深空探測歷史進程及未來發展

丁煜朔

(西北工業大學航天學院,陜西西安 710072)

深空探測歷史進程及未來發展

丁煜朔

(西北工業大學航天學院,陜西西安 710072)

對未知世界的探索是人類發展的動力,開展深空探測活動,是人類拓展生存空間,開發地外星球資源的必經之路。本世紀的深空探測以太陽系空間為主(月球、火星、水星和金星、巨行星的衛星、小行星和彗星),兼顧宇宙空間的觀測。本文回顧了深空探測的歷史,歷史上對月球、火星等星球探測的典型事件；介紹了未來對不同星球探測的關注問題；分析了未來深空探測的幾項關鍵技術。

深空探測 月球探測 火星探測 關鍵技術

1 概述

深空探測是指脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間的探測，是相對于近地軌道航天器而言的。根據2000年發布的《中國的航天》白皮書中的定義，國內目前將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測。這個定義更加明確了我國深空探測的對象和目的。本世紀的深空探測以太陽系空間為主(月球、火星、水星和金星、巨行星的衛星、小行星和彗星)，兼顧宇宙空間的觀測。隨著深空探測技術的提高，人類的腳步將會到達更遠的地方，深空探測的概念也會繼續發展。

深空探測應該實現以下幾個目標：利用空間資源(能源、資源、環境)；擴展生存空間；探索太陽系和宇宙(包括生命)的起源和演化；為人類社會的可持續發展服務。

2 深空探測的歷史進程

從1958年美國和前蘇聯啟動探月計劃開始，世界發達國家和航天技術大國都先后開展了多種類型的深空探測活動。至今，深空探測已走過55年的歷史，據統計，從世界上第一顆月球探測器“先驅者0號”(Pioneer 0)至2014年12月日本的“隼鳥2號”，世界各國共實施深空探測任務243次，成功或部分成功136次，失敗100次，仍在飛行途中的為7次，成功率為56%，這里所說的成功或部分成功的判定依據主要以是否返回探測數據為準。

2.1月球探測

全世界進行過月球探測的國家和地區有美國、前蘇聯/俄羅斯、歐洲和日本以及中國。已經開展月球探測活動126次，其中美國56次、包括10次載人月球探測，成功37次，失敗19次，成功率66%。俄羅斯64次，成功21次，失敗43次。歐洲，日本和印度各1次。中國4次，分別是嫦娥1號，嫦娥2號，嫦娥3號和嫦娥再入返回試驗器。

1959年1月2日，前蘇聯發射了月球1號探測器，這是人類首顆抵達月球附近的探測器。1969年7月16日至24日，3名美國航天員乘坐的阿波羅11號飛船于7月20日在月面靜海區著陸，人類的足跡第一次印在了月球上。1990年1月24日，日本發射了飛天號探測器。2003年9月，歐洲成功發射了它的第一顆月球探測器——智慧1號，標志著歐洲探月活動正式開始。中國的月球探測經過了長期的跟蹤研究和積累，2007年10月，成功發射“嫦娥一號”，實現了“精確變軌，成功繞月”的預定目標，獲取了120m分辨率全月圖和大量科學數據。2010年10月發射了“嫦娥二號”月球探測器，獲得了7m分辨率全月圖和1.5m局部影像圖，發現了鉻元素和月球微磁場的存在，國際上首次獲得了“圖塔蒂斯”小行星10m分辨率圖像。2013年12月，成功發射“嫦娥三號”月球探測器，實現了月球軟著陸和月面巡視勘察，并首次獲得了地球等離子體層圖像、月基觀測天文圖像和月表淺層剖面圖等。2014年11月1日再入返回飛行試驗返回器順利著陸，探月工程三期再入返回飛行試驗獲得圓滿成功。

2.2 火星探測

人類使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史。最早期的探測器幾乎都失敗了，而火星探測也就是在一次又一次的失敗中不斷前進。

