小天体探测发展态势

王帅谷知行（ 北京空间科技信息研究所 北京卫星环境工程研究所）

小天体探测发展态势

王帅1谷知行2
（1 北京空间科技信息研究所 2 北京卫星环境工程研究所）

Development of Small Body Exploration

小天体探测是当前空间探测的一个重要方向，开展小天体探测不仅可以解决众多基础科学问题，还有助于避免小天体撞击地球、引领高新技术和航天工业的发展、提升航天大国地位等。

1 小天体探测的科学目标

小行星探测任务的科学目标和有效载荷

经历了30余年的发展，小天体探测实现飞越、环绕、着陆和采样返回等探测方式，探测程度不断推进，其科学目标也随之不断深入。本文按照时间历程、探测方式分析小天体科学目标的演变情况，及其演变规律和探测重点。

小行星探测的科学目标

小行星探测的顶层科学目标为研究行星、太阳系的形成与演化。为实现这一科学目标，需要根据小行星的分布、构成研究小行星的起源和演变过程，以及太阳系早期的原始成分。

小行星数量众多且分布广泛，既有接近地球轨道的近地小行星，也有距离地球遥远的主带小行星。小行星探测起步较晚，专门的小行星探测任务多为环绕和着陆任务，深空－1和“南河三”的主要任务为进行技术验证，因此科学目标较为简单，开展了小行星飞越任务。为深入了解小行星的形成和演化，小行星探测任务主要研究小行星的构成，特别是小行星的矿物质、水和有机物的情况。

小行星还有一个特点是类型众多，需要对各类小行星有全面的了解，才能理解天体形成和演化的不同路径，对太阳系、行星的起源和演化有全面的认识。因此，美国和日本在开展小天体探测任务时都考虑了对小行星各种类型的覆盖，美国开展的4次小行星探测任务分别探测了S类小行星、Q类小行星、V类和C类小行星、B类小行星，日本主要开展的2次小行星探测任务分别探测了S类小行星和C类小行星，未来还计划探测D类和Q类小行星。

总的看来，小天体探测一直在进行原位的详尽成分分析研究。目前美国和日本都在向着更全面的小天体探测发展，重点研究内容为小行星的矿物质、水和有机物以及构成和演化。

彗星探测的科学目标

彗星探测的顶层科学目标为研究太阳系及宇宙的形成与演化，探索生命的起源与发展。为实现这一顶层科学目标，需要根据彗星的轨道、形状、成分研究彗星的起源和演变过程。

（1）早期的彗星飞越任务

彗星的轨道通常与地球轨道偏差较大，实现交会的难度非常高，早期的任务都是飞越任务，包括日本“先驱者”、欧洲“乔托”和日本行星－A等5个彗星探测器。这些探测器均属于“哈雷舰队”任务，于1986年在哈雷彗星返回内太阳系时对其进行了探测。其中，日本探测器进行远距离的测量，苏联探测器扮演先行者的角色，通过较近的飞越定位彗星的彗核，而“乔托”则利用这些探测器返回的信息对哈雷彗星的固体内核进行详细精确的探测。早期彗星探测任务的科学目标主要是进行全球性的观测，以及基本构成元素的测量。

（2）近期的彗星采样返回和着陆任务

进入20世纪90年代以后，只有美国和欧洲对彗星进行了进一步的探测。美国实施了1次彗星飞越采样返回任务（“星尘”）、1次多彗星飞越任务（“彗核巡游”，失败），1次彗星撞击任务（“深度撞击”），这3次任务逐步加深了对于彗星构成的认识，“星尘”捕获彗星挥发的物质以研究其成分；“彗核巡游”通过飞越多颗彗星对其进行观测，进而进一步认识彗核的成分；“深度撞击”则通过撞击彗星研究彗星内部物质及其与表面物质的不同。欧洲则执行了1次彗星环绕和着陆任务，由于进入彗星轨道所需速度增量较大，探测器通过多次行星借力并经历10年飞行才到达目标，目的是对彗星进行详尽的原位探测，通过多种分析仪研究彗星的成分。

