国外空间探测发展回顾

卢波（北京空间科技信息研究所）

国外空间探测发展回顾

2016 Year in Review: Foreign Space Exploration

卢波
（北京空间科技信息研究所）

全球空间探测活动经历半个世纪的发展，正日益步入稳步和快速发展阶段。2016年主要航天国家继续在空间探测技术和科学研究方面取得新的突破和成就，全球共进行了2次新的空间探测器发射，另有1个空间探测器结束任务使命。目前，全球共有32个空间探测器在轨工作或在飞行之中。按照探测目标的不同，分别是火星探测器8个、月球探测器4个、小行星探测器5个、金星探测器1个、木星探测器1个、土星探测器1个、冥王星探测器1个、太阳探测器6个、行星际探测器2个、深空技术试验器1个以及地球以远深空望远镜2个。按所属国家划分，32个在轨飞行的空间探测器分别是美国20个、欧洲5个、日本4个、中国2个和印度1个。

截至2016年底，美国、苏联/俄罗斯、欧洲、日本、中国、印度等国家和组织先后发射了约244个空间探测器，实现了对太阳系八大行星的探访，已探测的太阳系天体有月球、火星、金星、水星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星等，实现了月球、火星、金星、土卫六、小行星和彗星表面着陆，并完成了月球、小行星、彗星粒子及太阳风粒子采样返回。近年来，一些新兴航天国家，如韩国、阿联酋、巴西等，也纷纷制定和启动空间探测计划，作为实现国家科技立国的重要途径。

截至2016年底全球实施的空间探测任务次数

1 2016年空间探测领域主要任务

欧俄合作的“火星生物学－2016”，轨道器成功入轨，着陆器发生故障

2016年3月14日，欧俄合作的“火星生物学－2016”（ExoMars－2016）探测器由俄罗斯质子－M（Proton－M）火箭成功发射。“火星生物学”是欧洲航天局（ESA）“曙光”（Aurora）计划的旗舰级项目，是欧洲目前最大的火星探测项目，也是欧洲自2003年“火星快车”（Mars Express）首次火星任务实施近13年来的第二次火星探测任务。该项目的任务目标是观测火星环境、寻找火星现在或过去的生命痕迹，并为未来的火星探测任务验证一系列关键技术。整个项目的预算约为16亿美元。

“火星生物学”项目共包括2016年和2018年两次火星探测任务，都将是欧洲与俄罗斯合作实施。其中，2016年3月发射的“火星生物学－2016”包括1个“微量气体轨道器”（TGO）和1个“进入、下降和着陆演示模块”（EDM）着陆器，着陆器又名“斯基亚帕雷利”（Schiaparelli），主要测试和验证欧洲的火星进入、下降和着陆技术，可在火星表面工作4天，带有少量科学仪器进行有限的科学观测。俄罗斯提供运载火箭和发射服务，并在轨道器上搭载科学载荷。

欧洲“火星生物学－2016”探测器释放着陆器示意图

2016年10月19日，“火星生物学-2016”轨道器成功进入火星椭圆轨道，但其携带的“斯基亚帕雷利”着陆器在着陆时发生故障，导致着陆器坠落损毁。11月24日，ESA发布了着陆故障的初步调查结果。着陆器着陆失败的原因可以归结为惯性测量单元测量饱和以及导航系统软件设计存在缺陷。目前，ESA正在按照要求建立外部独立的事故调查委员会，委员会将于2017年初给出更为详尽的事故调查报告。

原计划2018年发射的“火星生物学－2018”现已推迟到2020年发射，包括1辆火星车和1个表面着陆平台。

迄今，包括美国、俄罗斯、欧洲、日本和印度在内，全球共实施了43次火星探测任务，其中进行了16次火星着陆任务，只有8次获得成功，即有50%的火星着陆任务遭受失败。着陆器从接触火星大气到真正着陆火星表面所经历的时间平均约为7min，是整个火星任务中最危险、最关键的环节，特别是由于火星大气稀薄，仅为地球的1%，给着陆器的减速着陆带来挑战。

