text: 2022年深空探测进展与展望
  探月与航天工程中心葛平 张天馨 康晓晰 康焱深空探测实验室席翔宇陈琦北京空间科技信息研究所王帅2022年，全球深空探测领域取得蓬勃发展。“天问”一号任务圆满完成科学探测任务目标；“嫦娥石”的发现让人类对月球起源与演化的理解更进一步；美国“阿尔忒弥斯”1（Artemis-1）任务成功发射，开启重返月球之旅；“双小行星重定向测试”（DART）任务完成全球首次近地天体撞击防御技术试验……人类探索深空的脚步从未停止，深空探测活动的疆域在不断扩大。本文对月球探测、行星探测、天文探测和近地小行星防御等方面的任务进展与科学发现进行归纳，对国际相关政策规划开展分析，并阐述了深空探测领域未来的发展重点与趋势。一、深空探测任务进展全球共发射实施4项深空探测任务，即美国6月28日发射的“地月自主定位系统技术操作与导航实验”（CAPSTONE）立方星、韩国8月4日发射的“韩国探路者月球轨道器”（KPLO）、美国11月16日发射的“阿尔忒弥斯”1任务，以及日本12月11日发射的“白兔重启任务1”（HAKUTO-R-M1，简称为“白兔-R-M1”）任务。（一）月球探测——CAPSTONE发射，并于11月13日成功进入月球环绕轨道。CAPSTONE是美国航空航天局（NASA）主导研制的一颗12U立方星，作为美国“门户”（Gateway）地月空间站运行的探路先锋，对“近直线晕轨道”（NRHO）的稳定性进行模拟验证，帮助降低未来地月空间站的运行风险。此外，CAPSTONE还将演示验证不依赖地面跟踪的新型导航技术。任务不仅将为“门户”地月空间站的运行铺平道路，还将为立方星开展空间探索奠定基础。图1 “阿尔忒弥斯”1任务相机捕捉到的独特景象（二）行星探测12月，“祝融”火星车累计巡视探测1921m，“天问”一号轨道器和火星车累计获取原始科学数据约1600GB。科学研究团队利用我国获取的一手科学探测数据，形成了一批原创性成果，发现了晚西方纪（距今30亿年）以来着陆区发生的风沙活动、水活动的新证据，在《自然》《中国科学》等国内外重要期刊发表论文50余篇。我国首次火星探测任务获得2022年国防科技进步特等奖、国际宇航联合会2022年度“世界航天奖”。国际天文联合会将“天问”一号着陆区的22个火星地理实体以我国的历史文化名镇命名。图2“祝融”火星车巡视探测图(截至2022年6月)图3 “天问”一号着陆区历史名镇命名图星采样返回”（MSR）计划进行了调整，重点是删除了用于取回样品的新火星车，改为由“毅力”（Perseverance）火星车完成样品的取回工作，同时由火星直升机作为备份。最新的架构如下：（1）由“毅力”携带样品管并在未来执行任务时将其送回地球，同时将一部分样品管存储在火星表面作为备份；（2）2028年夏季，发射ESA研制的“样品取回着陆器”（SRL）及NASA研制的“火星上升器”（MAV）和2架火星直升机，在“毅力”将样品送回“样品取回着陆器”后，由“火星上升器”将样品送入火星轨道；（3）2027年秋季，发射ESA的“地球返回轨道器”（ERO），其在进入火星轨道后从“火星上升器”获取并密封样品，并将样品容器放入“地球再入舱”（EEV）中；（4）2033年，密封于“地球再入舱”的火星样品管被送回地球。图4 “火星采样返回”计划概念图(由“毅力”运输样品管）雷克斯”（OSIRIS-Rex）小行星采样返回任务计划在完成采样返回任务之后，将开展扩展任务——“欧西里斯阿波菲斯探测器”（OSIRIS-APEX），以访问小行星“阿波菲斯”（Apophis）。“阿波菲斯”预计将于2029年飞掠地球，离地球最近时距离仅3.2万千米。届时探测器将在“阿波菲斯”附近停留18个月，对这颗350m的小行星展开近距离探测。在NASA宣布“欧西里斯雷克斯”在扩展任务期间探测“阿波菲斯”之后，韩国以“缺乏技术能力”为由，放弃了发射探测器以在2029年“阿波菲斯”小行星近距离掠过地球期间探测该小行星的计划。