蔡聞一 饒成龍 李東昊 王邵飛 （中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

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深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)際合作的可行性分析

蔡聞一 饒成龍 李東昊 王邵飛 （中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

Feasibility Analysis of International Cooperation in Deep Space Exploration

深空探測(cè)是當(dāng)今世界科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性、前瞻性、創(chuàng)新性和帶動(dòng)性，開展深空探測(cè)對(duì)于科技進(jìn)步和人類文明的發(fā)展具有重要意義。 深空探測(cè)重點(diǎn)包括月球探測(cè)、火星探測(cè)、巨行星探測(cè)、小行星及彗星探測(cè)等。自20世紀(jì)50年代末以來，世界多個(gè)航天國(guó)家積極開展深空探測(cè)活動(dòng)，空間探測(cè)活動(dòng)的范圍逐漸擴(kuò)大，探測(cè)任務(wù)也趨于多樣化。

1 世界深空探測(cè)領(lǐng)域整體進(jìn)展情況

20世紀(jì)50年代末，蘇聯(lián)、美國(guó)開始實(shí)施深空探測(cè)任務(wù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，包括中國(guó)、日本、印度在內(nèi)的世界多個(gè)國(guó)家也紛紛提出了本國(guó)的深空探測(cè)規(guī)劃，將深空探測(cè)作為重點(diǎn)發(fā)展的航天領(lǐng)域之一。

從1958年8月17日美國(guó)發(fā)射第一個(gè)月球探測(cè)器——先驅(qū)者－0（Pioneer-0）開始，人類邁向太陽系的深空探測(cè)活動(dòng)至今已有57年的歷史。通過梳理世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展的深空探測(cè)任務(wù)，可以看出，開展深空探測(cè)的主要目標(biāo)一般是由近及遠(yuǎn)。20世紀(jì)60年代，人類探測(cè)的對(duì)象主要是月球、金星和火星。70年代以后，探測(cè)器開始向更遠(yuǎn)的目標(biāo)——水星、木星、土星、天王星、海王星及太陽系其他天體進(jìn)發(fā)。80年代以后，小行星和彗星也成為人類關(guān)注的對(duì)象。

不同天體探測(cè)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年12月底，人類共進(jìn)行了243次深空探測(cè)活動(dòng)，其中，成功和部分成功140次，占總次數(shù)的57.6%（這里所說的成功或部分成功的判定依據(jù)主要是以是否返回探測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）。

在所有深空探測(cè)任務(wù)中，以探測(cè)月球?yàn)橹魅蝿?wù)的次數(shù)最多，達(dá)122次，占總數(shù)量的50%；探測(cè)火星的有41次，占17%；探測(cè)金星的有40次，占17%；探測(cè)太陽的有8次，占3%；探測(cè)水星的有2次，占1%；探測(cè)木星、土星等巨行星及其衛(wèi)星的有5次，占2%；探測(cè)彗星和小行星等小天體的有25次左右，占10%。

通過開展一系列深空探測(cè)活動(dòng)，基本了解了月球表面及其土壤的物理化學(xué)特性，探測(cè)了火星地形、地貌、大氣成分，初步了解了其他行星及彗星的組成，為人類繼續(xù)探索太空打下了良好基礎(chǔ)。

2 深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)際合作的必要性

基于以往航天經(jīng)驗(yàn)，深空探測(cè)的每一次試驗(yàn)或發(fā)射，都需要龐大的技術(shù)支撐、經(jīng)費(fèi)開支和人員投入，所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也很大，涉及多學(xué)科多領(lǐng)域多種技術(shù)方法，各國(guó)獨(dú)自開展難以支撐并達(dá)到科學(xué)目標(biāo)。因此，只有各國(guó)政府及相關(guān)組織機(jī)構(gòu)之間開展廣泛的交流與合作，組成“科學(xué)家共同體”，科學(xué)制定研究計(jì)劃和項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)信息和探測(cè)數(shù)據(jù)共享，這項(xiàng)事業(yè)才能深入持續(xù)發(fā)展。

