王帥 盧波（北京空間科技信息研究所）

2015年7月14日，美國(guó)“新視野”探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)了冥王星的近距離探測(cè)，從而完成了太陽(yáng)系原“九大行星”的探測(cè)，標(biāo)志著人類(lèi)行星際觀測(cè)第一階段任務(wù)的完成。此次探測(cè)歷時(shí)3462天，跨越4.8×109km的距離，為人類(lèi)50余年的深空探測(cè)歷史劃上了濃墨重彩的一筆。

深空探測(cè)是世界航天領(lǐng)域最前沿的科技創(chuàng)新活動(dòng)之一，不僅可以增進(jìn)人類(lèi)對(duì)宇宙空間未知領(lǐng)域、太陽(yáng)系和生命起源的認(rèn)識(shí)，還可以推動(dòng)空間科技的發(fā)展，促進(jìn)空間資源的開(kāi)發(fā)和利用。因此，深空探測(cè)已成為世界各國(guó)未來(lái)航天領(lǐng)域發(fā)展的主要方向之一。

深空探測(cè)的重要里程碑

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，人類(lèi)先后完成了月球、太陽(yáng)和原“九大行星”的探測(cè)。整體的探測(cè)趨勢(shì)包含兩個(gè)方面的發(fā)展：一方面，參與深空探測(cè)的國(guó)家日益增多，呈現(xiàn)出分散性和合作性的趨勢(shì)；另一方面，探測(cè)活動(dòng)相比于初期有所減少，但單個(gè)任務(wù)的科學(xué)探測(cè)回報(bào)顯著提高，呈現(xiàn)出由粗放型向集約型過(guò)渡的發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)20年，美、俄、歐、中、日等國(guó)將重點(diǎn)圍繞火星、月球和小行星進(jìn)行一系列的探測(cè)，在完成科學(xué)探測(cè)的同時(shí)擴(kuò)展人類(lèi)的生存空間。

1 世界深空探測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

截至“新視野”探測(cè)器完成冥王星探測(cè)，世界各國(guó)針對(duì)月球以遠(yuǎn)的太陽(yáng)系天體共開(kāi)展過(guò)234次探測(cè)活動(dòng)。20世紀(jì)90年代以前主要探測(cè)目標(biāo)為月球、火星和金星。在這一階段，僅有美國(guó)和蘇聯(lián)兩國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)方面的活動(dòng)。由于其中包含了美蘇兩國(guó)政治競(jìng)爭(zhēng)因素，該階段的深空探測(cè)多以實(shí)現(xiàn)突破為主，任務(wù)量緊密但探測(cè)的科學(xué)回報(bào)較低，失敗率也很高。20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，歐盟、日本和中國(guó)等國(guó)開(kāi)始涉足深空探測(cè)，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平和科學(xué)探測(cè)意義，將探測(cè)目標(biāo)重點(diǎn)鎖定在月球、小行星和火星。盡管該階段的任務(wù)沒(méi)有20世紀(jì)60-70年代密集，但任務(wù)類(lèi)型更為復(fù)雜，科學(xué)回報(bào)顯著提高，顯得更為理智和意義深遠(yuǎn)。

深空探測(cè)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)圖

20世紀(jì)90年代以來(lái)月球和小天體的探測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

月球和小天體的探測(cè)

月球和小天體都具有可接近性好、資源可利用性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在當(dāng)前技術(shù)水平下，進(jìn)行月球和小天體的探測(cè)和資源利用成為了各國(guó)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。

月球作為距離地球最近的天體，是所有國(guó)家開(kāi)展深空探測(cè)的首選目標(biāo)。1959年，蘇聯(lián)的月球－2實(shí)現(xiàn)了月球硬著陸任務(wù)，開(kāi)啟了人類(lèi)征服近地以遠(yuǎn)空間的征程。在此之后，美、歐、日、中、印等國(guó)先后完成了月球探測(cè)任務(wù)。這些探測(cè)任務(wù)揭開(kāi)了月球的神秘面紗，使得月球成為人們研究最徹底的天體，以及人類(lèi)唯一涉足的地外天體。由于月球可接近性好，進(jìn)行月球資源的開(kāi)采和利用將是緩解地球資源壓力的一條重要途徑。另一方面，開(kāi)展月球探測(cè)可以為未來(lái)深空無(wú)人和載人探測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

