21世纪国外深空探测发展计划及进展

　第 17 卷 　第 3 期 2008 年 5 月 　　　　　　　　　　 航 　天 　器 　工 　程 SPACECRA FT EN GIN EERIN G　　　　　　　　　　　　 Vol. 17 　No. 3 　 　　　1 21 世纪国外深空探测发展计划及进展 韩鸿硕　陈　杰 (中国航天 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 咨询中心 ,北京 　100037) 摘 　要 　21 世纪初期 ,国外深空探测计划层出不穷 ,各类深空探测器不断升空。文章主要概 述新世纪各航天国家或地区的深空探测计划 ,并分别论述对月球、火星和其他行星以及小天体的探 测计划及其进展 ,最后进行综合分析研究。 关键词 　深空探测 　航天计划 　月球探测 　火星探测 中图分类号 :V474 　　文献标志码 :A 　　文章编号 :167328748 (2008) 0320001221 21st Century Foreign Deep Space Exploration Development Plans and Their Progresses HAN Hongshuo 　CH EN Jie (China Aerospace Engineering Consulting Center , Beijing 100037 ,China) Abstract : In the early stage of the 21st cent ury ,foreign deep space exploration develop ment plans are emerging one after anot her ,and various kinds of deep space explorers are being constantly launched up . Firstly , t his paper briefly describes deep space exploration plans in various space count ries and regions. Secondly , it discusses celestial exploration plans and t heir progresses in ex2 ploring the Moon , the Mars and small space bodies. Finally , comprehensive analyses are given. Key words : deep space exploration ; space planning ; Moon exploration ; Mars exploration 收稿日期 :2008203218 ;修回日期 :2008204208 作者简介 :韩鸿硕 (1939 - ) ,男 ,研究员 ,主要从事航天信息咨询研究。 1 　各国和地区深空探测发展规划概况 进入 21 世纪 ,人类的深空探测迎来了一个新纪 元。自 2003 年以来 ,世界各航天国家纷纷推出新的 深空探测发展战略、规划和计划 ,并力求建立全球空 间探测战略与结构体系 ,为了寻找天体中水和生命 的迹象 ,实现一系列科学目标 ,全面展开对整个太阳 系以及更远深空的探测。 111 　美国深空探测发展规划概况 21 世纪美国提出以“重返月球”为新起点的一 系列深空探测规划和计划。 1)美国国家“空间探测远景规划” 2004 年 1 月 14 日 ,布什发布了新的国家空间 计划总统令“探索精神的复兴 :美国空间探索远景规 划”,即“空间探索新构想”(Vision for Space Explo2 ration , VSE) ,其基本目标是“通过有力的空间计划 推进美国的科学、安全和经济发展”,主要内容是在 2020 年前重返月球 ,随后深入太阳系进行探测 ,最 终将人类送往火星或更远的深空[1 ] 。 但是需要指出的是 ,在 2008 年美国面临“总统 选举”的重大政治更迭之际 ,一些航天界人士乘机提 出所谓“替代空间探索设想”,其主要内容包括 :放弃 布什总统的月球基地构想 ,转而进行载人小行星探 索 ,将于 2025 年左右前往小行星 ;提前载人火星探 测飞行日程 ,将在火卫一和火卫二上登陆 ;将航天员 送上“拉格朗日点”; 研制结构简单、可重复使用的 乘员转移飞行器 ———深空航天飞机 (DSS) ,以及行 星间转移飞行器 ( ITV) 。提出进行这一重大战略改 变的理由是 :对于“重返月球”而言 ,美国公众 (特别 是在年青人中间)热情不高 ,而布什政府虽提出了堂 而皇之的计划 ,却几乎没有在合理的时间表内提供 实现这些计划所需的资金支持 ,载人重返月球成为 VSE 中一座“太远的桥梁”,而挑战新的载人小行星 任务的前景则更能在年青人中间激发热情 ;对于深 空探测目标而言 ,美国科学界多倾向于火星而非月 球 ,有的专家认为月球不是载人火星探测的“跳板”, 而是一块“绊脚石”;探测小行星和“拉格朗日点”的 任务构想 ,是比建立月球基地更快的登陆火星的跳 板[2 ] 。 2)美国国家航空航天局的“空间探索计划” 根据上述 VSE ,2005 年 9 月 19 日美国国家航 空航天局 (NASA)正式出台“空间探索计划”,确定 了 2006 —2016 年的战略目标和 2016 年以后的远景 展望。2006 - 2016 年的战略目标及其预期成果中 包括空间探索、空间运输系统和重返月球等 6 大目 标。其中 ,空间探索目标主要是将空间探索重新作 为人类空间飞行计划的重点 ,制订总体计划 ,并确定 了 6 个子目标 : (1)开展天基地球研究 ; (2)认识太阳 及其影响 ; (3)增加有关太阳系历史、地外生命存在 可能性、探索空间面临的灾害和资源的知识 ; (4) 发 现宇宙的起源、结构、演化和命运并寻找类地行星 ; (5)增加航空知识、发展技术和增强能力 ; (6)认识空 间环境对人类行为的影响、试验新技术、保障人类长 期进行空间探测。