中國與世界航天強國深空探測對標分析

中國空間技術(shù)研究院 任 杰　高 峰　李 意　何 楠　金 巖

中國與世界航天強國深空探測對標分析

中國空間技術(shù)研究院 任 杰高 峰李 意何 楠金 巖

世界航天國家在深空探測領(lǐng)域的投入情況

一、世界深空探測發(fā)展現(xiàn)狀

首先，在深空探測的規(guī)模方面，截至2015年9月，世界各國針對月球以遠的太陽系天體共開展了234次探測活動，如表1所示，其中，俄羅斯和美國的探測次數(shù)最多。20世紀90年代以前，美國進行了63次探測，俄羅斯/前蘇聯(lián)進行了114次探測，歐洲進行了3次探測（德國進行了2次太陽探測，歐空局進行了1次彗星探測），日本進行了2次彗星探測。20世紀90年代開始，我國、印度等國家陸續(xù)開始涉足深空探測領(lǐng)域。在該時期，美國進行了32次探測，俄羅斯僅進行了2次火星探測，歐洲和日本分別進行了6次探測，我國進行了4次月球探測（包括嫦娥五號飛行試驗器任務(wù)），印度進行了2次探測。可以看出，我國深空探測次數(shù)總數(shù)，以及20世紀90年代以后的任務(wù)數(shù)量都遠遠落后于美、俄等航天強國。

從探測目標來看，世界各國開展的234次探測活動中，月球探測次數(shù)最多（114次），其次為火星（42次）和金星（41次），如圖1所示。美國對于太陽系各天體都進行了全面的探測，是唯一實現(xiàn)了全部原“九大行星”探測的國家。俄羅斯對月球、火星和金星進行了大量的探測，特別是在無人月球和金星探測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、俄羅斯（前蘇聯(lián)），但其探測覆蓋了各類天體，特別是20世紀90年代以后其任務(wù)數(shù)量僅次于美國，處于世界領(lǐng)先水平。日本也對主要探測目標（月球、火星、小天體和金星）進行了探測，但其火星探測任務(wù)已經(jīng)失敗，金星探測任務(wù)也未成功進入金星環(huán)繞軌道，但可能于2016～2017年再次嘗試進入。我國通過探月工程成功實現(xiàn)了月球軟著陸和月球巡視任務(wù)，在月球探測方面取得了輝煌成就。印度則分別發(fā)射了1個月球探測器和1個火星探測器，實現(xiàn)了對兩顆天體的環(huán)繞探測。可以看出，目前我國僅對月球進行了探測，盡管取得了舉世矚目的成就，但我國深空探測起步較晚，探測次數(shù)也較少，且探測目標單一，有必要進一步拓展探測目標，鞏固我國航天大國的地位。

圖1　深空探測活動統(tǒng)計圖（其它天體包括太陽系其它行星及太陽）

表1　深空探測活動統(tǒng)計表

表2　深空探測任務(wù)成功率統(tǒng)計表

在深空探測成功率方面，深空探測任務(wù)涉及技術(shù)范圍廣、難度大，任務(wù)風(fēng)險也很高，在所研究的234次深空探測任務(wù)中，成功任務(wù)次數(shù)僅為137次（如表2所示）。可以看出，20世紀90年代以前深空探測任務(wù)成功率較低，20世紀90年代以后深空探測任務(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，美國的成功率為61.9%，俄羅斯的成功率為35.9%。我國目前發(fā)射的所有月球探測任務(wù)均獲得了成功，這在航天歷史上是極為罕見的，特別是對于尚處于深空探測起步階段的我國，是極為難得的。然而，深空探測任務(wù)整體成功率并不高，任務(wù)風(fēng)險較大，我國依然應(yīng)該保持對深空探測高風(fēng)險性的認識，做好防微杜漸工作。

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

美國作為唯一探索了整個太陽系各類天體的國家，在技術(shù)和經(jīng)驗上處于絕對領(lǐng)先地位，但仍非常重視深空探測領(lǐng)域的發(fā)展，1990～2015年，已知的任務(wù)資金投入高達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、機構(gòu)運營費用、非某個任務(wù)專用設(shè)施的建設(shè)投資等。相比而言，我國在深空探測方面技術(shù)經(jīng)驗還較少，還需要對技術(shù)試驗和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進行投資。目前我國僅開展了月球探測，且投資絕對值和力度與美國相比還存在很大的差距。