節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)，符合各國(guó)利益

發(fā)射航天器，建造空間設(shè)施，開發(fā)和利用月球、火星等深空資源，是一項(xiàng)技術(shù)含量高、投資巨大、風(fēng)險(xiǎn)巨大的復(fù)雜系統(tǒng)工程。在深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)家間的合作，一定程度上可以分?jǐn)傢?xiàng)目研制所需的巨額經(jīng)費(fèi)，這符合那些計(jì)劃開展深空探測(cè)項(xiàng)目國(guó)家的利益。

縮短任務(wù)時(shí)間，提高研究效率

深空探測(cè)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最高水平的集中表現(xiàn)。在深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)際合作，能夠有效分解探測(cè)任務(wù)的總體難度，充分利用不同國(guó)家的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短探測(cè)任務(wù)的整體時(shí)間，避免相同目標(biāo)、相同任務(wù)的重復(fù)探測(cè)，極大地提高深空探測(cè)項(xiàng)目的研究效率。

增進(jìn)相互了解，促進(jìn)太空資源的和平利用與開發(fā)

通過在深空探測(cè)領(lǐng)域開展交流和合作，可以增進(jìn)各個(gè)國(guó)家在太空領(lǐng)域政策、技術(shù)等方面的了解，減少誤解，加強(qiáng)互信，共享太空資源，促進(jìn)太空資源的和平利用與開發(fā)。

發(fā)揮示范作用，推進(jìn)國(guó)際宇航合作的深入開展

目前，世界范圍內(nèi)多個(gè)國(guó)家和組織都在執(zhí)行一系列空間探測(cè)計(jì)劃。具有一定影響力的航天國(guó)家和組織應(yīng)加強(qiáng)交流和合作，促進(jìn)和平利用太空，積極發(fā)揮領(lǐng)頭和示范作用，為全球航天領(lǐng)域國(guó)際合作的深入開展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 深空探測(cè)領(lǐng)域國(guó)際合作進(jìn)展情況

深空探測(cè)的特點(diǎn)是科技含量高、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域廣、未知因素多、失敗風(fēng)險(xiǎn)高、投資數(shù)額大。在全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展的大趨勢(shì)下，各國(guó)在探索過程中都不可避免地要開展國(guó)際合作，在國(guó)家預(yù)算縮緊情況下尤其如此。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在迄今為止所有的深空探測(cè)任務(wù)中，蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射過115次，占總數(shù)量的47.3%；美國(guó)發(fā)射過105次，占總數(shù)量的43.2%；日本發(fā)射過8次，占總數(shù)量的3.2%；歐洲航天局發(fā)射過5次，占總數(shù)量的2.1%；中國(guó)發(fā)射過4次，占總數(shù)量的1.6%；印度發(fā)射過2次，占總數(shù)量的0.8%；國(guó)際合作4次，占總數(shù)量的1.6%（這里主要是指美國(guó)與歐洲之間的合作發(fā)射）。

1996年11月6日，俄羅斯發(fā)射的火星－96 （Mars－96，發(fā)射失?。┨綔y(cè)器上攜帶了由德國(guó)航天局、歐洲航天局等多家單位參與研制的高精度遙感相機(jī)（HRSC）。1999年2月7日，美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)射的“星塵”（Stardust）彗星探測(cè)器的塵埃流量檢測(cè)裝置由NASA、芬蘭、德國(guó)的多家研究單位共同研制。2008年發(fā)射的印度月船－1 （Chandrayaan－1）上攜帶由美國(guó)航空航天局提供的微型合成孔徑雷達(dá)（Mini-SAR）和歐洲航天局（ESA）研制的相機(jī)。

各國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

在任務(wù)級(jí)的合作方面，最典型的例子是人類歷史上最成功的土星探測(cè)器“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）?！翱ㄎ髂帷避壍榔饔擅绹?guó)航空航天局研制，“惠更斯”土衛(wèi)六著陸器由歐洲航天局研制?！翱ㄎ髂?惠更斯”土星探測(cè)器于1997年10 月15日發(fā)射，在2005年1月實(shí)現(xiàn)了土衛(wèi)六軟著陸，發(fā)回地球近千張照片。