（三）天文探测天文探测是人类揭示宇宙起源、探索系外宇宙、拓展人类视野的重要科学途径。由于地球大气层遮蔽等环境因素的影响，地基望远镜已无法满足科学家探索宇宙的需求。近年来，随着一系列大型空间望远镜的发射，更多宇宙早期和深远星系的图像被获取，极大地拓展了人类对宇宙诞生及更加遥远的恒星际空间的认识，掀起了探索宇宙的新热潮。图5 首批“詹姆斯·韦伯”空间望远镜图像（四）近地小行星防御  2022年9月26日，全球首次近地天体撞击防御技术试验任务——DART按照计划成功撞击目标小行星。DART携带的立方星、全球多台地面望远镜及天基望远镜对撞击事件进行观测，以了解动能撞击技术在行星防御方面的可用性及撞击产生的各类影响。探测器最终以6.5km/s的速度撞击了小行星，撞击点距离小行星Dimorphos的中心仅有17m。NASA对获得的观测数据进行分析后发现，DART的撞击成功改变了小行星的轨道，这标志着人类首次有目的地改变天体的运动，也是首次真实尺度演示小行星偏转技术。图6 DART任务流程二、深空探测领域科学发现（一）“嫦娥”五号证实月球表面有水并助力发现月球表面新矿物我国科学家利用“嫦娥”五号携带的“月球矿物光谱分析仪”所探测的数据，首次获得了月表原位条件下的水含量。数据分析结果为月球水的存在提供了新证据：“嫦娥”五号采样区的水含量在120×10以下，而岩石中的水含量约为180×10，并且以“结合水”或羟基的形式存在。除此之外，2022年9月，一种新的磷酸盐矿物——“嫦娥石”被我国科学家在“嫦娥”五号月球样本的玄武岩碎屑中发现。国际矿物学会新矿物分类及命名委员会经投票确认其为一种全新的矿物。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，我国成为世界上继美国、苏联后第三个在月球发现新矿物的国家。图7 “嫦娥石”扫描电镜照片（二）“祝融”发现火星水活动迹象并揭秘火星浅表结构我国科学家根据“祝融”火星车4个月内采集的低频雷达数据，获得了火星北方低地最大撞击盆地——乌托邦平原南部长约1171m剖面的高精度火星表面以下（<80m）的结构分层图像并发现显著的分层结构。数据表明该区域浅表80m之上未发现液态水存在的证据，但不排除存在盐冰的可能性。本发现为深入认识火星地质演化和环境、气候变迁提供了重要观测基础。而在地质年代较年轻的“祝融”着陆区，我国科学家利用火星车获得的数据发现了水活动的迹象，表明该区域可能含有大量以含水矿物形式存在的可利用水。该区域发现的岩化板状硬壳层中富含含水硫酸盐等矿物，可能是由地下水涌溢或毛细作用蒸发结晶出的盐类矿物胶结了火星土壤后经岩化作用形成的。这一发现表明，亚马逊纪时期的火星水圈可能比以往认为的更加活跃，同时也为未来利用火星北部平原的含水矿物提供了理论基础。（三）“毅力”证实火星“杰泽罗”环形山曾为生命提供宜居环境“毅力”团队公布了“火星2020”（Mars 2020）任务的首批研究成果，为火星上水的历史提供了新见解。“毅力”火星车分析的首批样本来自“杰泽罗”环形山，研究发现这片区域曾经是一片湖泊，含有火成岩矿物（如火山岩）与含有矿物颗粒的盐块混合物。这些盐块物质中既包括硫酸盐，像火星上常见的泻盐；也存在高含量的含氯盐，如氯化物和高氯酸盐；还有一些火成岩矿物被转化为碳酸盐，当大气中的二氧化碳溶解在水中时就会发生这种情况。这些高度可溶的盐块物质表明“杰泽罗”撞击坑内的岩石曾被盐水浸泡过，因此成为火星上有过液态水的明确证据，有力地证实了“杰泽罗”环形山曾经为生命提供宜居环境。（四）小行星“龙宫”样品为太阳系演化提供新证据科学家对“隼鸟”2任务采回的小行星“龙宫”的样品进行分析发现，小行星“龙宫”样品与CI球粒陨石最为相似，但是具有低反照率、较高的孔隙度及更易碎的特征。通过光谱分析，科学家在2.7μm（表明样品富含OH）与3.4μm（表明有机物的存在）处发现了较强的吸收峰，并且检测到了碳酸盐（其中一部分富含铁），及富含NH的化合物。