美國深空探測的戰略規劃及未來趨勢研究（上）

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美國深空探測的戰略規劃及未來趨勢研究（上）

Strategic Planning and Trend Study of U.S. Deep Space Exploration （Ⅰ）

伍曉京張揚眉（北京空間科技信息研究所）

1　引言

2014年，美國航空航天局（NASA )發布了《2014年戰略規劃》（Strategic Plan 2014），制定了美國航空航天局包括深空探測在內的各大領域的戰略方向、戰略目的和優先級。作為對《2014年戰略規劃》的響應，并參考美國國家科學研究委員會（NRC）2011年發布的《行星科學10年調查報告：2013-2022行星科學的愿景和航程》的建議，美國航空航天局科學任務部發布《2014年科學計劃》(Science Plan 2014），進一步明確了美國航空航天局未來科學探測包括深空探測的方向、目的和具體目標。

在目前全球經濟緩慢復蘇、美國經濟尚未完全恢復的大環境下，預算問題是美國航空航天局面臨的最大挑戰，也是美國航空航天局進行深空探測活動的瓶頸。美國航空航天局掙扎于《行星科學10年調查報告》的理想化建議與“缺錢”的現實矛盾中，尤其對于大型“旗艦”任務的態度搖擺不定，幾經周折變化，也反映出美國航空航天局在最大限度地實現科學探測目標和合理利用有限的預算分配之間的艱難抉擇和權衡過程。

2　美國深空探測發展情況

美國是迄今為止唯一一個對太陽系內所有行星進行過探測的國家。此外，美國還對太陽、小天體和星際空間開展過大量探測，實現了月球、火星、小行星和土衛六著陸，以及彗星粒子和太陽風粒子采樣返回。美國在太陽系探測領域取得了大量科學成果，在全球深空探測領域處于絕對領先地位。

美國在月球探測方面起步很早，1958年8月17日發射的先驅者-0月球探測器是人類歷史上第一個深空探測器。截至2015年9月底，美國共發射了41次無人月球探測任務。

美國火星探測取得重大成就，開展火星探測任務20次，其中有15次獲得了成功，最近的一次任務即“火星大氣與揮發物演變”（MAVEN），已于2014年9月22日成功進入火星軌道。

從深空探測技術水平看，美國已經全面具備覆蓋整個太陽系八大行星及衛星、小天體、太陽的探測能力，已經探測過的天體包括月球、火星、金星、水星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、彗星、小行星、太陽等，探測形式多樣，包括飛越、環繞、撞擊、著陸、巡視勘察、采樣返回等。已掌握的技術包括月球飛越、環繞和著陸；火星飛越、環繞、著陸和巡視勘察；金星飛越和環繞；彗星粒子采樣返回；太陽風粒子采樣返回；小行星環繞和著陸；土衛六著陸（與歐洲合作）等等。

“火星大氣與揮發物演變”探測火星示意圖

3　美國未來深空探測戰略規劃

美國航空航天局的“戰略規劃”反映了美國航空航天局的整體戰略規劃。“戰略規劃”由美國航空航天局首席財政官辦公室組織制定，以確保其與美國航空航天局的預算分配緊密聯系。戰略規劃委員會是由美國航空航天局局長擔任主席的頂層團隊，負責制定美國航空航天局的多年計劃和路線圖，然后由美國航空航天局各大任務部和任務支持委員會對這些計劃和路線圖進一步細化。首席財政官辦公室的戰略規劃團隊將根據這些規劃和路線圖制定美國航空航天局“戰略規劃”，大約每3年發布一個版本，主要反映美國航空航天局的組織變化情況，定義美國航空航天局完成愿景和任務的途徑，以及支持和驅動美國航空航天局進行研究和開發活動的原則。美國航空航天局近年來分別于2014、2011、2006、2003年發布了“戰略規劃”。

作為對“戰略規劃”的響應和補充，美國航空航天局科學任務部幾乎同步制定了“科學計劃”，規劃美國航空航天局科學領域包括太陽物理學、地球科學、行星科學和天體物理學4個分領域未來的活動。在制定“戰略規劃”和“科學計劃”時，美國航空航天局也會充分考慮美國國家科學研究委員會《行星科學10年調查報告》提出的建議，包括各分領域的發展方向、優先級任務目標等。美國航空航天局在制定財年預算時，也會體現“戰略規劃”和“科學計劃”的主要政策和方向。因此結合美國航空航天局的“戰略規劃”、“科學計劃”、美國國家科學研究委員會的《行星科學10年調查報告》以及美國航空航天局近幾個財年的預算申請等文件，可以對美國未來深空探測戰略規劃進行分析和總結。

