綜述與述評(píng) | 于登云院士：中國(guó)深空探測(cè)進(jìn)展與展望
原創(chuàng)?于登云?前瞻科技雜志?2022-04-28 16:40
月球及其以遠(yuǎn)的深空是繼陸、海、空、近地空間之后人類(lèi)活動(dòng)的第五疆域。深空探測(cè)是指發(fā)射航天器至地月距離以遠(yuǎn)的宇宙空間，對(duì)地外天體或空間進(jìn)行探測(cè)的航天活動(dòng)。
自1958年以來(lái)，人類(lèi)已發(fā)射深空探測(cè)任務(wù)260余次，覆蓋了太陽(yáng)系內(nèi)包括月球、行星、彗星、太陽(yáng)等不同類(lèi)型天體。深空探測(cè)活動(dòng)取得大量科學(xué)探測(cè)和技術(shù)成果，拓展人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)系和宇宙的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)空間技術(shù)的進(jìn)步。中國(guó)的深空探測(cè)起步于月球探測(cè)，探月工程“繞、落、回”三步走已經(jīng)圓滿收官，行星探測(cè)工程也隨著“天問(wèn)一號(hào)”的圓滿成功拉開(kāi)了序幕。
深空探測(cè)是人類(lèi)探索宇宙奧秘和尋求永續(xù)發(fā)展的重要途徑，是拓展人類(lèi)生存空間、豐富人類(lèi)認(rèn)知的重大新興領(lǐng)域。開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)，能夠極大豐富人類(lèi)知識(shí)圖譜，牽引帶動(dòng)大規(guī)模精密制造、新材料、新器件、深空超遠(yuǎn)距離通信、先進(jìn)推進(jìn)、空間核能、智能自主控制等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，深刻改變?nèi)祟?lèi)自然觀和宇宙觀，有力促進(jìn)人類(lèi)文明持續(xù)發(fā)展。
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國(guó)外深空探測(cè)進(jìn)展
深空探測(cè)已成為各國(guó)科技創(chuàng)新的競(jìng)技場(chǎng)，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本、印度和以色列等國(guó)家和地區(qū)均制定了深空探測(cè)計(jì)劃并積極推進(jìn)實(shí)施。人類(lèi)深空探測(cè)已處于新的活躍期。
1.1??美國(guó)相關(guān)進(jìn)展
美國(guó)是最早開(kāi)展深空探測(cè)的國(guó)家之一，探測(cè)范圍覆蓋整個(gè)太陽(yáng)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)、月球、系內(nèi)行星、小行星、彗星等各類(lèi)天體的探訪。其有代表性的任務(wù)和成就如下。
美國(guó)在1958—1976年的空間競(jìng)賽期間，大量投入，通過(guò)“先驅(qū)者”“徘徊者”“勘測(cè)者”“阿波羅”等系列月球探測(cè)活動(dòng)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(cè)技術(shù)。美國(guó)6次成功實(shí)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(xué)探測(cè)成果，促進(jìn)大量新興學(xué)科的誕生，一大批科學(xué)技術(shù)成果廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，發(fā)射了“克萊門(mén)汀號(hào)”（Clementine）探測(cè)器、“月球勘探者號(hào)”（Lunar Prospector）探測(cè)器、“月球勘測(cè)軌道器”（LRO）、“月球隕坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星”（LCROSS）等，這些探測(cè)器針對(duì)月球極區(qū)水冰探測(cè)獲得大量科學(xué)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(yùn)行，如圖1所示?！霸虑虼髿馀c塵埃環(huán)境探測(cè)器”（LADEE）上搭載一臺(tái)空間激光通信實(shí)驗(yàn)載荷，成功實(shí)現(xiàn)人類(lèi)首次星際空間激光通信實(shí)驗(yàn)，傳輸速率高達(dá)622 Mbps。2017年推出“阿爾忒彌斯”（Artemis）載人月球探測(cè)計(jì)劃，并聯(lián)合多國(guó)參與。2023年計(jì)劃發(fā)射尋找月球南極水冰的“毒蛇號(hào)”（VIPER）月球車(chē)等。
1977年發(fā)射的“旅行者1號(hào)”（Voyager 1）、“旅行者2號(hào)”（Voyager 2）探測(cè)器已經(jīng)飛出太陽(yáng)系進(jìn)入星際空間，截至2021年11月，二者已經(jīng)距離地球?qū)⒔?30億km。2005年發(fā)射的“深度撞擊號(hào)”（Deep Impact）任務(wù)飛行4.3億km后，實(shí)現(xiàn)對(duì)坦普爾1號(hào)彗星核精準(zhǔn)撞擊探測(cè)。2006年發(fā)射的“新地平線號(hào)”（New Horizons）探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)冥王星飛掠探測(cè)，正在快速飛離冥王星、進(jìn)入柯依伯帶中心地帶。美國(guó)已成功實(shí)施9次火星表面著陸探測(cè)，將5輛火星車(chē)帶到火星表面，其中2020年發(fā)射的“毅力號(hào)”（Perseverance）火星車(chē)已經(jīng)開(kāi)展火星氧氣制備等資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)驗(yàn)證，如圖2所示，所攜帶的“機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）無(wú)人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)在火星表面飛行。