中國深空探測進展與展望

文章摘要

在簡要分析世界主要航天國家和新興航天國家深空探測進展的基礎上，系統(tǒng)梳理了中國深空探測所取得的主要技術和科學進展，對未來的深空探測任務和需要重點突破的主要關鍵技術提出展望，為后續(xù)深空探測發(fā)展提供參考。

深空探測已成為各國科技創(chuàng)新的競技場，美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度和以色列等國家和地區(qū)均制定了深空探測計劃并積極推進實施。人類深空探測已處于新的活躍期。

1.1  美國相關進展

美國是最早開展深空探測的國家之一，探測范圍覆蓋整個太陽系，實現(xiàn)對太陽、月球、系內(nèi)行星、小行星、彗星等各類天體的探訪。其有代表性的任務和成就如下。

美國在1958—1976年的空間競賽期間，大量投入，通過“先驅者”“徘徊者”“勘測者”“阿波羅”等系列月球探測活動快速突破了月球飛越、環(huán)繞、軟著陸、表面巡視、采樣返回和載人登月等探測技術。美國6次成功實施載人登月，共有12名宇航員先后踏上月球，帶回約382 kg的月球樣品，獲取前所未有的科學探測成果，促進大量新興學科的誕生，一大批科學技術成果廣泛應用于經(jīng)濟建設。20世紀90年代以來，發(fā)射了“克萊門汀號”（Clementine）探測器、“月球勘探者號”（Lunar Prospector）探測器、“月球勘測軌道器”（LRO）、“月球隕坑觀測和遙感衛(wèi)星”（LCROSS）等，這些探測器針對月球極區(qū)水冰探測獲得大量科學成果，其中LRO獲取了月球極區(qū)高精度數(shù)字高程模型（DEM）和影像數(shù)據(jù)，至今仍在軌運行，如圖1所示?！霸虑虼髿馀c塵埃環(huán)境探測器”（LADEE）上搭載一臺空間激光通信實驗載荷，成功實現(xiàn)人類首次星際空間激光通信實驗，傳輸速率高達622 Mbps。2017年推出“阿爾忒彌斯”（Artemis）載人月球探測計劃，并聯(lián)合多國參與。2023年計劃發(fā)射尋找月球南極水冰的“毒蛇號”（VIPER）月球車等。

圖1   月球勘測軌道器（圖片來源：https://www.nasa.gov/）

1977年發(fā)射的“旅行者1號”（Voyager 1）、“旅行者2號”（Voyager 2）探測器已經(jīng)飛出太陽系進入星際空間，截至2021年11月，二者已經(jīng)距離地球將近230億km。2005年發(fā)射的“深度撞擊號”（Deep Impact）任務飛行4.3億km后，實現(xiàn)對坦普爾1號彗星核精準撞擊探測。2006年發(fā)射的“新地平線號”（New Horizons）探測器成功實現(xiàn)冥王星飛掠探測，正在快速飛離冥王星、進入柯依伯帶中心地帶。美國已成功實施9次火星表面著陸探測，將5輛火星車帶到火星表面，其中2020年發(fā)射的“毅力號”（Perseverance）火星車已經(jīng)開展火星氧氣制備等資源開發(fā)利用技術驗證，如圖2所示，所攜帶的“機智號”（Ingenuity）無人直升機實現(xiàn)在火星表面飛行。2011年發(fā)射的“朱諾號”（Juno）探測器實現(xiàn)對木星的環(huán)繞探測，傳回大量木星極區(qū)和大紅斑等科學探測數(shù)據(jù)。2016年發(fā)射的“奧西里斯-REx”（OSIRIS-REx）探測器在貝努小行星上發(fā)現(xiàn)了水痕跡，并成功實現(xiàn)小行星采樣，正在返回途中。2018年發(fā)射的“帕克號”（Parker）太陽探測器，已成功穿過太陽大氣層，第一次近距離“接觸”到太陽。2021年實施的“雙小行星重定向測試”（DART）任務，意在開展小行星在軌撞擊防護操控技術驗證。2021年成功發(fā)射“詹姆斯·韋伯”（James Webb）空間望遠鏡等空間探索項目，展示其在深空探測領域的領先地位。