美国“朱诺”木星探测器成功进入木星椭圆轨道

2016年7月5日，美国第二个木星探测器“朱诺”（Juno）成功进入木星环绕轨道，这是自2003年“伽利略”（Galileo）结束木星探测任务13年以来首个进入木星环绕轨道的探测器；首次以更近距离获取迄今分辨率最高的木星云层高清晰图像，并首次获得木星南北极图像；也是首个在距离太阳遥远距离处采用太阳电池能源的空间探测器，被认为是人类航天科技的又一大突破。

“朱诺”于2 0 1 1年8月5日由宇宙神－5（Atlas－5）运载火箭发射升空，其任务目标是研究木星的起源与演变，探测木星大气、引力场、磁场以及磁球层，调查木星上是否存在冰岩芯，确定木星上水的含量，并寻找氧气的存在。

美国“朱诺”进入木星轨道示意图

“朱诺”是NASA“新疆域计划”（New Frontier Program）的第2项任务，最初计划在2009年发射，后推迟到2011年发射，总成本约11亿美元。第一个“新疆域”任务是2006年1月发射、2015年7月到达冥王星的“新视野”（New Horizon）探测器。“新疆域计划”是NASA的一项用中型航天器探索太阳系的计划，目标是通过高质量、强调科学研究的任务设计来增强人类对太阳系的了解。每36个月发射1次，NASA计划每10年发射2～4次“新疆域”任务。

2016年8月27日，“朱诺”成功飞过木星云层顶端，距木星云顶最近只有4200km，并获得了高分辨率图像。10月19日，“朱诺”在从53天轨道准备机动至14天轨道时，主推进阀门出现问题，进入保护性的“安全模式”，导致无法收集数据。NASA在12月7日表示，“朱诺”的氦气阀门仍存在问题，或无法进入新轨道，其轨道可能会维持到2017年上半年。目前，“朱诺”已按地面指令从“安全模式”重启，以保持太阳指向。根据探测计划，“朱诺”的主任务将持续至2018年2月，还将30多次近距离飞越木星云层，有望获得更多科学发现。

美国成功发射“奥西里斯-雷克斯”小行星

采样返回探测器

2016年9月9日，NASA用宇宙神－5运载火箭成功发射了“奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）小行星探测器，它是NASA“新疆域计划”的第3项任务。目前，该探测器的太阳电池翼已展开，飞行情况正常。

美国“奥西里斯-雷克斯”小行星探测器示意图

“奥西里斯-雷克斯”是美国首个小行星采样返回探测器，将首次对原始的C类小行星贝努（Bennu）进行采样返回探测，旨在获得太阳系形成初期的物质基本构造，揭示生命起源等更多的科学认知，以及研究小行星撞击地球的防御机制。“奥西里斯-雷克斯”的另一个任务目标还包括评估小天体非引力效应对其轨道的影响，以及该效应对小行星与地球发生碰撞概率的影响。

根据轨道设计和飞行计划，“奥西里斯-雷克斯”将于2018年8月飞抵贝努小行星。随后进行约2年的科学观测活动并选择采样点，2020年7月开始进行采样，2021年3月开始返回地球，预计2023年9月24日再入地球大气层，进行着陆和样品回收。

通过航天器对小行星和彗星等小天体进行就近探测至今已有30年的历史，美国、欧洲、俄罗斯和日本相继开展了小天体探测，于20世纪80年代中期开始对彗星的探测，90年代中期开始对小行星的探测。截至2016年底，全球已实施了6次小行星探测任务，其中美国4次、日本2次。日本2003年5月发射的“隼鸟”（Hayabusa）探测器是世界首个小行星采样返回任务，于2010年6月返回地球。日本又于2014年12月发射了隼鸟－2，也将探测C类小行星1999JU3，预计2020年末返回地球。美国“奥西里斯-雷克斯”是世界上第3个小行星采样返回探测器。