2011年發(fā)射的“朱諾號(hào)”（Juno）探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)木星的環(huán)繞探測(cè)，傳回大量木星極區(qū)和大紅斑等科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。2016年發(fā)射的“奧西里斯-REx”（OSIRIS-REx）探測(cè)器在貝努小行星上發(fā)現(xiàn)了水痕跡，并成功實(shí)現(xiàn)小行星采樣，正在返回途中。2018年發(fā)射的“帕克號(hào)”（Parker）太陽(yáng)探測(cè)器，已成功穿過(guò)太陽(yáng)大氣層，第一次近距離“接觸”到太陽(yáng)。2021年實(shí)施的“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）任務(wù)，意在開(kāi)展小行星在軌撞擊防護(hù)操控技術(shù)驗(yàn)證。2021年成功發(fā)射“詹姆斯·韋伯”（James Webb）空間望遠(yuǎn)鏡等空間探索項(xiàng)目，展示其在深空探測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
未來(lái)美國(guó)將繼續(xù)深入開(kāi)展火星探測(cè)活動(dòng)，探測(cè)目標(biāo)仍將是搜尋火星過(guò)去或現(xiàn)在的生命跡象，將與歐洲聯(lián)合推動(dòng)火星采樣返回計(jì)劃，擬在2026年實(shí)施火星取樣返回任務(wù)，并制定以載人登陸火星為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)的深空探索路線圖，為將來(lái)載人火星探測(cè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，確保美國(guó)在火星及深空探測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
1.2 ?蘇聯(lián)/俄羅斯相關(guān)進(jìn)展
蘇聯(lián)自1958年發(fā)射首個(gè)月球探測(cè)器以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了深空探測(cè)歷史上的多個(gè)“第一”，如“月球-2”（Luna-2）首次成功撞擊月球，“月球-16”（Luna-16）首次實(shí)現(xiàn)月球無(wú)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(gè)月球探測(cè)器，采集170 g月球樣品返回地面。俄羅斯正積極推動(dòng)月球探測(cè)計(jì)劃，以期通過(guò)月球探測(cè)的實(shí)施提升和展示本國(guó)空間技術(shù)實(shí)力，重振俄羅斯的深空探測(cè)能力，近期計(jì)劃瞄準(zhǔn)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(cè)任務(wù)，主要科學(xué)目標(biāo)是繪制月表全圖，探測(cè)月球表面、亞表面結(jié)構(gòu)，探測(cè)月球引力場(chǎng)，研究月球周?chē)臻g環(huán)境，采集月球表面樣品，實(shí)現(xiàn)采樣返回。主要工程目標(biāo)是驗(yàn)證月面軟著陸技術(shù)、月表低溫鉆探取樣技術(shù)等，為載人月球探測(cè)打下基礎(chǔ)。其中，“月球-25”（Luna-25）月球南極著陸探測(cè)任務(wù)計(jì)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(shù)，在金星探測(cè)方面處于領(lǐng)先，并提出“金星-D”（Venera-D）探測(cè)計(jì)劃，擬于2026年和美國(guó)合作實(shí)施該任務(wù)。
1.3 ?歐洲航天局相關(guān)進(jìn)展
歐洲航天局特別重視國(guó)際合作，已在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)際聯(lián)合深空探測(cè)。2003年發(fā)射“智慧-1”（SMART-1）探測(cè)器，成功實(shí)現(xiàn)月球環(huán)繞探測(cè)和撞擊，是世界上第1個(gè)采用太陽(yáng)能離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要推進(jìn)系統(tǒng)的探測(cè)器，第1次獲得月球表面包括鈣和鎂在內(nèi)的一些化學(xué)元素的含量數(shù)據(jù)。近期，又提出“月球村”（Moon Village）構(gòu)想，突出其工程和科學(xué)載荷優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合主要航天國(guó)家開(kāi)展探測(cè)，同時(shí)積極響應(yīng)美國(guó)“深空之門(mén)”（Gateway）月球軌道空間站計(jì)劃，還與俄羅斯達(dá)成月球探測(cè)合作協(xié)議，計(jì)劃合作實(shí)施“月球-27”月球極區(qū)資源勘測(cè)任務(wù)。
歐洲航天局將繼續(xù)和俄羅斯合作實(shí)施“火星生物學(xué)”（ExoMars）項(xiàng)目第2次任務(wù)，還將與美國(guó)合作火星采樣返回計(jì)劃。歐洲航天局將發(fā)射“赫拉”（Hera）小行星觀測(cè)項(xiàng)目，探測(cè)受美國(guó)DART任務(wù)撞擊后小行星的特征、軌道及其旋轉(zhuǎn)變化等，為未來(lái)的行星防御技術(shù)提供基礎(chǔ)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(hào)”（BepiColombo）水星探測(cè)器，是世界上第3個(gè)水星探測(cè)器，也是第1個(gè)通過(guò)兩器開(kāi)展水星磁場(chǎng)聯(lián)合測(cè)量的探測(cè)器。2020年與美國(guó)合作發(fā)射的太陽(yáng)軌道探測(cè)器（Solar Orbiter），開(kāi)展對(duì)日觀測(cè)，加深對(duì)太陽(yáng)的各種物理現(xiàn)象理解，并為提升對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴等極端空間天氣的預(yù)報(bào)能力奠定基礎(chǔ)。