小天體指圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)但不符合行星和矮行星條件的天體，主要包括小行星、彗星、流星體和其他星際物質(zhì)。小天體探測(cè)不僅有助于揭示太陽(yáng)系的起源和演化，還可以促進(jìn)資源利用和行星防御的研究。小天體質(zhì)量較小、引力微弱、易于逃逸，因此進(jìn)行小天體資源采集相比于月球更為簡(jiǎn)單。另一方面，小天體載人探測(cè)也被認(rèn)為是火星載人探測(cè)道路上重要的試驗(yàn)步驟。目前為止，小天體探測(cè)共進(jìn)行過(guò)12次，其中彗星探測(cè)7次，小行星探測(cè)5次。

類(lèi)地行星的探測(cè)

類(lèi)地行星指主要由硅酸鹽巖石或金屬構(gòu)成的一類(lèi)行星。太陽(yáng)系內(nèi)的類(lèi)地行星包括水星、金星、地球和火星，其共同特點(diǎn)是距離太陽(yáng)較近，半徑和質(zhì)量較小。由于類(lèi)地行星距離地球較近，且結(jié)構(gòu)與地球類(lèi)似，成為了人類(lèi)探索行星的首選目的地。

水星是距離太陽(yáng)最近的行星，由于太陽(yáng)引力較強(qiáng)并且水星幾乎沒(méi)有大氣層，進(jìn)行水星環(huán)繞和著陸任務(wù)難度很大。另一方面，水星表面溫差極大，其宜居性不好。因此，人類(lèi)探測(cè)水星的熱情并不高。目前，僅有水手－10和信使號(hào)探測(cè)器進(jìn)行過(guò)水星探測(cè)。然而，水星是太陽(yáng)系類(lèi)地行星中除地球之外唯一有顯著磁場(chǎng)的行星，觀測(cè)其磁場(chǎng)仍具有較大的探測(cè)價(jià)值。

金星是距離地球最近的行星，其體積和質(zhì)量與地球最為接近，在探測(cè)以前曾被認(rèn)為是最可能存在生命的太陽(yáng)系行星。1962年，美國(guó)的水手－2探測(cè)器成功飛越金星，完成了人類(lèi)首次行星探測(cè)。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，金星覆蓋有厚重的二氧化碳大氣層，表面溫度高達(dá)400℃以上。這些證據(jù)表明，金星存在生命的可能性非常小，一定程度上打擊了人類(lèi)探測(cè)金星的熱情，僅發(fā)射了共6顆金星探測(cè)器。而蘇聯(lián)共進(jìn)行了33次金星探測(cè)，在金星探測(cè)方面達(dá)到了領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90年代以來(lái)，僅歐洲航天局（ESA）和日本各執(zhí)行過(guò)一次金星探測(cè)任務(wù)。此后，美國(guó)將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向火星探測(cè)。

火星是距離地球第二近的行星，還是最可能存在生命的行星。目前，人類(lèi)共進(jìn)行了42次火星探測(cè)。其中，美國(guó)20次，成功15次；蘇聯(lián)/俄羅斯19次，僅成功5次；歐洲和印度各成功1次，日本則失敗1次。美國(guó)始終對(duì)火星保持了極大的興趣，保持著火星探測(cè)的絕對(duì)領(lǐng)先地位。大量的探測(cè)數(shù)據(jù)都表明，火星曾存在液態(tài)水，很可能適合生命出現(xiàn)和生存。這進(jìn)一步增加了人類(lèi)對(duì)火星探測(cè)的興趣，也使得火星成為了載人深空探測(cè)的首個(gè)行星目的地。

太陽(yáng)系其他天體的探測(cè)

限于當(dāng)前的技術(shù)水平，對(duì)于距離地球遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)、巨行星和柯伊伯帶天體，進(jìn)行近距離的探測(cè)較為困難。目前，針對(duì)這些天體進(jìn)行的深空探測(cè)活動(dòng)還比較少。

20世紀(jì)90年代以來(lái)類(lèi)地行星的探測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

20世紀(jì)90年代以來(lái)太陽(yáng)、巨行星和冥王星的探測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

太陽(yáng)探測(cè)活動(dòng)對(duì)研究人類(lèi)生存環(huán)境具有重大的意義，而深空太陽(yáng)探測(cè)可以得到地面、近地觀測(cè)難以獲得的信息。深空太陽(yáng)探測(cè)主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)為在環(huán)繞太陽(yáng)軌道進(jìn)行的探測(cè)，另一類(lèi)為在日地拉格朗日點(diǎn)進(jìn)行的探測(cè)。截至2015年7月，環(huán)繞太陽(yáng)的探測(cè)任務(wù)共10次，在日地拉格朗日點(diǎn)進(jìn)行的太陽(yáng)探測(cè)共5次。

