[科普中国]-深空探测

简介

深空探测指人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动，作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。

研究特点开展深空探测的主要研究对象一般由近及远：月球是起点和前哨站；火星是月球之后的又一个探测热点；小天体探测日益受到重视；多目标多任务探测是深空探测的一种重要形式；对太阳系中心天体太阳的探测活动一直未曾间断过；火星和金星之外的大行星及其卫星探测活动任重道远。

探测方式上，一般包括飞越、硬着陆(撞击)、环绕、软着陆(+巡视)、无人采样返回、载人探测等形式。近年来出现的两个新趋势：对同一探测对象采取多种探测形式交替进行的方式；在一次任务中多种探测手段组合实现综合探测。1

关键技术深控探测的深度与广度直接取决于一系列关键技术的突破和支撑，这些关键技术包括深空轨道设计与优化、自主技术、能源与推进、深空测控通信、新型结构与机构、新型科学载荷技术等。其中轨道设计与优化技术包括多体系统能量轨道设计与优化技术及不规则弱引力场轨道设计与优化技术等；自主技术包括自主任务规划技术、自主导航技术、自主控制技术、自主故障处理技术等；新型能源与推进技术包括核能源技术、电推进技术、太阳帆推进技术等。2

主要意义深空探测意义重大，一是有利于促进对太阳系及宇宙的形成与演化、生命起源与进化等重大科学问题的研究,从而进已成为人类航天活动的重要方向；二是有利于推动空间技术的跨越式可持续发展，从而不断提升人类进入太空的能力；三是有利于催生一系列基础性、前瞻性的新学科、新技术，从而促进一系列相关科学技术的发展；四是有利于培养和造就创新型人才队伍，从而推动人类社会可持续进步。2

研究范畴在行星际探测方面，过去40年来，美国、前苏联、欧洲航天局及日本等先后发射了100多个行星际探测器，既有发向月球的，也有发向金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的，还有把“镜头”指向我们地球及周边环境的。通过这些深空探测活动所得到的关于太阳系的认识大大超过了人类数千年来所获有关知识总和的千万倍。

天文观测在天文观测方面，今天人类已把各个波段的天文卫星送入太空，其中较大的有美国的伽马射线观测台、先进X射线天体物理设施、红外望远镜设施、“哈勃”空间望远镜等4项，其中以“哈勃”空间望远镜最引人瞩目。

探测未来深空探测是在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上，向更广阔的太阳系空间进行的探索。随着21世纪的到来，深空探测技术作为人类保护地球、进入宇宙、寻找新的生活家园的唯一手段，引起了世界各国的极大关注。

通过深空探测，能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，进一步认识地球环境的形成和演变，认识空间现象和地球自然系统之间的关系。从现实和长远来看，对深空的探测和开发具有十分重要的科学和经济意义。深空探测将是21世纪人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径。

重点领域◆月球探测；

◆火星探测；

◆水星与金星的探测；

◆巨行星及其卫星的探测；

◆小行星与彗星的探测。

发展历程从1958年美国和前苏联启动探月计划开始，世界发达国家和航天技术大国都先后开展了多种类型的深空探测活动。

1959年1月2日，前苏联发射了月球1号探测器。月球1号从距离月球表面5000多千米处飞过，并在飞行过程中测量了月球磁场、宇宙射线等数据，这是人类首颗抵达月球附近的探测器。1959年9月26日，前苏联成功发射了月球2号探测器，它是首个落在月球上的人造物体。3

全世界进行过月球探测的国家和地区有美国、前苏联/俄罗斯、欧洲和日本以及中国。已经开展月球探测活动126次，其中美国56次、包括10次载人月球探测，成功37次，失败19次，成功率66%。俄罗斯64次，成功21次，失败43次。欧洲，日本和印度各1次。中国4次，分别是嫦娥1号，嫦娥2号，嫦娥3号和嫦娥再入返回试验器。

深空探测50年的发展经历了两个高潮期：一为1958 -1976年，二为1994年至今。1958 - 1976年的深空探测第一个高潮期，是美、苏两国在冷战背景下的空间竞赛期，共实施166次探测任务。其标志性成果是实现了无人月球采样返回和载人登月。1994年美国发射的“克莱门汀”(Clementine)月球探测器发现了月球可能存在水冰，掀起了深空探测的第二次高潮，迄今共实施了53次探测任务。4其显著标志一是欧空局、日本、中国和印度等加入深空探测国家行列，二是实现了小天体采样返回和火星巡视探测。