圖2  “毅力號”火星車（圖片來源：https://www.nasa.gov/）

未來美國將繼續(xù)深入開展火星探測活動，探測目標仍將是搜尋火星過去或現(xiàn)在的生命跡象，將與歐洲聯(lián)合推動火星采樣返回計劃，擬在2026年實施火星取樣返回任務，并制定以載人登陸火星為長遠目標的深空探索路線圖，為將來載人火星探測奠定技術基礎，確保美國在火星及深空探測領域的領先優(yōu)勢。

1.2  蘇聯(lián)/俄羅斯相關進展

蘇聯(lián)自1958年發(fā)射首個月球探測器以來，實現(xiàn)了深空探測歷史上的多個“第一”，如“月球-2”（Luna-2）首次成功撞擊月球，“月球-16”（Luna-16）首次實現(xiàn)月球無人采樣返回，“金星-7”（Venera-7）首次成功著陸金星表面等?！霸虑?24”（Luna-24）是蘇聯(lián)發(fā)射的最后一個月球探測器，采集170 g月球樣品返回地面。俄羅斯正積極推動月球探測計劃，以期通過月球探測的實施提升和展示本國空間技術實力，重振俄羅斯的深空探測能力，近期計劃瞄準月球南極，已明確“月球-25、26、27、28”（Luna-25、26、27、28）共4次月球探測任務，主要科學目標是繪制月表全圖，探測月球表面、亞表面結構，探測月球引力場，研究月球周圍空間環(huán)境，采集月球表面樣品，實現(xiàn)采樣返回。主要工程目標是驗證月面軟著陸技術、月表低溫鉆探取樣技術等，為載人月球探測打下基礎。其中，“月球-25”（Luna-25）月球南極著陸探測任務計劃2022年發(fā)射。

俄羅斯全面掌握金星掠飛、環(huán)繞和著陸技術，在金星探測方面處于領先，并提出“金星-D”（Venera-D）探測計劃，擬于2026年和美國合作實施該任務。

1.3  歐洲航天局相關進展

歐洲航天局特別重視國際合作，已在多個領域實現(xiàn)國際聯(lián)合深空探測。2003年發(fā)射“智慧-1”（SMART-1）探測器，成功實現(xiàn)月球環(huán)繞探測和撞擊，是世界上第1個采用太陽能離子發(fā)動機作為主要推進系統(tǒng)的探測器，第1次獲得月球表面包括鈣和鎂在內(nèi)的一些化學元素的含量數(shù)據(jù)。近期，又提出“月球村”（Moon Village）構想，突出其工程和科學載荷優(yōu)勢，聯(lián)合主要航天國家開展探測，同時積極響應美國“深空之門”（Gateway）月球軌道空間站計劃，還與俄羅斯達成月球探測合作協(xié)議，計劃合作實施“月球-27”月球極區(qū)資源勘測任務。

歐洲航天局將繼續(xù)和俄羅斯合作實施“火星生物學”（ExoMars）項目第2次任務，還將與美國合作火星采樣返回計劃。歐洲航天局將發(fā)射“赫拉”（Hera）小行星觀測項目，探測受美國DART任務撞擊后小行星的特征、軌道及其旋轉變化等，為未來的行星防御技術提供基礎數(shù)據(jù)。2018年10月和日本聯(lián)合研制并發(fā)射了“貝皮·哥倫布號”（BepiColombo）水星探測器，是世界上第3個水星探測器，也是第1個通過兩器開展水星磁場聯(lián)合測量的探測器。2020年與美國合作發(fā)射的太陽軌道探測器（Solar Orbiter），開展對日觀測，加深對太陽的各種物理現(xiàn)象理解，并為提升對太陽風暴等極端空間天氣的預報能力奠定基礎。

