空通信常借助于美國、歐洲的設(shè)施。

操作能力

操作能力指的是能夠在目標(biāo)天體實施的探測手段，主要決定于接近段的導(dǎo)航制導(dǎo)能力，進(jìn)入、下降和著陸能力以及有效載荷能力。

導(dǎo)航制導(dǎo)能力。它主要指探測器能否精準(zhǔn)進(jìn)入目標(biāo)天體軌道的能力。從以往任務(wù)看，美國、歐洲和日本都可以利用光學(xué)制導(dǎo)等措施實現(xiàn)精確入軌；俄羅斯在蘇聯(lián)時期的空間探測任務(wù)同樣可以實現(xiàn)精確入軌，但近30年來俄羅斯沒有成功實施過空間探測任務(wù)，并不好判斷其導(dǎo)航制導(dǎo)的精度；印度的導(dǎo)航制導(dǎo)能力較低。

下降和著陸能力。它主要指探測器接近小行星以及著陸在小行星上的能力。美國并未發(fā)射過專門的小天體著陸任務(wù)，但通過控制“近地小行星交會”探測器實現(xiàn)了首次小行星軟著陸，結(jié)合其火星著陸任務(wù)能力看，美國在下降和著陸方面具有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢。歐洲實現(xiàn)了首次彗星軟著陸，日本實現(xiàn)了首次小行星著陸采樣返回，可以說兩者在小天體下降和著陸方面具有領(lǐng)先的技術(shù)。俄羅斯和印度則沒有實施過類似任務(wù)。

有效載荷能力。它指的是制造小天體探測所需有效載荷的能力。由于有效載荷種類繁多，不以具體的有效載荷精度衡量其能力，而是從過往任務(wù)的科學(xué)探測儀器上推斷有效載荷能力。美國和歐洲在探測時重視科學(xué)目標(biāo)，其探測器攜帶的有效載荷具有國際領(lǐng)先水平；日本探測器攜帶的有效載荷較少，其能力略低于美國和歐洲；俄羅斯盡管沒有實施過類似任務(wù)，但蘇聯(lián)時期實施的空間探測形成了一定的積累；印度在科學(xué)探測方面并不重視，其技術(shù)能力也較低，因此有效載荷能力很低。

綜合來看，美國和歐洲在小天體探測能力上具有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢，美國實施的小天體探測任務(wù)數(shù)量和多樣性最多，歐洲則在彗星探測進(jìn)展上領(lǐng)先；日本和俄羅斯的小天體探測能力緊隨其后，但日本實施了2次小行星采樣返回任務(wù)，使其在小行星探測上具有一定的領(lǐng)先地位；印度的小天體探測能力較低，目前還未涉及這一領(lǐng)域。