1.4 ?其他新興國(guó)家相關(guān)進(jìn)展
日本于2007年9月成功發(fā)射“月亮女神號(hào)”（SELENE）月球環(huán)繞探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了月球探測(cè)的亞洲第一。2014年發(fā)射的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”（Hayabusa 2）小行星探測(cè)器，于2020年12月返回，成功實(shí)施了世界首次小行星采樣返回任務(wù)，一舉取得小行星探測(cè)的領(lǐng)先地位。目前正在實(shí)施“小型月球軟著陸器任務(wù)”（SLIM），旨在實(shí)現(xiàn)百米級(jí)的精確軟著陸；同時(shí)還有日本私營(yíng)月球機(jī)器人探索公司（Ispace）正在實(shí)施“白兔-R”（Hakuto-R）任務(wù)，驗(yàn)證月面著陸技術(shù)并進(jìn)行資源探測(cè)。此外，日本還與美國(guó)航空航天局（NASA）簽署了《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords），為美國(guó)“深空之門(mén)”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(bǔ)給服務(wù)等。
印度2008年完成“月船一號(hào)”（Chandrayaan 1）繞月探測(cè)，并于2013年成功發(fā)射“曼加里安號(hào)”（Mangalyaan）火星環(huán)繞探測(cè)器，成為亞洲第1個(gè)實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的國(guó)家。2019年發(fā)射自主研制的“月船二號(hào)”（Chandrayaan 2）探測(cè)器，在即將著陸月面時(shí)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(shí)施“月船三號(hào)”（Chandrayaan 3）月球著陸與巡視任務(wù)，該任務(wù)將與日本合作，采用H3運(yùn)載火箭發(fā)射，其中著陸器由印度提供，月球車(chē)由日本提供。
以色列SpaceIL公司于2019年發(fā)射“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”（Beresheet）月球著陸器，雖然最終未成功著陸月面，但已經(jīng)說(shuō)明以色列在月球探測(cè)技術(shù)方面取得了重大突破，以色列正計(jì)劃發(fā)射第2個(gè)月球探測(cè)器。
韓國(guó)計(jì)劃2022年發(fā)射“月球軌道器探路者”（KPLO）環(huán)月探測(cè)任務(wù)，2030年前實(shí)現(xiàn)月球著陸。
阿聯(lián)酋與美國(guó)聯(lián)合研制并于2020年成功發(fā)射了“希望號(hào)”（Hope）火星探測(cè)器，這是阿拉伯國(guó)家首次執(zhí)行星際探測(cè)任務(wù)。目前正在研制“拉希德1號(hào)”（Rashid 1）月球車(chē)，計(jì)劃于2022年由日本Ispace公司“白兔-R”任務(wù)搭載發(fā)射，推進(jìn)空間探測(cè)合作。
1.5 ?趨勢(shì)分析
（1）主要航天國(guó)家均制定符合本國(guó)發(fā)展特點(diǎn)的任務(wù)規(guī)劃。各國(guó)均結(jié)合本國(guó)實(shí)際，制定符合發(fā)展規(guī)律、富有技術(shù)特色的探測(cè)規(guī)劃。月球既是深空探測(cè)活動(dòng)的首選，也是開(kāi)展更遠(yuǎn)深空探測(cè)的跳板。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2030年前，各國(guó)規(guī)劃后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)約18次，火星探測(cè)任務(wù)5次，小行星探測(cè)任務(wù)5次，巨行星探測(cè)任務(wù)3次等，符合由近及遠(yuǎn)、由易到難的探測(cè)規(guī)律。
（2）地外資源開(kāi)發(fā)利用逐漸成為深空探測(cè)的熱點(diǎn)。月球、火星和小行星等地外天體上都含有人類(lèi)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(lèi)對(duì)地外天體的資源開(kāi)發(fā)利用已提上日程，并可能催生地月經(jīng)濟(jì)圈、地外天體采礦、太空制造等新興產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
（3）國(guó)際合作日益增多、實(shí)施模式呈現(xiàn)多元化。各國(guó)均高度重視在深空探測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際合作，發(fā)揮各國(guó)優(yōu)勢(shì)技術(shù)資源，共攤投入、風(fēng)險(xiǎn)和收益；同時(shí)除了政府出資外，商業(yè)公司參與度越來(lái)越高，其研制模式更加靈活，如美國(guó)SpaceX公司批量生產(chǎn)“星艦”（Starship）并通過(guò)實(shí)際發(fā)射試錯(cuò)方式，快速形成定型產(chǎn)品。
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中國(guó)深空探測(cè)進(jìn)展
自2007年成功發(fā)射“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)器以來(lái)，共實(shí)施7次深空探測(cè)任務(wù)。中國(guó)按期圓滿完成探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo)，形成月球探測(cè)的工程技術(shù)能力，獲得了月球高分辨率圖像、月球結(jié)構(gòu)與演化等多項(xiàng)原創(chuàng)成果。同時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”作為中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，一步實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的環(huán)繞、著陸與巡視探測(cè)。中國(guó)通過(guò)深空探測(cè)活動(dòng)，建立了較為完整的深空探測(cè)科研和工程體系，為人類(lèi)探索宇宙奧秘作出貢獻(xiàn)。