巨行星包括氣態(tài)巨行星和冰巨星，通常由氣體或冰等低沸點(diǎn)的物質(zhì)構(gòu)成，體積都較大。太陽(yáng)系內(nèi)的巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。這些巨行星距離地球較遠(yuǎn)，探測(cè)難度較大，目前僅有美國(guó)探測(cè)過(guò)這些行星。最近的研究表明木星和土星的衛(wèi)星具有生命存在的可能性，未來(lái)對(duì)于這些衛(wèi)星的探測(cè)將成為尋找地外生命重要的組成部分。

柯伊伯帶位于海王星軌道外，充滿了大大小小的冰凍天體。這些冰凍天體保留了太陽(yáng)系形成初期的物質(zhì)形態(tài)，其探測(cè)任務(wù)有助于認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的起源。目前，只有“新視野”完成了冥王星系統(tǒng)的探測(cè)，其還將于2017－2020年進(jìn)行其他1～2個(gè)柯伊伯帶天體的探測(cè)。探測(cè)柯伊伯帶天體不僅需要很高的發(fā)射速度，還需要克服寒冷和黑暗帶來(lái)的諸多問(wèn)題，并且短時(shí)間內(nèi)任務(wù)的回報(bào)比較低。因此，現(xiàn)在各航天國(guó)家還沒(méi)有設(shè)立相關(guān)的探測(cè)計(jì)劃。

2 世界深空探測(cè)未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)及展望

綜上所述，目前深空探測(cè)的重點(diǎn)主要集中在月球、火星和小天體上。未來(lái)20年，該趨勢(shì)仍將繼續(xù)保持，任務(wù)類(lèi)型趨于多樣化并向載人探測(cè)方面發(fā)展。美、歐、俄、日、中、印等國(guó)針對(duì)這些重點(diǎn)探測(cè)目標(biāo)都制定了探測(cè)計(jì)劃。

月球探測(cè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈

月球可以作為深空探測(cè)的“中轉(zhuǎn)站”和空間技術(shù)的試驗(yàn)點(diǎn)，并且富含水冰及各類(lèi)礦物資源，特別是月球極區(qū)等高價(jià)值探測(cè)區(qū)域。因此，技術(shù)成熟的航天大國(guó)仍將月球探測(cè)作為其深空探測(cè)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，紛紛提出建立月球基地的構(gòu)想。另一方面，月球作為深空探測(cè)的起步點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)突破的第一步，目前很多新興航天國(guó)家和機(jī)構(gòu)也都將月球探測(cè)列為未來(lái)探測(cè)的重點(diǎn)。

美國(guó)作為唯一完成載人登月的國(guó)家，于2004年提出了“重返月球”計(jì)劃，旨在建立月球基地，并以此為跳板實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)。2010年，由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題該計(jì)劃被取消。然而，美國(guó)方面并未完全放棄月球探測(cè)。美國(guó)航空航天局在2014年發(fā)布了“月球貨運(yùn)和軟著陸”倡議，旨在尋求與私營(yíng)公司合作將有效載荷送上月面。目前，月球快車(chē)公司的MX－1著陸器已完成了有關(guān)地面試驗(yàn)，預(yù)計(jì)將于2017年發(fā)射。商業(yè)途徑將是未來(lái)深空探測(cè)的另一項(xiàng)發(fā)展趨勢(shì)。

未來(lái)深空探測(cè)計(jì)劃

俄羅斯在冷戰(zhàn)時(shí)期實(shí)現(xiàn)了月球的首次探測(cè)和無(wú)人采樣返回等任務(wù)，在月球探測(cè)上取得過(guò)輝煌的成績(jī)。21世紀(jì)初，俄羅斯公布的太空探索計(jì)劃中，仍將月球探測(cè)放在了首位，提出了“月球-水珠”、“月球-土壤”等一系列任務(wù)。盡管近期俄羅斯的深空探測(cè)任務(wù)由于多種原因被反復(fù)延期，但俄羅斯方面始終堅(jiān)定地將月球探測(cè)作為重點(diǎn)，并提出將于2030年實(shí)施載人月球探測(cè)。

月球基地構(gòu)想圖

中國(guó)是世界上第3個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸和巡視任務(wù)的國(guó)家，共實(shí)施過(guò)4次月球探測(cè)，下一步將實(shí)施采樣返回任務(wù)。未來(lái)10年內(nèi)，中國(guó)的深空探測(cè)重點(diǎn)將仍然在月球探測(cè)上，這將有利于未來(lái)月球資源的開(kāi)發(fā)利用和火星探測(cè)任務(wù)的技術(shù)試驗(yàn)準(zhǔn)備。

