《火星之旅：开拓太空探索新篇章》报告分析

郭筱曦 （北京空间科技信息研究所）



《火星之旅：开拓太空探索新篇章》报告分析

郭筱曦 （北京空间科技信息研究所）

2015年10月8日，美国航空航天局（NASA）公开发布了《火星之旅：开拓太空探索新篇章》报告（以下简称《火星之旅》报告），全文35页，概要介绍了美国分3个阶段实施载人火星探索系列任务的规划，重申将在21世纪30年代实现载人登陆火星的终极目标。NASA规划载人火星探索活动已有数十年时间，此番报告的发布是最新举措，意在向公众和国际社会“传达其探索策略并分享进展”。

1　报告出台背景

美国始终将火星作为载人航天的长远目标

美国开展载人航天活动已超过半个世纪，载人火星探索的愿景最早可追溯至1969年“阿波罗”（Apollo）首次载人登月前后，时任美国副总统阿格纽领导的太空专题研究组向政府提交了一份有关“阿波罗”计划后续发展方向的报告，其中提到了实施火星任务、建设空间站等目标。自此之后，所有有关载人航天发展战略研究的工作组或顾问组，都将火星视为美国载人航天的终极目标。

2003年“哥伦比亚”（Columbia）航天飞机出现重大事故后，为恢复美国民众对空间探索计划的支持热度，也为了自己竞选连任，小布什总统于2004年提出“太空探索新构想”战略，宣布美国人将在2020年前重返月球，即“星座”计划，并为载人探索火星和其他目的地作准备。

奥巴马总统上任后，面对严峻的经济压力和巨额财政赤字，组建奥古斯丁委员会对正在进行的载人航天计划进行全面审查。根据审查结果，奥巴马总统于2010年2月宣布取消已进入工程研制阶段的“星座”计划，并借此提出“21世纪太空探索”新战略，目标是进行“月球以远”的载人空间探索，提出于21世纪30年代中期实现载人火星轨道飞行，之后实施载人火星登陆。同年，美国又发布了新版《美国国家空间政策》，将奥巴马太空探索新政内容作为一项民用航天指导方针确定下来。此后，对于载人火星探索的过渡目标，美国一直采取了多目的地探索策略，以火星为终极目标，将月球、近地小行星、拉格朗日点等目标作为备选目标，注重发展技术能力，以期在目标确定之时具备相应工程能力。

《火星之旅》报告则是直接响应了2010版《美国国家空间政策》的指示，近年也得到了美国国会授权法案的支持。《2010财年NASA授权法案》首次正式将“实施载人火星探索”定为美国载人航天计划的长远目标；《2014财年NASA授权法案》重申了这一承诺，并确认，载人火星探索是NASA的首要使命。

测试中的美国“洞察”火星着陆器

重视能力建设，连续出台顶层技术规划

美国空间探索规划当前集中了能实现多目的地探索的能力驱动战略。为确保载人航天持续发展，实现技术发展战略目标，美国开展了技术路线的系统研究并制定了技术投资规划，形成了清晰的技术发展战略和技术体系。2010-2015年，美国连续出台了《NASA空间技术路线图草案》、《NASA空间技术路线图与优先级》、《NASA空间技术战略投资规划》以及2015版《NASA技术路线图（草案）》等一系列技术发展路线与投资举措，并于2013年成立了NASA空间技术任务部，管理、投资、研发创新技术，确定NASA未来优先发展和重点投资的重大技术，推动空间探索技术的跨越式发展。

无人火星探测成就奠定坚实技术基础

美国是全球唯一一个全面掌握火星掠飞、环绕、着陆和巡视勘察技术的国家，取得火星探测史上多个“第一”，在火星探测领域占据绝对领先地位。7个轨道器成功入轨并长期工作，3个着陆器和4台火星车登陆火星，为后续载人火星探索奠定了坚实的技术基础。2015年9月28日，NASA公布火星表面存在液态水活动的强有力证据，将全世界目光聚焦到火星上。未来几年，美国将继续开展深入的火星探测任务，包括2018年发射“洞察”（InSight）火星钻岩着陆器和2020年发射新型火星车等。

2　报告主要内容

《火星之旅》报告分六部分，回答了“为什么要探索火星”的问题，给出了未来若干年的探索目标和战略方针，提出了“三步走”的发展战略设想，重点介绍了NASA以火星探索为中心，在技术开发和系统研制方面已经取得的最新进展，并总结了火星探索面临的挑战。