1.4  其他新興國家相關進展

日本于2007年9月成功發(fā)射“月亮女神號”（SELENE）月球環(huán)繞探測器，實現(xiàn)了月球探測的亞洲第一。2014年發(fā)射的“隼鳥2號”（Hayabusa 2）小行星探測器，于2020年12月返回，成功實施了世界首次小行星采樣返回任務，一舉取得小行星探測的領先地位。目前正在實施“小型月球軟著陸器任務”（SLIM），旨在實現(xiàn)百米級的精確軟著陸；同時還有日本私營月球機器人探索公司（Ispace）正在實施“白兔-R”（Hakuto-R）任務，驗證月面著陸技術并進行資源探測。此外，日本還與美國航空航天局（NASA）簽署了《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords），為美國“深空之門”月球軌道空間站提供電池和貯箱等部件、月面數(shù)據(jù)及補給服務等。

印度2008年完成“月船一號”（Chandrayaan 1）繞月探測，并于2013年成功發(fā)射“曼加里安號”（Mangalyaan）火星環(huán)繞探測器，成為亞洲第1個實現(xiàn)火星探測的國家。2019年發(fā)射自主研制的“月船二號”（Chandrayaan 2）探測器，在即將著陸月面時發(fā)生異常，未能成功著陸月面，但并未影響印度著陸月球的愿景，其擬于2023年左右實施“月船三號”（Chandrayaan 3）月球著陸與巡視任務，該任務將與日本合作，采用H3運載火箭發(fā)射，其中著陸器由印度提供，月球車由日本提供。

以色列SpaceIL公司于2019年發(fā)射“創(chuàng)世紀號”（Beresheet）月球著陸器，雖然最終未成功著陸月面，但已經(jīng)說明以色列在月球探測技術方面取得了重大突破，以色列正計劃發(fā)射第2個月球探測器。

韓國計劃2022年發(fā)射“月球軌道器探路者”（KPLO）環(huán)月探測任務，2030年前實現(xiàn)月球著陸。

阿聯(lián)酋與美國聯(lián)合研制并于2020年成功發(fā)射了“希望號”（Hope）火星探測器，這是阿拉伯國家首次執(zhí)行星際探測任務。目前正在研制“拉希德1號”（Rashid 1）月球車，計劃于2022年由日本Ispace公司“白兔-R”任務搭載發(fā)射，推進空間探測合作。

1.5  趨勢分析

（1）主要航天國家均制定符合本國發(fā)展特點的任務規(guī)劃。各國均結合本國實際，制定符合發(fā)展規(guī)律、富有技術特色的探測規(guī)劃。月球既是深空探測活動的首選，也是開展更遠深空探測的跳板。據(jù)不完全統(tǒng)計，2030年前，各國規(guī)劃后續(xù)月球探測任務約18次，火星探測任務5次，小行星探測任務5次，巨行星探測任務3次等，符合由近及遠、由易到難的探測規(guī)律。

（2）地外資源開發(fā)利用逐漸成為深空探測的熱點。月球、火星和小行星等地外天體上都含有人類生產(chǎn)、生活所需的資源和其他礦物質(zhì)，如氦-3、金屬資源、水資源等，人類對地外天體的資源開發(fā)利用已提上日程，并可能催生地月經(jīng)濟圈、地外天體采礦、太空制造等新興產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

（3）國際合作日益增多、實施模式呈現(xiàn)多元化。各國均高度重視在深空探測領域的國際合作，發(fā)揮各國優(yōu)勢技術資源，共攤投入、風險和收益；同時除了政府出資外，商業(yè)公司參與度越來越高，其研制模式更加靈活，如美國SpaceX公司批量生產(chǎn)“星艦”（Starship）并通過實際發(fā)射試錯方式，快速形成定型產(chǎn)品。

自2007年成功發(fā)射“嫦娥一號”月球探測器以來，共實施7次深空探測任務。中國按期圓滿完成探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標，形成月球探測的工程技術能力，獲得了月球高分辨率圖像、月球結構與演化等多項原創(chuàng)成果。同時，“天問一號”作為中國首次火星探測任務，一步實現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸與巡視探測。中國通過深空探測活動，建立了較為完整的深空探測科研和工程體系，為人類探索宇宙奧秘作出貢獻。