歐洲航天局在21世紀(jì)初發(fā)布了“曙光”空間探索計(jì)劃，提出將月球作為火星載人探測(cè)的前哨基地。2015年5月，ESA宣稱最早將于2024年在月球暗面建立月球基地，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)劃中就指出，將重點(diǎn)開(kāi)展月球探測(cè)和月球資源利用，通過(guò)軟著陸—采樣返回—載人登月3個(gè)階段實(shí)施月球探測(cè)計(jì)劃。2015年3月，日本宣布將于2018年執(zhí)行月球軟著陸任務(wù)的“小型月球著陸器”（SLIM），旨在實(shí)現(xiàn)百米級(jí)的精確軟著陸。印度也計(jì)劃將在2017年進(jìn)行第二次月球探測(cè)，韓國(guó)提出在2020年發(fā)射月球軌道器和著陸器。

火星探測(cè)仍是行星探測(cè)的首選目標(biāo)

作為太陽(yáng)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(cè)目標(biāo)。21世紀(jì)以來(lái)多個(gè)國(guó)家提出了火星載人探測(cè)任務(wù)，意欲將人類(lèi)的活動(dòng)疆域擴(kuò)展至火星。

“洞察”火星著陸器

美國(guó)在21世紀(jì)初就提出了覆蓋太陽(yáng)系主要天體、長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)的中長(zhǎng)期規(guī)劃。美國(guó)的載人火星探測(cè)任務(wù)，將首先執(zhí)行機(jī)器人先驅(qū)任務(wù)，并完成火星采樣返回任務(wù)；然后，結(jié)合月球或載人小行星探測(cè)任務(wù)完成載人火星探測(cè)的空間技術(shù)驗(yàn)證；最后，實(shí)現(xiàn)火星的載人探測(cè)任務(wù)。在最終完成載人火星探測(cè)前，小行星探測(cè)等眾多任務(wù)都包含了為載人火星探測(cè)做技術(shù)準(zhǔn)備的意義。目前，美國(guó)計(jì)劃最早發(fā)射的火星探測(cè)任務(wù)為2016年發(fā)射的“洞察”火星著陸器。

歐洲在2004年發(fā)布了“曙光”計(jì)劃，提出在21世紀(jì)30年代中期實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)的長(zhǎng)期目標(biāo)。計(jì)劃的核心為火星探測(cè)，并將通過(guò)建立月球前哨基地進(jìn)行載人火星任務(wù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)。目前，ESA已與俄羅斯正式簽署協(xié)議共同實(shí)施2016年和2018年的“火星生物學(xué)”（ExoMars）任務(wù)。

俄羅斯除了參與歐洲的“火星生物學(xué)”項(xiàng)目之外，還計(jì)劃于2025年再次實(shí)施“火衛(wèi)一-土壤”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(cè)器，實(shí)現(xiàn)火星衛(wèi)星的首次采樣返回。印度則計(jì)劃于2018年實(shí)施第二次火星探測(cè)任務(wù)。另外，新興航天國(guó)家也將目光鎖定在了火星探測(cè)，阿聯(lián)酋計(jì)劃于2020年實(shí)施火星探測(cè)任務(wù)“希望”，韓國(guó)則提出2026年和2030年發(fā)射火星軌道器和著陸器。

小天體探測(cè)更具靈活性，是空間探測(cè)的重要目標(biāo)

小天體探測(cè)不僅具有空間資源利用和探測(cè)太陽(yáng)系起源的意義，還是火星載人探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)的關(guān)鍵階段之一。另外，小天體對(duì)地球存在潛在碰撞威脅也引起了巨大的關(guān)注。目前，美國(guó)和日本都制定了明確的小行星探測(cè)計(jì)劃，其他航天國(guó)家則也表示了實(shí)施小行星探測(cè)的意愿。

美國(guó)計(jì)劃在2025年前實(shí)施3次小行星探測(cè)任務(wù)，分別為2016年的小行星采樣返回任務(wù)“源光譜釋義資源安全風(fēng)化層辨認(rèn)探測(cè)器”（OSIRIS-Rex），2020年與ESA合作實(shí)施的“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估任務(wù)”（AIDA），以及2020-2021年發(fā)射的“小行星重定向飛行器”（ARV）。其中，“小行星重定向飛行器”將負(fù)責(zé)捕獲小行星的一塊巨石，并將其拖至月球軌道。這一創(chuàng)新性任務(wù)方式不僅可以驗(yàn)證小行星偏轉(zhuǎn)等一系列技術(shù)，還可為小行星資源利用與開(kāi)發(fā)提供一條新的道路。