总的看来，彗星的探测经历了粗略的观测与简单的成分研究阶段，已经进入详尽的成分分析研究阶段，目前科学目标为更为深入全面的研究彗星构成，特别是水和有机物的探测和研究。

2 小天体探测战略规划简介

小天体探测属于空间探测的一部分，各国的小天体探测战略规划属于空间探测战略规划的一部分。

美国

美国空间探测的长期战略是基于第一次空间探测高潮获得的成果和20世纪90年代以来空间探测获得的新发现，开展太阳系的持续探索。进入21世纪后，美国提出了覆盖太阳系主要天体、长远目标为实现载人火星探测的中长期规划，进一步延伸人类的活动疆域。但由于预算不足等问题，美国航空航天局（NASA）权衡多方面因素，将探测重点集中在火星探测上，同时加大国际合作和商业合作，以减少任务的成本和风险。

从奥巴马上台后的战略规划看，美国将主要的精力和经费都放在了载人火星探测上，同时将小行星作为一个重点探测目标，开展载人火星探测的试验任务。小行星在美国空间探测战略中的定位为空间探测任务的试验场（目前主要为载人火星探测任务的试验场），这一点从美国过去的小天体探测任务也可以看出。美国共进行了7次小天体探测任务，其中5次属于“发现计划”（小型科学探测任务），1次属于“新盛世计划”（深空技术试验任务），最近的1次属于“新疆域计划”。小天体探测任务在执行科学探测的同时更接近于新技术/策略的试验任务。未来美国小天体探测的走向并不明晰，目前规划的载人小天体探测任务存在诸多争议，但其作为空间探测试验任务这一定位应该不会改变。

欧洲

欧洲的空间探测活动遵从两条主线，一是以火星探测为核心内容的“曙光计划”，长远目标是实现载人火星飞行，期间将通过无人火星和月球探测任务验证未来载人火星探测的相关技术；二是“宇宙愿景2015-2025”框架下的空间科学项目，描绘了欧洲未来20年的空间探测和空间科学战略规划，其中的“太阳系探索”领域包括了除火星以外的其他行星探测、小天体探测以及太阳探测。欧洲各国重点关注的是发展本国的优势系统技术能力，作为“选做”项目的“曙光计划”进展并不顺利，项目数度延期或搁置，目前欧洲航天局（ESA）正通过国际合作方式推进火星探测和月球探测；而“宇宙愿景2015-2025”的空间科学项目始终处于稳步实施状态，已成为欧洲各国航天合作的核心。

欧洲目前的空间探测战略重点为火星探测和月球探测，同时兼顾太阳系各类天体的探测。欧洲在进行空间探测时重视技术的发展，同时关注各类天体的覆盖，因此相比于持续对1颗天体的探测而言，包含新技术的新型探测任务更具有吸引力。欧洲近20年来发射的空间探测任务的目标全部都不同，并且未来规划的水星探测、近太阳探测和木星冰卫星探测也全部都不同。不过“罗塞塔-菲莱”彗星探测器属于欧洲航天局“地平线2000长期科学计划”的4个基石任务之一，对于奠定欧洲空间探测基础能力具有重大意义。因此，可以判断小天体探测任务对于欧洲的定位包含了占领彗星探测先机，进行空间探测技术验证并奠定空间探测基础的意义。短期内，欧洲并没有进一步探测小天体的计划。

日本

日本的空间探测战略规划是继续深化优势探测项目，集中资源开展多类型的小行星采样返回任务，以继续保持其在小行星探测领域的优势地位，并通过自身发展或国际合作开展月球探测和其他行星探测。日本空间探测发展战略是坚持以自身为基础，实施具有独创性的探测任务，扩大与欧洲、美国等空间探测领域先进国家的合作，为日本独立掌握有关技术积累经验，使日本空间科学研究和空间探测技术得以持续发展。