2.1 ?嫦娥一號(hào)
2007年10月24日，“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)器成功發(fā)射，獲取了中國(guó)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(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，圓滿完成“繞”月任務(wù)，成為中國(guó)航天發(fā)展繼“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星和“神舟五號(hào)”載人飛船之后的第3個(gè)里程碑?！版隙鹨惶?hào)”月球探測(cè)器突破繞月探測(cè)的軌道設(shè)計(jì)、高精度高自主控制、地月距離測(cè)控通信、復(fù)雜環(huán)境熱控等關(guān)鍵技術(shù)，總體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
“嫦娥一號(hào)”實(shí)現(xiàn)中國(guó)千年奔月夢(mèng)想，開(kāi)創(chuàng)了“微波月亮”先河，開(kāi)啟中國(guó)人走向深空探索宇宙奧秘的時(shí)代，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入世界具有深空探測(cè)能力的國(guó)家行列。
2.2 ?嫦娥二號(hào)
2010年10月1日，“嫦娥二號(hào)”月球探測(cè)器成功發(fā)射，在環(huán)月軌道上對(duì)全月球進(jìn)行高精度立體成像，并對(duì)“嫦娥三號(hào)”預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行分辨率優(yōu)于1.5 m的詳查?！版隙鸲?hào)”在完成既定月球探測(cè)任務(wù)后，于2011年8月飛抵距離地球150萬(wàn)km的日地拉格朗日L2點(diǎn)，開(kāi)展環(huán)繞L2點(diǎn)的空間探測(cè)；又于2012年12月，飛抵距離地球700萬(wàn)km處，實(shí)現(xiàn)與4179（圖塔蒂斯）小行星的交會(huì)飛越探測(cè)，成為中國(guó)第1個(gè)環(huán)繞太陽(yáng)飛行的人造航天器?！版隙鸲?hào)”月球探測(cè)器突破直接地月轉(zhuǎn)移、高精度延時(shí)積分成像、行星際軌道設(shè)計(jì)與控制、千萬(wàn)公里級(jí)深空測(cè)控通信等關(guān)鍵技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)“一探三”，通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)月球、日地拉格朗日L2點(diǎn)和小行星的多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè)，總體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
“嫦娥二號(hào)”的研制與成功實(shí)施，開(kāi)辟了深空探測(cè)新領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)了任務(wù)新模式，取得“低成本、高質(zhì)量、高回報(bào)”的突出實(shí)效，將中國(guó)深空探測(cè)事業(yè)推進(jìn)到一個(gè)新的高度。
2.3 ?嫦娥三號(hào)
2013年12月2日，“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器成功發(fā)射，13 d后實(shí)現(xiàn)月球虹灣地區(qū)精準(zhǔn)軟著陸。此后，著陸器與“玉兔號(hào)”月球車(chē)成功實(shí)現(xiàn)兩器分離、兩器互拍，并分別開(kāi)展月面就位探測(cè)和巡視探測(cè)，圓滿完成“落”月任務(wù)，如圖3和圖4所示?！版隙鹑?hào)”月球探測(cè)器突破了月球著陸自主導(dǎo)航控制與懸停避障、變推力推進(jìn)、著陸緩沖、月面移動(dòng)、月面生存、遙操作控制等關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)在月面著陸探測(cè)器、月球車(chē)的多種形式的科學(xué)探測(cè)；首次采用對(duì)月測(cè)距測(cè)速和地形識(shí)別敏感器及7500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(shù)，實(shí)現(xiàn)極端溫度環(huán)境下的月面生存?！版隙鹑?hào)”月球探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)中國(guó)地外天體軟著陸和巡視探測(cè)，成為繼美國(guó)、蘇聯(lián)之后第3個(gè)成功實(shí)現(xiàn)地外天體軟著陸和巡視勘查的國(guó)家。與同類(lèi)任務(wù)相比，“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器總體技術(shù)水平已躋身世界同類(lèi)任務(wù)的領(lǐng)先行列。
2.4 ?嫦娥四號(hào)
