中国深空探测领域的发展及展望

文 叶培建 邹乐洋 王大轶 彭 兢 张 熇

深空探测一般指对月球及以远的地外天体进行空间探测的活动。20世纪50年代末，人类开启了深空探测的序幕。迄今为止，已发射深空探测任务超过240次，对太阳系内包括月球、行星、彗星、太阳等天体进行了探测，飞行最远的探测器距离地球超过200亿km。通过深空探测，取得了大量科学探测和技术成果，拓展了人类对太阳系和宇宙的认识，推动了空间技术的进步。中国的深空探测起步于月球探测，按照探月工程“绕、落、回”三步走的任务规划，自2003年启动探月工程一期研制以来，已成功实施了4次探测任务;并正在按计划进行月球和火星探测任务的研制工作，即将在今后3年内发射实施。与此同时，正在论证后续月球、小天体、火星、木星甚至更远的深空探测任务。

“嫦娥一号”任务

“嫦娥一号”任务是我国首次深空探测任务，其任务目标是通过研制和发射我国第一颗月球探测卫星，掌握绕月探测的基本技术。“嫦娥一号”探测器发射质量2350k g，携带了7种科学载荷，于2007年10月24日发射，完成了在轨1年设计寿命期内的既定任务，其后又开展了多项拓展任务，2009年3月1日受控撞月。

“嫦娥一号”是我国第一颗对地外天体进行环绕探测的探测器。“嫦娥一号”任务的实施，使我国掌握了绕月探测技术，初步构建了月球探测的航天工程系统，获取了全月球表面的遥感图像，探测了地月空间环境，获取了大量的科学探测数据，并取得了多项技术突破，主要有：基于调相轨道的地月转移和多次近月制动的轨道设计与控制技术、多敏感器信息组合定姿和三体指向自主控制技术、绕月飞行全过程热控技术、基于S频段的400000km的远距离测控技术等；建立了USB-VLBI综合远距离测定轨系统；研制了国内口径最大的50m和40m地面数传接收天线。获取了多项科学探测成果：实现了月球表面影像的100%覆盖、利用激光高度计的测高数据制作了分辨率为3km左右的全月球数字高程模型、利用伽马射线谱仪的数据编制了月表U、K、Th等元素含量分布图、利用微波探测仪的数据得到了全月球不同光照条件的四频段微波亮度温度数据。“嫦娥一号”任务的成功标志着我国在月球探测领域取得了历史性突破，成功迈出了深空探测的第一步，被看作是继人造卫星、载人航天之后中国航天的第三个重要里程碑，也是我国航天器研制中自主创新的一个典范。

“嫦娥二号”任务

“嫦娥二号”任务是探月二期工程的先导星，主要目标是获取高精度月球表面三维影像。“嫦娥二号”探测器发射质量2480k g，携带了8种科学载荷。“嫦娥二号”探测器于2010年10月1日发射，至2011年5月底，获取了包括“嫦娥三号”预选着陆区高清晰图像在内的月球表面三维影像；2011年8月25日到达了日地拉格朗日L2点（简称“日地L2点”），进行了为期10个月的科学探测；2012年12月13日国际上首次近距离飞越探测4179图塔蒂斯（Toutatis）小行星；此后“嫦娥二号”一直朝向更远的深空飞行。

“嫦娥二号”是我国首颗飞入行星际并环绕太阳飞行的探测器。“嫦娥二号”任务的实施，获得了7m分辨率全月图和备选着陆区分辨率优于1.5m的局部影像图；实现了日地L2点环绕探测和图塔蒂斯小行星飞越探测，获取了大量的科学探测数据，并取得了多项技术突破，主要有：直接地月转移轨道设计与控制技术、X频段高精度测控通信技术、低密度奇偶校验码（LDPC）遥测信道编译码技术等。

“嫦娥三号”任务

“嫦娥三号”任务主要目标是通过研制和发射月球着陆器和巡视器，掌握月球软着陆和巡视探测技术。“嫦娥三号”探测器发射质量3780kg，其中巡视器140k g。着陆器与巡视器分别携带了4种科学载荷。“嫦娥三号”探测器于2013年12月2日发射，12月14日安全着陆在月球北纬44.12°、西经19.51°的预选着陆区。着陆器随即开展就位探测，直至目前仍在工作。巡视器于2013年12月15日与着陆器分离，驶抵月面，开展巡视探测，并实现了两器互拍。

“嫦娥三号”任务实现了我国首次地外天体软着陆和巡视勘察，使我国掌握了月球着陆和巡视探测技术，进一步完善了我国月球探测工程体系，实现了月球就位和巡视探测，获取了大量的科学数据，并取得了多项技术突破，主要有：全自主避障的月球软着陆技术，月面巡视导航、月面移动、遥操作技术、同位素热源结合低重力驱动两相流体回路技术的月夜生存和光照自主唤醒技术、三向测量、差分单向测距、同波束干涉测量关键技术；研制了月面着陆悬停避障/冲击/导航控制试验场、巡视器内场和外场、20000N发动机高模试车台等试验设施；建造了35m、66m口径深空测控站和65m口径射电望远镜，为后续深空探测任务的研制和实施奠定了良好的基础。