2.1  嫦娥一號

2007年10月24日，“嫦娥一號”月球探測器成功發(fā)射，獲取了中國首幅月面圖像和120 m分辨率全月球立體影像圖，以及大量科學探測數(shù)據(jù)，圓滿完成“繞”月任務，成為中國航天發(fā)展繼“東方紅一號”衛(wèi)星和“神舟五號”載人飛船之后的第3個里程碑。“嫦娥一號”月球探測器突破繞月探測的軌道設計、高精度高自主控制、地月距離測控通信、復雜環(huán)境熱控等關鍵技術，總體性能達到國際先進水平。

“嫦娥一號”實現(xiàn)中國千年奔月夢想，開創(chuàng)了“微波月亮”先河，開啟中國人走向深空探索宇宙奧秘的時代，標志著中國已經(jīng)進入世界具有深空探測能力的國家行列。

2.2  嫦娥二號

2010年10月1日，“嫦娥二號”月球探測器成功發(fā)射，在環(huán)月軌道上對全月球進行高精度立體成像，并對“嫦娥三號”預選著陸區(qū)進行分辨率優(yōu)于1.5 m的詳查。“嫦娥二號”在完成既定月球探測任務后，于2011年8月飛抵距離地球150萬km的日地拉格朗日L2點，開展環(huán)繞L2點的空間探測；又于2012年12月，飛抵距離地球700萬km處，實現(xiàn)與4179（圖塔蒂斯）小行星的交會飛越探測，成為中國第1個環(huán)繞太陽飛行的人造航天器?！版隙鸲枴痹虑蛱綔y器突破直接地月轉移、高精度延時積分成像、行星際軌道設計與控制、千萬公里級深空測控通信等關鍵技術，首次實現(xiàn)“一探三”，通過一次發(fā)射任務，實現(xiàn)月球、日地拉格朗日L2點和小行星的多目標多任務探測，總體性能達到國際先進水平。

“嫦娥二號”的研制與成功實施，開辟了深空探測新領域，開創(chuàng)了任務新模式，取得“低成本、高質(zhì)量、高回報”的突出實效，將中國深空探測事業(yè)推進到一個新的高度。

2.3  嫦娥三號

2013年12月2日，“嫦娥三號”月球探測器成功發(fā)射，13 d后實現(xiàn)月球虹灣地區(qū)精準軟著陸。此后，著陸器與“玉兔號”月球車成功實現(xiàn)兩器分離、兩器互拍，并分別開展月面就位探測和巡視探測，圓滿完成“落”月任務，如圖3和圖4所示?！版隙鹑枴痹虑蛱綔y器突破了月球著陸自主導航控制與懸停避障、變推力推進、著陸緩沖、月面移動、月面生存、遙操作控制等關鍵技術，在國際上首次實現(xiàn)在月面著陸探測器、月球車的多種形式的科學探測；首次采用對月測距測速和地形識別敏感器及7500 N變推力發(fā)動機實現(xiàn)月球表面高精度軟著陸；首次采用重力輔助兩相流體回路技術，實現(xiàn)極端溫度環(huán)境下的月面生存?！版隙鹑枴痹虑蛱綔y器首次實現(xiàn)中國地外天體軟著陸和巡視探測，成為繼美國、蘇聯(lián)之后第3個成功實現(xiàn)地外天體軟著陸和巡視勘查的國家。與同類任務相比，“嫦娥三號”月球探測器總體技術水平已躋身世界同類任務的領先行列。