為提前建立月球背面對(duì)地中繼鏈路，2018年5月21日，承擔(dān)“嫦娥四號(hào)”中繼通信任務(wù)的“鵲橋”中繼星成功發(fā)射，進(jìn)入地月拉格朗日L2點(diǎn)使命軌道。2018年12月8日，“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器成功發(fā)射。2019年1月3日，“嫦娥四號(hào)”實(shí)現(xiàn)人類(lèi)航天器首次在月球背面軟著陸，“玉兔二號(hào)”月球車(chē)率先在月球背面刻上中國(guó)足跡，如圖5和圖6所示?！版隙鹚奶?hào)”任務(wù)首次利用地月拉格朗日L2點(diǎn)衛(wèi)星中繼通信，支持探測(cè)器在月球背面著陸和巡視探測(cè)，是人類(lèi)航天發(fā)展史上的又一新的突破。“嫦娥四號(hào)”突破地月中繼通信、復(fù)雜地形著陸、空間同位素?zé)?電源等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具備全月面到達(dá)、自主精準(zhǔn)著陸、地月L2點(diǎn)中繼、高精度高可靠發(fā)射、多目標(biāo)月球測(cè)控通信、同位素電源國(guó)產(chǎn)化等能力，填補(bǔ)了國(guó)際空白；帶動(dòng)新能源、新材料、新工藝、人工智能、先進(jìn)電子等技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)中國(guó)空間射電天文學(xué)、行星科學(xué)等發(fā)展，對(duì)推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)和科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)、提高民族凝聚力，具有重大現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)歷史影響。
“嫦娥四號(hào)”還首次搭載德國(guó)、荷蘭、沙特等多個(gè)國(guó)家的科學(xué)載荷，建立國(guó)際合作的有效機(jī)制，為人類(lèi)和平利用太空，貢獻(xiàn)中國(guó)智慧、中國(guó)方案、中國(guó)力量。
2.5 ?嫦娥五號(hào)
“嫦娥五號(hào)”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(wù)艙與返回器分離，返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸；服務(wù)艙經(jīng)過(guò)規(guī)避機(jī)動(dòng)后，執(zhí)行了地月L2點(diǎn)探測(cè)、環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接遠(yuǎn)程導(dǎo)引飛行試驗(yàn)、“嫦娥五號(hào)”著陸區(qū)高分辨率成像等試驗(yàn)。月地高速再入返回任務(wù)的實(shí)施，使中國(guó)掌握了第二宇宙速度半彈道跳躍式再入返回技術(shù)，構(gòu)建了月地高速再入返回工程體系，實(shí)現(xiàn)第二宇宙速度安全返回。
2020年11月24日，中國(guó)發(fā)射“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器。2020年12月17日，“嫦娥五號(hào)”返回器成功著陸在內(nèi)蒙古預(yù)定著落區(qū)，完成中國(guó)首次月球采樣返回，時(shí)隔44年再次為人類(lèi)帶回月球樣品?！版隙鹞逄?hào)”突破月面起飛上升技術(shù)，月面自動(dòng)采樣封裝技術(shù)，無(wú)人月球軌道交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)，月地轉(zhuǎn)移入射和攜帶月球樣品高速再入返回地球的技術(shù)，復(fù)雜探測(cè)器裝配、集成與測(cè)試（Assembly, Integration and Test, AIT）技術(shù)，建立月面無(wú)人自動(dòng)采樣返回地面試驗(yàn)體系?！版隙鹞逄?hào)”探測(cè)器效果圖如圖7所示。
?“嫦娥五號(hào)”任務(wù)是探月工程的第6次任務(wù)，也是中國(guó)航天迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一，實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次月球無(wú)人采樣返回，創(chuàng)造單次無(wú)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(jié)果，比此前國(guó)際預(yù)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(xué)認(rèn)知。
2.6 ?天問(wèn)一號(hào)
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)是中國(guó)行星探測(cè)首次任務(wù)，于2020年7月發(fā)射。2021年5月15日，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選區(qū)域，在火星上首次留下中國(guó)人的印跡。2021年5月22日，“祝融號(hào)”火星車(chē)駛下著陸平臺(tái)，6月11日完成兩器拍照，高起點(diǎn)、高質(zhì)量地圓滿完成中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，“祝融號(hào)”火星車(chē)和著陸平臺(tái)在火星表面工作如圖8所示。這是國(guó)際上首次通過(guò)一次任務(wù)完成火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)，對(duì)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(chǎng)等開(kāi)展科學(xué)探測(cè)；國(guó)際上首次采用基于配平翼的火星大氣進(jìn)入方案、在火星車(chē)上采用太陽(yáng)能集熱等關(guān)鍵技術(shù)，使中國(guó)成為世界上第2個(gè)成功著陸火星并開(kāi)展巡視探測(cè)的國(guó)家，實(shí)現(xiàn)中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越。
“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)成功是中國(guó)航天事業(yè)自主創(chuàng)新和跨越發(fā)展的標(biāo)志性成就。在中國(guó)航天發(fā)展史上實(shí)現(xiàn)了6個(gè)首次：一是首次實(shí)現(xiàn)地火轉(zhuǎn)移軌道探測(cè)器發(fā)射，二是首次實(shí)現(xiàn)行星際飛行，三是首次實(shí)現(xiàn)地外行星軟著陸，四是首次實(shí)現(xiàn)地外行星表面巡視探測(cè)，五是首次實(shí)現(xiàn)4億km距離的測(cè)控通信，六是首次獲取第一手的火星科學(xué)數(shù)據(jù)。在世界航天史上，“天問(wèn)一號(hào)”不僅在火星上首次留下中國(guó)人的印跡，而且首次成功實(shí)現(xiàn)通過(guò)一次任務(wù)完成火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標(biāo)，充分展現(xiàn)中國(guó)航天人的智慧，標(biāo)志著中國(guó)在行星探測(cè)領(lǐng)域跨入世界先進(jìn)行列。
