國際行星保護發(fā)展綜述

張軼男，彭兢，鄒樂洋，徐侃彥

（1.中國空間技術研究院，北京 100094；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.航天神舟生物科技集團有限公司，北京 100094）

引 言

在人類空間探測的眾多目標中，最重要的問題之一是回答生命的起源演化和地外天體是否存在生命。為了回答這一問題，人類開展了大量的深空探測活動。據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今為止人類已發(fā)射各類深空探測任務超過250次。在這些深空探測任務中，有的探測對象曾經(jīng)被認為可能存在生命，例如月球等；有的探測對象至今仍有可能存在生命，如火星、木衛(wèi)二和土衛(wèi)二[1-2]。在針對這些天體的探測活動中，無論其任務目標是否包括探測生命及其相關物質(zhì)，都應采取必要的措施，避免地球上的微生物污染天體，使相關探測得到錯誤結(jié)果，或影響后續(xù)的生命探測任務。與此同時，自載人登月時代起，人類就開始策劃實施火星采樣返回等地外天體采樣返回任務，在實施這類任務時，如何避免從地外天體返回的物質(zhì)危及地球生物圈的安全，也備受關注。為了避免以上兩種情況，在深空探測任務研制和實施過程中，應采取措施，避免地球和其他天體之間出現(xiàn)交叉生物污染，這也就是所謂的行星保護。

1 行星保護的定義

所謂行星保護，是指：在開展深空探測時，應避免地球和地外天體間出現(xiàn)交叉生物污染，即地球生命污染其它天體，或從其它天體返回的生命污染地球生物圈。

行星保護一般包括兩方面要求：

1）正向防護：保護被探測天體的自然狀態(tài)，避免探測結(jié)果被污染、甚至影響后續(xù)生命探測活動。

2）逆向防護：避免從地外天體帶回的物質(zhì)污染地球，危及地球生物圈[3]。

2 行星保護國際政策

1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星后，1958年國際科學聯(lián)合會理事會（ICSU）發(fā)起成立了宇宙探測污染委員會（CETEX）和空間研究委員會（COSPAR）等機構(gòu)。

CETEX提出需要保護地外生命體，并陳述了4項基本原則：①對地外生命體探索的自由必須符合行星檢疫要求；②公開COSPAR相關活動和實驗信息；③開展實驗需科學數(shù)據(jù)支持；④不應在地球附近天體進行核爆。

COSPAR的宗旨是在國際范圍內(nèi)通過學術交流和組織實施國際研究項目，促進以衛(wèi)星、飛船、火箭、深空探測器、高空氣球等為手段的科學研究。COSPAR有7個科學小組，其中第7組為“行星保護”分委會，主要在政策和技術層面提出行星保護的建議要求。中國于1993年3月正式加入該組織。

1967年，聯(lián)合國發(fā)布了《關于各國探索和利用包括月球和其他天體在內(nèi)外層空間活動的原則條約》（簡稱《外層空間條約/外太空條約》），該條約1967年1月27日開放供簽署，1967年10月10日生效。我國于1983年簽署該條約，自1983年12月30日起生效?！锻鈱涌臻g條約》第九條中規(guī)定：“各締約國探索和利用外層空間（包括月球和其他天體），應以合作和互助原則為準則；各締約國在外層空間（包括月球和其他天體）所進行的一切活動，應妥善照顧其他締約國的同等利益。各締約國從事研究、探索外層空間（包括月球和其他天體）時，應避免使其遭受有害的污染，以及地球以外的物質(zhì)，使地球環(huán)境發(fā)生不利的變化”[4]。

在聯(lián)合國領導下，COSPAR開始制定行星保護的有關國際政策。1964年，COSPAR咨詢委員會以決議的形式出版了行星檢疫要求，即最早的行星保護政策草案，其中要求：探測器應采用滅菌技術，將地外天體探測活動中地球生物污染的可能性降低到1×10–4；對未滅菌的低空飛越或在軌探測器，污染概率應小于3×10–5[5]。1984年，COSPAR針對不同的探測對象和任務形式，將行星保護需求劃分為5類，規(guī)定了不同類別任務的具體要求。此后，COSPAR不斷發(fā)展和完善國際行星保護政策，目前每2年更新一次。

