國外空間探測發展回顧

盧波（北京空間科技信息研究所）

國外空間探測發展回顧

2016 Year in Review: Foreign Space Exploration

盧波
（北京空間科技信息研究所）

全球空間探測活動經歷半個世紀的發展，正日益步入穩步和快速發展階段。2016年主要航天國家繼續在空間探測技術和科學研究方面取得新的突破和成就，全球共進行了2次新的空間探測器發射，另有1個空間探測器結束任務使命。目前，全球共有32個空間探測器在軌工作或在飛行之中。按照探測目標的不同，分別是火星探測器8個、月球探測器4個、小行星探測器5個、金星探測器1個、木星探測器1個、土星探測器1個、冥王星探測器1個、太陽探測器6個、行星際探測器2個、深空技術試驗器1個以及地球以遠深空望遠鏡2個。按所屬國家劃分，32個在軌飛行的空間探測器分別是美國20個、歐洲5個、日本4個、中國2個和印度1個。

截至2016年底，美國、蘇聯/俄羅斯、歐洲、日本、中國、印度等國家和組織先后發射了約244個空間探測器，實現了對太陽系八大行星的探訪，已探測的太陽系天體有月球、火星、金星、水星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星等，實現了月球、火星、金星、土衛六、小行星和彗星表面著陸，并完成了月球、小行星、彗星粒子及太陽風粒子采樣返回。近年來，一些新興航天國家，如韓國、阿聯酋、巴西等，也紛紛制定和啟動空間探測計劃，作為實現國家科技立國的重要途徑。

截至2016年底全球實施的空間探測任務次數

1 2016年空間探測領域主要任務

歐俄合作的“火星生物學－2016”，軌道器成功入軌，著陸器發生故障

2016年3月14日，歐俄合作的“火星生物學－2016”（ExoMars－2016）探測器由俄羅斯質子－M（Proton－M）火箭成功發射。“火星生物學”是歐洲航天局（ESA）“曙光”（Aurora）計劃的旗艦級項目，是歐洲目前最大的火星探測項目，也是歐洲自2003年“火星快車”（Mars Express）首次火星任務實施近13年來的第二次火星探測任務。該項目的任務目標是觀測火星環境、尋找火星現在或過去的生命痕跡，并為未來的火星探測任務驗證一系列關鍵技術。整個項目的預算約為16億美元。

“火星生物學”項目共包括2016年和2018年兩次火星探測任務，都將是歐洲與俄羅斯合作實施。其中，2016年3月發射的“火星生物學－2016”包括1個“微量氣體軌道器”（TGO）和1個“進入、下降和著陸演示模塊”（EDM）著陸器，著陸器又名“斯基亞帕雷利”（Schiaparelli），主要測試和驗證歐洲的火星進入、下降和著陸技術，可在火星表面工作4天，帶有少量科學儀器進行有限的科學觀測。俄羅斯提供運載火箭和發射服務，并在軌道器上搭載科學載荷。

歐洲“火星生物學－2016”探測器釋放著陸器示意圖

2016年10月19日，“火星生物學-2016”軌道器成功進入火星橢圓軌道，但其攜帶的“斯基亞帕雷利”著陸器在著陸時發生故障，導致著陸器墜落損毀。11月24日，ESA發布了著陸故障的初步調查結果。著陸器著陸失敗的原因可以歸結為慣性測量單元測量飽和以及導航系統軟件設計存在缺陷。目前，ESA正在按照要求建立外部獨立的事故調查委員會，委員會將于2017年初給出更為詳盡的事故調查報告。

原計劃2018年發射的“火星生物學－2018”現已推遲到2020年發射，包括1輛火星車和1個表面著陸平臺。

迄今，包括美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度在內，全球共實施了43次火星探測任務，其中進行了16次火星著陸任務，只有8次獲得成功，即有50%的火星著陸任務遭受失敗。著陸器從接觸火星大氣到真正著陸火星表面所經歷的時間平均約為7min，是整個火星任務中最危險、最關鍵的環節，特別是由于火星大氣稀薄，僅為地球的1%，給著陸器的減速著陸帶來挑戰。

