中國(guó)空間技術(shù)研究院 任 杰　高 峰　李 意　何 楠　金 巖

中國(guó)與世界航天強(qiáng)國(guó)深空探測(cè)對(duì)標(biāo)分析

中國(guó)空間技術(shù)研究院 任 杰高 峰李 意何 楠金 巖

世界航天國(guó)家在深空探測(cè)領(lǐng)域的投入情況

一、世界深空探測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

首先，在深空探測(cè)的規(guī)模方面，截至2015年9月，世界各國(guó)針對(duì)月球以遠(yuǎn)的太陽(yáng)系天體共開(kāi)展了234次探測(cè)活動(dòng)，如表1所示，其中，俄羅斯和美國(guó)的探測(cè)次數(shù)最多。20世紀(jì)90年代以前，美國(guó)進(jìn)行了63次探測(cè)，俄羅斯/前蘇聯(lián)進(jìn)行了114次探測(cè)，歐洲進(jìn)行了3次探測(cè)（德國(guó)進(jìn)行了2次太陽(yáng)探測(cè)，歐空局進(jìn)行了1次彗星探測(cè)），日本進(jìn)行了2次彗星探測(cè)。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)、印度等國(guó)家陸續(xù)開(kāi)始涉足深空探測(cè)領(lǐng)域。在該時(shí)期，美國(guó)進(jìn)行了32次探測(cè)，俄羅斯僅進(jìn)行了2次火星探測(cè)，歐洲和日本分別進(jìn)行了6次探測(cè)，我國(guó)進(jìn)行了4次月球探測(cè)（包括嫦娥五號(hào)飛行試驗(yàn)器任務(wù)），印度進(jìn)行了2次探測(cè)。可以看出，我國(guó)深空探測(cè)次數(shù)總數(shù)，以及20世紀(jì)90年代以后的任務(wù)數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美、俄等航天強(qiáng)國(guó)。

從探測(cè)目標(biāo)來(lái)看，世界各國(guó)開(kāi)展的234次探測(cè)活動(dòng)中，月球探測(cè)次數(shù)最多（114次），其次為火星（42次）和金星（41次），如圖1所示。美國(guó)對(duì)于太陽(yáng)系各天體都進(jìn)行了全面的探測(cè)，是唯一實(shí)現(xiàn)了全部原“九大行星”探測(cè)的國(guó)家。俄羅斯對(duì)月球、火星和金星進(jìn)行了大量的探測(cè)，特別是在無(wú)人月球和金星探測(cè)方面取得了巨大成就，占據(jù)了領(lǐng)先地位。歐空局盡管起步晚于美國(guó)、俄羅斯（前蘇聯(lián)），但其探測(cè)覆蓋了各類(lèi)天體，特別是20世紀(jì)90年代以后其任務(wù)數(shù)量?jī)H次于美國(guó)，處于世界領(lǐng)先水平。日本也對(duì)主要探測(cè)目標(biāo)（月球、火星、小天體和金星）進(jìn)行了探測(cè)，但其火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)失敗，金星探測(cè)任務(wù)也未成功進(jìn)入金星環(huán)繞軌道，但可能于2016～2017年再次嘗試進(jìn)入。我國(guó)通過(guò)探月工程成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸和月球巡視任務(wù)，在月球探測(cè)方面取得了輝煌成就。印度則分別發(fā)射了1個(gè)月球探測(cè)器和1個(gè)火星探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩顆天體的環(huán)繞探測(cè)?？梢钥闯觯壳拔覈?guó)僅對(duì)月球進(jìn)行了探測(cè)，盡管取得了舉世矚目的成就，但我國(guó)深空探測(cè)起步較晚，探測(cè)次數(shù)也較少，且探測(cè)目標(biāo)單一，有必要進(jìn)一步拓展探測(cè)目標(biāo)，鞏固我國(guó)航天大國(guó)的地位。

圖1　深空探測(cè)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)圖（其它天體包括太陽(yáng)系其它行星及太陽(yáng)）