重返月球目标主要为 :确定重返 月球计划并使其成果用于火星和其他目的地任务 , 首先通过机器人月球探测计划 ( RL EP) 开展研究来 确定未来任务的要求 ,至 2008 年发射月球勘测轨道 器 (L unar Reconnaissance Orbiter ,L RO) 提供有关 载人探测地点的信息 ,至 2010 年确定与开展月球和 火星探测任务所需的核技术 ,并实现科学与探测任 务相应的空间通信和导航结构体系 ,至 2012 年发展 与试验原位资源利用、发电和自主系统所需的技术。 2016 年以后的远景展望主要包括 :从月球迈向火 星、航空、认识太阳系和探测宇宙终极和寻找类地世 界[1 ] 。2005 年 9 月 NASA 公布了 2015 - 2025 年深 空探测的路线图[3 ] 。2007 年 9 月 ,又进行了更新 , 将载人登月时间由 2018 年推迟至 2021 年左右 ,载 人火星探测时间推迟至 2030 年以后 ,如图 1 所 示[4 ] 。 图 1 　美国 NASA 空间探测路线图 Fig. 1 　NASA space exploration roadmap 112 　俄罗斯深空探测发展规划概况 俄罗斯在新世纪也在酝酿深空探测的新蓝图和 新路线 ,但是迄今为止尚不十分明朗。 1)俄罗斯政府的“2006 - 2015 年俄联邦航天发 展规划” 2005 年 7 月 14 日 ,俄罗斯政府批准了总经费 达 3 050 亿卢布的“2006 - 2015 年俄联邦航天发展 规划”。该规划曾提出 2009 年向火卫一发射探测 2 　航 　天 　器 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　17 卷 　 器 ;以后还将向火星发射载人飞船。2005 年 10 月 22 日俄罗斯政府正式批准了“俄联邦 2006 - 2015 年航天规划”。该计划第一阶段 (至 2010 年期间)将 建成一系列航天器 ,包括 1 个用于研究太阳与日2地 关系的航天器和 1 个用于研究火星并把火卫21 的 土壤送回地球的航天器 ;第二阶段 (至 2015 年期间) 要保证增加和维护轨道集群 ,包括 3 个研究太阳与 日2地关系的航天器和 1 个研究月球的航天器。“载 人轨道飞行”是该计划“航天活动”8 项优先发展方 向之一 ,其中包括建造新一代飞船 ,为实现载人火星 考察研制基础设备[5 ] 。 2)能源火箭航天集团的“2006 - 2030 年俄罗斯 载人航天发展规划构想” 2005 年底 ,俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团 制定并提交了“2006 - 2030 年俄罗斯载人航天发展 规划构想”,并于 2006 年 5 月 6 日公布。该规划构 想的载人航天发展阶段共分为四个 ,其中第三阶段 是实现载人月球计划 ,第四阶段是进行载人火星考 察[6 ] 。 3)俄罗斯政府的“2006 - 2040 年远期航天发展 规划” 2007 年 8 月 ,俄罗斯政府公布了“2006 - 2040 年远期航天发展规划”。与此同时 ,俄罗斯航天局局 长佩尔米诺夫在谈到载人空间探测时指出 ,俄罗斯 计划 2015 年前主要完成“国际空间站”俄罗斯舱段 的建设 ,2025 年实现载人登月 ,2028 - 2032 年间建 立一座有人居住的月球基地 ;2035 年后开展载人登 陆火星任务。他还指出 ,俄罗斯航天计划的经费只 有美国航天计划经费的不到 10 % ,但其仍然保持着 勃勃雄心[7 ] 。 113 　欧洲深空探测发展规划概况 21 世纪欧洲的深空探测战略主要是对太阳系 和适宜移居的星球进行探测 ,共分三步走 :第一步是 于 2010 年前向火星发射无人自动探测器 ;第二步是 在 2020 - 2025 年向月球发射载人飞船 ;第三步是在 2025 - 2035 年向火星发射载人飞船。 1)欧洲航天局的“曙光”计划 2001 年欧洲航天局 ( ESA) 和欧洲研究委员会 共同制定了“曙光”(Aurora) 计划和原则 ,并于 2004 年 2 月 3 日正式公布了这项号称“欧洲阿波罗计划” 的超大规模星际探测计划。该计划是一项多国计 划 ,将确立欧洲 30 年的太阳系探测发展战略 ,包括 2005 年启动采用许多新技术的先期不载人火星探 测任务 ,2020 年前后执行探测月球、火星和类似小 行星的载人任务。从目前进展来看 ,2015 年前主要 进行机器人无人探测 ,包括月球、火星、彗星、金星和 水星探测[8 ] 。而此阶段重点是火星探测 ,标志性任 务是火星漫步者 ( ExoMars ) 和火星采样返回 (MSR)探测器。该计划 2005 - 2009 年阶段计划经 费为 9 亿欧元。“曙光”计划的路线如图 2 所示[9 ] 。 图 2 　欧洲航天局 ( ESA)“曙光”计划路线图 Fig. 2 　ESA Aurora program roadmap 　　2) ESA 的“2015 - 2025 年宇宙设想” 2005 年 4 月 , ESA 公布了“2015 - 2025 年宇宙 设想”,提出了空间探索的一系列科学目标 ,包括火 星现场探测和取样返回、木星探测、三维太阳磁场探 测、建造天基天文观测台以及探索生命的起源和行 星的形成与演化等若干项目 ,并计划于 2007 年开始 相关研究。上述“曙光”计划可能作为该“设想”的一 个力量倍增器。 3　　第 3 期 　　　　　　　　　　　韩鸿硕 等 :21 世纪国外深空探测发展计划及进展 2007 年 7 月 ,ESA 公布了上述“设想”内最新的 “宇宙研究计划”。