探索火星的目的和目标

（1）探索目的

火星科学价值极高，其形成和演变的过程和地球相似，可帮助人类了解更多关于地球历史和未来的信息。NASA认为，对火星进行探索可以回答一系列问题：①地球以外是否曾出现过生命？②火星未来能否成为人类移居的家园？③火星能否提供宇宙其他地方存在生命或者地球上生命如何起源的信息？④火星是否能够告诉我们有关地球的过去、现在和未来的信息？

（2）探索目标

NASA致力于领导美国和全球火星探索活动，旨在向太阳系深处和火星表面拓展人类足迹，采用人类和机器人联合探测的方式填补知识缺口，并探寻可能存在的地外生命。在此过程中，依靠日益增多的国际和商业合作伙伴实现目标并获得经济效益，巩固美国在地球上和太空中的领导地位。

探索途径指导方针和特点

针对载人火星探索途径，NASA制定了一组指导性方针，为可持续、可负担的载人航天计划提供全局指导，以确保NASA的投入有效且高效。这些方针可归纳为：

1）近期适应当前预算额度，中、远期考虑国家经济增长潜力；

2）探索与科学互相促进；

3）近期任务应用高成熟度技术，同时持续投资突破性技术；

4）采取联合探测方式，协调开展载人任务和机器人任务；

5）推动美国相关企业广泛参与，进一步提升工业基础；

6）形成弹性体系结构，基础设施强调多用途、牵引性、可演进；

7）密切新型国际和商业合作伙伴关系，充分利用当前“国际空间站”的合作伙伴关系，并构建新型商业协作性探索机制。

在该报告中，NASA提出了逐步发展的“弹性”探索途径，该路径具有如下特点。

1）后勤需求最小化：尽量减少所需系统数量，使用原位资源进行维护，以实现任务的自给自足；

2）模块化：即硬件标准化及对复杂分系统采用简单接口；

3）通用性：开发可在多个目的地服务多种用途的系统；

4）可扩展性：研制具有应用强化路径的初始硬件；

5）可负担性：针对全系列任务而非单一任务优化系统开发，最大程度降低开发成本。

“三步走”发展战略设想

NASA力图整合全局资源，并与众多伙伴合作从当前的“依赖地球”型载人航天计划起步，经由地月空间“试验场”，发展出“摆脱地球”的深空能力。NASA遵循以下增量式步骤，发展并验证相关能力。

1）“依赖地球”阶段：主要指“国际空间站”上的研究活动，试验技术并推进人体健康和绩效研究，为将来长时间深空探测任务奠定基础。

2）“试验场”阶段：NASA将尝试在深空环境（主要是地月空间）中进行复杂任务，但将其复杂程度限定为“乘组可在数天内返回地球”，借此提升并验证人类在距离母星地球非常遥远的深空中生活、工作所必需的能力。

3）“摆脱地球”阶段：建立在“国际空间站”和深空探索既得经验的基础上，使前往火星附近（低火星轨道或火星其中一颗卫星）的载人任务成为可能，并最终实现载人登陆火星。登上火星后，不仅是到访，还要长期驻留。

面临的挑战

在深空中生活和工作的技术和运行挑战可分为三类：“运输”，高效、安全、可靠地将人类乘员和货物送入空间，并在其中航行；“在太空中工作”，实现乘员和机器人系统的生产性作业；“保持健康”，可为人类提供安全、健康和可持续探索环境的居住系统。克服这三类障碍是长达1000天的载人火星任务和延续数十年的空间探索系列任务面临的首要挑战。

NASA载人火星探索“三步走”发展战略设想

3　报告的几点分析

从报告提供的关键信息上看，与NASA以往不同时期公布的载人火星探索“规划”别无二致，既没有给出具体的任务时间表，也没有给出整个计划的大概预算。因此，如NASA所说，该报告仅为传达其探索策略，并分享进展。