圖3  “嫦娥三號”著陸器（圖片來源：http://www.cnsa.gov.cn/）

圖4  “嫦娥三號”巡視器（圖片來源：http://www.cnsa.gov.cn/）

2.4  嫦娥四號

為提前建立月球背面對地中繼鏈路，2018年5月21日，承擔“嫦娥四號”中繼通信任務的“鵲橋”中繼星成功發(fā)射，進入地月拉格朗日L2點使命軌道。2018年12月8日，“嫦娥四號”月球探測器成功發(fā)射。2019年1月3日，“嫦娥四號”實現(xiàn)人類航天器首次在月球背面軟著陸，“玉兔二號”月球車率先在月球背面刻上中國足跡，如圖5和圖6所示?！版隙鹚奶枴比蝿帐状卫玫卦吕窭嗜誏2點衛(wèi)星中繼通信，支持探測器在月球背面著陸和巡視探測，是人類航天發(fā)展史上的又一新的突破?！版隙鹚奶枴蓖黄频卦轮欣^通信、復雜地形著陸、空間同位素熱/電源等多項關鍵技術，具備全月面到達、自主精準著陸、地月L2點中繼、高精度高可靠發(fā)射、多目標月球測控通信、同位素電源國產(chǎn)化等能力，填補了國際空白；帶動新能源、新材料、新工藝、人工智能、先進電子等技術的進步，促進中國空間射電天文學、行星科學等發(fā)展，對推動航天強國和科技強國建設、提高民族凝聚力，具有重大現(xiàn)實意義和深遠歷史影響。

圖5  “嫦娥四號”著陸器（圖片來源：http://www.cnsa.gov.cn/）

圖6  “嫦娥四號”巡視器（圖片來源：http://www.cnsa.gov.cn/）

“嫦娥四號”還首次搭載德國、荷蘭、沙特等多個國家的科學載荷，建立國際合作的有效機制，為人類和平利用太空，貢獻中國智慧、中國方案、中國力量。

2.5  嫦娥五號

“嫦娥五號”月地高速再入返回飛行器于2014年10月24日發(fā)射；2014年11月1日，服務艙與返回器分離，返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域順利著陸；服務艙經(jīng)過規(guī)避機動后，執(zhí)行了地月L2點探測、環(huán)月軌道交會對接遠程導引飛行試驗、“嫦娥五號”著陸區(qū)高分辨率成像等試驗。月地高速再入返回任務的實施，使中國掌握了第二宇宙速度半彈道跳躍式再入返回技術，構建了月地高速再入返回工程體系，實現(xiàn)第二宇宙速度安全返回。

2020年11月24日，中國發(fā)射“嫦娥五號”月球探測器。2020年12月17日，“嫦娥五號”返回器成功著陸在內(nèi)蒙古預定著落區(qū)，完成中國首次月球采樣返回，時隔44年再次為人類帶回月球樣品?！版隙鹞逄枴蓖黄圃旅嫫痫w上升技術，月面自動采樣封裝技術，無人月球軌道交會對接和樣品轉移技術，月地轉移入射和攜帶月球樣品高速再入返回地球的技術，復雜探測器裝配、集成與測試（Assembly, Integration and Test, AIT）技術，建立月面無人自動采樣返回地面試驗體系?！版隙鹞逄枴碧綔y器效果圖如圖7所示。

圖7“嫦娥五號”探測器效果圖（圖片來源：http://www.cnsa.gov.cn/）

 “嫦娥五號”任務是探月工程的第6次任務，也是中國航天迄今為止最復雜、難度最大的任務之一，實現(xiàn)中國首次月球無人采樣返回，創(chuàng)造單次無人采樣量最多（1731 g）的世界記錄，獲得月球樣品20億年的定年結果，比此前國際預示的最年輕月球樣品又年輕了約10億年，深化了月球成因和演化歷史等科學認知。

2.6  天問一號

“天問一號”火星探測任務是中國行星探測首次任務，于2020年7月發(fā)射。2021年5月15日，“天問一號”探測器著陸于火星烏托邦平原南部預選區(qū)域，在火星上首次留下中國人的印跡。2021年5月22日，“祝融號”火星車駛下著陸平臺，6月11日完成兩器拍照，高起點、高質(zhì)量地圓滿完成中國首次火星探測任務，“祝融號”火星車和著陸平臺在火星表面工作如圖8所示。這是國際上首次通過一次任務完成火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，對火星的表面形貌、土壤特性、物質(zhì)成分、水冰、大氣、電離層、磁場等開展科學探測；國際上首次采用基于配平翼的火星大氣進入方案、在火星車上采用太陽能集熱等關鍵技術，使中國成為世界上第2個成功著陸火星并開展巡視探測的國家，實現(xiàn)中國在深空探測領域的技術跨越。