總之，中國(guó)深空探測(cè)起步晚，但起點(diǎn)高。從無(wú)到有，取得一系列空間技術(shù)突破和空間科學(xué)成果，逐步建立起較為完備的學(xué)科體系和科研平臺(tái)，具備跨越發(fā)展的基礎(chǔ)。
但與航天強(qiáng)國(guó)和人類(lèi)探索未知的愿望相比，中國(guó)仍存在不小差距。主要表現(xiàn)在：一是在探測(cè)目標(biāo)天體的數(shù)量和科學(xué)發(fā)現(xiàn)方面，存在較多欠缺和空白，需要持續(xù)開(kāi)展；二是在探測(cè)技術(shù)手段，探測(cè)深度、廣度和精細(xì)化程度上，還存在不足；三是對(duì)地外天體資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)尚處于地面研究階段。
3
中國(guó)深空探測(cè)未來(lái)展望
習(xí)近平總書(shū)記創(chuàng)造性地提出人類(lèi)命運(yùn)共同體理念，為開(kāi)啟中國(guó)深空探測(cè)新征程和人類(lèi)共同的太空活動(dòng)指明發(fā)展方向。中國(guó)應(yīng)在現(xiàn)有深空探測(cè)基礎(chǔ)上，乘勢(shì)而上，加速開(kāi)展月球及其以遠(yuǎn)的深空探測(cè)活動(dòng)，敢于探盲區(qū)，勇于拓新區(qū)，通過(guò)若干任務(wù)實(shí)施，推動(dòng)深空技術(shù)、深空科學(xué)和深空利用跨越發(fā)展。
3.1 ?未來(lái)任務(wù)設(shè)想
3.1.1 ?月球探測(cè)
在月球探測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)通過(guò)月球基地或科研站建設(shè)，在深化月球科學(xué)探測(cè)和月球資源開(kāi)發(fā)利用上持續(xù)發(fā)力。近期，應(yīng)通過(guò)幾次任務(wù)，圍繞月球極區(qū)這片人類(lèi)尚未涉足的處女地，實(shí)現(xiàn)月球極區(qū)資源詳細(xì)勘查，并開(kāi)展無(wú)人月球科研站關(guān)鍵技術(shù)先期攻關(guān)，建設(shè)月球科研站基本型。圍繞月球地質(zhì)構(gòu)造、空間天文、資源與環(huán)境等科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展深化研究，獲得原創(chuàng)性科學(xué)成果，為未來(lái)月球科研站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，以及載人探月奠定基礎(chǔ)。首先開(kāi)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(cè)、適應(yīng)極區(qū)環(huán)境的智能機(jī)器人等關(guān)鍵技術(shù)，揭示月球深部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成等，開(kāi)展月球水冰證認(rèn)。其次，實(shí)施月球極區(qū)樣品采樣返回，揭示月球早期撞擊和風(fēng)化層月壤等形成與演化過(guò)程，深化月球地質(zhì)構(gòu)造研究。最后開(kāi)展月球極區(qū)資源開(kāi)發(fā)利用試驗(yàn)，突破智能機(jī)器人協(xié)同操作、月球科研站指揮中樞綜合控制等關(guān)鍵技術(shù)。這些探測(cè)器通過(guò)協(xié)同工作，構(gòu)成月球科研站基本型，既對(duì)月球開(kāi)展長(zhǎng)期科學(xué)探測(cè)，又對(duì)地球進(jìn)行大范圍、全尺度、長(zhǎng)周期觀測(cè)，并為后續(xù)科研站建設(shè)所需的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展實(shí)地驗(yàn)證。
同時(shí)，應(yīng)與相關(guān)國(guó)家、國(guó)際組織和國(guó)際合作伙伴共同開(kāi)展國(guó)際月球科研站建設(shè)，按照“共商、共建、共享”的原則，在充分繼承中國(guó)探月工程已掌握的探月技術(shù)基礎(chǔ)上，在月面建設(shè)和運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)設(shè)施和共享平臺(tái)，支撐開(kāi)展長(zhǎng)期、較大規(guī)模的月球軌道與月面探測(cè)、天文與對(duì)地觀測(cè)、基礎(chǔ)科學(xué)試驗(yàn)、資源開(kāi)發(fā)利用和技術(shù)驗(yàn)證等。此外，應(yīng)持續(xù)深化載人登月方案論證，組織開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制新一代載人飛船，夯實(shí)載人探索開(kāi)發(fā)地月空間基礎(chǔ)。
3.1.2 ?月球以遠(yuǎn)的行星探測(cè)
在月球以遠(yuǎn)的行星探測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)在廣度和深度上持續(xù)發(fā)力。圍繞行星科學(xué)前沿重大問(wèn)題，應(yīng)加速實(shí)施小行星探測(cè)、火星取樣返回、木星系及行星際穿越等探測(cè)任務(wù)，深化火星、巨行星和行星際科學(xué)認(rèn)知，揭示太陽(yáng)系起源與演化規(guī)律，帶動(dòng)深空技術(shù)跨越發(fā)展。
小行星探測(cè)任務(wù)。圍繞人類(lèi)尚未涉足的小行星或彗星，突破自主導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)。測(cè)定小行星與主帶彗星的軌道、自轉(zhuǎn)、形狀和熱輻射等物理參數(shù)，研究軌道起源與動(dòng)力學(xué)演化，探測(cè)小行星與主帶彗星物理性質(zhì)、化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)，揭示小行星演化歷史，深化太陽(yáng)系起源與演化研究。