欧洲“罗塞塔”轨道器受控撞向67P彗星表面

2016年9月30日，欧洲“罗塞塔”（Rosetta）轨道器结束任务使命，受控撞向67P/楚留莫夫-格拉西门克彗星（简称67P彗星）表面。

“罗塞塔-菲莱”（Rosetta-Philae）是全球首个进入彗星环绕轨道的空间探测器，也是首次着陆彗星表面的探测器。该探测器在2014年8月和11月首次实现了彗星的环绕和着陆，在深空飞行12年，被认为是ESA 20年来最伟大的航天成就。

“罗塞塔-菲莱”探测器包括轨道器和着陆器两部分，于2004年3月2日发射升空，它在飞往67P彗星的途中，飞越了火星和小行星带，于11月12日，该探测器成功释放“菲莱”着陆器。11月13日，“菲莱”成功着陆在67P彗星表面。“罗塞塔-菲莱”是一项多国合作的大型深空项目，总成本约为10亿欧元，14个欧洲国家及美国的50余家公司参与。

2016年5月，ESA宣布，“罗塞塔”获得了67P彗星上存在地球生命构成所必须的物质—氨基酸甘氨酸和磷等重要科学数据。

2016年9月30日，“罗塞塔”按照地面指令，以3km/h的速度缓慢坠向67P彗星表面，并向地球传回彗星表面高清晰图像。在环绕67P彗星运行2年多的时间里，“罗塞塔”拍摄并传回超过10万幅图像，成为迄今最成功的彗星探测任务。

2 世界空间探测未来规划及展望

当前，美国、俄罗斯、欧洲、日本和印度等国家/地区掀起了新一轮空间探测热潮，制订了一系列探测计划，重点围绕月球、火星、小行星和木星等开展探测，任务系统趋向复杂，并向载人探测方向发展，国际合作和商业化成为发展深空探测的两大途径。这些探测计划强调科学目标驱动，重点关注深空资源的探测、评估、开发和利用，太阳系起源和演化以及人类社会的可持续发展等重大问题。

美国继续推进以火星探测为主的太阳系探索战略

美国一直将火星探测作为太阳系探索的重点目标，通过从地球、月球、小行星再到火星，由近及远、相互衔接的3个实施步骤，最终实现载人登陆火星并开展长期探测。未来还将通过各类深空探测任务的实施，继续引领世界深空探测新前沿，保持其航天领域霸主地位。

（1）积极开发“火星之旅”所需技术，计划25年内实现载人登陆火星

美国未来将继续围绕火星生命搜寻、地质勘察、环境气候和水的蕴藏量开展研究，旨在为未来的载人火星任务做全面技术准备。

2016年9月，美国参议院通过了新的《2016年NASA过渡授权法案》。这项预算为195亿美元的法案旨在继续支持NASA的空间探索计划，并确定在25年内实现载人登陆火星。该法案要求NASA继续推进“航天发射系统”（SLS）和“猎户座”（Orion）多功能载人飞船的研发工作，这两项工作都与“火星之旅”计划密切相关。该授权法案旨在确保NASA空间探索任务能获得持续不断的支持，进一步夯实美国在世界太空领域的主导地位。

美国在未来每2年1次的火星发射窗口都安排了探测任务，包括2018年发射“洞察”（Insight）火星着陆器；2020年发射“火星－2020”（Mars-2020）漫游车；2022年发射“火星－2022”新型轨道器；2025－2030年执行火星采样返回任务等。

（2）继续推进小行星探测计划，开展能力验证和获取相关技术

小行星探测是NASA未来“火星之旅”的重要一环。2016年2月，NASA公布了“小行星重定向任务”的最新研究结果。根据NASA最新任务时间表，NASA已将“小行星重定向任务”机器人任务的发射日期从原计划的2020年12月更新至2021年12月，随后的载人任务也推迟至2026年12月。