有机物的新发现可能会为研究太阳系行星的形成与演化路径提供新思路。三、国际深空探测相关政策规划（一）战略规划1.NASA发布新版战略规划，更加强调创新与进步2022年3月，NASA发布《2022年战略规划》。与上一版相比，新版战略规划将NASA的四大战略目标从“发现、探索、发展、实现”（Discover, Explore, Develop, Enable）调整为“发现、探索、创新、进步”（Discover, Explore, Innovate, Advance），更加强调创新和进步。此外，该规划将“应对气候危机”作为NASA的重要目标，提出将大力推动地球科学领域相关任务和活动的发展。与上一版战略规划类似，新版战略规划再次重申了NASA的以下规划：巩固美国在全球航天航空领域的领先地位，在月球表面保持可持续的人类驻留并向火星探索迈进，鼓励创新并创造就业机会，与国际合作伙伴加强航天合作，鼓励低地球轨道的商业航天活动，推动发展美国当代和下一代人的多样性、公平性、包容性与可及性。2.美国发布新版行星科学10年调查报告，提出未来10年科学优先事项2022年4月，美国国家研究委员会发布了《起源、世界和生命：行星科学和天体生物学10年战略2023—2032》，提出了美国未来10年在行星科学、天体生物学、行星防御等领域的科学优先事项和潜在的机遇，并给出相应的投资建议。报告的主体内容包括：（1）提出了12项优先级更高的科学问题，确定了3个高级科学主题——起源、世界和进程、生命和宜居性；（2）梳理了未来深空探测的关键技术，并提及了一些颠覆性技术的发展趋势，同时呼吁NASA进一步提高技术研发的投入；（3）建议NASA平衡大中小型任务，并考虑通货膨胀因素，提高任务的成本上限；（4）提出多项推荐任务，其中候选旗舰任务共6项，优先级最高的为“天王星轨道器和探测器”，其次分别为“土卫二绕落器”“木卫二着陆器”“水星着陆器”“海王星海卫一奥德赛”“金星旗舰”；（5）将内容扩展至传统行星科学之外的领域，包含天体生物学和行星防御，并规划一项最高优先级的行星防御演示验证任务；（6）根据不同的预算条件，为未来10年内NASA的太阳系探索活动制定了2套具有代表性的计划，即“建议计划”和“保底计划”，前者涵盖了报告中提出的最高优先事项，旨在实现前沿技术的开发和应用，保持美国在太阳系探索领域的领先地位，后者则通过削减部分任务预算及延期部分任务，为预算不足的情况给出备选方案。3.NASA发布《月球到火星目标》，形成贯穿太阳系的探索蓝图2022年5月，NASA发布第一版《月球到火星目标》（Moon to Mars Objectives），包括50个目标，随后NASA向各界征集意见，共收到超过5000条反馈意见。9月，NASA发布修订版《月球到火星目标》，形成了贯穿整个太阳系的探索蓝图。修订版《月球到火星目标》涵盖4个领域，包括科学、月球和火星基础设施、运输与居住、运行，旨在帮助确定NASA及其工业和国际伙伴在月球与火星探测领域的投资方向。修订版《月球到火星目标》新增了9个“贯穿目标的通用主题”，并补充修订完成最终63个目标，包括科学目标26个、基础设施目标13个、运输和居住目标12个、运行目标12个。4.欧洲发布新版空间探索路线图，提出协同发展近地、月球和火星探索活动2022年7月，ESA发布新版空间探索路线图——《新世界2030+战略路线图》（Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap）。该路线图提出欧洲探索的长期目标是在近地轨道、月球和火星各自开展可持续的探索活动，并使三者之间的协同效应最大化。在近地轨道活动方面，欧洲将在“国际空间站”剩余寿命期内优化其使用率，并为“国际空间站”时代之后的载人探索活动做好准备，包括促进其商业利用、支持科学研究及探索月球和火星。