该计划共包括 9 项将各耗资 315 ～7 亿欧元的大型 (M 级) 计划 ,其中 4 项深空探测 计划是 : (1)拉普拉斯 (Laplace) 计划 :目标是研究木 星及其卫星 (尤其是木卫二) ,将发射 3 个探测器 ; (2)大力神和恩科拉多斯任务 ( Titan and Enceladus Mission , TandEM) 计划 :目标是研究土星的卫星 (包括土卫六和土卫二) ,探测器包括轨道器和着陆 器 ,预计将在 10 年内向土卫六发射一个由气球担当 主要角色的自动探测器 ,该计划总投资将达 7 亿欧 元 ; (3) X 射线放射宇宙光谱学 (X2ray Evolving Uni2 verse Spectroscopy , XEUS) 计划 :目标是发射由两个 探测器组成的 X射线空间望远镜 ; (4)“角宿”(Spica) 计划 :目标是建造一台先进的新型红外望远镜 ,以发 现银河系、恒星和行星的起源 ,该计划将由欧洲和日 本联合实行。此外 ,ESA 还准备发射探测器登陆小行 星 ,并在采集其土壤样本后返回地球[10 ] 。 114 　日本深空探测发展规划概况 1)“空间活动长期计划”和“空间开发应用基本 战略” 2003 年 9 月 ,日本空间活动委员会确定了为期 10 年的“空间活动长期计划”。2004 年 9 月 ,日本又 制订了“空间开发应用基本战略”,计划今后 10 年左 右推进基础研究开发工作 ,20～30 年后独立开展载 人空间活动。 2)日本宇宙航空研究开发机构的“太空开发长 期 (远景)规划” 2005 年 1 月 6 日 ,日本宇宙航空研究开发机构 (J AXA)公布了“太空开发远景规划”草案 ,提出了 未来 20 年日本太空开发的主要目标。同年 4 月 , J AXA 向政府提交了总投资达 570 亿美元的 “J AXA 2025 年长期规划”,内容重点是“月球探测 与利用”和“太阳系探测”。其中“月球探测与利用” 包括进行月球探测并建立月球基地 ,计划在 2015 年 前实现机器人探月 ,2025 年前研制重复使用载人航 天器 ,实现载人登月和建立月球太阳能研究基地 ; “太阳系探测”包括行星2C 金星轨道器、第二个隼鸟 ( Hayabusa)小行星探测器和贝皮 ·柯兰布 (Bepi2 Colombo)水星轨道器[11 ] 。日本整个深空探测路线 如图 3 所示[12 ] 。 图 3 　日本宇宙航空研究开发机构 (J AXA)深空探测路线图 Fig. 3 　J AXA deep space exploration roadmap 115 　印度深空探测发展规划概况 近年来印度一直谋求在世界航天活动中确立起 航天大国的地位 ,并在亚洲争雄。为此 ,其加强与美 国、欧洲和俄罗斯的航天合作 ,以加快发展航天能 力 ,尤其是加速发展深空探测。2006 年 12 月 ,印度 空间研究组织 ( ISRO)提出将于近期执行月球初航2 1 月球探测任务 , 2011 年进行月球初航22 任务 , 2025 年开展小行星/ 彗星飞越任务 ,2019 年开展火星任务 ,2020 年以后开展金星、水星探测[13 ] 。2006年 , ISRO 还提出了载人航天计划 ,计划于 2014 年前将一名印度宇航员送入太空 ;2020 年前后将印度航天员送上月球 ,实现登月梦想。其中 ,载人航天飞行计划每年耗资 25130 亿美元 ,是目前 ISRO 每年财政预算的 3 倍多 ,而载人登月计划耗资将更高。 4 　航 　天 　器 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　17 卷 　 2 　国外各类深空探测计划的最新进展 和前景预测 　　21 世纪 ,月球和火星探测成为国际深空探测活 动舞台的中心 ,其他行星乃至整个太阳系以及更远 的深空探测也在进行或筹划之中。 211 　月球探测计划进展状况 21 世纪各国月球探测的战略目标是实现载人 登月、建立月球基地 ,然后以月球为跳板奔向深空。 1)美国的月球探索计划进展状况 (1) NASA 的重返月球计划 早在 1995 年美国就提出了面向 21 世纪的重返 月球计划[14 ] 。2005 年 , NASA 公布了新的重返月 球计划 ,其主要内容包括 : ①在 2018 年前利用机器 人对月球表面进行研究 ,选择登月地点和判定是否 存在可利用资源 ; ②2018 年再次实现载人登月 ,以 后每年至少执行两次月球任务 ,初期宇航员在月面 停留 7 天 ,未来延长至 6 个月 ,进行多项科学研究并 寻找可利用资源 ; ③建立月球基地 ,包括宇航员生活 设施、发电站和通信站。执行重返月球任务的探测 系统将采用航天飞机和阿波罗计划中成熟的、安全 而可靠的设计和技术 ,主要包括新型“乘员探索飞行 器”(CEV) 、月球着陆器和“乘员运载火箭”(CL V) 。 NASA 局长迈克尔 ·格里芬称该计划将持续 13 年 ,耗资 1 040 亿美元 ,但这仅相当于阿波罗登月计 划的 55 %[15 ] 。其中 2011 —2018 年每年将花费 70 ～150 亿美元。该计划的登陆 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 类似于阿波罗计 划 ,仍然选用月球轨道交会方案。2005 年 9 月 ,美 国 NASA 公布的“空间探索计划”明确并细化了载 人月球任务的目标 ,确定了 2018 —2020 年载人登月 的时间表。2007 年 9 月 ,NASA 又更新了空间探测 路线图 ,月球机器人任务至 2010 年左右 ,猎户座飞 船 (Orion)具备初步能力由 2014 年推迟至 2016 年 , 而载人登月时间由 2018 年推迟至 2021 年左右 ,并 开始建立月球前哨站基地。 (2)“月球先驱机器人计划” 目前 NASA 正在执行“月球先驱机器人计划” (L PRP) ,该计划通过执行月球机器人任务来进行 研究和为未来月球探测做准备 ,从而支持美国重返 月球[ 16217 ] 。 月球勘测轨道器 (L RO) 是“月球先驱机器人计 划”的第一项任务 ,也是 NASA 重返月球和执行“空 间探索新构想”的第一项任务 ,如图 4 所示。