1962年11月，前蘇聯發射火星-1探測器，這是人類首次成功的火星探測飛行。1971年，前蘇聯發射火星-2和火星-3探測器，火星-2探測器到達火星后不久便失去了聯系，火星-3探測器的軌道器沒有成功，但是其著陸器卻成為了有史以來第一個成功在火星表面著陸的探測器，雖然它僅僅火星上工作了大約20秒，甚至沒能發回一張完整的照片就永遠與地球失去了通信聯系。1971年，美國發射水手9號，成為第一顆繞火星公轉的探測器，第一次傳回了大星有關這顆紅色星球的信息，包括火星表面的巨火山、大峽谷體系及水曾在該星球上流動的證據。2003年6月2日，歐洲航天局的“火星快車”探測器發射升空。2004年1月23日，歐洲航天局宣布，“火星快車”探測器發現火星南極存在冰凍水，這是人類首次直接在火星表面發現水。2013年11月5日，印度成功發射“曼加里安”火星探測器；2014年9月24日，印度“曼加里安”火星車成功進入火星軌道，印度成為全球第4個成功進行火星探測的國家。

2.3 對其他星球的探測

另外，人類對除月球、火星以外的其他星球也進行了多次探測，這包括水星、金星、類木行星、彗星和小行星。

1973年，美國發射水手-10探測器，進入近日點在水星軌道上的日心軌道，成為人造行星，經過三次飛越水星，對水星45%的表面進行了成像探測。但是，人類仍然不能了解這個神秘星球的全貌。2004 年8月3號，美國信使號水星探測器成功發射，經過六年半的飛行于2011年3月進入水星軌道。“信使號”為火星的研究提供了大量的圖片和資料，對于人類認識水星具有極其重要的意義。2014年，從信使號傳回的圖片中發現水星北極地區有冰的存在。

人類對太陽系行星的空間探測首先是從金星開始的，迄今為止，發往金星或路過金星的各種探測器已經超過40個，獲得了大量有關金星的科學資料。1990年美國發射的麥哲倫號金星探測器對金星地表拍攝了非常詳細的地形照片。2005年11月9日，歐洲空間局的“金星快車”探測器升空。這是歐洲首次發射金星探測器，也是第一個對金星大氣和等離子環境進行全球研究的探測器。這些空間探測器使科學家們認識到金星的三層大氣結構、亂石縱橫的地質地貌以及金星的溫室效應等。

表1

類木行星為類似木星的氣體行星，體積較其他巖質的行星來的大，包括木星，土星，天王星以及海王星等四個行星。最早探測木星的是發射于1972年的先驅者-10；1973年發射的先驅者-11在飛越木星時，利用木星的引力飛越土星；1977年發射的旅行者-2對木星、土星、天王星進行了聯合探測；1989年，美國和歐洲航天局聯合發射“伽利略”探測器，探測木星及它的四顆衛星；1997年，“卡西尼”探測器發射成功，用于探測土星和它的衛星——泰坦。對類木行星的探測也取得了許多成功：在木衛二上發現了冰層和海洋，其洋底存在火山，有著豐富的海洋熱能，這說明木衛二有可能存在原始生命活動。在木衛三表面發現有水和泥漿從表層裂縫中涌出，表明其覆蓋有冰層，冰層下可能存在咸水海洋。在泰坦上發現液體甲烷湖泊，科學家指出在其冰封的地下可能存在液態水層。

從二十世紀七十年代開始，在一些探測項目中出現了對彗星及小行星探測的任務。1985年ESA發射了第一個專門探測彗星的探測器——喬托號，該探測器飛越哈雷彗星后暫停工作。于1990年恢復，并在1992年7月10日與Grigg-Skjellerup彗星相遇。日本于1985年發射“先鋒”和“彗星”兩個相同的探測器，并與1986年分別飛越彗星。2004年3月2號，歐洲空間局發射羅塞塔號彗星探測器，主要任務是探索46億年前太陽系的起源之謎，以及彗星是否為地球“提供”生命誕生時所必需的水分和有機物質。2014年11月13日凌晨，由羅塞塔彗星探測器釋放的“菲萊”著陸器成功登陸，成為人類首個登上彗核的航天器。