在月球探索方面，欧洲将提高战略自主权，使ESA成为可持续载人和无人探索的合作伙伴，为下一步的能力、技术和伙伴关系奠定基础。在火星探测方面，执行无人先导探测任务，继续寻找生命，填补战略知识空白，发展相关能力，为载人探索火星做准备。5.美国发布首个国家地月空间科技战略2022年11月，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布首份《国家地月空间科技战略》，旨在解决美国的科技领先地位如何支持所有航天国家和实体负责任、和平和可持续地开展地月空间探索与利用问题。该战略的主要目标包括：地月空间科技发展和人才培养、扩大地月空间的国际合作、将美国的空间态势感知能力扩展到地月空间、建设地月空间基础设施。该战略表达了按照2021年美国太空优先事项框架，在负责任、和平、可持续地探索、开发和利用包括月球在内的地月空间方面引领世界的愿景。（二）国际合作1.美国继续推进《阿尔忒弥斯协定》，载人月球探测计划合作联盟持续扩大《阿尔忒弥斯协定》（Artemis Accords）是美国提出的月球探索基本原则，包含10条行为准则，分别是和平目的、透明度、互操作、紧急救援、空间物体登记、科学数据发布、外层空间遗产保护、空间资源、消除空间活动冲突、轨道碎片。截至2022年12月，《阿尔忒弥斯协定》签署国家增加至23个，分别是美国、澳大利亚、加拿大、意大利、日本、卢森堡、阿拉伯联合酋长国、英国、乌克兰、韩国、新西兰、巴西、波兰、墨西哥、以色列、罗马尼亚、巴林、新加坡、哥伦比亚、法国、沙特阿拉伯、卢旺达和尼日利亚。2.美欧将在载人登月、火星探测、月球导航等多个领域开展国际合作在ESA理事会会议期间，NASA局长呼吁欧洲参与美国的多项重大航天任务，进一步加强双方的传统伙伴关系，并与ESA局长签署两份合作协议。要点包括：（1）美欧已达成协议，3名ESA航天员将搭乘“猎户座”飞船到达月球轨道空间站——“门户”，未来还会将首位欧洲航天员送到月球表面，除了“猎户座”服务舱、“门户”的部分舱段或设施外，ESA还将向“阿尔忒弥斯”计划提供欧洲大型后勤着陆器（EL3）——“阿尔戈”（Argonaut），通过“月光”计划提供通信导航服务支持，以及月表探测科学和技术。（2）ESA和NASA在会议期间签署了关于“月球探路者”合作的谅解备忘录。（3）ESA和NASA正在评估如何合作实施受俄乌冲突影响的“火星生物学”火星车任务。（4）ESA和NASA签署了地球系统科学战略伙伴关系框架协定，希望相关合作能在气候变化全球响应方面发挥引领作用。3.俄乌冲突使得多项深空探测任务受到影响自2022年2月俄乌冲突爆发以来，俄罗斯与其他国家的航天合作受到严重影响，包括在轨的“光谱伦琴伽马”（Spektr-RG）任务、原计划于9月发射的“火星生物学”项目第二次任务、未来的无人月球任务等。3月，德国宣布关闭与俄罗斯合作的空间X射线望远镜“光谱伦琴伽马”上的“携带成像望远镜阵列的扩展伦琴调查仪”（eROSITA），将其切换至安全模式，暂停科学观测。4月，ESA宣布结束与俄罗斯在一系列月球任务上的合作，转而寻求与NASA和其他机构的合作。ESA表示将结束与俄罗斯“月球”25、“月球”27着陆器及“月球”26轨道器开展合作的计划。四、深空探测发展重点与趋势在美国重返月球计划和载人火星探测终极目标的牵引下，全球探索活动继续聚焦月球和火星两大目标，并呈现出逐步从科学探测阶段向资源开发、利用阶段转变的趋势。月球探测方面，各国越发关注月球水冰资源的勘探与开发，“阿尔忒弥斯”1任务携带的立方星将探测月球水冰和挥发物的分布情况，2023年，NASA计划利用CLPS任务将“极地资源水冰采矿实验”1（PRIME-1）送上月球，对地表下的冰进行自动取样和分析，在月球上开展首次原位资源利用演示。火星探测方面，美国已经对火星制氧技术开展了试验，并且美欧联合开展的“火星采样返回”计划进入初步设计和技术完成阶段，日本也在推动火星卫星采样返回任务。