L RO 将于 2008 年 10 月末发射 ,环绕月球轨道运行一年 , 对月球的地形、资源和热与辐射环境进行广泛的勘 测。这些有关月球表面的数据对于在 2021 年之前 进行的首次载人月球出击的选址、安全着陆和航天 员安全至为关键。与此同时 ,美国将发射称为“月坑 观测与探测卫星”(L CROSS) 的小型探测器撞击月 坑。该探测器将于 2008 年与 L RO 一起飞往月球。 估计 L RO 和 L CROSS 任务共耗资 6 亿美元[18 ] 。 NASA“月球体系队伍”(LAT)的研究将检验支持 2021 年前载人月球出击所需的要求。LAT 于 2007 年 下半年结束“月球探测体系”第 2 阶段的细化 ,并帮助 确定以后LRO 和 LCROSS的未来任务与仪器。 LRO 和 LCROSS的后继项目可能是在月球极区 着陆的“想象”(Notional) 机器人着陆器 ,目标是作为 月球前哨的可能备选着陆器。“想象”机器人月球着 陆器如图 5 所示。理想上它要尽可能接近月坑边缘 , 以便利于研究月坑永久阴影区内的极端环境[17 ] 。 图 4 　美国“月球勘索轨道器”(L RO) Fig. 4 　U. S. L unar Reconnaissance Orbiter (L RO) 图 5 　美国“想象”机器人月球着陆器 Fig. 5 　U. S. Notional robotic lunar lander 5　　第 3 期 　　　　　　　　　　　韩鸿硕 等 :21 世纪国外深空探测发展计划及进展 (3)“星座系统计划” “星座系统计划”是 NASA 的载人月球探测计 划。组成该计划初步能力阶段的项目包括猎户座飞 船 ( Orion) ,即“乘员探索飞行器”和战神2I 火箭 (A RES21) ,即“乘员运载火箭”,舱外活动 ( EVA) 服 与工具 ,以及取代航天飞机支持“国际空间站”低地 轨道任务所需的地面与任务操作基础结构。猎户座 飞船与战神2I 目前的目标是不迟于 2014 年运行。 该系统还将包括战神2V ( ARES25) (即货运运载火 箭) 、地球飞离级 ( EDS) 、月球表面到达舱 (L SAM) 或牵牛星 (Altair) 月球着陆器以及相关支持能力 , 这些能力将支持不迟于 2021 年开始的月球任 务[16 ] 。上述美国月球运输体系如图 6 所示[ 3 ] 。 图 6 　美国月球运输体系 Fig. 6 　U. S. lunar t ransportation architecture 　　猎户座飞船为重复使用飞船 ,能重复飞行 5～ 10 次 ,外形类似阿波罗飞船 ,由洛克希德2马丁公司 研制。对于月球任务而言 ,猎户座飞船将首先运送 4 名航天员到达低地轨道 ,然后与 L SAM 连接以进 行飞往月球轨道之旅。L SAM 将下降到月球表面 , 进行为期一周的出击任务和为期 6 个月的前哨任 务 ;而与此同时 ,猎户座飞船将环绕月球轨道运行 , 等待 L SAM 的返回。在月球表面任务结束时 ,这两 个飞行器将进行交会对接 ,乘员将乘猎户座飞船返 回地球。该舱将再入地球大气层 ,利用降落伞下降 返回地球。猎户座飞船在月球轨道飞行示意图如图 7。目前 NASA 兰利研究中心已经建造了猎户座飞 船乘员舱的全比例模型 ,该模型将在不久后用于乘 员紧急逃逸试验。2008 年 3 月 ,NASA 还将设计月 球着陆器的 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 分别授予 5 家公司。 战神2Ⅰ两种构型的低轨道运载能力分别为 25t 和 35t ,主要用来发射猎户座飞船进行飞往月球和 火星的载人之旅。作为未来载人空间飞行活动的基 石 ,它成为“空间探索新构想”的一个重要组成部 分[16 ,19 ] 。 战神2Ⅴ火箭的低轨道运载能力超过 129t ,其 图 7 　美国“猎户座”飞船Fig. 7 　U. S. Orion Crew Exploration Vehicle“地球飞离级”将携带更大的有效载荷 (如月球着陆器)入轨。此外 ,猎户座飞船将与战神2V 火箭对接以执行月球任务 ,航天员将在月球探测新区域进行科学与技术实验。“战神”和“猎户座”都吸收了在阿波罗飞船和航天飞机计划中利用的最好组件来建造一个安全、可靠和在经济上可负担的系统。如战神2Ⅰ和战神2Ⅴ采用航天飞机固体火箭助推器和改进的外贮箱 ;用于上面级的是土星2Ⅴ火箭的 J22 发动机的改进型 J2 6 　航 　天 　器 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　17 卷 　 2X[20 ] 。 2)俄罗斯的月球探索计划进展状况 俄罗斯在 2006 - 2015 年航天发展规划的推动 下 ,于 2006 年正式启动探月计划。俄罗斯的月球探 测活动将分五步进行 :机器人无人月球探测 ;载人绕 月探测 ;载人登月探测 ;建立月球基地 ;进行月球工 业开发。 (1)俄罗斯联邦政府的月球探测计划 图 8 　俄罗斯“月球2全球”探测器 Fig. 8 　Russia L unar2Globe probe 俄罗斯 21 世纪的月球探测计划共分为三步走。 ①2005 年俄联邦航天局 ( RSA) 宣布了月球2全球 (L unar2Globe)计划 ,该计划提出 ,2008 - 2015 年俄 罗斯将 5 次发射先进的无人探测器 ,开展月球内部 构造研究 ,并开展月球资源利用等研究。首个探测 器由一个轨道器和 3 种月球表面探测器 (1 簇 10 枚 小型高速穿透器、2 枚低速穿透器、1 个月球极地着 陆器) 组成 ,如图 8 所示。②在 2012 年向月球发射 在月面软着陆的科学实验室。③将月球土壤样品带 回地球。未来 ,俄罗斯将陆续研制和发射月球软着 陆器、自动取样返回探测器和月球车[9 ] 。