除了“小行星重定向任务”，NASA还计划在2020年与ESA合作实施“小行星撞击与偏转评估任务”（AIDA），探测迪蒂莫斯（Didymos）双小行星系统，任务包括2个航天器，分别由美国和欧洲进行研制。该任务将是人类首次对双子小行星系统进行探测，以及验证人类能否利用航天器撞击改变那些对地球可能带来威胁的小行星的轨道，从而规避小行星撞击地球的危险。

美国“航天发射系统”发射示意图

（3）通过商业途径和国际合作实施各类月球着陆任务，开展月球资源勘察及利用

NASA表示，未来将通过国际合作或者商业化的着陆器，将新型月球巡视器等多种月面设施送上月球，进而开展月球矿物勘查、月球采样返回以及技术验证项目等。2016年6月，美国政府开始着手制订允许商业公司发射飞行器在月球着陆的有关规定，以弥补目前的法律空白。

目前，N A S A正在研制“资源勘探者”（Resource Prospector）月球巡视器，已计划在2018年通过国际合作或商业着陆器发射到月球表面。NASA还计划在2018年实施“猎户座”飞船的探索任务－1（EM－1）无人绕月飞行任务中，搭载灵活、低成本的立方体卫星，部署在5km×12km低高度绕月极轨道，探索月球南极区域土壤的氢含量，寻找月球水冰资源，以支持未来的载人探索任务。

（4）实施木星/土星卫星探测任务，探寻研究地外生命和太阳系起源

木星/土星及其卫星将成为NASA在未来10年的重要探测目标。NASA计划在2022年发射“快帆”（Clipper）木卫二轨道器以及着陆器，将对木卫二表面、大气以及可能存在的海洋进行更深入的探测。2016年12月，NASA发布“新疆域计划”第4次任务公告，将土卫六和土卫二探测列为第4项任务的候选项目。

国际合作仍将是欧洲开展空间探测活动的主要方式之一

继“火星生物学”项目之后，未来国际合作仍然是欧洲开展空间探测活动的主要方式之一。目前，欧洲正在开展月球/火星着陆系统、月球/火星巡视器等技术的研发，已具备着陆器和巡视器技术基础。

（1）欧洲未来继续通过国际合作方式推进火星和月球探测

作为“曙光”计划旗舰任务的“火星生物学”项目在实施过程中一直面临资金匮乏等问题，ESA最初与NASA合作实施，2012年，NASA由于行星领域预算削减退出了合作，ESA转而寻求与俄罗斯的合作。2013年，ESA和俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）签订了合作协议。“火星生物学”项目共包含2次任务，第一次任务（包括轨道器和着陆验证器）已经于2016年3月成功发射，轨道器于10月成功入轨；第二次任务（包括着陆器和火星车）原计划在2018年发射，但2016年5月ESA表示由于技术问题决定将任务发射时间推迟至2020年。

在月球探测领域，欧洲和俄罗斯都强调国际合作，都表示出建造月球基地的想法。2015年6月，ESA提出构建“国际月球村”，ESA局长沃尔纳宣称欧洲将最早于2024年左右建立月球基地。目前，ESA正与俄罗斯接洽，双方将在月球着陆项目上展开合作，双方已确定将在2021年合作实施月球－27（Luna－27）月球极区着陆/巡视任务，探索月球极区资源。欧洲目前正在开发“领航者”（Pilot）月球着陆系统，可帮助月球－27实现安全准确地着陆月面。