美國“朱諾”木星探測器成功進入木星橢圓軌道

2016年7月5日，美國第二個木星探測器“朱諾”（Juno）成功進入木星環繞軌道，這是自2003年“伽利略”（Galileo）結束木星探測任務13年以來首個進入木星環繞軌道的探測器；首次以更近距離獲取迄今分辨率最高的木星云層高清晰圖像，并首次獲得木星南北極圖像；也是首個在距離太陽遙遠距離處采用太陽電池能源的空間探測器，被認為是人類航天科技的又一大突破。

“朱諾”于2 0 1 1年8月5日由宇宙神－5（Atlas－5）運載火箭發射升空，其任務目標是研究木星的起源與演變，探測木星大氣、引力場、磁場以及磁球層，調查木星上是否存在冰巖芯，確定木星上水的含量，并尋找氧氣的存在。

美國“朱諾”進入木星軌道示意圖

“朱諾”是NASA“新疆域計劃”（New Frontier Program）的第2項任務，最初計劃在2009年發射，后推遲到2011年發射，總成本約11億美元。第一個“新疆域”任務是2006年1月發射、2015年7月到達冥王星的“新視野”（New Horizon）探測器。“新疆域計劃”是NASA的一項用中型航天器探索太陽系的計劃，目標是通過高質量、強調科學研究的任務設計來增強人類對太陽系的了解。每36個月發射1次，NASA計劃每10年發射2～4次“新疆域”任務。

2016年8月27日，“朱諾”成功飛過木星云層頂端，距木星云頂最近只有4200km，并獲得了高分辨率圖像。10月19日，“朱諾”在從53天軌道準備機動至14天軌道時，主推進閥門出現問題，進入保護性的“安全模式”，導致無法收集數據。NASA在12月7日表示，“朱諾”的氦氣閥門仍存在問題，或無法進入新軌道，其軌道可能會維持到2017年上半年。目前，“朱諾”已按地面指令從“安全模式”重啟，以保持太陽指向。根據探測計劃，“朱諾”的主任務將持續至2018年2月，還將30多次近距離飛越木星云層，有望獲得更多科學發現。

美國成功發射“奧西里斯-雷克斯”小行星

采樣返回探測器

2016年9月9日，NASA用宇宙神－5運載火箭成功發射了“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）小行星探測器，它是NASA“新疆域計劃”的第3項任務。目前，該探測器的太陽電池翼已展開，飛行情況正常。

美國“奧西里斯-雷克斯”小行星探測器示意圖

“奧西里斯-雷克斯”是美國首個小行星采樣返回探測器，將首次對原始的C類小行星貝努（Bennu）進行采樣返回探測，旨在獲得太陽系形成初期的物質基本構造，揭示生命起源等更多的科學認知，以及研究小行星撞擊地球的防御機制。“奧西里斯-雷克斯”的另一個任務目標還包括評估小天體非引力效應對其軌道的影響，以及該效應對小行星與地球發生碰撞概率的影響。

根據軌道設計和飛行計劃，“奧西里斯-雷克斯”將于2018年8月飛抵貝努小行星。隨后進行約2年的科學觀測活動并選擇采樣點，2020年7月開始進行采樣，2021年3月開始返回地球，預計2023年9月24日再入地球大氣層，進行著陸和樣品回收。

通過航天器對小行星和彗星等小天體進行就近探測至今已有30年的歷史，美國、歐洲、俄羅斯和日本相繼開展了小天體探測，于20世紀80年代中期開始對彗星的探測，90年代中期開始對小行星的探測。截至2016年底，全球已實施了6次小行星探測任務，其中美國4次、日本2次。日本2003年5月發射的“隼鳥”（Hayabusa）探測器是世界首個小行星采樣返回任務，于2010年6月返回地球。日本又于2014年12月發射了隼鳥－2，也將探測C類小行星1999JU3，預計2020年末返回地球。美國“奧西里斯-雷克斯”是世界上第3個小行星采樣返回探測器。