“小行星重定向飛行器”捕獲巨石示意圖

日本通過(guò)小行星采樣探測(cè)，走出了獨(dú)特的深空探測(cè)之路，并取得了巨大的成功。未來(lái)，日本將繼續(xù)發(fā)展小行星采樣探測(cè)，使日本空間科學(xué)研究和空間探測(cè)技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展。2014年，日本成功發(fā)射了隼鳥(niǎo)－2小行星探測(cè)器，目標(biāo)是對(duì)1999JU3小行星進(jìn)行采樣返回任務(wù)，目前該任務(wù)仍在飛行途中。

其他國(guó)家方面，俄羅斯對(duì)小行星Apophis的探測(cè)計(jì)劃尚在定義階段，韓國(guó)方面則宣稱將于2032年發(fā)射小行星采樣返回探測(cè)器，印度方面也表示將適時(shí)開(kāi)展小行星探測(cè)。

太陽(yáng)系其他天體探測(cè)逐步擴(kuò)展

在鎖定上述三類(lèi)重點(diǎn)探測(cè)目標(biāo)的同時(shí)，各國(guó)也分別給出了其他天體的探測(cè)計(jì)劃。類(lèi)地行星探測(cè)方面，歐洲與日本將在2016年合作發(fā)射“貝皮-哥倫布”水星探測(cè)器；俄羅斯也計(jì)劃在2024年后發(fā)射金星－D復(fù)合探測(cè)器。在巨行星探測(cè)方面，美、歐在近期都將目標(biāo)鎖定在了木星系統(tǒng)上，NASA計(jì)劃于2020年發(fā)射探測(cè)器飛往木衛(wèi)二，ESA則計(jì)劃于2022年發(fā)射“木星冰衛(wèi)星探測(cè)器”。太陽(yáng)探測(cè)方面，美國(guó)計(jì)劃于2018年前發(fā)射“太陽(yáng)探測(cè)器+”，這將是首個(gè)進(jìn)入太陽(yáng)日冕的飛行器；歐洲計(jì)劃2017年發(fā)射“太陽(yáng)軌道器”，俄羅斯則計(jì)劃2022年前發(fā)射“近太陽(yáng)探測(cè)器”。這些近距離太陽(yáng)觀測(cè)任務(wù)將研究太陽(yáng)黑子、日冕、太陽(yáng)風(fēng)以及太陽(yáng)磁場(chǎng)等。

3 總結(jié)與啟示

1）探測(cè)目的地集中在月球、火星和小行星。21世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)經(jīng)過(guò)廣泛的空間探索后，將近期的探測(cè)目的地重點(diǎn)鎖定在了月球、火星和小行星上。其中，月球和小行星便于進(jìn)行探索和資源利用，同時(shí)也是進(jìn)行深空技術(shù)試驗(yàn)的絕佳場(chǎng)所；火星則是生命可能存在的地外行星，具有科學(xué)探索的巨大吸引力，同時(shí)也是載人地外行星活動(dòng)的重要目的地。

2）探測(cè)方式趨于復(fù)雜化和組合化。深空探測(cè)經(jīng)歷了飛越、撞擊、環(huán)繞、軟著陸、巡視和采樣返回等多個(gè)階段，任務(wù)方式有著不斷復(fù)雜化和組合化的趨勢(shì)。在鎖定月球、火星等已探索目標(biāo)的基礎(chǔ)上，該趨勢(shì)將進(jìn)一步加深。未來(lái)的探測(cè)將集中于小行星和火星的采樣返回任務(wù)、月球基地的建設(shè)、以及載人小行星和火星探測(cè)任務(wù)等復(fù)雜任務(wù)。并且火星采樣等任務(wù)將采取多次發(fā)射，共同完成的組合方式進(jìn)行。

3）深空探測(cè)應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、超前部署、提前攻關(guān)。從世界各國(guó)的規(guī)劃可以看出，目前的多個(gè)計(jì)劃（小行星載人探測(cè)，無(wú)人采樣，月球基地等）都與未來(lái)載人火星探測(cè)有著密切的關(guān)系。這是由于載人火星探測(cè)的技術(shù)涉及范圍廣、技術(shù)難度高，必須在任務(wù)實(shí)施很早之前就開(kāi)展技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證工作。為了實(shí)施載人火星探測(cè)，各國(guó)早在21世紀(jì)初就開(kāi)始了各項(xiàng)籌備工作。該現(xiàn)象同樣適用于其他未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)，因此深空探測(cè)應(yīng)盡早進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃，提前梳理關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備。