2017年12月發(fā)布的最新版COSPAR行星保護國際政策，具體規(guī)定如表1～2所示[6]。

表1 行星保護任務的類別定義Table 1 Definition of planetary protection categories in COSPAR planetary protection policy

表2 5類任務的行星保護任務政策性要求Table 2 Requirements for five categories in COSPAR planetary protection policy

COSPAR建議：在制定行星保護需求時，世界各國的COSPAR委員們應告知COSPAR，并在合理的時間向 COSPAR提供任務行星保護的流程等信息，并在有可能存在污染風險的深空探測任務結(jié)束后的1年內(nèi)，再次提供相關信息。COSPAR將向大眾公布這些報告，每年向聯(lián)合國秘書長提交報告記錄。針對國際合作深空探測任務，建議由牽頭國組織提交這些報告。COSPAR制定的國際行星保護政策要求，用于指導各國/地區(qū)航天機構(gòu)在深空探測任務中開展行星保護。

3 國際行星保護發(fā)展概況

在深空探測任務的研制和執(zhí)行過程中，美歐等國航天機構(gòu)均嚴格遵守了行星保護的政策法規(guī)，并建立了各自的行星保護技術和管理體系，通過實施行星保護，積累了豐富的經(jīng)驗，具有一定的技術基礎。

3.1 美國行星保護現(xiàn)狀

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）是目前在行星保護研究方面最為規(guī)范的航天機構(gòu)。NASA在成立之初就十分重視行星保護工作（見圖1），1959年在噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）成立了生物學研究辦公室，后來發(fā)展為隸屬于NASA總部的行星保護辦公室，設立了行星保護官，專門負責行星保護技術研究與規(guī)范制定，審批各項深空探測任務的行星保護計劃，并對全周期行星保護措施的落實情況進行監(jiān)督審查。行星保護官直接向3個主管副局長之一匯報工作。

圖1 NASA行星保護管理體系框架Fig.1 Framework of NASA planetary protection management

NASA有明確的行星保護技術體系，發(fā)布了《航天器內(nèi)外部生物污染控制》等一系列標準規(guī)范，并針對不同類型的任務細化了不同的行星保護技術和管理要求，在航天器的飛行軌跡設計、單機設備研制、總裝與測試等過程中，均對行星保護措施的落實情況進行嚴格的監(jiān)督審查。

1959年美國在月球探測“徘徊者”（Ranger）系列任務中實施行星保護；1975年發(fā)射的“海盜號”（Viking）最為嚴格，甚至占探測器的總研制經(jīng)費近25%[7]；近年來執(zhí)行的火星探測（環(huán)繞/著陸/巡視）、木星和土星探測等任務中，均嚴密策劃、嚴格執(zhí)行COSPAR和NASA自身的行星保護政策、法規(guī)和各項管理制度[8-10]。在最新NASA系統(tǒng)工程手冊中，明確了開展行星保護的基本原則[11]，并要求每個深空探測的項目執(zhí)行情況都應通過COSPAR向聯(lián)合國匯報。

NASA建立了行星保護網(wǎng)站，相關政策和標準均可以在其行星保護網(wǎng)站中查到[12]。

3.2 歐洲行星保護現(xiàn)狀

歐洲空間局（European Space Agency，ESA）有規(guī)范的行星保護制度[13]。在向ESA局長匯報的質(zhì)量/產(chǎn)保部門中，設置獨立的行星保護辦公室，監(jiān)督ESA各項任務研制過程中行星保護的執(zhí)行情況。ESA規(guī)定：在每個深空探測任務頂層需求中必須明確行星保護具體需求，并在研制/出廠總結(jié)中報告研制情況；每個項目應設置行星保護負責人，直接向項目經(jīng)理負責。

ESA在開展火星探測的過程中，十分重視行星保護工作。無論是“火星快車”（Mars Express）/“獵兔犬2號”（Beagle 2）[14]、還是2016年發(fā)射的“火星生物學”2016（ExoMars2016）任務中，均對微生物總量、探測器撞擊火星概率、探測器研制和發(fā)射前AIT過程的微生物檢測和消殺等提出了嚴格的要求。其任務實施結(jié)果符合COSPAR國際行星保護政策的要求。

此外，ESA和NASA共同約定，只和執(zhí)行國際行星保護規(guī)定的組織機構(gòu)開展深空探測合作。ESA的火星、彗星和小行星探測等任務均嚴格按要求實施行星保護。