歐洲“羅塞塔”軌道器受控撞向67P彗星表面

2016年9月30日，歐洲“羅塞塔”（Rosetta）軌道器結束任務使命，受控撞向67P/楚留莫夫-格拉西門克彗星（簡稱67P彗星）表面。

“羅塞塔-菲萊”（Rosetta-Philae）是全球首個進入彗星環繞軌道的空間探測器，也是首次著陸彗星表面的探測器。該探測器在2014年8月和11月首次實現了彗星的環繞和著陸，在深空飛行12年，被認為是ESA 20年來最偉大的航天成就。

“羅塞塔-菲萊”探測器包括軌道器和著陸器兩部分，于2004年3月2日發射升空，它在飛往67P彗星的途中，飛越了火星和小行星帶，于11月12日，該探測器成功釋放“菲萊”著陸器。11月13日，“菲萊”成功著陸在67P彗星表面。“羅塞塔-菲萊”是一項多國合作的大型深空項目，總成本約為10億歐元，14個歐洲國家及美國的50余家公司參與。

2016年5月，ESA宣布，“羅塞塔”獲得了67P彗星上存在地球生命構成所必須的物質—氨基酸甘氨酸和磷等重要科學數據。

2016年9月30日，“羅塞塔”按照地面指令，以3km/h的速度緩慢墜向67P彗星表面，并向地球傳回彗星表面高清晰圖像。在環繞67P彗星運行2年多的時間里，“羅塞塔”拍攝并傳回超過10萬幅圖像，成為迄今最成功的彗星探測任務。

2 世界空間探測未來規劃及展望

當前，美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度等國家/地區掀起了新一輪空間探測熱潮，制訂了一系列探測計劃，重點圍繞月球、火星、小行星和木星等開展探測，任務系統趨向復雜，并向載人探測方向發展，國際合作和商業化成為發展深空探測的兩大途徑。這些探測計劃強調科學目標驅動，重點關注深空資源的探測、評估、開發和利用，太陽系起源和演化以及人類社會的可持續發展等重大問題。

美國繼續推進以火星探測為主的太陽系探索戰略

美國一直將火星探測作為太陽系探索的重點目標，通過從地球、月球、小行星再到火星，由近及遠、相互銜接的3個實施步驟，最終實現載人登陸火星并開展長期探測。未來還將通過各類深空探測任務的實施，繼續引領世界深空探測新前沿，保持其航天領域霸主地位。

（1）積極開發“火星之旅”所需技術，計劃25年內實現載人登陸火星

美國未來將繼續圍繞火星生命搜尋、地質勘察、環境氣候和水的蘊藏量開展研究，旨在為未來的載人火星任務做全面技術準備。

2016年9月，美國參議院通過了新的《2016年NASA過渡授權法案》。這項預算為195億美元的法案旨在繼續支持NASA的空間探索計劃，并確定在25年內實現載人登陸火星。該法案要求NASA繼續推進“航天發射系統”（SLS）和“獵戶座”（Orion）多功能載人飛船的研發工作，這兩項工作都與“火星之旅”計劃密切相關。該授權法案旨在確保NASA空間探索任務能獲得持續不斷的支持，進一步夯實美國在世界太空領域的主導地位。

美國在未來每2年1次的火星發射窗口都安排了探測任務，包括2018年發射“洞察”（Insight）火星著陸器；2020年發射“火星－2020”（Mars-2020）漫游車；2022年發射“火星－2022”新型軌道器；2025－2030年執行火星采樣返回任務等。

（2）繼續推進小行星探測計劃，開展能力驗證和獲取相關技術

小行星探測是NASA未來“火星之旅”的重要一環。2016年2月，NASA公布了“小行星重定向任務”的最新研究結果。根據NASA最新任務時間表，NASA已將“小行星重定向任務”機器人任務的發射日期從原計劃的2020年12月更新至2021年12月，隨后的載人任務也推遲至2026年12月。