（2）空间科学任务持续开展，扩展太阳系其他天体探测

“宇宙愿景2015－2025”是欧洲最新的空间科学发展规划，描绘了欧洲在太阳系探索、天体物理学研究和基础物理学3个领域的战略目标。目前该计划已确定实施的任务有6项，包括探测水星、木星、近地天体、太阳和类地行星。其中，欧日合作的“贝皮-科伦坡”（Bepi Colombo）水星探测器将于2018年发射，将研究水星的地质、结构、磁场、大气等；“太阳轨道器”（SO）计划于2018年发射，对太阳开展近距离环绕探测；“木星冰月轨道器”（JIMO）计划于2022年发射，对木星及其3颗大卫星开展探测；“欧几里得”（Euclid）、“柏拉图”（PLATO）和“雅典娜”（Athena）空间望远镜计划分别于2020年、2024年和2028年发射，运行于日地拉格朗日L2点轨道，将研究暗物质能量、搜寻类地行星以及进行深空天文物理观测等。

俄罗斯未来10年将重点开展月球探测，恢复和保持航天强国地位

2016年3月，俄罗斯正式出台《2016－2025年联邦航天规划》，详细制定和部署了未来10年俄罗斯航天活动发展的阶段性任务，规划明确指出俄罗斯将重点开展机器人月球探测，并继续开展“火星生物学”联合火星探测项目，同时也将探测太阳系其他天体。相比于此前发布的规划，俄罗斯此次规划更加切合实际，具有更强的可行性。

将于2018年发射的欧日合作的“贝皮-科伦坡”水星探测器示意图

（1）未来10年将空间探测重点目标锁定为月球

俄罗斯这次发布的规划将原计划2025年实施的月球载人飞行推迟到再下一个10年规划，重点保留了无人月球探测任务以及载人相关实验和研究项目。目前，俄罗斯规划的5次月球探测任务（月球－25～29）已经获得立项批准，开始进入研制开发阶段，任务依次为“月球-水珠”（Luna-Glob）着陆任务、“月球-水珠”轨道任务、“月球-资源”（Luna-Resurs）着陆/巡视任务、“月球-土壤”（Luna-Grunt）着陆/巡视任务和“月球-土壤”采样返回探测器采样返回任务。欧俄联合开展的“火星生物学”项目的第二次任务也处于研制阶段，并将于2020年发射。而其余原规划中的任务暂未开始实施，包括火卫一-土壤－2火卫一采样探测任务、金星－D（Venera－D）探测任务等。

（2）积极寻求国际合作分担资金压力，推进月球和行星探测

俄罗斯火卫一－土壤－2在轨飞行示意图

俄罗斯迫切希望通过国际合作分担资金投入并减少任务风险，同时通过任务的实施来提升和稳固自身航天能力，重振俄罗斯深空探测领域能力。

目前，俄罗斯已经与欧洲合作开展了“火星生物学”探测项目，双方还将联合实施月球－27月球南极着陆/巡视任务。此外，俄罗斯还表示希望与ESA合作开展火卫一-土壤－2火卫一采样返回任务。俄罗斯也积极谋求与中国、印度等国家在空间探测领域展开合作，希望联合开展月球探测等项目。

日本继续开展月球和小行星探测，并通过国际合作实施大行星探测计划

在空间探测未来发展战略方面，日本将遵循2015年批准的《航天基本计划》，“以现有技术能力和项目成果为基础，不断推动创造深空探测领域的全球性成果，并确保在国际上的话语权”。日本将利用本国技术优势，继续对月球、小行星和火星等开展机器人着陆、巡视和采样返回探测活动，开展精确着陆技术验证，为未来月球等资源勘探和利用奠定基础。

目前，日本正着力发展月球精确着陆技术，计划于2018－2019年发射“小型月球探测着陆器”（SLIM），主要任务目标是验证月球高精度软着陆技术。在小行星领域，日本将继续加大投入，发展新型探测器，探测更原始的D类小行星。在行星探测方面，日本将与欧洲合作，于2018年发射“贝皮-科伦坡”水星探测器；日本还计划在2021年向火星卫星发射采样返回探测器，该任务将综合运用“隼鸟”采样技术和“小型月球探测着陆器”精确着陆技术。