2007 年 11 月俄罗斯拉沃奇金设计局局长格奥尔基 ·波利修克 称 ,俄罗斯将于 2010 年首次发射“月球2全球”无人 探测器 ;2011 年开始与印度协力执行第 2 项月球探 测任务 ,其中包括发射 1 个 400kg 的新一代月面巡 视探测器[21 ] 。 2007 年 8 月 ,俄罗斯航天局局长佩尔米诺夫指 出 ,根据俄联邦政府 2040 年前的远期航天规划 ,在 2025 年前将实现载人登月 ,2028 - 2032 年期间建立 一座有人居住的月球基地 ,2040 年前建设航天员月 球常驻基地。 (2)俄罗斯能源火箭航天集团的“载人月球计 划” 2005 年俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团制 定并提交的《2006 - 2030 年俄罗斯载人航天发展规 划构想》第三阶段为实施“载人月球计划”,该计划分 三步实施[6 ] 。 3)欧洲的月球探索计划进展状况 1994 年 ,欧洲航天局 ( ESA ) 就提出了重返月 球、建立月球基地的探测计划。21 世纪初 , ESA 执 行了“智慧”( SMA R T) 系列计划 ,该计划以技术演 示与验证为手段 ,为机器人登月、建立月球基地和深 空探测大系统做科学技术准备[14 ] 。此外 ,一些欧洲 国家如英国、德国、奥地利等也单独提出了一些以技 术演示为目标的月球卫星探测计划。 (1)欧洲智慧21 月球探测器计划 智慧21 (SMA R T21) 月球探测卫星是欧洲首个 月球探测器 (如图 9 所示) ,其任务是验证新型太阳 能离子推进系统 ,探测与研究月球。它于 2003 年 9 月 27 日发射升空 ,并借助离子发动机于 2004 年 11 月 15 日到达近月轨道 , 最后进入距月面 470/ 2 900km的环月轨道 ,在此轨道上进行了大量科学 实验 ,完成任务后于 2006 年 9 月 3 日击中月球正 面。SMAR T21 撞击月球最显著的特点是造成月表 深处土石迸射 ,使地面科学家得以更深入广泛地观 测月表物质成分 ,以研究月球起源和分析月球开发 的前景 ,但是实际上并没有溅射出多少尘埃 ,因此地 面上观测不到。 图 9 　欧洲智慧21 探测器 Fig. 9 　Europe SMART21 probe (2) 英国的“月光”和“月耙”探测计划 英国的月球探测计划包括前后两个项目 ,分别 称为“月光”( MoonL ITE) 和“月耙”( MoonRaker) , 并计划在 2010 年发射首个月球探测器。“月光”项 目是发射环绕月球飞行的轨道器 (如图 10 所示) ,并 从轨道器上向月球不同地区发射 4 枚质量约 13kg 7　　第 3 期 　　　　　　　　　　　韩鸿硕 等 :21 世纪国外深空探测发展计划及进展 的穿透器。这些穿透器可以深入月表以下 2m。这 一项目将有助于科学家研究月球的内部构造 ,探索 月球的起源与演化 ,寻找月球上的水。“月耙”项目 是发射着陆探测器 (如图 11 所示) ,对月壤和月岩进 行详细考察 ,并继续寻找水资源 ,为建立月球基地做 准备。事实上 ,英国在航天技术领域拥有相当先进 的技术 ,欧洲“火星快车”计划中的猎兔犬22 火星着 陆器就是英国独立研制的[9 ] 。 图 10 　英国“月光”探测器 Fig. 10 　U. K. MoonL ITE probe 图 11 　英国“月耙”探测器 Fig. 11 　U. K. MoonRaker probe (3) 德国的“月球探测轨道器”(L EO)计划 2007 年 8 月 ,德国宣布 2012 年将发射独立研 制的“月球探测轨道器”(L EO) 。该项目将包括两 个编队飞行、能同时对月面进行测量的探测器 ,可得 到高分辨率的月面物体立体景象 ,在多光谱谱段上 生成全月面高分辨率立体地图。两个探测器分别重 500kg 和 150kg ,其中大探测器携带的微波雷达还 可以获得月面深处的信息。该项探测任务将持续 4 年。如果 2008 年能获准实施 ,德国将在 2013 年前 后将它的首个月球探测器送往月球 ,并随后研制“蒙 娜丽莎”(Mona Lisa)月球着陆探测器[9 ] 。 (4) 欧洲月球背面观测望远镜计划 2006 年 6 月 ,欧洲启动“月球射电望远镜”项目 论证 ,将在 2013 —2015 年间向月球背面南极区域发 射造价 13 亿欧元的望远镜 ,用于寻找系外行星 ,并 探测远至大爆炸后 30 万年产生的 1～10M Hz 的信 号。望远镜将包括一个着陆器 ,可由布撒器或小型 移动式机器人把偶极子布放到方圆 300～400m 的 区域内 ,用以接收宇宙射电信号。着陆器上还会携 带月震检波器 ,可探测到月面上的陨石撞击[18 ] 。 4)日本的月球探索计划进展状况 早在 20 世纪 80 年代 ,日本就执行了月球探测 计划 ,并于 1990 年发射了飞天号月球探测器 ,成为 世界上第三个探测月球的国家。90 年代以后 ,日本 制定的系统计划主要包括 : (1) 月球2A 计划 ; (2) 月 球软着陆探测与研究 ; (3)在月球表面建立月球极区 定位观测站。但是上述计划均未实现[14 ] 。1998 年 , 日本制定了“月女神”( SEL EN E) 计划 ,目的是完成 对月 面 进 行 详 细 观 察 的 任 务。2005 年 日 本 “J AXA2025 年长期规划”给出了机器人探月、载人 登月和建设月球基地的建议时间表。 未来日本的月球探测路线是 :未来 10 年内为月 球的利用开发先进技术 ,首先实现包括“月女神”计 划在内的月球探测计划 ,使日本走在世界前列 ,率先 取得包括选择月面地形、地质、重力场等着陆点所必 需的月面详细地图 ,同时获得对月球及更远太阳系 探测所需的技术 ;未来 20 年内实现月球基地建设和 利用所需的技术。日本未来 20 年月球探测路线如 图 12 所示。 (1)日本月球2A 轨道器计划 日本于 1991 年就启动了月球2A (L unar2A) 计 划 ,对月球背面进行观测与研究 ,提供有史以来第一 批有关月球背面的数据。