除了“小行星重定向任務”，NASA還計劃在2020年與ESA合作實施“小行星撞擊與偏轉評估任務”（AIDA），探測迪蒂莫斯（Didymos）雙小行星系統，任務包括2個航天器，分別由美國和歐洲進行研制。該任務將是人類首次對雙子小行星系統進行探測，以及驗證人類能否利用航天器撞擊改變那些對地球可能帶來威脅的小行星的軌道，從而規避小行星撞擊地球的危險。

美國“航天發射系統”發射示意圖

（3）通過商業途徑和國際合作實施各類月球著陸任務，開展月球資源勘察及利用

NASA表示，未來將通過國際合作或者商業化的著陸器，將新型月球巡視器等多種月面設施送上月球，進而開展月球礦物勘查、月球采樣返回以及技術驗證項目等。2016年6月，美國政府開始著手制訂允許商業公司發射飛行器在月球著陸的有關規定，以彌補目前的法律空白。

目前，N A S A正在研制“資源勘探者”（Resource Prospector）月球巡視器，已計劃在2018年通過國際合作或商業著陸器發射到月球表面。NASA還計劃在2018年實施“獵戶座”飛船的探索任務－1（EM－1）無人繞月飛行任務中，搭載靈活、低成本的立方體衛星，部署在5km×12km低高度繞月極軌道，探索月球南極區域土壤的氫含量，尋找月球水冰資源，以支持未來的載人探索任務。

（4）實施木星/土星衛星探測任務，探尋研究地外生命和太陽系起源

木星/土星及其衛星將成為NASA在未來10年的重要探測目標。NASA計劃在2022年發射“快帆”（Clipper）木衛二軌道器以及著陸器，將對木衛二表面、大氣以及可能存在的海洋進行更深入的探測。2016年12月，NASA發布“新疆域計劃”第4次任務公告，將土衛六和土衛二探測列為第4項任務的候選項目。

國際合作仍將是歐洲開展空間探測活動的主要方式之一

繼“火星生物學”項目之后，未來國際合作仍然是歐洲開展空間探測活動的主要方式之一。目前，歐洲正在開展月球/火星著陸系統、月球/火星巡視器等技術的研發，已具備著陸器和巡視器技術基礎。

（1）歐洲未來繼續通過國際合作方式推進火星和月球探測

作為“曙光”計劃旗艦任務的“火星生物學”項目在實施過程中一直面臨資金匱乏等問題，ESA最初與NASA合作實施，2012年，NASA由于行星領域預算削減退出了合作，ESA轉而尋求與俄羅斯的合作。2013年，ESA和俄羅斯航天國家集團（Roscosmos）簽訂了合作協議。“火星生物學”項目共包含2次任務，第一次任務（包括軌道器和著陸驗證器）已經于2016年3月成功發射，軌道器于10月成功入軌；第二次任務（包括著陸器和火星車）原計劃在2018年發射，但2016年5月ESA表示由于技術問題決定將任務發射時間推遲至2020年。

在月球探測領域，歐洲和俄羅斯都強調國際合作，都表示出建造月球基地的想法。2015年6月，ESA提出構建“國際月球村”，ESA局長沃爾納宣稱歐洲將最早于2024年左右建立月球基地。目前，ESA正與俄羅斯接洽，雙方將在月球著陸項目上展開合作，雙方已確定將在2021年合作實施月球－27（Luna－27）月球極區著陸/巡視任務，探索月球極區資源。歐洲目前正在開發“領航者”（Pilot）月球著陸系統，可幫助月球－27實現安全準確地著陸月面。