由于美國航空航天局并未對深空探測器進行嚴格定義，其“科學”領域的4個分領域“太陽物理學”、“地球科學”、“行星科學”和“天體物理學”中，“行星科學”中的航天器基本上都屬于深空探測器，但同時在“太陽物理學”中也有少量深空探測器，例如旅行者-1、2等。因此在進行分析時，主要參考與“行星科學”分領域相關的章節與數據，同時也兼顧少量“太陽物理學”分領域中與深空探測相關的內容。

旅行者-1在宇宙空間飛行示意圖

“戰略規劃”制定了美國航空航天局頂層戰略發展方向

(1)《2014年戰略規劃》的戰略目的和戰略目標

美國航空航天局《2014年戰略規劃》提出了以下3項戰略目的及相應的16項戰略目標：

1)擴展美國航空航天局探索空間的知識和能力，增加美國航空航天局探索空間的機會。①擴展人類在太陽系的探索疆域，實現火星表面載人探測，推動探索、科學和創新進步，造福人類，加強國際合作（由載人探索運行任務部負責）；②在國際空間站上進行科學和技術研究，為未來的空間探索打下基礎；③鼓勵商業航天經濟的發展，推動基礎生物學和物理學的進步，使全人類受益（由載人探索運行任務部負責）；④促進美國商業航天的發展，并利用其能力向空間運送貨物和乘員（由載人探索運行任務部負責）；⑤理解太陽及其與地球和太陽系的相互作用，包括對空間天氣進行研究（屬于“科學”領域的“太陽物理學”，由科學任務部負責）；⑥研究太陽系的起源和演變，探索可能的生命痕跡（屬于“科學”領域的“行星科學”，由科學任務部負責）；⑦研究宇宙的運行機制，探索宇宙的起源和演變，搜尋圍繞其他恒星運行的行星上的生命痕跡（屬于“科學”領域的“天體物理學”，由科學任務部負責）；⑧對美國航空航天局的任務進行轉化，推動國家前沿、創新航天技術的不斷發展和成熟（由空間技術任務部負責）。

從表1的結果可見，含鈦高爐渣中主要成分為TiO2、CaO、MgO、SiO2、A12O3和Fe等，鈦渣中的鈣、鎂、鋁含量都較高，在用鹽酸對含鈦型高爐渣進行除雜處理的過程中，通過化學反應，其中的CaO、MgO、A12O3易與鹽酸形成強電解質的氯化物而溶解，而硅組分則形成固體沉淀實現分離。TiO2為兩性氧化物，其酸、堿性都很弱，對應的鈦酸鹽和鈦鹽在一定條件下將發生水解。

2）增進對地球的理解，研發能夠改善人們生活質量的技術。①推動航空學研究，使美國和全球的航空業實現安全和可持續的革命性轉換（由航空學研究任務部負責）；②增進對地球系統的了解，應對環境變化，改善人們的生活（屬于“科學”領域的“地球科學”，由科學任務部負責）；③優化機構技術投資，鼓勵開放式創新，促進技術注入，確保獲取最大的國家利益（由首席技術專家辦公室負責）；④通過與其他機構的合作，推動“科學、技術、工程和數學”（STEM）教育和人才隊伍培養，從而鼓勵學生、教師和教職工參與美國航空航天局的任務（由教育辦公室負責）。

3）為美國公眾服務，通過有效管理人員、技術能力和基礎設施，完成美國航空航天局的各項任務。①吸引并培養具有豐富經驗的、有能力的、多樣化的人才隊伍，建立具有創新氛圍的工作環境，為美國航空航天局的任務提供所需的設施、工具與服務（由任務支持部負責）；②確保美國航空航天局的戰略、技術和計劃能力的可用和持續發展，以維持美國航空航天局的任務（由載人探索運行任務部負責）；③提供安全、有效和可負擔的信息技術和服務，以支持美國航空航天局的任務（由首席信息官辦公室負責）；④確保對美國航空航天局計劃的有效管理和運行，從而安全地、成功地完成任務（由安全和任務保障辦公室等部門負責）。