该计划原定 1995 年发射 , 并已于 1996 年研制出轨道器 ,但穿透器由于技术问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 一再延期 ,尽管 2006 年初终于研制成功 ,却因轨 道器已老化而被迫中止计划。 (2)日本“月女神”轨道器计划 日本于 1998 年通过了“月女神”( SEL EN E) 计 划 ,它是阿波罗计划后世界上最大和最复杂的月球 探测任务。其目标是全面勘察月球 ,包括丰富的元 素资源、矿物成分、地形学、地质结构、重力场、磁场、 等离子体环境和陆地大气 ,从而研究月球的起源和 变化 ,测量月球和日地间的环境 ,研究未来利用月球 8 　航 　天 　器 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　17 卷 　 的可能性 ;发展月球轨道进入技术以及空间飞行器 的姿态和轨道控制。“月女神”包括主轨道器和两颗 子卫星 ,即甚长基线干涉测量法 (VLBI) 射频源卫星 (V RAD) 和中继卫星 ( RSA T) ,携带 14 台科学仪 器 ,总质量为 2 825kg。“月女神”月球轨道器如图 13 所示。它于 2007 年 9 月 14 日利用 H2IIA F13 运载火箭发射升空[ 22 ] 。 图 12 　日本 20 年 (2005 - 2025 年)月球探测路线图 Fig. 12 　Japanese twenty2year ( 2005 - 2025 ) lunar exploration roadmap 图 13 　日本“月女神”轨道器 Fig. 13 　Japanese SEL EN E lunar orbiter 　　将由“月女神”验证的技术包括 : ①综合着陆系 统 ; ②为达到精确着陆和自主故障排除的导航系统 ; ③能够延长时间周期的发电装置 ; ④支持材料取样/ 分析和仪器安装的月面移动性 ; ⑤原位资源利用 ; ⑥ 穿透器和地震检波器 ; ⑦从月球表面的数据中继 ; ⑧ 取样与返回。 5)印度的月球探索计划进展状况 印度在月球探测方面已经制定了详细的计划 , 分为无人探月和载人探月两部分。其中无人探月包 括三步 : (1)绕月飞行 :利用月球轨道器完成立体高 分辨率成像和月球的 X 射线和γ射线成像 ,详细探 测月球天气情况 ,研究月球稀有元素分布和月球附 近的粒子及辐射环境 ; (2) 月面探测 :向月球表面发 射探测器 ,研究月球磁场和月震 ,对月球南极地区进 行化学研究 ,寻找水和可能存在的生命迹象 ; (3) 取 样返回 :从月球上采集试样 ,研究月面组成和月球岩 石等。其中第一步首先要发射绕月飞行探测器 ,即 月球初航21 ( Chandrayaan21) 。载人探月将在实现 载人航天飞行计划以后 ,于 2020 年左右进行。 印度空间研究组织 ( ISRO) 的月球初航21 是印 度的第一个月球探测轨道器 ,其主要任务是对月球 的化学成分和地质地貌进行研究 ,它将运行在月表 上空 100km 的轨道上 ,绘制三维月图、探测月表化 学元素和放射性物质及一些矿产的分布情况。印度 计划于 2008 年将其发射升空。月球初航21 月球探 测轨道器如图 14 所示[14 ] 。 图 14 　印度月球初航21 轨道器 Fig. 14 　Indian Chandrayaan21 lunar orbiter 9　　第 3 期 　　　　　　　　　　　韩鸿硕 等 :21 世纪国外深空探测发展计划及进展 2006 年 9 月 6 —7 日 , ISRO 探讨了月球初航21 任务相关问题。月球初航21 将由极轨卫星运载火 箭 ( PSL V)发射升空。它除携带印度研制的有效载 荷外 ,还将携带 NASA 和 ESA 的仪器 ,包括 2 台美 国仪器 (微型合成孔径雷达和月球矿物绘图仪) 和 3 台欧洲仪器 ( X 射线成像光谱仪 ( CIXS22) 、次千伏 原子反射分析仪 ( SARA ) 和近红外光谱仪 ( SIR2 2) ) 。此外 ,印度正在设计与建造一个重 30kg 的撞 击器 ,将搭乘该探测器升空[18 ] 。第二次探月任务即 月球初航22 于 2011 年发射。 2007 年 12 月 ,俄罗斯航天局 ( RSA) 与印度 IS2 RO 签署“2017 年前共同合作研究月球”的 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ,双 方将共同制造月球轨道器和带有机动实验室的月球 着陆器 ,并在项目框架内将整个研究实验室送上月 球。 212 　火星探测 火星是地球轨道外侧最靠近地球的行星 ,其自 然环境与地球最为相似 ,因此火星探测是太阳系行 星探测的重中之重。探测的主要目标是探寻火星是 否存在或曾经存在生命现象以及是否存在水体 ,揭 示行星演化的共性和特性 ,探测有开发前景的有用 资源 ,为建设火星基地提供数据。目前和未来 10 年 内的主要关注点是 :火星上是否真正存在水及有多 少存储量 ;火星是否真正存在生命 ;火星是否适合人 类生活等问题。20 世纪 60 年代至今 ,美国、苏联/ 俄罗斯、日本和欧洲共发起了 30 余次火星探测计 划[23 ] ,21 世纪的火星探测计划如下所述。 1)美国的火星探索计划 2005 年 9 月美国 NASA 出台的“空间探索计 划”,进一步明确了实现载人火星探索的长期战略目 标 ,提出了机器人探测与载人火星探测的发展途径。 (1)美国火星探测漫游者计划 火星探测漫游者 ( Mars Exploration Rovers , M ER)是迄今最著名的火星表面探测器 ,它于 2003 年 6 - 7 月两次发射携带勇气号和机遇号火星车。 这两个火星车的探测目的主要是火星是否存在水。 它所携带的仪器包括 :全景相机、微型热辐射光谱 仪、阿尔法粒子 X 射线光谱仪和显微成像仪[23 ] 。 2005 年 ,在火星上巡游的美国勇气号和机遇号火星 车早已超过 90 天的设计寿命 ,仍继续工作并向地球 送回了大量的火星全景图像和显微图像 ,获得了大 量火星表面探测数据。 (2)美国“火星勘测轨道器”计划 2005 年 8 月 12 日 ,美国的火星勘测轨道器 (Mars Reconnaissance Orbiter ,MRO)顺利升空 ,其 任务是继续寻找火星上存在水的证据 ,并表征火星 气候与地质特征。MRO 载有 6 台仪器 ,包括雷达、 彩色成像仪、小型勘测成像光谱仪和气候探测仪等 , 将对火星从亚表面地质到云顶的各种现象进行观测 研究。MRO 如图 15 所示。它已于 2006 年 3 月 10 日成功完成精细的入轨机动动作 ,进入绕火星运行 的轨道 ,离表面最近点的高度约 420km。气动制动 中 ,探测器数百次地进入火星上层大气层 ,利用大气 阻力减速 ,从而改变轨道形状 ,经过近 7 个月的时 间 ,探测器的轨道已调整为周期 2h、高 321km 的近 圆形轨道 ,开始执行为期 2 年的科学观测任务。同 年 3 月 24 日 ,它首次传回试拍的火星表面照片。除 完成科学观测任务 ,MRO 还将承担火星着陆探测 器与地面之间的通信中继任务 ,主要是支持将在 2008 年在火星北极冰冠附近着陆的着陆器以及将 在 2010 年抵达火星的“火星科学实验室”[18 ] 。 图 15 　美国火星勘测轨道器 (MRO) Fig. 15 　U. S. Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) (3)美国凤凰号探测器计划 2007 年 8 月美国发射了凤凰号 ( Phoenix) 火星 探测器 ,其探测目的仍然是探测火星水资源。它将 利用显微电化学和传导率分析仪来探测水及冰中是 否存在生命必需的有机物 ,利用热析出气体分析仪 来分析土壤中是否含有水及其他化学成分[ 23 ] 。 (4)美国“火星科学实验室”计划 火星科学实验室 ( Mars Science Laboratory , MSL)将对火星的元素成分、元素同位素及其含量、 矿物和有机化合物进行测量 ,以确定能够支持生命 的环境。其科学目标包括 : ①评价在火星上生物存 在的可能性 ; ②表述着陆区域的地质学和地球化学 特征 ; ③确定与过去生命存在性相关的行星形成过 程 ; ④表述火星表面的辐射环境。MSL 是一个火星 01 　航 　天 　器 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　17 卷 　 图 16 　火星科学实验室 (MSL)火星车 Fig. 16 　U. S. Mars Science Laboratory (MSL) rover 表面巡视探测器 (火星车) ,它将采集和分析火星土 壤样品与岩芯 ,以探寻能够支持微生物的有机化合 物和环境条件。它将是一个长期 (2 年) 表面巡视实 验室 ,是 M ER 的勇气号和机遇号火星车长度的 2 倍和重量的 3 倍 (800～850kg) 。仪器设备包括 :表 面巡视探测器、立体与显微相机、机械臂工具、化学 相机、α 粒子 X 射线光谱仪、环境监测系统 ( REMS) 、中子动力学反射率 (DAN) 测量仪和巡航 级与再入系统。为 MSL 开发的关键技术包括 : ① 节流控制的大推力发动机 ; ②岩石采集与处理设备 ; ③长寿命、高可靠、耐热循环的电子器件。MSL 将 于 2009 年 9 月发射 ,飞行 12 个月后抵达火星 ,在火 星表面运行 2 个地球年 ,行程约 20km[16 ] 。 (5)美国载人火星探测计划 (设想) 2007 年 11 月 NASA 公布了载人火星探索战略 的详细情况 ,将采用空间组装方案 ,计划先分别于 2028 年 12 月和 2029 年 1 月将货舱和生活舱送往 火星 ,然后于 2031 年 2 月发射重达 400t 、采用先进 低温燃料推进系统的新型飞船 ,历时 6 个多月到达 火星 ,整个载人火星探索之旅将长约 30 个月 ,而航 天员预计将在火星表面停留 16 个月。该载人火星 探索项目耗资巨大 ,估计费用最高可达 4 500 亿美 元。 2)俄罗斯的火星探索计划 2005 年俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团制 定并提交的《2006 - 2030 年俄罗斯载人航天发展规 划构想》的第四阶段是进行载人火星研究考察 ,预计 在 2025 年后分三个阶段实施。其中 ,可多次使用的 火星考察综合体包括 :火星轨道飞船、起飞2着陆综 合体、返回地球的救生飞船、电喷发动机装置和太阳 能拖船[6 ] 。 目前俄罗斯正在执行福布斯 ( Phobos) 火星卫 星探测器计划 ,拟于 2009 年发射 ,在火卫一上软着 陆并采集样品[9 ] 。 3)欧洲的火星探索计划 ESA 的“曙光”探索计划是欧洲的主要火星探 索计划。 (1)欧洲“火星快车”探测计划 2003 年 6 月 2 日 ,欧洲火星快车 ( Mars Ex2 press , M E) 轨道器发射升空 ,6 个月后到达火星。 该探测器如图 17 所示。其主要目的之一是采用地 下水探测雷达/ 高度计来寻找火星的地下水。已取 得的成就包括首次对其他行星进行了地表下雷达探 测 ,其超/ 高分辨率立体彩色成像仪已经成功绘制了 火星北极的“冰冠”图像 ;并首次对一颗行星表面矿 物质组成进行了全面研究。 图 17 　欧洲“火星快车”轨道器 Fig. 17 　Europe Mars Express (M E) orbiter 2005 年 11 月 30 日 ESA 宣布 :欧洲的“火星快 车”轨道器携带的 MA RSIS 雷达找到了火星地下存 在冰层的有力证据 ,并探测到火星地表下储量丰富 的冰层 ,这些探测数据将为研究火星上是否有生命 迹象提供重要资料。2006 年 2 月 , ESA 发布了“火 星快车”探测器传回地球的高清晰度照片 ,照片显示 火星的北极附近有一块直径达 1218km 的巨大积 冰。