（2）空間科學任務持續開展，擴展太陽系其他天體探測

“宇宙愿景2015－2025”是歐洲最新的空間科學發展規劃，描繪了歐洲在太陽系探索、天體物理學研究和基礎物理學3個領域的戰略目標。目前該計劃已確定實施的任務有6項，包括探測水星、木星、近地天體、太陽和類地行星。其中，歐日合作的“貝皮-科倫坡”（Bepi Colombo）水星探測器將于2018年發射，將研究水星的地質、結構、磁場、大氣等；“太陽軌道器”（SO）計劃于2018年發射，對太陽開展近距離環繞探測；“木星冰月軌道器”（JIMO）計劃于2022年發射，對木星及其3顆大衛星開展探測；“歐幾里得”（Euclid）、“柏拉圖”（PLATO）和“雅典娜”（Athena）空間望遠鏡計劃分別于2020年、2024年和2028年發射，運行于日地拉格朗日L2點軌道，將研究暗物質能量、搜尋類地行星以及進行深空天文物理觀測等。

俄羅斯未來10年將重點開展月球探測，恢復和保持航天強國地位

2016年3月，俄羅斯正式出臺《2016－2025年聯邦航天規劃》，詳細制定和部署了未來10年俄羅斯航天活動發展的階段性任務，規劃明確指出俄羅斯將重點開展機器人月球探測，并繼續開展“火星生物學”聯合火星探測項目，同時也將探測太陽系其他天體。相比于此前發布的規劃，俄羅斯此次規劃更加切合實際，具有更強的可行性。

將于2018年發射的歐日合作的“貝皮-科倫坡”水星探測器示意圖

（1）未來10年將空間探測重點目標鎖定為月球

俄羅斯這次發布的規劃將原計劃2025年實施的月球載人飛行推遲到再下一個10年規劃，重點保留了無人月球探測任務以及載人相關實驗和研究項目。目前，俄羅斯規劃的5次月球探測任務（月球－25～29）已經獲得立項批準，開始進入研制開發階段，任務依次為“月球-水珠”（Luna-Glob）著陸任務、“月球-水珠”軌道任務、“月球-資源”（Luna-Resurs）著陸/巡視任務、“月球-土壤”（Luna-Grunt）著陸/巡視任務和“月球-土壤”采樣返回探測器采樣返回任務。歐俄聯合開展的“火星生物學”項目的第二次任務也處于研制階段，并將于2020年發射。而其余原規劃中的任務暫未開始實施，包括火衛一-土壤－2火衛一采樣探測任務、金星－D（Venera－D）探測任務等。

（2）積極尋求國際合作分擔資金壓力，推進月球和行星探測

俄羅斯火衛一－土壤－2在軌飛行示意圖

俄羅斯迫切希望通過國際合作分擔資金投入并減少任務風險，同時通過任務的實施來提升和穩固自身航天能力，重振俄羅斯深空探測領域能力。

目前，俄羅斯已經與歐洲合作開展了“火星生物學”探測項目，雙方還將聯合實施月球－27月球南極著陸/巡視任務。此外，俄羅斯還表示希望與ESA合作開展火衛一-土壤－2火衛一采樣返回任務。俄羅斯也積極謀求與中國、印度等國家在空間探測領域展開合作，希望聯合開展月球探測等項目。

日本繼續開展月球和小行星探測，并通過國際合作實施大行星探測計劃

在空間探測未來發展戰略方面，日本將遵循2015年批準的《航天基本計劃》，“以現有技術能力和項目成果為基礎，不斷推動創造深空探測領域的全球性成果，并確保在國際上的話語權”。日本將利用本國技術優勢，繼續對月球、小行星和火星等開展機器人著陸、巡視和采樣返回探測活動，開展精確著陸技術驗證，為未來月球等資源勘探和利用奠定基礎。

目前，日本正著力發展月球精確著陸技術，計劃于2018－2019年發射“小型月球探測著陸器”（SLIM），主要任務目標是驗證月球高精度軟著陸技術。在小行星領域，日本將繼續加大投入，發展新型探測器，探測更原始的D類小行星。在行星探測方面，日本將與歐洲合作，于2018年發射“貝皮-科倫坡”水星探測器；日本還計劃在2021年向火星衛星發射采樣返回探測器，該任務將綜合運用“隼鳥”采樣技術和“小型月球探測著陸器”精確著陸技術。