印度未来将继续开展月球和火星探测，提升航天综合能力

印度的航天战略是持续发展包括空间探测在内的多领域航天技术，覆盖运载火箭、空间科学、月球探测、火星探测等多个领域，以全方位提升印度航天竞争力。在完成首次探月后，印度已将下一步的月球任务瞄向月球软着陆。

2016年4月，印度空间研究组织（ISRO）表示，计划在2017年12月发射第二次探月任务，目标是实现月球着陆和巡视探测，其携带的设备仪器等将以本土化为主，但在深空网跟踪和测控方面将与美国展开合作。印度的第二次火星探测任务曼加里安－2计划在2018－2020年实施，任务规模将超过曼加里安－1。此外，印度还规划了小行星、太阳等其他太阳系探测任务，计划于2020年左右发射太阳神－L1（Aditya－L1）太阳探测器。

印度通过有效载荷搭载、数据共享、联合研制、深空通信支持等多种途径，积极开展空间探测领域的国际合作。2008年的月船－1就搭载了多国载荷，印度的第二次火星任务也可能与法国合作实施。2016年2月，法国国家空间研究中心（CNES）表示，印度和法国已经签署了合作探测火星的协议，还有望在金星探测领域进行合作。

更多新兴航天国家提出开展月球和火星探测

韩国、阿联酋、巴西等新兴航天国家也在积极谋划开展空间探测活动。韩国在2013年公布了《2040太空计划》，提出将发射一系列轨道器和着陆器，对月球和火星进行无人探测。2015年12月韩国宣布启动探月计划，计划在2018年12月发射首个月球探测器“韩国探路者月球轨道器”（KPLO），随后将在2020年采用独立研发的运载火箭发射月球着陆器。韩国《2040太空计划》中还提出在2026年和2030年发射火星轨道器和着陆器。

阿联酋在2015年5月宣布将在2020年发射“希望”（Hope）火星探测器，这将是中东地区首个火星探测器。阿联酋政府希望通过实施火星任务来增强本国的航天技术开发与应用能力，进而培养高技术人才，促进本国经济的多样化发展，实现由石油立国向科技立国的转变。

巴西在2016年11月宣布将于2020年12月向月球轨道发射纳卫星，该项目名为Garatea－L，由巴西航空航天研究领域的多个主要机构合作出资和研发，任务目标是搜集有关月球表面的基本数据，并进行有关人体微生物、分子和细胞等科学实验。

民营企业开始涉足空间探测领域，商业空间探测活动前景看好

近年来，除主要航天国家和机构的空间探测计划外，许多民营公司和科学团队也开始涉足空间探测领域。

2016年4月，美国太空探索技术公司（SpaceX）与NASA签署了一份协议，计划最早于2018年发射“红龙”（Red Dragon）火星着陆试验舱，这次任务将由“红龙”着陆舱和“猎鹰重型”（Falcon Heavy）运载火箭实现。这将是民营企业首次实施火星探测任务。

2016年8月，美国联邦航空管理局（FAA）批准月球快车公司（Moon Express）2017年向月球发射无人着陆器。这是美国政府首次批准私人公司向地球轨道以远发射航天器，而后NASA可以利用这些商业着陆器将月球科学载荷和设施送上月球。ESA也表示，将激励私营企业对空间探索项目进行投资和参与研发，并将其纳入业务合作伙伴和未来潜在客户。

2016年7月，英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）宣布，将利用先进的小卫星技术研制低成本的月球轨道通信卫星，采用国际通信协议，可为国际上的空间探索任务提供通信服务，这将有助于更多的组织和机构开展可负担的空间探测活动。2017年，5支“月球X大奖赛”参赛团队的探月项目将陆续进入发射实施阶段；2017年底前最先将探测器发射至月球并移动500m的团队将获得2000万美元大奖。这表明，在未来空间探测活动中，商业民营公司、非政府机构的空间探测活动将呈活跃态势，商业航天活动将由近地轨道向地球以远的空间领域延伸。