3.3 日本行星保護現(xiàn)狀

日本的深空探測始于20世紀80年代。早在第一個火星探測任務“希望號”（Nozomi，1998年）任務中，就開始了行星保護實踐。在后來的“隼鳥”小行星采樣返回探測任務中，也按照COSPAR的國際行星保護政策要求開展工作。近年來，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）組織和參與的深空探測任務不斷增多，逐步建立了行星保護機制，其框架見圖2。

3.4 俄羅斯行星保護現(xiàn)狀

蘇聯(lián)/俄羅斯在早期的火星、金星探測活動中，均開展了有特色的行星保護研究工作，但公開披露資料較少[7]。俄羅斯近年來多和ESA合作開展深空探測，如“火星生物學”2016和2020等火星探測任務；其歐洲合作伙伴聲稱：俄方按要求開展了行星保護。

俄航局目前尚無專門的行星保護辦公室等管理機構(gòu)和管理制度。

3.5 印度行星保護現(xiàn)狀

印度空間研究機構(gòu)（Indian Space Research Organisation，ISRO）目前尚無專門的行星保護辦公室等機構(gòu)和相應的管理制度。

印度已實施火星環(huán)繞探測，但國際上對其行星保護執(zhí)行情況了解不多，大多數(shù)歐美行星保護專家都對印度的行星保護現(xiàn)狀存疑。

4 行星保護技術分析

行星保護的目的不是對地外天體實施泛環(huán)保主義，而是保護人類開展地外生命探測的科學結(jié)果，確保空間生命探測活動的有效性；同時也要包括保護地球的生態(tài)系統(tǒng)。因此，行星保護既是深空探測任務的內(nèi)在需求，又是確保實現(xiàn)探測目標的必要手段。

行星保護技術是基礎科學和工程技術的有機結(jié)合，是在對地球/地外天體生命科學認知的基礎上，采取必要、合理的技術手段，確?？臻g探測活動有序進行，從而獲得可靠的科學探測成果。

圖2 JAXA行星保護管理體系框架Fig.2 Framework of JAXA planetary protection management

通過分析國外深空探測行星保護實踐的歷史，不難看出，在實施深空探測任務的過程中，實施行星保護的具體技術手段主要包括：

1）任務分析和需求確定：依據(jù)行星保護國際政策，結(jié)合每個深空探測任務的具體設計，如任務目標、飛行軌道、飛行過程等，確定行星保護的總需求；并將總需求合理分配到單機、探測器系統(tǒng)總體、飛行軌道、飛行程序等各方面，最終確保在一定時間內(nèi)（如50年）對特定目標天體的污染概率達到要求。

2）開發(fā)適應深空探測任務研制過程的微生物檢測和消殺技術[15]：基于生物醫(yī)藥和食品工業(yè)等相關領域的技術基礎，識別研制過程中重點關注的微生物（例如嗜極微生物）[16-17]，開發(fā)或改進既能適應飛行器材料、又不影響單機/部組件/系統(tǒng)功能性能的特定微生物檢測和消殺技術，例如培養(yǎng)法檢測技術和分子生物學檢測技術[18-19]，物理消殺技術和干熱滅菌技術等[20-21]，形成能夠適應多種不同需求的微生物檢測和消殺技術體系，滿足不同任務的行星保護需求。

3）行星保護關鍵單機研制：包括研制行星保護專用設備和關鍵單機；例如能將火星進入/著陸器整器或關鍵設備包裹起來的生物防護罩[22]，在AIT和發(fā)射前將凈化后的探測器整器/部組件/關鍵單機/零件保護起來，到達火星軌道或在火星表面軟著陸后再打開；針對探測地外生命及其相關物質(zhì)的關鍵有效載荷或單機，在研制過程中應設計專門的密封空間或結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過微生物消殺處理，使得關鍵單機在交付整器前不被地球生物污染[23]。

4）控制航天器總裝、集成和測試（Assembly Integration and Test，AIT）過程控制：在符合要求的單機交付后，在深空探測器AIT和發(fā)射前與運載火箭的聯(lián)合操作過程中，應在符合微生物控制要求的潔凈環(huán)境中進行操作，同時對接觸飛行產(chǎn)品的人、工具、操作流程等各方面提出具體的措施，確保經(jīng)過消殺后的深空探測器飛行產(chǎn)品在發(fā)射前所攜帶的微生物總量符合預定的要求[11]。