表1　深空探測(cè)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)表

表2　深空探測(cè)任務(wù)成功率統(tǒng)計(jì)表

在深空探測(cè)成功率方面，深空探測(cè)任務(wù)涉及技術(shù)范圍廣、難度大，任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)也很高，在所研究的234次深空探測(cè)任務(wù)中，成功任務(wù)次數(shù)僅為137次（如表2所示）?？梢钥闯?，20世紀(jì)90年代以前深空探測(cè)任務(wù)成功率較低，20世紀(jì)90年代以后深空探測(cè)任務(wù)成功率有了大幅提升，但成功率仍不足90%。在月球探測(cè)的114次任務(wù)中，成功任務(wù)為57次，總成功率僅為50%。其中，美國(guó)的成功率為61.9%，俄羅斯的成功率為35.9%。我國(guó)目前發(fā)射的所有月球探測(cè)任務(wù)均獲得了成功，這在航天歷史上是極為罕見(jiàn)的，特別是對(duì)于尚處于深空探測(cè)起步階段的我國(guó)，是極為難得的。然而，深空探測(cè)任務(wù)整體成功率并不高，任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)較大，我國(guó)依然應(yīng)該保持對(duì)深空探測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)，做好防微杜漸工作。

在深空探測(cè)的資金投入方面，相比于世界航天強(qiáng)國(guó)，我國(guó)實(shí)施的深空探測(cè)發(fā)射任務(wù)次數(shù)還較少，積累的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)也較少。而美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家已在深空探測(cè)領(lǐng)域投入了大量資金。20世紀(jì)90年代以前，僅有美國(guó)和前蘇聯(lián)兩國(guó)開(kāi)展了大量深空探測(cè)活動(dòng)。20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，歐洲、日本和我國(guó)等國(guó)家和地區(qū)才開(kāi)始在深空探測(cè)領(lǐng)域嶄露頭角。1990～2015年間，世界各國(guó)共開(kāi)展深空探測(cè)任務(wù)52次，其中，月球探測(cè)任務(wù)14次，小天體探測(cè)任務(wù)9次，火星探測(cè)任務(wù)17次，其它探測(cè)任務(wù)12次。目前可以掌握預(yù)算的國(guó)外深空探測(cè)任務(wù)約有25次，如表3所示。在這些可統(tǒng)計(jì)預(yù)算的任務(wù)中，美國(guó)有17次任務(wù)，可統(tǒng)計(jì)任務(wù)預(yù)算為127.4億美元；歐洲有4次任務(wù)，可統(tǒng)計(jì)任務(wù)預(yù)算為32.2億美元；日本有2次任務(wù)，可統(tǒng)計(jì)任務(wù)預(yù)算為7.6億美元；印度有2次任務(wù)，可統(tǒng)計(jì)任務(wù)預(yù)算為1.68億美元（如表4所示）。

美國(guó)作為唯一探索了整個(gè)太陽(yáng)系各類(lèi)天體的國(guó)家，在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)上處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，但仍非常重視深空探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展，1990～2015年，已知的任務(wù)資金投入高達(dá)127億美元，此外還有未知的任務(wù)投資、某些科技研發(fā)投入、機(jī)構(gòu)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、非某個(gè)任務(wù)專(zhuān)用設(shè)施的建設(shè)投資等。相比而言，我國(guó)在深空探測(cè)方面技術(shù)經(jīng)驗(yàn)還較少，還需要對(duì)技術(shù)試驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)行投資。目前我國(guó)僅開(kāi)展了月球探測(cè)，且投資絕對(duì)值和力度與美國(guó)相比還存在很大的差距。

表3　國(guó)外深空探測(cè)任務(wù)預(yù)算概況

表4　20世紀(jì)90年代后可統(tǒng)計(jì)任務(wù)預(yù)算統(tǒng)計(jì)

二、美國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的預(yù)算情況

2013年，全球政府航天計(jì)劃總支出約為740.95億美元，增長(zhǎng)了1.7%，高于2009～2013年平均0.86%的年增長(zhǎng)率。其中，美國(guó)政府航天支出占全球政府航天支出總量的一半以上，總計(jì)為412.57億美元，比2012年增加9.4%；歐空局的預(yù)算為42.82億歐元，比2012年的40.20億歐元增加6.5%；俄羅斯聯(lián)邦航天局的預(yù)算則比2012年增加了30.43%；日本也增加了8.12%的航天預(yù)算；印度的預(yù)算增加率達(dá)到了39.13%。整體而言，各航天國(guó)家在預(yù)算上都呈現(xiàn)出了增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。美國(guó)近幾年保持了繼續(xù)加大預(yù)算投入的態(tài)勢(shì)，深空探測(cè)投入在整個(gè)航天投入中的占比更是呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，如圖2所示。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“科學(xué)”領(lǐng)域在2011～2015財(cái)年批準(zhǔn)的預(yù)算所占比例保持了連年上升趨勢(shì)，而占深空探測(cè)任務(wù)大多數(shù)的“行星科學(xué)”分領(lǐng)域在2011～2015財(cái)年批準(zhǔn)預(yù)算所占比例呈穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，其中，僅2013年相對(duì)有所減少，其余均為增加趨勢(shì)。