圖8“天問一號”探測器（圖片來源：http://www.cnsa.gov.cn/）

“天問一號”任務成功是中國航天事業(yè)自主創(chuàng)新和跨越發(fā)展的標志性成就。在中國航天發(fā)展史上實現(xiàn)了6個首次：一是首次實現(xiàn)地火轉移軌道探測器發(fā)射，二是首次實現(xiàn)行星際飛行，三是首次實現(xiàn)地外行星軟著陸，四是首次實現(xiàn)地外行星表面巡視探測，五是首次實現(xiàn)4億km距離的測控通信，六是首次獲取第一手的火星科學數(shù)據(jù)。在世界航天史上，“天問一號”不僅在火星上首次留下中國人的印跡，而且首次成功實現(xiàn)通過一次任務完成火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標，充分展現(xiàn)中國航天人的智慧，標志著中國在行星探測領域跨入世界先進行列。

總之，中國深空探測起步晚，但起點高。從無到有，取得一系列空間技術突破和空間科學成果，逐步建立起較為完備的學科體系和科研平臺，具備跨越發(fā)展的基礎。但與航天強國和人類探索未知的愿望相比，中國仍存在不小差距。主要表現(xiàn)在：一是在探測目標天體的數(shù)量和科學發(fā)現(xiàn)方面，存在較多欠缺和空白，需要持續(xù)開展；二是在探測技術手段，探測深度、廣度和精細化程度上，還存在不足；三是對地外天體資源開發(fā)利用技術尚處于地面研究階段。

習近平總書記創(chuàng)造性地提出人類命運共同體理念，為開啟中國深空探測新征程和人類共同的太空活動指明發(fā)展方向。中國應在現(xiàn)有深空探測基礎上，乘勢而上，加速開展月球及其以遠的深空探測活動，敢于探盲區(qū)，勇于拓新區(qū)，通過若干任務實施，推動深空技術、深空科學和深空利用跨越發(fā)展。

3.1  未來任務設想

3.1.1  月球探測

在月球探測領域，應通過月球基地或科研站建設，在深化月球科學探測和月球資源開發(fā)利用上持續(xù)發(fā)力。近期，應通過幾次任務，圍繞月球極區(qū)這片人類尚未涉足的處女地，實現(xiàn)月球極區(qū)資源詳細勘查，并開展無人月球科研站關鍵技術先期攻關，建設月球科研站基本型。圍繞月球地質(zhì)構造、空間天文、資源與環(huán)境等科學問題開展深化研究，獲得原創(chuàng)性科學成果，為未來月球科研站建設與運營，以及載人探月奠定基礎。首先開展月球極區(qū)環(huán)境與資源勘查，突破月面高精度詳查、永久陰影區(qū)飛越探測、適應極區(qū)環(huán)境的智能機器人等關鍵技術，揭示月球深部結構和物質(zhì)組成等，開展月球水冰證認。其次，實施月球極區(qū)樣品采樣返回，揭示月球早期撞擊和風化層月壤等形成與演化過程，深化月球地質(zhì)構造研究。最后開展月球極區(qū)資源開發(fā)利用試驗，突破智能機器人協(xié)同操作、月球科研站指揮中樞綜合控制等關鍵技術。這些探測器通過協(xié)同工作，構成月球科研站基本型，既對月球開展長期科學探測，又對地球進行大范圍、全尺度、長周期觀測，并為后續(xù)科研站建設所需的關鍵技術開展實地驗證。

同時，應與相關國家、國際組織和國際合作伙伴共同開展國際月球科研站建設，按照“共商、共建、共享”的原則，在充分繼承中國探月工程已掌握的探月技術基礎上，在月面建設和運營基礎設施和共享平臺，支撐開展長期、較大規(guī)模的月球軌道與月面探測、天文與對地觀測、基礎科學試驗、資源開發(fā)利用和技術驗證等。此外，應持續(xù)深化載人登月方案論證，組織開展關鍵技術攻關，研制新一代載人飛船，夯實載人探索開發(fā)地月空間基礎。