它位于“北极低地”大平原中的一处陨石坑内 , 由于火星的温度和气压过低 ,造成它终年不化。该 陨石坑直径约 35km ,最深处约 2km ,在其边缘和坑 壁上也有积冰的迹象。这使科学家重新燃起在火星 上发现生命的希望 ,它将促使载人登陆火星计划加 速实现[ 18 ] 。 2007 年 2 月 27 日 ESA 宣布 ,将其“火星快车” 和“金星快车”任务延长至 2009 年 5 月。 (2)欧洲“火星漫步者”探测计划 火星漫步者 ( ExoMars)计划是欧洲“曙光”计划 的标志性任务 ,主要目标是寻找火星表面生物环境 性质的迹象 ,并确定火星上水的分布和测量火星表 11　　第 3 期 　　　　　　　　　　　韩鸿硕 等 :21 世纪国外深空探测发展计划及进展 面岩石的化学成分。它将利用着陆器、探测器和深 地钻头在火星表面和地下寻找生命痕迹。该探测器 原计划于 2009 年发射 ,但 2005 年 12 月 ESA 部长 级会议决定于 2011 年才启动该计划。ExoMars 需 要研制火星轨道器、着陆舱 (下降舱) 和火星表面巡 视探测器 (火星车) ,如图 18 所示。整个系统具有足 够的鲁棒性能 ,能够经受住进入大气的撞击 ,并能精 确着陆以满足任务实现的要求。火星车有效载荷约 230kg ,此外还包括约 40kg 的巴斯德 ( Pastenr) 载 荷 ,该生物探测载荷包括 1 个轻型钻孔系统、1 个取 样与处理设备和 1 套用于搜索生命迹象的科学设 备。为成功实现 ExoMars 任务 ,需要开发的系统技 术包括 :表面巡视系统、着陆系统、充气缓冲设备、太 阳能电池供电系统、自主技术和导航系统等。 左图 :火星轨道器、着陆舱 (下降舱) 　　　右图 :火星表面巡视探测器 (火星车) Left : Mars orbiter , lander 　　　　　　 Right : Mars rover 　　 图 18 　欧洲“火星漫步者”( ExoMars) Fig. 18 　Europe ExoMars 　　(3)欧洲“火星采样返回”任务计划 火星采样返回 ( Mars Sampling Ret urn , MSR) 探测器计划也是欧洲“曙光”计划的标志性任务 ,其 主要采集火星土壤样品并带回地球。它由欧洲空间 研究与技术中心 ( ESTEC) 设计 ,包括火星轨道器、 着陆舱和重返地球飞行器。其中着陆舱由采样器和 上升舱组成 ,如图 19 所示。火星土壤样品被采集后 放入上升舱中发射 ,与环绕火星轨道的重返地球飞 行器对接 ,再由重返地球飞行器携带样品沿弹道轨 迹返回地球。计划于 2011 年发射火星轨道器和重 返地球飞行器 ,2013 年左右发射着陆舱及上升舱。 为成功实现 MSR 任务 ,需要开发的系统技术包括 : 火星着陆系统、充气缓冲设备、火星上升舱、重返地 球飞行器对接系统等。 4)日本的火星探索计划 日本曾于 1998 年发射希望号 (NOZOMI) 火星 探测器 ,该探测器曾两次飞越月球 ,但由于轨道偏离 而无法进入火星轨道 ,不得不于 2003 年 12 月放弃 了进入火星轨道的计划。目前虽然提出了 2017 年 以后开展火星探测的设想 ,但只是建议 ,尚无明确的 新的火星探测计划。 图 19 　欧洲“火星采样返回”(MSR)探测器 Fig. 19 　Europe Mars Sampling Return (MSR) probe 213 　金星探测 金星是地球轨道内侧最靠近地球的行星 ,环境 极为恶劣 ,温度高达 400 ℃以上 ,大气密度和大气压 约为地球的 100 倍 ,大气层中还有浓硫酸云层 ,并且 多闪电雷暴。迄今为止 ,人类已向金星发射了近 40 个探测器 ,探测了金星的大气、土壤和引力场 ,并进 行了测绘。自 1990 年沉寂了 15 年以后 ,2005 年欧 洲才又发射了 21 世纪的第一个金星探测器。 金星快车 (Venus Express , V E) 是欧洲首次发 21 　航 　天 　器 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　17 卷 　 射的金星探测器 ,于 2005 年 11 月 9 日发射。2006 年 4 月 11 日 ,“金星快车”在太阳系里经过 414 × 108 km 的旅程后到达金星。它点燃主发动机 ,经历 49min 减速进入围绕该行星的轨道 ;然后通过一系 列轨道机动使该探测器达到其运行轨道 ,沿着一条 250km/ 66 000km 大椭圆轨道在 24h 期间围绕两极 转圈[ 24 ] 。 “金星快车”是在“火星快车”两年后由 ESA 实 施的第一个欧洲“曙光”计划任务。它在至少 2 个金 星日 (486 天) 期间 ,承担了有史以来最为全面广泛 的金星大气研究任务。 “金星快车”是“火星快车”的一个近似复制品 , 广泛采用“火星快车”的技术 ,以降低成本和研制风 险。但是做了一些改变 ,特别是研制了新型太阳阵 和改装了热控系统。研制工作在很短时间内 (从方 案到发射少于 4 年) 得以实现 ,这使其成为 ESA 曾 经执行的最快的科学任务。 “金星快车”总质量 1 270kg ,共有结构、热控、 电源、推进、姿态与轨道控制、通信和数据管理 7 个 分系统。探测器有效载荷总质量超过 94kg ,由 7 台 仪器组成 ,其中大多数是在“火星快车”或罗塞塔 (ROSA T TA)计划时间中研制的 ,包括 : ①空间离子 体和高能原子分析仪 (ASPERA) ; ②高分辨率红外 傅里叶光谱仪 ( PFS) ; ③用于太阳/ 恒星掩星和天底 观测的紫外与红外光谱仪 ( SPICAV) ; ④金星射电 科学仪器 (VeRa ) ; ⑤紫外2可见光2红外成像光谱仪 (V IR TIS) ; ⑥金星监视相机 ( VMC) ; ⑦磁力计 (MA G) 。“金星快车”探测器及其科学有效载荷如 图 20 所示。这些仪器将能对金星的大气、等离子环 境和表面进行非常详细的研究 ,目的在于加深对金 星大气成分