3 深空探測的未來發展

深空探測是在衛星應用和載人航天取得重大成就的基礎上，向更廣闊的太陽系空間進行的探索。盡管探索之路困難重重，但人類邁向宇宙的步伐從未減緩。面對未知的茫茫宇宙，人類沒有退縮，而是在探索未知的路上攻難克險、勇往直前。二十一世紀，深空探測必然會取得更多成果。

3.1 未來關注問題

未來的深空探測將主要重點圍繞太陽系和行星系統的起源與演化，尋找地外生命和宜居環境。針對不同的星球，側重點有所不同，具體情況列表如1：

深空探測以月球及火星的探測為主，同時將適當開展類木行星及其衛星、水星、金星、彗星及小行星探測。探月未來的發展趨勢是探測月球資源并利用；開發利用月球特殊空間環境資源(超高真空、無大氣活動、無磁場、地質構造穩定、弱重力、超潔凈)， 建立月基天文臺、特殊生物制品和特種新型材料生產基地、基礎科學實驗室等；建立月球長期居留基地并利用月球進行深空探測。目前，火星探測的技術能力日趨成熟，對火星全球的了解也已不輸月球，未來將朝著重點地區精細探測、采樣返回、載人環繞和登陸的方向邁進。美國計劃在2020年前后發射空間生命科學實驗室、火星鉆探漫游者，并于2037年派宇航員登上火星。

3.2 深空探測的未來技術

深空探測相比較近地航天任務來說，具有距離遙遠、飛行時間長、數據傳輸速率有限、深空環境復雜等一系列難題，需要強大的技術支持。未來，深空探測將不斷發展，因此航天技術水平必須得到提升，以適應人類向更高更遠的太空探索。下面，主要介紹幾項深空探測的關鍵技術。

(1)高效推進技術。隨著深空探測的發展，人類將會到達更遠的地方，為了實現飛行器在較短的時間中攜帶較多的儀器到達指定軌道，高效的推進技術必將得到迅猛發展。其中電推進具有比沖高、壽命長、重復啟動可達上萬次的優點。電推進器的推力一般小于100N，因而適合深空探測。

(2)智能自主技術。NASA的“新盛世”計劃把智能自主技術放在首位，使深空探測器能自主完成導航控制、數據處理、故障判斷和部分重構與維修工作。歐空局、俄羅斯、日本和印度在自主技術方面也都開展了研發工作。

(3)測控通信技術。深空跟蹤測量與通信技術是探測活動成敗的關鍵。它包括：在整個飛行過程中進行高精度跟蹤測量，以準確確定軌道并進行軌道機動控制和狀態監視；在達到目標后進行制動和入軌等操作；在探測過程中通過深空通信系統將操作指令發送給科學儀器，以控制其進行科學探測，并將所獲取的科學探測數據傳回地球。

其中，光學通信可以將深空探測數據的傳輸速率提高幾個數量級，在光學通信中，信息通過激光和望遠鏡傳輸，性能更高，而且航天器上的通信設備更輕巧。

(4)新型軌道設計技術。飛行器在進行深空探測時，由于飛行距離遠、飛行環境復雜多樣，這就需要發展新型軌道設計技術，確保飛行器成功入軌。

借力飛行技術是指借助大天體如行星的引力調整或改變探測器飛行軌道的軌道設計技術。很多探測器都采用了借力飛行技術，從而節省了大量推進劑。氣動減速技術是指利用行星大氣特性實現氣動減速的軌道設計技術。小推力過渡軌道設計技術是新型軌道設計技術與新型推進技術相結合的產物，它可以利用新型推進器的推力實現軌道加速。

4 結語

經過55年的太空探索，人類向著宇宙深處邁進。從1958年探月計劃開始，深空探索已經取得了舉世矚目的成果，但是，面對茫茫宇宙，人類只是滄海一粟，宇宙深處的奧秘等待著人類的不斷探究。二十一世紀，深空探索必將迎來新的高潮。

我國航天技術經過50多年的發展，已經掌握了衛星和運載技術、近地空間探測，空間科學研究具備一定的實力，載人航天取得了巨大成就，探月工程穩步推進。但是，我國深空探測起步較晚，與航天強國存在一定的差距。因此，一定要抓住機遇，制定規劃，以科學為驅動力，突破關鍵技術，開拓外太空新領域。

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