3.1.2  月球以遠的行星探測

在月球以遠的行星探測領域，應在廣度和深度上持續(xù)發(fā)力。圍繞行星科學前沿重大問題，應加速實施小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星際穿越等探測任務，深化火星、巨行星和行星際科學認知，揭示太陽系起源與演化規(guī)律，帶動深空技術跨越發(fā)展。

小行星探測任務。圍繞人類尚未涉足的小行星或彗星，突破自主導航控制、弱引力天體表面附著、表面弱引力取樣、輕小型化高速再入返回等關鍵技術。測定小行星與主帶彗星的軌道、自轉、形狀和熱輻射等物理參數(shù)，研究軌道起源與動力學演化，探測小行星與主帶彗星物理性質(zhì)、化學組分和結構，揭示小行星演化歷史，深化太陽系起源與演化研究。

火星取樣返回任務。應突破火星表面起飛上升、微生物污染檢測與防護等關鍵技術。深化火星形貌、物質(zhì)成分等探測，取回火星樣品，研究火表物質(zhì)結構、物理特性、物質(zhì)組成，深化火星成因和演化認識，開展生命蹤跡、比較行星學等研究。

木星系及行星際穿越探測任務。應突破空間高效同位素發(fā)電、強輻射環(huán)境防護、極端高低溫自適應熱控制、長壽命自主運行等關鍵技術。探測木星系空間的磁場、等離子體和粒子分布、木星磁層的動力學及其與太陽風耦合過程，探測木星衛(wèi)星表面形貌、物質(zhì)組成和構造特征，探測從金星至天王星的行星際空間環(huán)境，深化巨行星和行星際科學研究。

太陽系邊際探測作為空間科學研究的前沿領域，逐漸成為國際空間探測的熱點。太陽系邊際探測任務不僅可以填補中國空間物理、空間天文和行星科學等在深遠空間的研究空白，而且對包括核電推進、太陽帆推進、電帆推進等新型動力技術，以及超遠距離行星際測控通信、超長壽命空間產(chǎn)品保證、先進探測載荷等技術，具有顯著的發(fā)展牽引作用，為人類共同期待的未來星際探測的發(fā)展作出應有貢獻。

3.2  未來主要關鍵技術

深空探測任務的開展依賴于航天技術的進步和國家綜合實力的提高。為促進未來深空探測任務平穩(wěn)順利發(fā)展，應先期開展若干關鍵技術研究，并取得突破。其中，深空探測器總體技術、新型能源、深空測控通信、智能自主控制、新型結構與機構、新型科學載荷等技術是亟需突破和掌握的關鍵技術。

1）深空探測器總體技術

對于深空探測任務而言，探測器總體技術的特點體現(xiàn)在多任務多目標多約束下的深空探測器優(yōu)化設計技術，其中如何實現(xiàn)燃料最省、時間最短到達預定目標的軌道設計與控制策略是航天任務設計中首要而關鍵的一環(huán)。相比近地衛(wèi)星軌道，深空目標天體繁多且存在復雜變化的引力場環(huán)境，深空探測軌道技術包括多體系統(tǒng)低能量軌道設計與控制策略、不規(guī)則弱引力場軌道設計與控制策略、新型推進衍生的軌道設計與控制策略等。此外，小天體探測任務目標選擇、復雜序列借力軌道等也是未來深空探測軌道設計與優(yōu)化技術重要的研究方向。

2）新型能源技術

高效的能源系統(tǒng)是進行深空探測任務的一項基本保障。核能源具有能量密度高、壽命長的特點，是解決未來深空探測能源問題的一個有效途徑，包括同位素衰變能源、核裂變反應堆能源等。核電源具有不依賴太陽、能量自主產(chǎn)生、能量密度高等優(yōu)點，可大幅提高空間可用電功率水平和推進系統(tǒng)可使用時間，特別適用于難以獲取太陽能或具有瞬時大功率能量需求特點的深空探測任務，主要技術包括空間堆技術、高效熱電轉換技術、大功率熱排散技術、輕質(zhì)高效輻射屏蔽技術、地面試驗驗證技術、核安全技術等。