我國(guó)現(xiàn)階段深空探測(cè)任務(wù)與國(guó)外同類(lèi)型任務(wù)對(duì)比分析

我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的整體投入情況目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)、俄羅斯等航天強(qiáng)國(guó)。這在一定程度上是由于我國(guó)深空探測(cè)起步晚，任務(wù)較少造成的。下文將對(duì)我國(guó)任務(wù)與國(guó)外同類(lèi)型任務(wù)進(jìn)行對(duì)比分析。

一、我國(guó)探月工程與前蘇聯(lián)“月球”計(jì)劃的對(duì)比

我國(guó)探月工程分為三期，分別完成月球的環(huán)繞、軟著陸和巡視，以及采樣返回任務(wù)。縱觀世界各國(guó)的探月史，只有前蘇聯(lián)的“月球”計(jì)劃與此類(lèi)似。

“月球”（Luna）探測(cè)器是前蘇聯(lián)于1959～1976年間發(fā)射的無(wú)人月球探測(cè)器系列，共24個(gè)，完成了月球的飛越、撞擊、軟著陸、巡視和采樣返回任務(wù)，整個(gè)計(jì)劃持續(xù)17年。我國(guó)探月工程始于2004年，將持續(xù)到2020年，整個(gè)計(jì)劃的時(shí)間與前蘇聯(lián)實(shí)施“月球”計(jì)劃的時(shí)間跨度相仿。因此，無(wú)論是計(jì)劃的工程目標(biāo)，還是整個(gè)計(jì)劃的任務(wù)時(shí)間，前蘇聯(lián)“月球”計(jì)劃與我國(guó)探月工程都有很高的相似度。因此，兩者在整體任務(wù)上具有一定的可比性。

圖2　美國(guó)“科學(xué)”和“行星科學(xué)”領(lǐng)域預(yù)算占比變化圖

“月球”計(jì)劃的總成本約為45億美元。由于處于不同的年代，必須采取一定的方法進(jìn)行折合估算才能進(jìn)行橫向?qū)Ρ取＿@里采取如下方法進(jìn)行折算：目前執(zhí)行任務(wù)所需花費(fèi)=當(dāng)時(shí)執(zhí)行任務(wù)花費(fèi)/當(dāng)時(shí)國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP1）*目前國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP2）。這里取1970年前蘇聯(lián)的GDP（4334.12億美元）作為GDP1，2014年的GDP（20600億美元）作為GDP2，那么，如果當(dāng)前執(zhí)行“月球”計(jì)劃約需214億美元，按2014年匯率計(jì)算，“月球”計(jì)劃折合人民幣約需1315億元。據(jù)了解，我國(guó)探月工程的總投資大約占國(guó)家GDP的萬(wàn)分之幾，超過(guò)140億人民幣，因此推算僅為“月球”計(jì)劃折合費(fèi)用的不足20%。

另外，前蘇聯(lián)在該計(jì)劃中實(shí)際發(fā)射的探測(cè)器多于24個(gè)，但其中有些發(fā)射失敗的探測(cè)器或因未脫離低地球軌道而被編入“宇宙”（Cosmos）系列，或因未進(jìn)入月球軌道而未被歸入“月球”系列。1959～1976年，前蘇聯(lián)共實(shí)施了64次探月任務(wù)。如果考慮這些任務(wù)的總經(jīng)費(fèi)，以及其它相關(guān)設(shè)施的建設(shè)和技術(shù)準(zhǔn)備，花費(fèi)將更為高昂。相比而言，我國(guó)探月工程的特點(diǎn)可總結(jié)為花費(fèi)少、成功率高。