20世纪80年代，日本计划进军空间探测领域，当时设定了包含金星、火星探测在内的“行星”（PLANET）计划。但由于哈雷彗星回归带来的全球哈雷彗星探测热潮，日本将前两次任务更改为哈雷彗星探测任务，即“先驱者”和行星－A任务。这两次任务的成功奠定了日本空间探测的基础能力，但此时日本重点关注的仍是大行星的探测任务。20世纪90年代初，日本开始研究进行小行星采样返回任务，意图占领小行星探测的先机，并最终形成了“隼”近距离观测任务，该任务在发射入轨后更名为“隼鸟”。“隼鸟”成功带回小行星样品之后，日本占据了小行星探测的先机，这彻底坚定了日本进行小行星探测的计划，并促成了原始天体探测计划的设立。

日本行星科学会根据科学界的研究情况，为空间探测制定了独特的长期战略目标，即研究早期生命环境的演化—揭开生命圈的诞生条件之谜。为实现这一战略目标，日本设立了5条路径，其中3条路径都与小行星探测密不可分。目前，日本已经探测了S类小行星，探测C类小行星的隼鸟－2也已经发射成功，未来还计划发射隼鸟－X对更原始的D类、P类小行星进行探测。2015年，日本提出将开展火星卫星采样返回任务，作为小行星探测与火星探测之间连接的桥梁。科学家认为，火星卫星很可能是火星捕获的D类小行星，内部可能保留有原始的信息。因此，未来火星卫星采样返回可能是“隼鸟”系列的延续。

其他国家

目前，开展过专门小天体探测任务的国家/地区只有美国、欧洲和日本。不过，一些国家已经将小行星探测任务列入未来探测的日程中，但并没有系统的小天体探测战略规划。

俄罗斯航天工业目前正处于改革和调整之中，其空间探测战略和政策也发生多次变更，目前无法明确其探测路线及规划。2015年，俄罗斯制定《2016-2025年联邦航天发展规划（草案）》，指出俄罗斯将重点开展月球探测，同时实现火星卫星采样返回探测和小天体探测，并参与空间探测领域的国际项目等。目前，俄罗斯对小行星阿波菲斯的探测计划已经进入定义阶段。除此之外，韩国和印度也制定了小行星探测的规划，但尚没有实施细节。

3 小天体探测能力概况

通过对主要航天国家小天体探测的进展情况分析可以看出，美国在任务数量以及任务多样性上占据了绝对优势，日本和欧洲则分别在小行星探测和彗星探测领域取得了领先地位。但这只能部分代表已经探测的进展情况，不能全面反映出各国在小天体探测方面的能力。本节将通过分析美国、俄罗斯、欧洲、日本和印度在空间探测技术领域的进展情况，简单分析各国在小天体探测方面具备的能力。

空间探测技术涉及范围广泛，包括任务设计能力、发射推进系统、空间推进技术、通信、导航、制导技术等。本文仅考虑是否可以成功抵达探测目标，以及在目标可以执行怎样的操作两个方面，对各国的技术能力进行简单的总结和分析。

目标可达能力

目标可达能力指的是能够将航天器发射至目标天体的能力，主要可以分为四个方面，分别为任务设计能力，空间探测平台制造能力，发射和空间推进能力以及通信遥测能力。

任务设计能力。它主要指探测目标的选取和轨道设计能力。由于小天体数量众多，这点对于小天体探测而言尤为重要。通过合理的设计，在其他能力不变的情况下可以探测更远的、更具科学价值的目标，也可以实现探测器的多目标探测。根据各国以往的任务可以看出，美国、欧洲都具有最强的任务设计能力，其任务复杂度最高，任务过程可以包含多次行星借力和多个目标天体的探测。日本的任务设计相对而言并不复杂，但由于其多个空间探测任务遭受故障，在拯救任务的过程中实施了复杂的飞行方案，因此在任务设计方面日本也具有相当的能力。