时逢美国联邦政府新财年，有争取政府经费支持之意

虽然美国政府和国会都支持载人火星探索，但在预算和拨款上微乎其微，载人火星计划也没有立项和给予专项拨款。经费问题成为制约载人火星计划的最大瓶颈。每年10月1日是美国联邦政府新财年的开始，因此，NASA多选择在这一时间发布规划和重大发现，有争取经费之意。NASA先是在2015年9月底高调宣布火星表面存在液态水活动的证据，又分批公布了“阿波罗”探月期间的大量高清照片；10月7日，NASA副局长罗伯特·莱特福特在美国国会山午餐会上声称，NASA可以在不增加当前预算的情况下完成载人火星探索。紧接着在10月8日，NASA发布了《火星之旅》报告。NASA选择这一时机发布报告和NASA高层上下奔走的原因无非是继续宣传和游说，为载人火星探索工程立项作努力。

载人火星探索挑战巨大，技术突破和国际合作必不可少

一旦着手实施载人火星探索，就意味着开始了人类历史上持续时间最长、距离最远、规模最大的航天活动。载人火星探索除必须有国家级持续投入的保障外，技术和合作伙伴关系也都是关键要素。火星探索所需投资之巨大，非一国所能独立承担。因此，开展国际合作是未来载人深空探索，尤其是载人火星探索的必然途径。《火星之旅》报告中也屡次提到国际合作伙伴关系的重要性。2011年9月，NASA牵头，美、俄、欧、日等12个国家或组织共同发布了《全球探索路线图》，并于2013年8月更新，亦将火星作为各国一致的长期发展目标。不过，未来载人空间探索虽以国际合作为主，但仍由美国主导，《全球探索路线图》也是按照美国的意图制定，其他国家参与开发所需的系统和技术。

瞄准火星探索，NASA持续推进相关系统研制和技术开发

美国是大型在轨载人航天器“国际空间站”的主要合作伙伴，近年逐步将近地轨道运输服务转交给商业公司，NASA自身则瞄准近地轨道以远探索能力，发展相关系统和技术。美国正在研制的新型载人航天器和重型运载火箭，发展完备后可到达深空多个目的地，实现美国目前采取的多目的地探索策略。在载人火星探索所需的关键技术方面，美国也在通过技术投资规划、创新技术开发计划等并行开发、试验、验证和应用。虽然美国还没有确定载人火星探索的具体时间表，但就目前形势而言，各系统和技术进展良好，已为载人火星探索奠定了重要技术基础。

美国国内反应平平，规划落实受多方掣肘

虽然NASA公布的载人火星探索规划雄心勃勃，但美国国会对该报告提出批评。同样，该报告及NASA最近的一系列举措也没有引起美国公众的强烈反响。

NASA局长查尔斯·博尔登屡次在公开场合高调宣传载人火星探索。2015年10月28日，博尔登发表演讲称，总统换届已使美国载人航天发展多次陷于危局，如果下一任总统再次改变主意，在载人火星探索的问题上有任何迟疑，NASA“必遭毁灭”。

未来用于载人登火星的美国“猎户座”载人飞船示意图

美国国会则不太理会NASA的宣传手段，指出该报告没有实质内容，敦促NASA制定更详细的载人火星探索计划，并警告说，NASA不顾细节的作法会使整个计划受困，美国无法依靠其实现载人火星任务。同时称，美国载人火星探索缺乏进展是奥巴马政府之责，因其总想削减NASA深空计划经费。2015年10月9日，在众议院举行的NASA载人深空探索听证会上，众议院科学委员会主席拉玛尔·史密斯批评NASA的《火星之旅》报告，称其“没有时间表，没有预算，尽是些漂亮的图片和动听的话，这些是不可能让我们到达火星的”。共和党议员指责政府预算案的原因主要是新火箭“空间发射系统”（SLS）的首次发射已经推迟了1年，而可预见的还有其与“猎户座”（Orion）载人飞船的首次组合飞行将再度推迟2年。

似是在回应美国国会一直以来的批评之声，奥巴马总统在2015年国情咨文演说中强调，“投资空间技术至关重要”，并表示美国的长远目标是“要驻留在太空中，而不仅仅是到访”。白宫在2015年10月底发布新版《美国创新新战略》，表示将大力支持空间探索等九大领域；与白宫协商后，美国参众两院亦在10月底批准通过两党预算协议，决定2016和2017财年将联邦非强制性开支上限提高了800亿美元，意味着美国联邦政府各研发机构的经费可能会有不同程度的增加。但这都不应引发盲目乐观，如NASA局长所说，2016年美国大选将至，在总统决定政策的联邦体制下，新总统的战略思想才是关键。

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