二、我國(guó)“嫦娥二號(hào)”與美國(guó)同期“GRAIL”任務(wù)的對(duì)比

除選取國(guó)外同類(lèi)型系列任務(wù)進(jìn)行比較外，本文還針對(duì)單個(gè)任務(wù)進(jìn)行了同時(shí)代任務(wù)的比較。由于近期的月球探測(cè)任務(wù)均為環(huán)繞任務(wù)，因此，本文選取2010年我國(guó)發(fā)射的“嫦娥二號(hào)”與2011年美國(guó)發(fā)射的“引力恢復(fù)與內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室”（GRAIL）進(jìn)行比較。

GRAIL是美國(guó)的月球探測(cè)器，又稱(chēng)“圣杯”探測(cè)器，于2011年9月10日搭乘德?tīng)査?2運(yùn)載火箭發(fā)射。該任務(wù)屬于NASA的“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”，由2個(gè)相同的探測(cè)器（GRAIL-A和GRAIL-B）組成。GRAIL項(xiàng)目由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）管理，任務(wù)的主承包商為美國(guó)洛克希德·馬丁公司，有效載荷研制單位包括JPL、薩麗·瑞德科學(xué)公司等。根據(jù)NASA的2011財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)，GRAIL項(xiàng)目的總成本為4.962億美元，其中，包括立項(xiàng)預(yù)算0.505億美元，研制與發(fā)射預(yù)算4.270億美元，運(yùn)行預(yù)算0.187億美元。按照2011年美元兌人民幣的中間價(jià)6.4588計(jì)算，GRAIL的任務(wù)花費(fèi)約為32.05億元人民幣。據(jù)了解，“嫦娥二號(hào)”探測(cè)器的總投資預(yù)估為9億元人民幣，僅為GRAIL任務(wù)的28.08%。并且，美國(guó)此前已進(jìn)行過(guò)多達(dá)40余次無(wú)人探月任務(wù)，擁有非常成熟的技術(shù)及地面支持系統(tǒng)。

另一方面，我國(guó)“嫦娥二號(hào)”的研制時(shí)間（2008～2010年）比GRAIL的研制時(shí)間（2006～2011年）要短的多。由此可以看出，我國(guó)“嫦娥二號(hào)”的花費(fèi)處于同期同類(lèi)型任務(wù)的較低水平。

表5　“GRAIL”與“嫦娥二號(hào)”經(jīng)費(fèi)投入情況對(duì)比

ALL ABOUT軍民融合不一樣的角度和觀點(diǎn)

任 杰，工程師，任職于中國(guó)空間技術(shù)研究院，主要從事航天領(lǐng)域深空探測(cè)研究，參與了我國(guó)多個(gè)深空探測(cè)項(xiàng)目的論證和經(jīng)濟(jì)可行性研究工作。

我國(guó)計(jì)劃中任務(wù)與國(guó)外同類(lèi)型任務(wù)比對(duì)分析

我國(guó)目前計(jì)劃中的深空探測(cè)任務(wù)僅有火星探測(cè)計(jì)劃，任務(wù)的工程目標(biāo)包括：突破火星制動(dòng)捕獲、火星進(jìn)入著陸、火星表面巡視、長(zhǎng)期自主管理、行星際測(cè)控通信等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)一次飛行任務(wù)即實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)的目標(biāo)，獲取自主火星探測(cè)工程和科學(xué)數(shù)據(jù)，使我國(guó)深空探測(cè)能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊(duì)，實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)技術(shù)的跨越；構(gòu)建獨(dú)立自主的深空探測(cè)基礎(chǔ)工程體系，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行任務(wù)實(shí)施、科學(xué)研究、工程管理，以及人才隊(duì)伍，推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