空间探测平台制造能力。它主要指探测器平台是否可以满足空间探测要求的环境。目前从各国空间探测的进展情况看，美国、欧洲、俄罗斯、日本和印度都具备了最基本的能力，其中美国、欧洲和俄罗斯具有设计和发射大型平台的能力和经验，日本只有设计小于1t探测器的经验，而印度则是基于卫星平台进行了修改，在探测平台制造能力方面弱于日本。

发射和空间推进能力。它主要指火箭运载能力和探测器推进系统的推进能力，这两方面决定了探测器最远可以到达的距离。火箭运载能力方面，美国的宇宙神－5可以达到1.8×104t的低地球轨道（LEO）运载能力，俄罗斯的质子－M可以达到2.2×104t以上的LEO运载能力，欧洲的阿里安－5可以达到2.1×104t的LEO运载能力，日本的H-2B火箭可以达到1.6×104t的LEO运载能力，印度的“地球同步卫星运载火箭”（GSLV）则可以达到0.5×104t的LEO运载能力。探测器推进系统方面，美国、欧洲和日本都已经掌握了深空电推进系统技术，但日本在推力大小方面落后于美国和欧洲，同时日本掌握了深空太阳帆推进技术。因此，在发射和推进能力上，美国和欧洲具有领先地位，向内可以发射近太阳探测任务，向外则可以发射木星以远任务；日本和俄罗斯紧随其后，可以发射金星到火星范围内的任务；印度则能将小型探测器发射至金星到火星范围。

主要航天国家/地区小天体探测能力对比

通信遥测能力。它主要是地面与空间探测器之间的通信、遥测能力。美国的深空网是当前通信遥测能力最强的天线系统，并且美国在火星布置的多个轨道器可以为火星表面任务提供深空通信中继服务。欧洲和俄罗斯深空通信网处于第二梯队，可以实现与发射和空间推进能力相匹配的通信遥测，其中欧洲的深空通信网在近期已经可以获得木星探测器回传的信号。日本和印度在通信遥测能力上较弱，其空间探测任务的深空通信常借助于美国、欧洲的设施。

操作能力

操作能力指的是能够在目标天体实施的探测手段，主要决定于接近段的导航制导能力，进入、下降和着陆能力以及有效载荷能力。

导航制导能力。它主要指探测器能否精准进入目标天体轨道的能力。从以往任务看，美国、欧洲和日本都可以利用光学制导等措施实现精确入轨；俄罗斯在苏联时期的空间探测任务同样可以实现精确入轨，但近30年来俄罗斯没有成功实施过空间探测任务，并不好判断其导航制导的精度；印度的导航制导能力较低。

下降和着陆能力。它主要指探测器接近小行星以及着陆在小行星上的能力。美国并未发射过专门的小天体着陆任务，但通过控制“近地小行星交会”探测器实现了首次小行星软着陆，结合其火星着陆任务能力看，美国在下降和着陆方面具有绝对的领先优势。欧洲实现了首次彗星软着陆，日本实现了首次小行星着陆采样返回，可以说两者在小天体下降和着陆方面具有领先的技术。俄罗斯和印度则没有实施过类似任务。

有效载荷能力。它指的是制造小天体探测所需有效载荷的能力。由于有效载荷种类繁多，不以具体的有效载荷精度衡量其能力，而是从过往任务的科学探测仪器上推断有效载荷能力。美国和欧洲在探测时重视科学目标，其探测器携带的有效载荷具有国际领先水平；日本探测器携带的有效载荷较少，其能力略低于美国和欧洲；俄罗斯尽管没有实施过类似任务，但苏联时期实施的空间探测形成了一定的积累；印度在科学探测方面并不重视，其技术能力也较低，因此有效载荷能力很低。

综合来看，美国和欧洲在小天体探测能力上具有较大的领先优势，美国实施的小天体探测任务数量和多样性最多，欧洲则在彗星探测进展上领先；日本和俄罗斯的小天体探测能力紧随其后，但日本实施了2次小行星采样返回任务，使其在小行星探测上具有一定的领先地位；印度的小天体探测能力较低，目前还未涉及这一领域。