印度未來將繼續開展月球和火星探測，提升航天綜合能力

印度的航天戰略是持續發展包括空間探測在內的多領域航天技術，覆蓋運載火箭、空間科學、月球探測、火星探測等多個領域，以全方位提升印度航天競爭力。在完成首次探月后，印度已將下一步的月球任務瞄向月球軟著陸。

2016年4月，印度空間研究組織（ISRO）表示，計劃在2017年12月發射第二次探月任務，目標是實現月球著陸和巡視探測，其攜帶的設備儀器等將以本土化為主，但在深空網跟蹤和測控方面將與美國展開合作。印度的第二次火星探測任務曼加里安－2計劃在2018－2020年實施，任務規模將超過曼加里安－1。此外，印度還規劃了小行星、太陽等其他太陽系探測任務，計劃于2020年左右發射太陽神－L1（Aditya－L1）太陽探測器。

印度通過有效載荷搭載、數據共享、聯合研制、深空通信支持等多種途徑，積極開展空間探測領域的國際合作。2008年的月船－1就搭載了多國載荷，印度的第二次火星任務也可能與法國合作實施。2016年2月，法國國家空間研究中心（CNES）表示，印度和法國已經簽署了合作探測火星的協議，還有望在金星探測領域進行合作。

更多新興航天國家提出開展月球和火星探測

韓國、阿聯酋、巴西等新興航天國家也在積極謀劃開展空間探測活動。韓國在2013年公布了《2040太空計劃》，提出將發射一系列軌道器和著陸器，對月球和火星進行無人探測。2015年12月韓國宣布啟動探月計劃，計劃在2018年12月發射首個月球探測器“韓國探路者月球軌道器”（KPLO），隨后將在2020年采用獨立研發的運載火箭發射月球著陸器。韓國《2040太空計劃》中還提出在2026年和2030年發射火星軌道器和著陸器。

阿聯酋在2015年5月宣布將在2020年發射“希望”（Hope）火星探測器，這將是中東地區首個火星探測器。阿聯酋政府希望通過實施火星任務來增強本國的航天技術開發與應用能力，進而培養高技術人才，促進本國經濟的多樣化發展，實現由石油立國向科技立國的轉變。

巴西在2016年11月宣布將于2020年12月向月球軌道發射納衛星，該項目名為Garatea－L，由巴西航空航天研究領域的多個主要機構合作出資和研發，任務目標是搜集有關月球表面的基本數據，并進行有關人體微生物、分子和細胞等科學實驗。

民營企業開始涉足空間探測領域，商業空間探測活動前景看好

近年來，除主要航天國家和機構的空間探測計劃外，許多民營公司和科學團隊也開始涉足空間探測領域。

2016年4月，美國太空探索技術公司（SpaceX）與NASA簽署了一份協議，計劃最早于2018年發射“紅龍”（Red Dragon）火星著陸試驗艙，這次任務將由“紅龍”著陸艙和“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運載火箭實現。這將是民營企業首次實施火星探測任務。

2016年8月，美國聯邦航空管理局（FAA）批準月球快車公司（Moon Express）2017年向月球發射無人著陸器。這是美國政府首次批準私人公司向地球軌道以遠發射航天器，而后NASA可以利用這些商業著陸器將月球科學載荷和設施送上月球。ESA也表示，將激勵私營企業對空間探索項目進行投資和參與研發，并將其納入業務合作伙伴和未來潛在客戶。

2016年7月，英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）宣布，將利用先進的小衛星技術研制低成本的月球軌道通信衛星，采用國際通信協議，可為國際上的空間探索任務提供通信服務，這將有助于更多的組織和機構開展可負擔的空間探測活動。2017年，5支“月球X大獎賽”參賽團隊的探月項目將陸續進入發射實施階段；2017年底前最先將探測器發射至月球并移動500m的團隊將獲得2000萬美元大獎。這表明，在未來空間探測活動中，商業民營公司、非政府機構的空間探測活動將呈活躍態勢，商業航天活動將由近地軌道向地球以遠的空間領域延伸。