2003年6月2日發(fā)射的歐洲航天局“火星快車”（Mars Express）探測(cè)器和美國(guó)于同年6月10日、7月7日發(fā)射的勇氣號(hào)（Spirit）和機(jī)遇號(hào)（Opportunity）火星車，實(shí)現(xiàn)了2次深空國(guó)際性通信聯(lián)絡(luò)?！盎鹦强燔嚒迸c勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)分別實(shí)現(xiàn)了信息交流，標(biāo)志著人類在建設(shè)國(guó)際深空通信網(wǎng)絡(luò)方面邁出了重要一步，其成功經(jīng)驗(yàn)將為今后其他國(guó)家聯(lián)合進(jìn)行行星探測(cè)提供借鑒。

此外，中國(guó)與俄羅斯在2007年簽署了航天合作協(xié)議，計(jì)劃共同對(duì)火星及其衛(wèi)星——火衛(wèi)一進(jìn)行探測(cè)。該合作協(xié)議的簽署是中俄兩國(guó)航天合作歷史上的重要里程碑，標(biāo)志著中俄兩國(guó)航天局在開展大型項(xiàng)目合作方面走出了重要一步，對(duì)推動(dòng)中俄全面戰(zhàn)略協(xié)作伙伴關(guān)系起到了積極作用。

“卡西尼-惠更斯”土星探測(cè)器在軌飛行示意圖

4 中國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展情況

中國(guó)航天經(jīng)過50多年的發(fā)展，取得了許多舉世矚目的成績(jī)，建立了具有一定國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的航天工業(yè)體系，在深空探測(cè)領(lǐng)域也取得了階段性的研究成果。

“嫦娥”月球探測(cè)器

中國(guó)的月球探測(cè)計(jì)劃于2004年1月正式啟動(dòng)，分三期實(shí)施：“繞”（繞月探測(cè)）、“落”（落月探測(cè)）、“回”（采樣返回探測(cè)）。

2007年10月24日，嫦娥－1成功發(fā)射，在軌有效探測(cè)16個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)自主研制的衛(wèi)星進(jìn)入月球軌道并獲得全月圖。2010年10月1日，嫦娥－2發(fā)射，獲得了世界首幅7m分辨率全月圖，對(duì)預(yù)選的落月區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)探測(cè)。在實(shí)現(xiàn)既定工程目標(biāo)和完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)后，開展了日地拉格朗日2點(diǎn)環(huán)繞探測(cè)，并在距地球7×106km處實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖塔蒂斯小行星的飛越交會(huì)探測(cè)。嫦娥－3于2013年12月2日發(fā)射，12月6日進(jìn)入月球軌道，12月14日在月球表面著陸，中國(guó)成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月面軟著陸的國(guó)家。

目前，探月工程三期正在實(shí)施過程中，將發(fā)射月球自動(dòng)采樣返回器，降落到月球表面后，采集月球土壤和巖石樣品并帶回地球。2014年10月24日，探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器（簡(jiǎn)稱試驗(yàn)器）成功發(fā)射，同年11月1日，試驗(yàn)器的返回器在中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)順利著陸，圓滿完成再入返回飛行試驗(yàn)。

探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器示意圖

試驗(yàn)器的返回器成功在著陸區(qū)預(yù)定區(qū)域降落

螢火－1

中國(guó)在火星探測(cè)方面也選擇了國(guó)際合作的方式。2007年3月，中國(guó)國(guó)家航天局與俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了《中國(guó)國(guó)家航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局關(guān)于聯(lián)合探測(cè)火星——火衛(wèi)一合作的協(xié)議》，確定雙方將聯(lián)合對(duì)火星及其衛(wèi)星火衛(wèi)一進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)協(xié)議，俄方的“火衛(wèi)一-土壤”（Phobos-Grunt）火星探測(cè)器與中方小衛(wèi)星由俄運(yùn)載火箭同時(shí)發(fā)射，中方小衛(wèi)星由“火衛(wèi)一-土壤”探測(cè)器送入繞火星的橢圓軌道。其后，中方小衛(wèi)星將自主完成對(duì)火星空間環(huán)境的探測(cè)任務(wù)，并與“火衛(wèi)一-土壤”探測(cè)器聯(lián)合完成對(duì)火星環(huán)境的探測(cè)；“火衛(wèi)一-土壤”火星探測(cè)器著陸在火衛(wèi)一表面并進(jìn)行探測(cè)，提取火衛(wèi)一樣品返回地球。在2011年的發(fā)射任務(wù)中，因俄方探測(cè)器所載綜合電子計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，未能進(jìn)入奔火軌道。