中国探月工程四期和行星探测工程正在全面开展，“嫦娥”七号将就位探寻月球水冰的存在和来源，“嫦娥”八号将首次开展月壤中稀有气体提取、氧资源制备、月面3D打印等工作，并在月球科研站阶段开展月球资源原位利用。“天问”二号将实施近地小行星伴飞和取样返回、主带彗星伴飞等任务，拓展对小行星的认知。“天问”三号火星采样返回任务也进入关键技术攻关阶段，将进一步增强对火星的认识，为未来太空资源开发利用奠定基础。随着月球探测活动的增多，通信、导航和定位及遥感系统将促进月球的可持续探索和月球经济的诞生。美欧已经开始推动利用商业力量建立月球通信与导航网络，以服务于未来的载人与无人探测任务，降低任务实施门槛及任务成本。NASA正在“阿尔忒弥斯”计划下推动“月球网”（LunaNet）的建立，该网络将为月球及其周围的航天器提供中继通信服务并提供导航信息。ESA正与商业伙伴合作推动“月光”计划，将建立商业月球通信与导航服务系统。我国正在推动建立“鹊桥”通导遥综合星座系统，开展深空互联网建设，论证实施“鹊桥”工程，计划于2030年前后基本建成地月空间通信能力，为探月工程四期、月球科研站等提供通信、导航与遥感等服务，并形成为全球月球探测任务提供服务的地月空间基础设施，打造地月空间鹊桥通信导航遥感星座，推动地月经济圈的构建。（三）近地小行星防御更加受到关注近地小天体撞击地球威胁是一项全人类面临的重大威胁，开展行星防御活动可以体现大国担当，提升国家影响力，是推动国家政治和外交的战略高点。美国在行星防御活动方面一直非常积极，主导了全球的小天体监测活动，并实施了全球首次近地天体撞击防御技术试验任务。NASA新版行星科学10年调查报告首次将内容扩展至行星防御领域，并建议NASA全力支持正在推进的行星防御相关计划，规划新的行星防御演示验证任务，说明美国对行星防御更加重视。我国将着手构建近地小行星防御系统，研制并发射小行星观测器和撞击器，并计划在2025年左右实施近地小行星防御演示验证任务，为构建人类命运共同体、保卫地球生命安全贡献中国智慧、中国方案和中国力量。（四）科学前沿探索向木星以远拓展各国在重点开展月球及火星探测的同时，还在推进木星系及以远的探测，以持续拓展人类的探索疆域。NASA新版行星科学10年调查报告对探测目标的关注从进行中的火星采样返回，转向以天王星为代表的巨行星，优先级最高的3个旗舰级任务全部聚焦于巨行星探测方面。在任务实施方面，美国计划于2024年发射“木卫二快帆”（Europa Clipper）探测任务，欧洲计划于2023年发射“木星冰卫星探索者”（JUICE）任务，两者将对木星的卫星开展探测，研究其冰下海洋及宜居性。我国正在推进“天问”四号木星系及行星际穿越计划，未来还将实施海王星探测任务，探测海王星与海卫一的深层结构，探寻生命的证据。我国前往深空的能力也在不断增强，重型运载火箭总体方案已明确，性能达到国际先进水平，有望进一步拓展我国深空探测的舞台。（五）深空探测领域国际合作持续深化近年来，美欧等国不断加强深空探测领域的国际合作。美国“阿尔忒弥斯”计划正在广纳国际合作伙伴参与其中，《阿尔忒弥斯协定》签署国家已经增加至23个。NASA还通过DART任务的多方参与，促进世界各地科学家和工程师加强对通过国际合作解决与行星防御相关问题的认知。ESA与NASA不断加强航天领域的合作，双方在“阿尔忒弥斯”计划上深入合作，并且正在联合推动火星采样返回计划。我国正积极推动与俄罗斯、欧洲、海湾国家等的广泛国际合作，中俄两国签署合作建设国际月球科研站谅解备忘录，并倡议更多国家积极参与任务各阶段；在阿根廷建设深空探测站，优化我国深空测控网布局。未来我国将围绕月球科研站、月球通导遥系统、近地小行星防御、火星采样返回等任务，开展多边、双边合作，推动系统级、分系统级国际合作。同时，我国在先进技术、科学研究方面也将深入协作，发布“深空探测重要科学问题全球征集”活动，旨在达成深空探测科学问题国际共识，解决人类共同面对的问题，战胜风险挑战。五、总结