火星取樣返回任務(wù)。應(yīng)突破火星表面起飛上升、微生物污染檢測(cè)與防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。深化火星形貌、物質(zhì)成分等探測(cè)，取回火星樣品，研究火表物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，深化火星成因和演化認(rèn)識(shí)，開(kāi)展生命蹤跡、比較行星學(xué)等研究。
木星系及行星際穿越探測(cè)任務(wù)。應(yīng)突破空間高效同位素發(fā)電、強(qiáng)輻射環(huán)境防護(hù)、極端高低溫自適應(yīng)熱控制、長(zhǎng)壽命自主運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)。探測(cè)木星系空間的磁場(chǎng)、等離子體和粒子分布、木星磁層的動(dòng)力學(xué)及其與太陽(yáng)風(fēng)耦合過(guò)程，探測(cè)木星衛(wèi)星表面形貌、物質(zhì)組成和構(gòu)造特征，探測(cè)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(xué)研究。
太陽(yáng)系邊際探測(cè)作為空間科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，逐漸成為國(guó)際空間探測(cè)的熱點(diǎn)。太陽(yáng)系邊際探測(cè)任務(wù)不僅可以填補(bǔ)中國(guó)空間物理、空間天文和行星科學(xué)等在深遠(yuǎn)空間的研究空白，而且對(duì)包括核電推進(jìn)、太陽(yáng)帆推進(jìn)、電帆推進(jìn)等新型動(dòng)力技術(shù)，以及超遠(yuǎn)距離行星際測(cè)控通信、超長(zhǎng)壽命空間產(chǎn)品保證、先進(jìn)探測(cè)載荷等技術(shù)，具有顯著的發(fā)展?fàn)恳饔?，為人?lèi)共同期待的未來(lái)星際探測(cè)的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。
3.2 ?未來(lái)主要關(guān)鍵技術(shù)
深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展依賴于航天技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家綜合實(shí)力的提高。為促進(jìn)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)平穩(wěn)順利發(fā)展，應(yīng)先期開(kāi)展若干關(guān)鍵技術(shù)研究，并取得突破。其中，深空探測(cè)器總體技術(shù)、新型能源、深空測(cè)控通信、智能自主控制、新型結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、新型科學(xué)載荷等技術(shù)是亟需突破和掌握的關(guān)鍵技術(shù)。
1）深空探測(cè)器總體技術(shù)
對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)而言，探測(cè)器總體技術(shù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在多任務(wù)多目標(biāo)多約束下的深空探測(cè)器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，其中如何實(shí)現(xiàn)燃料最省、時(shí)間最短到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的軌道設(shè)計(jì)與控制策略是航天任務(wù)設(shè)計(jì)中首要而關(guān)鍵的一環(huán)。相比近地衛(wèi)星軌道，深空目標(biāo)天體繁多且存在復(fù)雜變化的引力場(chǎng)環(huán)境，深空探測(cè)軌道技術(shù)包括多體系統(tǒng)低能量軌道設(shè)計(jì)與控制策略、不規(guī)則弱引力場(chǎng)軌道設(shè)計(jì)與控制策略、新型推進(jìn)衍生的軌道設(shè)計(jì)與控制策略等。此外，小天體探測(cè)任務(wù)目標(biāo)選擇、復(fù)雜序列借力軌道等也是未來(lái)深空探測(cè)軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)重要的研究方向。
2）新型能源技術(shù)
高效的能源系統(tǒng)是進(jìn)行深空探測(cè)任務(wù)的一項(xiàng)基本保障。核能源具有能量密度高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是解決未來(lái)深空探測(cè)能源問(wèn)題的一個(gè)有效途徑，包括同位素衰變能源、核裂變反應(yīng)堆能源等。核電源具有不依賴太陽(yáng)、能量自主產(chǎn)生、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高空間可用電功率水平和推進(jìn)系統(tǒng)可使用時(shí)間，特別適用于難以獲取太陽(yáng)能或具有瞬時(shí)大功率能量需求特點(diǎn)的深空探測(cè)任務(wù)，主要技術(shù)包括空間堆技術(shù)、高效熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)、大功率熱排散技術(shù)、輕質(zhì)高效輻射屏蔽技術(shù)、地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、核安全技術(shù)等。
3）新型深空測(cè)控通信技術(shù)
深空測(cè)控通信技術(shù)是天地信息交互的唯一手段，也是深空探測(cè)器正常運(yùn)行、充分發(fā)揮其應(yīng)用效能不可或缺的重要保證。深空探測(cè)器的測(cè)控通信面臨著由于遙遠(yuǎn)的距離所帶來(lái)的信號(hào)空間衰耗大、傳輸時(shí)間長(zhǎng)、傳播環(huán)境復(fù)雜等一系列問(wèn)題，是深空探測(cè)的難點(diǎn)之一。近10余年來(lái)，為解決深空探測(cè)測(cè)控通信時(shí)延、深空測(cè)角以及測(cè)控弧段等問(wèn)題，世界主要深空測(cè)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(shù)等方面進(jìn)行大量技術(shù)研究。