這3項戰略目的與相應的戰略目標指導了美國航空航天局的大部分活動，分別由美國航空航天局目前的4個任務部—航空學研究任務部、載人探索運行任務部、科學任務部、空間技術任務部，以及其他支持部門領導和負責，其中一部分內容涉及深空探測。美國航空航天局在《2014年戰略規劃》中指出，美國航空航天局的未來非常清晰，將繼續進行載人和機器人空間探索，并開發可用于航空航天的新技術，在保護地球的同時，增進對地球和宇宙的了解。美國航空航天局還指出，將通過與工業界、學術界和其他國家的航天機構的合作實現未來愿景，并鼓勵公眾參與到美國航空航天局的活動中去。美國航空航天局的戰略主旨是與國內和國際的合作伙伴一起，進行航空航天探索與研究，使全人類受益。

（2）《2014年戰略規劃》強調深空探測的重要作用，指出深空探測面臨的問題和挑戰

美國航空航天局在《2014年戰略規劃》中多次強調了包括深空探測在內的“科學”領域的重要作用，指出機器人探測是我們探索太陽系的主要方法，也是載人空間探索的重要先驅任務，并表明美國航空航天局將繼續不遺余力地在控制成本和進度的前提下進行科學探索。

《2014年戰略規劃》指出美國航空航天局在“行星科學”分領域面臨的挑戰有兩個，一是任務成本評估與管理，尤其是對于那些復雜的大型探測項目，美國航空航天局應提高效率，更好地進行任務成本控制。在過去3年里，美國航空航天局發射的多項“行星科學”任務都成功地控制在既定成本和進度內。美國航空航天局的長期目標仍然是控制成本和進度，確保任務的持續性。二是钚-238的生產與供應。钚-238為美國航空航天局的放射性同位素熱電發生器提供能源，可在無法獲取太陽能時為航天器提供電能。20世紀80年代，美國停止了钚-238的生產，钚-238的供應一直受到限制，目前已將耗盡。由于钚-238對于行星科學乃至載人探測來說非常重要，所以美國航空航天局行星科學部門目前正與美國能源部一起重啟钚-238的生產工作，以滿足未來數10年內對钚-238的需求。

美國航空航天局科學任務部“科學計劃”規劃美國深空探測發展方向和具體目標

測試“新視野”冥王星探測器使用的放射性同位素熱電發生器

《2014年科學計劃》指出，評判美國航空航天局科學任務部工作成功與否的標準有三個，第一是回答科學任務部提出的科學問題；第二是體現《行星科學10年調查報告》中建議的任務優先級；第三是響應美國政府和國會的航天政策。

（1）美國航空航天局未來的科學探索面臨六大挑戰

在美國航空航天局科學任務部《2010年科學計劃》進行改進和完善的基礎上，《2014年科學計劃》指出了美國航空航天局未來進行科學探索活動面臨的六大挑戰，分別是通往太空的途徑（即運載火箭）、任務成本評估與管理、技術開發與驗證、國際合作、行星保護和長期計劃規劃等。

（2）美國航空航天局行星科學發展規劃

1）美國航空航天局行星科學戰略目標。美國航空航天局行星科學的戰略目標是確定太陽系的構成、起源和演變，并探索可能的生命痕跡。美國航空航天局對太陽系的探索需要回答以下幾個基本科學問題：太陽系是怎樣形成和演變的？地球之外的天體上是否存在生命？有哪些會對地球生命造成威脅的星體或事件？

科學任務部將以上問題轉換成以下幾項科學目標：探索并觀測太陽系中的天體，并理解它們是如何形成和演變的；進一步理解太陽系運行、作用和演變的化學與物理過程；探索并發現那些過去可能有過生命或現在存在生命的地方；進一步理解地球上生命的起源和演變，指導人們搜尋其他生命痕跡；鑒別并描述太陽系中可能威脅地球的天體，或為載人探測提供資源。

2）美國航空航天局行星科學也面臨著預算不足、技術投資削減等重大挑戰。除整個科學探索領域面臨的六大挑戰外，美國航空航天局強調了目前行星科學分領域面臨的3個問題，第一是目前美國航空航天局行星科學的預算分配與《行星科學10年調查報告》中的假設不匹配，這將影響美國航空航天局科學任務部在未來10年中執行《行星科學10年調查報告》建議的探索活動。在當前受限的預算環境下，美國航空航天局可能需要在“競爭任務”和“戰略任務”之間進行權衡和取舍，包括探測的目的地、研究和技術投資方向等。“競爭任務”是通過公開的“競爭公告”篩選而來的任務，多為小型和中型任務。“戰略任務”從多項候選的“任務概念”中發展而來，這些“任務概念”或者來自由科學咨詢委員會和工作小組進行的各種調查和研究，或者為滿足具體的美國航空航天局科學目的而制定，一般為成本較高的大型任務。第二是目前美國航空航天局面臨著钚-238即將耗盡的危機。第三是行星科學部門的技術研發活動依賴于來自那些大型戰略任務的資金，例如“卡西尼”（Cassini）、“火星勘察軌道器”（MRO）和“火星科學實驗室”（MSL）等，隨著美國航空航天局規劃的未來大型戰略任務的減少，對技術研發的投資也會相應減少。