表3　國外深空探測任務(wù)預(yù)算概況

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

二、美國在深空探測領(lǐng)域的預(yù)算情況

2013年，全球政府航天計劃總支出約為740.95億美元，增長了1.7%，高于2009～2013年平均0.86%的年增長率。其中，美國政府航天支出占全球政府航天支出總量的一半以上，總計為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)算增加率達到了39.13%。整體而言，各航天國家在預(yù)算上都呈現(xiàn)出了增長態(tài)勢。美國近幾年保持了繼續(xù)加大預(yù)算投入的態(tài)勢，深空探測投入在整個航天投入中的占比更是呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，如圖2所示。美國國家航空航天局（NASA）“科學(xué)”領(lǐng)域在2011～2015財年批準的預(yù)算所占比例保持了連年上升趨勢，而占深空探測任務(wù)大多數(shù)的“行星科學(xué)”分領(lǐng)域在2011～2015財年批準預(yù)算所占比例呈穩(wěn)定波動狀態(tài)，其中，僅2013年相對有所減少，其余均為增加趨勢。

我國現(xiàn)階段深空探測任務(wù)與國外同類型任務(wù)對比分析

我國在深空探測領(lǐng)域的整體投入情況目前還遠遠落后于美國、俄羅斯等航天強國。這在一定程度上是由于我國深空探測起步晚，任務(wù)較少造成的。下文將對我國任務(wù)與國外同類型任務(wù)進行對比分析。

一、我國探月工程與前蘇聯(lián)“月球”計劃的對比

我國探月工程分為三期，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)。縱觀世界各國的探月史，只有前蘇聯(lián)的“月球”計劃與此類似。

“月球”（Luna）探測器是前蘇聯(lián)于1959～1976年間發(fā)射的無人月球探測器系列，共24個，完成了月球的飛越、撞擊、軟著陸、巡視和采樣返回任務(wù)，整個計劃持續(xù)17年。我國探月工程始于2004年，將持續(xù)到2020年，整個計劃的時間與前蘇聯(lián)實施“月球”計劃的時間跨度相仿。因此，無論是計劃的工程目標，還是整個計劃的任務(wù)時間，前蘇聯(lián)“月球”計劃與我國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“科學(xué)”和“行星科學(xué)”領(lǐng)域預(yù)算占比變化圖

“月球”計劃的總成本約為45億美元。由于處于不同的年代，必須采取一定的方法進行折合估算才能進行橫向?qū)Ρ取＿@里采取如下方法進行折算：目前執(zhí)行任務(wù)所需花費=當時執(zhí)行任務(wù)花費/當時國民生產(chǎn)總值（GDP1）*目前國民生產(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，如果當前執(zhí)行“月球”計劃約需214億美元，按2014年匯率計算，“月球”計劃折合人民幣約需1315億元。據(jù)了解，我國探月工程的總投資大約占國家GDP的萬分之幾，超過140億人民幣，因此推算僅為“月球”計劃折合費用的不足20%。

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

二、我國“嫦娥二號”與美國同期“GRAIL”任務(wù)的對比

除選取國外同類型系列任務(wù)進行比較外，本文還針對單個任務(wù)進行了同時代任務(wù)的比較。由于近期的月球探測任務(wù)均為環(huán)繞任務(wù)，因此，本文選取2010年我國發(fā)射的“嫦娥二號”與2011年美國發(fā)射的“引力恢復(fù)與內(nèi)部實驗室”（GRAIL）進行比較。

GRAIL是美國的月球探測器，又稱“圣杯”探測器，于2011年9月10日搭乘德爾他-2運載火箭發(fā)射。該任務(wù)屬于NASA的“發(fā)現(xiàn)計劃”，由2個相同的探測器（GRAIL-A和GRAIL-B）組成。GRAIL項目由NASA噴氣推進實驗室（JPL）管理，任務(wù)的主承包商為美國洛克希德·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財年預(yù)算申請，GRAIL項目的總成本為4.962億美元，其中，包括立項預(yù)算0.505億美元，研制與發(fā)射預(yù)算4.270億美元，運行預(yù)算0.187億美元。按照2011年美元兌人民幣的中間價6.4588計算，GRAIL的任務(wù)花費約為32.05億元人民幣。據(jù)了解，“嫦娥二號”探測器的總投資預(yù)估為9億元人民幣，僅為GRAIL任務(wù)的28.08%。并且，美國此前已進行過多達40余次無人探月任務(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“嫦娥二號”的研制時間（2008～2010年）比GRAIL的研制時間（2006～2011年）要短的多。由此可以看出，我國“嫦娥二號”的花費處于同期同類型任務(wù)的較低水平。