5）發(fā)射后的飛行控制：針對具體的任務形式和飛行軌道，分析不應撞擊目標天體的飛行器的撞擊概率，合理設計飛行軌道，確保在足夠長的時間內(nèi)撞擊概率小于給定值；對于可能/必然進入火星大氣等目標天體大氣的飛行器或部組件，分析完全燒蝕和裂解的可能性，這一過程可以將外露表面的殘留微生物殺死，但內(nèi)部則不一定；深空探測器發(fā)射后，所經(jīng)歷的空間環(huán)境和時間將會對其微生物總量產(chǎn)生影響，通過分析和設計，可以選擇適當?shù)娘w控措施，降低污染概率[9]。

5 最新進展和思考

進入21世紀以來，人類探索地外天體的腳步不斷加快，越來越多的國家開始涉足深空探測。特別是在火星探測方面，除了20世紀起就發(fā)射超過30次火星探測任務的美國和俄羅斯，歐洲和印度也分別發(fā)射了火星探測器。根據(jù)統(tǒng)計，2000年后人類共發(fā)射了12次火星探測任務，是新世紀深空探測中探測次數(shù)最多的目標。與此同時，美國和俄羅斯都提出了火星采樣返回的設想，歐洲雖然沒有獨立的火星采樣返回計劃，但一直致力于和美國等國家開展國際合作實現(xiàn)火星采樣返回。除了傳統(tǒng)航天國家/地區(qū)政府支持的深空探測任務，蓬勃發(fā)展的私人商業(yè)航天也開始涉足深空探測，2018年2月，SpaceX公司將一輛特斯拉跑車送入了穿越火星的軌道，但發(fā)射前并未實施行星保護，這甚至在美國國內(nèi)引發(fā)了行星保護專家的質(zhì)疑——目前，美國只有NASA致力于行星保護，沒有針對商業(yè)航天的行星保護管理制度和政府機構(gòu)。

作為深空探測的熱點目標，火星是目前行星保護重點關注的主要天體之一。面對新的形勢，行星保護的國際政策和具體實施面臨新的挑戰(zhàn)。2016年美國國家科學院（National Academy of Science）的空間研究理事會（Space Studies Board）組織開展了對國際和國內(nèi)行星保護政策形成過程和發(fā)展情況的研究，并提出了后續(xù)的措施和建議[24]。同年，歐盟“地平線（Horizon）2020”框架下支持開展了“外太陽系行星保護”（Planetary Protection of Outer Solar System）項目研究工作，針對火星以遠的木星和土星冰衛(wèi)星中可能存在液態(tài)海洋和生命的木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和土衛(wèi)六等天體探測的行星保護開展研究。

在當前深空探測領域的新形勢下，行星保護方面出現(xiàn)了一些新的問題，例如：如何確保行星保護政策的要求合理可行，使得科學需求和工程可實現(xiàn)性達到合理的平衡；如何確保對每個任務行星保護實施效果的評價是客觀的：以NASA為例，行星保護辦公室既是政策的制定和監(jiān)督者，同時又是政策的實施者，其責任存在矛盾之處；如何確保行星保護能夠覆蓋正在興起的商業(yè)航天活動；目前國際上每2年甚至更長時間修訂一次國際行星保護政策，隨著探測目標不斷擴大，探測方式不斷多樣化，如何建立快速響應的行星保護政策形成機制；隨著探測能力的增強和科學認知的深化，行星保護政策正在逐漸放寬，原有的行星保護中對保護的時間要求設定是否合理，如何做到與時俱進；如何改變當前以美國為主制定國際行星保護政策現(xiàn)狀，促成更多國家和機構(gòu)參與，從而確保人類的深空探測活動總體上符合行星保護的基本原則和要求等等。針對以上問題，如何修訂和完善行星保護的國際政策、明確各航天國家和機構(gòu)（包括商業(yè)航天企業(yè)）的配套制度和實施過程，才能更有效地確保未來的深空探測活動符合行星保護的政策要求，從而保護未來的科學成果，這值得每一個國家行星保護責任機構(gòu)和相關專家學者進一步研究，也值得每一位正在或?qū)⒁铝τ谏羁仗剿鞯墓こ處熒钊胨伎肌?/p>