目前在軌飛行的“火星勘察軌道器”示意圖

3）美國航空航天局多個深空探測器在軌工作，探測范圍全面廣泛，側重火星探測。目前，美國航空航天局科學任務部的“行星科學”分領域共有8個軌道器和2輛火星漫游車正在工作，此外還以提供儀器等方式參與了4項其他國家的深空探測任務。在軌的10個探測器中，冥王星和小行星探測器2個，月球探測器1個，木星探測器1個，土星探測器1個，火星探測器5個。其中火星探測器所占比例為50%以上。

各候選技術領域中支持“漸進火星行動”的關鍵技術組合

續表

4）美國航空航天局計劃的深空探測任務數量有限，仍以火星為主。目前,美國航空航天局計劃實施的深空探測任務有3項，包括2項火星探測任務和1項小行星采樣返回任務。此外美國航空航天局還將參與多項其他國家的探測任務。

5）美國航空航天局未來的深空探測任務。美國航空航天局未來還將繼續推進“發現”和“新疆域”計劃，仍將采用“競爭公告”的形式篩選出具體探測任務。

美國航空航天局計劃實施或參與的深空探測任務

續表

美國航空航天局未來的探測任務

《行星科學10年調查報告》建議將火星采樣返回任務作為優先級最高的深空探測任務

《行星科學10年調查報告》是由美國國家科學研究委員會發布的報告，大約每10年發布一版，目的是為美國航空航天局和其他美國政府機構制定行星科學領域的戰略規劃提供參考。除《行星科學10年調查報告》外，美國國家科學研究委員每10年還發布《天文學與天體物理學10年調查報告》、《地球科學10年調查報告》、《太陽物理學10年調查報告》等。以上4類10年調查報告涵蓋了美國航空航天局科學領域的四大分領域—地球科學、太陽物理學、行星科學和天體物理學。

《行星科學10年調查報告》闡述了未來10年行星科學需要解決的關鍵問題和探索規劃。目前最新的版本為2011年3月7日發布的《2013-2022行星科學的愿景和航程》。報告建議美國未來10年內實施的旗艦任務包括“火星天體生物學探測-收集者”火星車任務、木衛二任務和天王星系任務。其中實現火星采樣返回的“火星天體生物學探測-收集者”火星車任務具有最高優先級，木衛二任務次之。“火星天體生物學探測-收集者”火星車原本計劃用于美國和歐洲合作的“火星生物學”火星采樣返回任務，當時計劃于2016年和2018年分兩次分別發射軌道器和1～2輛火星車（歐洲“火星生物學”和美國“火星天體生物學探測-收集者”）。2012年，由于財政問題，美國宣布取消與歐洲合作探測火星，歐洲轉而尋求與俄羅斯的合作。2013年3月14日，歐洲航天局與俄羅斯聯邦航天局正式簽署合作協議，將于2016年和2018年合作探測火星。雖然取消了與歐洲合作的火星探測任務，但美國仍然高度重視火星探測，美國航空航天局也在2015財年預算申請中為“洞察”火星深度鉆巖探測器、火星漫游者-2020分配了預算，其中后者的探測目標與之前的“火星天體生物學探測-收集者”火星車相似，即“尋找、鑒別、收集、存儲火星環境中的樣品，為之后的采樣返回任務做準備”，充分體現了對《行星科學10年調查報告》建議的回應。但與“火星天體生物學探測-收集者”火星車不同的是，2020年新型火星車并不基于機遇號和勇氣號火星車的設計，而是將基于好奇號火星車的設計。此外，美國航空航天局在2015財年預算申請中也為可能的木衛二任務分配了研究經費。

好奇號火星車在火星表面探測示意圖

《行星科學10年調查報告》建議，在未來10年中，在預算允許的條件下，實施1～3項“旗艦”任務（每項任務成本15億～25億美元），即“火星天體生物學探測-收集者”火星車、木衛二軌道器和天王星軌道器任務；2項“新疆域”任務（每項任務成本10億美元）；多項“發現”任務（每項成本約5億美元）。在預算受限的情況下，可去掉一項“旗艦”任務，即木衛二軌道器任務。

（未完待續）