表5　“GRAIL”與“嫦娥二號”經(jīng)費投入情況對比

ALL ABOUT軍民融合不一樣的角度和觀點

任 杰，工程師，任職于中國空間技術(shù)研究院，主要從事航天領(lǐng)域深空探測研究，參與了我國多個深空探測項目的論證和經(jīng)濟可行性研究工作。

我國計劃中任務(wù)與國外同類型任務(wù)比對分析

我國目前計劃中的深空探測任務(wù)僅有火星探測計劃，任務(wù)的工程目標包括：突破火星制動捕獲、火星進入著陸、火星表面巡視、長期自主管理、行星際測控通信等關(guān)鍵技術(shù)，通過一次飛行任務(wù)即實現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測的目標，獲取自主火星探測工程和科學(xué)數(shù)據(jù)，使我國深空探測能力和水平進入世界航天第一梯隊，實現(xiàn)深空探測技術(shù)的跨越；構(gòu)建獨立自主的深空探測基礎(chǔ)工程體系，包括設(shè)計、制造、試驗、飛行任務(wù)實施、科學(xué)研究、工程管理，以及人才隊伍，推動我國深空探測活動可持續(xù)發(fā)展。

我國的火星探測任務(wù)包括著陸和表面巡視兩方面，近期該類型任務(wù)僅有美國的“火星科學(xué)實驗室”（Mars Science Laboratory，MSL）。MSL于2011年11月26日由宇宙神-5運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射，是世界上首個采用“空中吊車”精準著陸方式進行軟著陸的探測器。其攜帶“好奇號”火星漫游車，歷經(jīng)36個星期的飛行，于2012年8月6日在火星表面的蓋爾隕坑成功著陸并開始工作，目前已獲得大量科學(xué)探測成果。根據(jù)NASA發(fā)布的2011年預(yù)算申請，MSL項目總成本為23.943億美元，其中包括立項預(yù)算5.155億美元、研制與發(fā)射預(yù)算17.20億美元、運行預(yù)算1.588億美元。NASA在2012財年預(yù)算申請中，又為MSL項目的火星樣品分析儀（SAM）增加了一些研制費用，用于進一步解決火星樣品采集和處理鉆頭的研制難題。整個MSL項目的總成本約為24.763億美元。

按照2011年美元兌人民幣的中間價6.4588計算，MSL的任務(wù)花費約為160億人民幣。在無月球以遠探測經(jīng)驗的情況下，我國的火星探測總投資預(yù)估為幾十億元人民幣量級，低于MSL任務(wù)花費的一半。當然，MSL任務(wù)包含了投入高昂的“空中吊車”等先進技術(shù)，但考慮到美國在此前已經(jīng)進行了18次火星探測任務(wù)，擁有成熟的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗，可以與我國的火星探測計劃形成一個粗略的橫向?qū)Ρ取?/p>

表6　MSL與我國火星探測計劃經(jīng)費投入情況對比

由我國火星探測計劃與近期同類型任務(wù)美國MSL的比較可以看出，我國火星探測計劃的經(jīng)費相對較低，在一個合理的范圍之內(nèi)，且我國此次火星探測計劃的研制時間僅為6年（2015～2020年），相比于MSL約8年的研制時間（2004～2011年）要短2年，相比于美國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”）要快得多。

結(jié)論與啟示

一、我國深空探測起步晚、積淀少

與美國、俄羅斯等航天強國相比，我國開展深空探測活動的歷程還很短。我國目前正在進行的深空探測任務(wù)僅有探月工程，而月球以遠目標探測所需的發(fā)射技術(shù)、地面支持系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等尚未形成體系，還需要進一步加強技術(shù)的積累和基礎(chǔ)條件設(shè)施的建設(shè)。

二、我國深空探測花費低、成功率高

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

三、我國深空探測任務(wù)應(yīng)進一步擴展目標天體

不同的探測目標具有不同的科學(xué)價值，開展多樣化的探測有助于空間技術(shù)的發(fā)展和空間科學(xué)研究的完善。我國目前僅對月球?qū)嵤┝颂綔y，并制訂了火星探測計劃，相比于各航天大國的深空探測情況，探測目標不夠多樣化，有必要進一步擴展深空探測的目標天體范圍。

四、深空探測應(yīng)長遠規(guī)劃、超前部署、提前攻關(guān)

深空探測涉及的技術(shù)范圍廣、難度高，且任務(wù)風(fēng)險大，必須在任務(wù)實施之前預(yù)先開展技術(shù)開發(fā)與驗證工作。從各航天強國對任務(wù)的長期規(guī)劃看，未來的深空探測任務(wù)，特別是載人火星探測任務(wù)的各項籌備工作已經(jīng)啟動。我國也應(yīng)盡早制定深空探測長期規(guī)劃，提前梳理關(guān)鍵技術(shù)，加強技術(shù)儲備。