雖然此項(xiàng)聯(lián)合探測(cè)任務(wù)沒有取得成功，但通過該項(xiàng)目的合作，中國(guó)完成了第一個(gè)火星探測(cè)器——螢火－1的研制，在行星際探測(cè)器的發(fā)射過程、運(yùn)行軌道、姿態(tài)控制特點(diǎn)、測(cè)控?cái)?shù)傳工作模式等方面都有了一定的認(rèn)識(shí)和積累，為后續(xù)實(shí)施深空領(lǐng)域探測(cè)項(xiàng)目奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

火星－500實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

此外，中國(guó)還參加了歐洲航天局與俄羅斯聯(lián)合開展的火星－500（MARS 500）實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，共有來自法國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、意大利、中國(guó)的6名飛行人員參與，該任務(wù)涉及105項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證各飛行系統(tǒng)，目的是探索火星探測(cè)過程中人與環(huán)境的關(guān)系，了解未來前往火星的飛行人員的心理和生理狀態(tài)，為未來的火星探測(cè)活動(dòng)積累經(jīng)驗(yàn)。由于從火箭發(fā)射、飛往火星、火星著陸到返回地球的全部過程需要近500天的時(shí)間，因此志愿者們體驗(yàn)了為期520天的完整火星往返之旅的模擬任務(wù)，包括250天飛往火星、30天駐留火星以及240天返回地球。

5 關(guān)于深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)際合作的思考

從全球范圍來說，現(xiàn)在深空探測(cè)還在探索階段，探索和利用深空是一項(xiàng)復(fù)雜、艱巨、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的事業(yè)，開展國(guó)際合作，將是深空探測(cè)的必然發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過載人航天工程、探月工程，中國(guó)在運(yùn)載火箭技術(shù)、探測(cè)器研制等方面擁有良好的基礎(chǔ)，已經(jīng)具備開展更大規(guī)模深空探測(cè)的人才和技術(shù)儲(chǔ)備。中俄火星探測(cè)項(xiàng)目的合作經(jīng)驗(yàn)，也將為后續(xù)與其他國(guó)家和地區(qū)開展國(guó)際合作提供借鑒和參考。

政治環(huán)境

鑒于大型航天項(xiàng)目的高成本與技術(shù)復(fù)雜性，近年來，各國(guó)政府、企業(yè)界、學(xué)術(shù)界均表示出了拓展全球航天合作的意向，在未來的深空探測(cè)規(guī)劃中都明確了國(guó)際合作是其中的一個(gè)重要方面，都有加強(qiáng)合作的政治意愿。一些國(guó)家也發(fā)布了相關(guān)政策，強(qiáng)調(diào)國(guó)際航天合作，為國(guó)家間開展太空探索合作與交流提供了政策依據(jù)。我國(guó)政府一貫主張?jiān)谄降然ダ?、和平利用、共同發(fā)展原則的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)與世界各國(guó)在太空領(lǐng)域的交流與合作，促進(jìn)包容性發(fā)展。

2013年，習(xí)近平總書記提出建設(shè)“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的戰(zhàn)略構(gòu)想，即“一帶一路”戰(zhàn)略。“一帶一路”一端連接發(fā)達(dá)的歐洲經(jīng)濟(jì)圈，另一端連接極具活力的東亞經(jīng)濟(jì)圈，將帶動(dòng)中亞、西亞、南亞以及東南亞的發(fā)展，并且輻射到非洲去?！耙粠б宦贰睉?zhàn)略的實(shí)施，也將為中國(guó)與“一帶一路”沿線國(guó)家在航天領(lǐng)域開展合作提供契機(jī)，推動(dòng)“一帶一路”沿線的各個(gè)國(guó)家加大航天合作力度，推進(jìn)航天基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括空間和地面設(shè)施，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享，利用中國(guó)在載人航天、月球探測(cè)、火星探測(cè)方面積累的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)“一帶一路”沿線國(guó)家在深空探測(cè)領(lǐng)域的嘗試和拓展，推動(dòng)各國(guó)航天技術(shù)水平的提升，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展。

研究經(jīng)費(fèi)