未來(lái)測(cè)控通信的發(fā)展主要包括高頻通信技術(shù)、天線組陣技術(shù)、光通信技術(shù)等。此外，建立深空測(cè)控中繼站、構(gòu)建行星際網(wǎng)絡(luò)以及采用量子通信技術(shù)等也將是未來(lái)深空測(cè)控發(fā)展的方向。
4）智能自主控制技術(shù)
深空探測(cè)器飛行距離遠(yuǎn)、所處環(huán)境復(fù)雜、任務(wù)周期長(zhǎng)、與地球通信存在較大時(shí)延，利用地面測(cè)控站進(jìn)行深空探測(cè)器的遙測(cè)和遙控已經(jīng)很難滿足探測(cè)器操作控制的實(shí)時(shí)性和安全性要求。深空探測(cè)器智能自主控制技術(shù)，即通過(guò)在探測(cè)器上構(gòu)建一個(gè)智能自主管理軟硬件系統(tǒng)，自主地進(jìn)行工程任務(wù)與科學(xué)任務(wù)的規(guī)劃調(diào)度、命令執(zhí)行、器上狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障時(shí)的系統(tǒng)重構(gòu)，完成無(wú)地面操控和無(wú)人參與情況下的探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間自主安全運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器在軌自主運(yùn)行與管理，必須突破自主任務(wù)規(guī)劃、自主導(dǎo)航、自主控制、自主故障處理等關(guān)鍵技術(shù)。
5）新型結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)
深空探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)是承受有效載荷、安裝設(shè)備、在軌操作和提供探測(cè)器主體骨架構(gòu)型的基礎(chǔ)。深空探測(cè)任務(wù)目標(biāo)的多樣性與特殊性決定了需要研發(fā)新型的結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)，尤其是對(duì)于在地外天體表面開(kāi)展巡視探測(cè)的航天器。為完成這一目標(biāo)，就必須研究適應(yīng)不同天體與目標(biāo)要求的新型著陸器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、巡視器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、鉆取采樣結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)等技術(shù)。
6）新型科學(xué)載荷技術(shù)
科學(xué)有效載荷是直接執(zhí)行特定航天器任務(wù)的儀器設(shè)備，直接關(guān)系科學(xué)探測(cè)成果的獲取和傳輸。深空探測(cè)科學(xué)目標(biāo)具有多樣性，如水冰探測(cè)、空間環(huán)境探測(cè)、金屬等各類(lèi)礦物質(zhì)探測(cè)等，決定了需要不同的新型載荷。同時(shí)，深空探測(cè)器的小型化和輕量化，以及科學(xué)探測(cè)精細(xì)化等特點(diǎn)，對(duì)載荷的小型化、輕量化和探測(cè)精度提出新要求。
7）深空天體資源利用技術(shù)
隨著人類(lèi)深空探測(cè)活動(dòng)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(lèi)追求的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須圍繞不同天體的地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)成分，表面環(huán)境等因素，在地面提前開(kāi)展深空天體資源利用技術(shù)研究，包括原位制氫與制氧技術(shù)、3D打印技術(shù)、原位建造技術(shù)等。
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結(jié)束語(yǔ)
對(duì)未知世界的探索、發(fā)現(xiàn)是人類(lèi)發(fā)展的永恒動(dòng)力。近年來(lái)，中國(guó)月球與深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，為實(shí)現(xiàn)航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)奠定了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)今世界，開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)正在由技術(shù)驅(qū)動(dòng)和科學(xué)牽引并舉逐步發(fā)展到以科學(xué)引領(lǐng)為主、牽引技術(shù)進(jìn)步的階段。深空探測(cè)活動(dòng)的目標(biāo)是加深對(duì)宇宙的認(rèn)知、拓展人類(lèi)的活動(dòng)空間、探尋地外生命信息，進(jìn)一步揭示宇宙奧秘與生命起源、了解并保護(hù)地球、激發(fā)科學(xué)探索精神?？梢灶A(yù)見(jiàn)，重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)將越來(lái)越多地誕生于深空探測(cè)領(lǐng)域，人類(lèi)的生存發(fā)展將越來(lái)越多地依賴于空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)步。基于此，中國(guó)應(yīng)加快開(kāi)啟深空探測(cè)新征程，持續(xù)開(kāi)展深空探測(cè)任務(wù)，加速推進(jìn)向深度和廣度發(fā)展，為構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)更多的中國(guó)力量和中國(guó)智慧。