我國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)包括著陸和表面巡視兩方面，近期該類(lèi)型任務(wù)僅有美國(guó)的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（Mars Science Laboratory，MSL）。MSL于2011年11月26日由宇宙神-5運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射，是世界上首個(gè)采用“空中吊車(chē)”精準(zhǔn)著陸方式進(jìn)行軟著陸的探測(cè)器。其攜帶“好奇號(hào)”火星漫游車(chē)，歷經(jīng)36個(gè)星期的飛行，于2012年8月6日在火星表面的蓋爾隕坑成功著陸并開(kāi)始工作，目前已獲得大量科學(xué)探測(cè)成果。根據(jù)NASA發(fā)布的2011年預(yù)算申請(qǐng)，MSL項(xiàng)目總成本為23.943億美元，其中包括立項(xiàng)預(yù)算5.155億美元、研制與發(fā)射預(yù)算17.20億美元、運(yùn)行預(yù)算1.588億美元。NASA在2012財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)中，又為MSL項(xiàng)目的火星樣品分析儀（SAM）增加了一些研制費(fèi)用，用于進(jìn)一步解決火星樣品采集和處理鉆頭的研制難題。整個(gè)MSL項(xiàng)目的總成本約為24.763億美元。

按照2011年美元兌人民幣的中間價(jià)6.4588計(jì)算，MSL的任務(wù)花費(fèi)約為160億人民幣。在無(wú)月球以遠(yuǎn)探測(cè)經(jīng)驗(yàn)的情況下，我國(guó)的火星探測(cè)總投資預(yù)估為幾十億元人民幣量級(jí)，低于MSL任務(wù)花費(fèi)的一半。當(dāng)然，MSL任務(wù)包含了投入高昂的“空中吊車(chē)”等先進(jìn)技術(shù)，但考慮到美國(guó)在此前已經(jīng)進(jìn)行了18次火星探測(cè)任務(wù)，擁有成熟的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以與我國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃形成一個(gè)粗略的橫向?qū)Ρ取?/p>

表6　MSL與我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃經(jīng)費(fèi)投入情況對(duì)比

由我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃與近期同類(lèi)型任務(wù)美國(guó)MSL的比較可以看出，我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)相對(duì)較低，在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，且我國(guó)此次火星探測(cè)計(jì)劃的研制時(shí)間僅為6年（2015～2020年），相比于MSL約8年的研制時(shí)間（2004～2011年）要短2年，相比于美國(guó)首次完成火星著陸和巡視任務(wù)（1996年的“火星探路者”）距離首次火星飛越（1964年“水手4號(hào)”）要快得多。

結(jié)論與啟示

一、我國(guó)深空探測(cè)起步晚、積淀少

與美國(guó)、俄羅斯等航天強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)的歷程還很短。我國(guó)目前正在進(jìn)行的深空探測(cè)任務(wù)僅有探月工程，而月球以遠(yuǎn)目標(biāo)探測(cè)所需的發(fā)射技術(shù)、地面支持系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等尚未形成體系，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)的積累和基礎(chǔ)條件設(shè)施的建設(shè)。

二、我國(guó)深空探測(cè)花費(fèi)低、成功率高

我國(guó)深空探測(cè)盡管起步較晚，但近期的發(fā)展取得了令世界矚目的成就，為我國(guó)成為航天強(qiáng)國(guó)奠定了良好的基礎(chǔ)。我國(guó)探月工程現(xiàn)已成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸和巡視，成功率達(dá)100%，這在航天歷史上是絕無(wú)僅有的。此外，相比于美國(guó)、俄羅斯/前蘇聯(lián)的同類(lèi)型任務(wù)，我國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)花費(fèi)較低。

三、我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展目標(biāo)天體

不同的探測(cè)目標(biāo)具有不同的科學(xué)價(jià)值，開(kāi)展多樣化的探測(cè)有助于空間技術(shù)的發(fā)展和空間科學(xué)研究的完善。我國(guó)目前僅對(duì)月球?qū)嵤┝颂綔y(cè)，并制訂了火星探測(cè)計(jì)劃，相比于各航天大國(guó)的深空探測(cè)情況，探測(cè)目標(biāo)不夠多樣化，有必要進(jìn)一步擴(kuò)展深空探測(cè)的目標(biāo)天體范圍。

四、深空探測(cè)應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、超前部署、提前攻關(guān)

深空探測(cè)涉及的技術(shù)范圍廣、難度高，且任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)大，必須在任務(wù)實(shí)施之前預(yù)先開(kāi)展技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證工作。從各航天強(qiáng)國(guó)對(duì)任務(wù)的長(zhǎng)期規(guī)劃看，未來(lái)的深空探測(cè)任務(wù)，特別是載人火星探測(cè)任務(wù)的各項(xiàng)籌備工作已經(jīng)啟動(dòng)。我國(guó)也應(yīng)盡早制定深空探測(cè)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。