通過梳理各個(gè)國(guó)家近50多年來的深空探測(cè)活動(dòng)可以看出，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、印度等國(guó)家通過開展月球探測(cè)、火星探測(cè)等深空探測(cè)活動(dòng)，一定程度上帶動(dòng)了本國(guó)航天技術(shù)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展。但同時(shí)也可以看到，開展深空探測(cè)活動(dòng)，開發(fā)和利用月球、火星等深空資源，是一項(xiàng)投資巨大、風(fēng)險(xiǎn)巨大的復(fù)雜系統(tǒng)工程。各國(guó)為了實(shí)施本國(guó)的深空探測(cè)計(jì)劃，都投入了巨大的財(cái)力。

在深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)家間的合作，可以實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。根據(jù)本國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平，不同的國(guó)家有著不同的合作動(dòng)機(jī)。對(duì)科技水平相對(duì)較低的國(guó)家來說，通過開展國(guó)際合作，可以分?jǐn)傢?xiàng)目研制所需的巨額經(jīng)費(fèi)，從而確保足夠的經(jīng)費(fèi)支持，一定程度上可以解決在航天技術(shù)研發(fā)過程中的經(jīng)費(fèi)不足的困難，這符合計(jì)劃開展深空探測(cè)項(xiàng)目相關(guān)國(guó)家的自身利益。

歐洲“火星快車”探測(cè)器

科技交流

在深空探測(cè)領(lǐng)域開展國(guó)際合作，能夠有效分解探測(cè)任務(wù)的總體難度，充分利用不同國(guó)家的優(yōu)勢(shì)技術(shù)和成熟技術(shù)，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短探測(cè)任務(wù)的整體時(shí)間，避免相同目標(biāo)、相同任務(wù)的重復(fù)探測(cè)，極大地提高深空探測(cè)項(xiàng)目的研究效率。

在運(yùn)載火箭領(lǐng)域，我國(guó)自主研制的“長(zhǎng)征”系列火箭家族型譜不斷完善，目前已經(jīng)形成了10余種型號(hào)的火箭家族，運(yùn)載火箭的總體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力不斷提升，能夠承擔(dān)的發(fā)射任務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，可用于發(fā)射近地軌道、太陽同步軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道的多種衛(wèi)星及載人飛船，也可以執(zhí)行深空的發(fā)射任務(wù)。

此外，除甘肅酒泉、山西太原、四川西昌外，我國(guó)在海南文昌新建了第4個(gè)航天發(fā)射場(chǎng)。該發(fā)射場(chǎng)位于低緯度，距離赤道只有19°，能夠?yàn)榛鸺l(fā)射節(jié)省大量的燃料，并且基本滿足了全球各種軌道航天器發(fā)射要求，如：地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測(cè)衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務(wù)。

人才培養(yǎng)

航天產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)周期長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也需要大量的高素質(zhì)人才支撐。為適應(yīng)這一需求，各國(guó)政府均加大力度培養(yǎng)航天人才，減少人才流失，從而鞏固航天工業(yè)的技術(shù)實(shí)力?？萍既瞬攀前l(fā)展深空探測(cè)的主體，建設(shè)一支高素質(zhì)的科技人才隊(duì)伍是成功實(shí)施深空探測(cè)計(jì)劃的關(guān)鍵因素。因此，要開展深空探測(cè)活動(dòng)，必須將科技人才隊(duì)伍建設(shè)納入總體發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)深空探測(cè)領(lǐng)域科技人才培養(yǎng)。

6 結(jié)束語

經(jīng)過50多年的航天工程實(shí)踐，我國(guó)在技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)施方面，已經(jīng)具備了開展深空探測(cè)研究的能力，并且在空間科學(xué)和航天技術(shù)領(lǐng)域培養(yǎng)造就了一支高素質(zhì)的科技隊(duì)伍，擁有較為豐富的人才資源。在開展深空探測(cè)活動(dòng)時(shí)，可以通過開展學(xué)術(shù)交流、教育培訓(xùn)、聯(lián)合研究、派遣訪問學(xué)者等合作方式，促進(jìn)不同國(guó)家間空間探索領(lǐng)域人才的交流和溝通，帶動(dòng)參與合作項(xiàng)目國(guó)家的青年科技人員成長(zhǎng)，培養(yǎng)出更多、更優(yōu)秀的航天人才隊(duì)伍，促進(jìn)科技人才隊(duì)伍整體能力的提升。