发展趋势及最新进展进入21世纪，各航天国家和组织纷纷制定了深空探测计划，美国仍以延伸人类活动疆域为长远目标，通过对太阳系各类主要天体开展持续探测，全面掌握深空探测技术，确保和加强在航天领域的领导地位，近期探测目标重点是火星和小行星。欧洲空间局以实现载人火星飞行为目标，与提出同一目标的俄罗斯开展合作，将于2020年前实现火星着陆巡视。俄罗斯提出对太阳系其他主要天体实施探测的计划，以期在短期内重整旗鼓，重塑航天强国形象。日本发展的重点是实施多类型小行星的取样返回任务，不断发展新技术，以保持在小行星探测领域的优势地位。印度把增强航天能力作为实现强国梦想的捷径，在2013年取得火星探测成功后，更加大了深空探测发展步伐，计划2020年前实施月球着陆巡视探测和第二次火星探测。

从各国深空探测的远景目标和任务规划分析得出国际上深空探测总体表现出5个方面的发展趋势和特点：月球探测是开展深空探测的首选目标；火星是目前行星探测的最大热点；小天体探测成为深空探索领域的重点发展目标之一；探测方式日趋多样，逐步由技术推动转向科学带动；大型探测任务的国际合作模式成为重要发展途径。5

火星作为地球外最适宜人类生存的星球，得到了美国航空航天局的青睐。虽然1992年火星观测者任务失败，但1997年美国发射了火星全球勘测者号轨道探测器，同年还发射了探路者号着陆探测器，进行了火星软着陆并释放了一辆仅仅10.6千克的火星车。此后2001年美国发射了火星奥德赛号轨道器，然后又成功进行了火星探测漫游者号、机遇号和勇气号火星车的任务，并发射了凤凰号着陆器降落在火星北极勘察水的存在，并试图寻找是否存在适合微生物生存的环境。

美国也在继续发射火星轨道器，2005年美国发射了火星侦查轨道器获取了分辨率超过0.3米的超高精度火星影像。美国2011年还发射了空前先进和复杂的好奇号火星车，在火星软着陆和火星车探测领域将其他国家远远甩在身后。美国通过轨道器的高精度照片，着陆器和火星车的实地勘察，确认火星上过去存在河流，现在也存在一定的水资源，这对目前由于技术和预算问题困难重重的载人探测火星来说可谓雪中送炭。6美国和欧洲非常注重在火星探测领域的持续投入，并将载人火星探测作为深空探索的长远目标。美国计划在2030年左右将宇航员送上火星。

苏联解体后，力求复兴的俄罗斯再次发起火星探测项目，远期目标也是宇航员登陆；欧盟在“火星快车”探测飞船释放着陆器失败后，2016年3月又发射了探测火星大气环境的“痕量气体轨道探测器”（TGO），并且再次尝试释放着陆器。

印度在深空探测领域“一鸣惊人”。2014年，印度“曼加里安”探测飞船成功进入火星轨道，成为第一个探索火星的亚洲国家，也是唯一一个首探火星即获成功的国家。印度在每年航天预算仅七八亿美元的条件下确保月球和火星两个重点深空项目成功，其中“曼加里安”的成本仅为7000多万美元，令人瞩目。7

日本近十几年来在深空探测方面也有很多进展，2003年，发射“隼鸟”号小行星探测器，这次任务比较有趣，在两颗小卫星失败的情况下，母星亲自降落，一度与地球丧失联系，控制人员宣布任务失败，后来又奇迹复活，破天荒地取到了小行星样本，并于2010年返回地球，降落在澳大利亚。“隼鸟”号取得的成就包括利用耗能低的离子引擎，电离氙气喷射提供动力，实现了长距离运行；近距离的拍摄了小行星的照片，研究了小行星结构，以及从小行星上抓取了岩土样本等，但是对样本的研究目前尚未有重大的科研进展的消息传出。2006年，和美国合作，发射“日之出”太阳探测器。2007年，发射“辉夜姬”月球探测器。8

中国是近年来深空探测领域的“新星”，其中探月是近期主要任务，火星探测计划在2020年之后。2016年初，我国政府正式批复火星探测任务，计划于2020年择机发射火星探测卫星，一步实现“绕、落、巡”工程目标。如果首次任务成功，我国将进一步实施火星表面采样返回任务，最终实现对火星从全球普查到局部详查、着陆就位分析、再到样品实验室分析的科学递进。中国科学家还提出了多项空间探测计划。如“小行星探测”计划，以伴飞、附着、取样返回等探测方式，对近地目标小行星进行整体性探测和局部区域的就位分析。还有“木星系统探测”计划等，9主要将研究木星磁层结构、“木卫二”大气模型、“木卫二”表面冰层形貌及厚度、金星—地球—木星间的太阳风结构，以及地球生命的地外生存状态及其演变特性等。10