3）新型深空測控通信技術

深空測控通信技術是天地信息交互的唯一手段，也是深空探測器正常運行、充分發(fā)揮其應用效能不可或缺的重要保證。深空探測器的測控通信面臨著由于遙遠的距離所帶來的信號空間衰耗大、傳輸時間長、傳播環(huán)境復雜等一系列問題，是深空探測的難點之一。近10余年來，為解決深空探測測控通信時延、深空測角以及測控弧段等問題，世界主要深空測控通信網(wǎng)均在加大深空站天線口徑、提高射頻頻段、探索深空光通信技術等方面進行大量技術研究。未來測控通信的發(fā)展主要包括高頻通信技術、天線組陣技術、光通信技術等。此外，建立深空測控中繼站、構建行星際網(wǎng)絡以及采用量子通信技術等也將是未來深空測控發(fā)展的方向。

4）智能自主控制技術

深空探測器飛行距離遠、所處環(huán)境復雜、任務周期長、與地球通信存在較大時延，利用地面測控站進行深空探測器的遙測和遙控已經(jīng)很難滿足探測器操作控制的實時性和安全性要求。深空探測器智能自主控制技術，即通過在探測器上構建一個智能自主管理軟硬件系統(tǒng)，自主地進行工程任務與科學任務的規(guī)劃調(diào)度、命令執(zhí)行、器上狀態(tài)監(jiān)測與故障時的系統(tǒng)重構，完成無地面操控和無人參與情況下的探測器長時間自主安全運行。為了實現(xiàn)深空探測器在軌自主運行與管理，必須突破自主任務規(guī)劃、自主導航、自主控制、自主故障處理等關鍵技術。

5）新型結構與機構技術

深空探測器的結構與機構是承受有效載荷、安裝設備、在軌操作和提供探測器主體骨架構型的基礎。深空探測任務目標的多樣性與特殊性決定了需要研發(fā)新型的結構與機構，尤其是對于在地外天體表面開展巡視探測的航天器。為完成這一目標，就必須研究適應不同天體與目標要求的新型著陸器結構與機構、巡視器結構與機構、鉆取采樣結構與機構等技術。

6）新型科學載荷技術

科學有效載荷是直接執(zhí)行特定航天器任務的儀器設備，直接關系科學探測成果的獲取和傳輸。深空探測科學目標具有多樣性，如水冰探測、空間環(huán)境探測、金屬等各類礦物質(zhì)探測等，決定了需要不同的新型載荷。同時，深空探測器的小型化和輕量化，以及科學探測精細化等特點，對載荷的小型化、輕量化和探測精度提出新要求。

7）深空天體資源利用技術

隨著人類深空探測活動不斷深入，月球、火星等深空天體資源利用尤其是原位利用已成為人類追求的目標。要實現(xiàn)這一目標，必須圍繞不同天體的地質(zhì)構造、物質(zhì)成分，表面環(huán)境等因素，在地面提前開展深空天體資源利用技術研究，包括原位制氫與制氧技術、3D打印技術、原位建造技術等。

對未知世界的探索、發(fā)現(xiàn)是人類發(fā)展的永恒動力。近年來，中國月球與深空探測任務的實施，為實現(xiàn)航天大國向航天強國邁進奠定了雄厚的技術基礎。當今世界，開展深空探測活動正在由技術驅動和科學牽引并舉逐步發(fā)展到以科學引領為主、牽引技術進步的階段。深空探測活動的目標是加深對宇宙的認知、拓展人類的活動空間、探尋地外生命信息，進一步揭示宇宙奧秘與生命起源、了解并保護地球、激發(fā)科學探索精神?？梢灶A見，重大科學發(fā)現(xiàn)將越來越多地誕生于深空探測領域，人類的生存發(fā)展將越來越多地依賴于空間科學、空間技術和空間應用的發(fā)展進步?；诖?，中國應加快開啟深空探測新征程，持續(xù)開展深空探測任務，加速推進向深度和廣度發(fā)展，為構建人類命運共同體貢獻更多的中國力量和中國智慧。

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· 《衛(wèi)星與網(wǎng)絡》特別顧問：王兆耀

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