“嫦娥三号”任务中研制了我国第一台航天用高比冲高控制精度的变推力发动机，实现了1500～7500N范围内推力连续可变、可控，推力控制精度达到7.5N，对我国液体火箭发动机及相关技术的发展起到了很大的带动作用。在软着陆制导、导航与控制方面，自主开发了基于光学图像和三维高程数据的障碍识别算法，采用了光学成像粗避障与激光三维成像精避障的接力避障策略，在制导、导航、避障和姿态控制等方面大量控制方法和策略均为国内首次应用。首次突破了高精度大动态激光测距技术和微波测距测速技术，同时，使激光、微波体制导航敏感器非合作目标测量技术在航天领域实现工程应用，带动了激光和微波测量技术的发展。

未来我国对于火星、木星以及太阳系边际的探测都将实现。

月地高速再入返回任务

月地高速再入返回任务的主要目标是通过研制和发射由服务舱和返回器组成的月地高速再入返回飞行器，实现第二宇宙速度再入返回。月地高速再入返回飞行器发射质量2450kg，其中服务舱2117k g，返回器333k g。月地高速再入返回飞行器于2014年10月24日发射；11月1日，服务舱与返回器分离，返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆；服务舱经过规避机动后，执行了地月L2点探测、环月轨道交会对接远程导引飞行试验、“嫦娥五号”着陆区高分辨率成像等试验。

月地高速再入返回任务的实施，使我国掌握了第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回技术，构建了月地高速再入返回工程体系，实现了第二宇宙速度安全返回，并开展了月地往返多目标探测，获取了大量的科学数据；并取得了多项技术突破，主要有：双平台协同运行的总体技术，大倾角变轨道空间借力飞行技术，高速再入返回气动、热防护和G N C技术，高速再入返回跟踪测量和搜索回收技术，地月系统往返飞行和地月拉格朗日L2点（简称“地月L2点”）探测技术；新建了高能脉冲风洞、高焓膨胀管风洞、超声速电弧风洞和跨超/高超声速气动力试验系统，建立了深空跳跃式高速再入返回跟踪测量和搜索回收系统。

目前，有3次深空探测任务正在研制过程中，即：实现月球背面软着陆和巡视探测的“嫦娥四号”（编者注：本文刊发时“嫦娥四号”已发射并成功在月球背面软着陆），实现月球自动采样返回的“嫦娥五号”和实现火星环绕、着陆和巡视探测的火星探测器。下面分别对以上任务的进展进行介绍。

“嫦娥四号”于2018年12月8日成功发射

“嫦娥四号”任务

“嫦娥四号”任务的主要目标是实现国际上首次月球背面软着陆和巡视探测。“嫦娥四号”任务主要包括中继星、着陆器和巡视器。中继星已于2018年5月21日发射，6月14日成功实施轨道捕获控制，进入环绕地月L2点的Halo使命轨道，成为世界首颗运行在地月L2点Halo轨道的卫星。着陆器和巡视器发射并开展月球背面软着陆和巡视探测，中继星将建立着陆器和巡视器与地球之间的通信链路，实现国际首次地月L2点中继通信。

“嫦娥四号”任务搭载了3台国际合作载荷，分别为中继星上搭载的荷兰内梅亨大学研制的低频射电谱仪、着陆器上搭载的德国基尔大学研制的月球中子及辐射剂量探测仪，以及巡视器上搭载的瑞典空间物理研究所研制的中性原子探测仪。其中，低频射电谱仪将被用于在月球背面独特的无线电环境中开展银河系的低频大尺度辐射特性研究。嫦娥四号任务在研制过程中将突破多项关键技术，主要包括：地月L2平动点中继卫星轨道设计与通信技术、同位素温差电源技术和适应复杂地形条件下的安全着陆技术等。

“嫦娥五号”任务

“嫦娥五号”任务的主要目标是研制和发射采样返回探测器，实现我国首次地外天体无人自动采样返回。探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成，发射质量约8200kg。“嫦娥五号”探测器于2011年1月1日进入工程研制阶段，目前已完成正样研制工作，待命出厂。

“嫦娥五号”任务涉及多个飞行阶段、多个组合体构型。发射后，探测器以四器组合体形式运行，在地月转移与近月制动后，着陆上升组合体与轨道器—返回器组合体（简称“轨返组合体”）分离并实施动力下降。在月面软着陆后，着陆上升组合体开展钻取采样、表取采样和样品封装，并开展一系列科学探测。月面工作完成后，上升器与着陆器分离，以着陆器为平台起飞进入环月轨道，与轨返组合体完成交会对接和样品转移。之后，轨返组合体与上升器分离，通过轨道机动进入月地转移轨道，在距离地表5000k m高度处返回器与轨道器分离，半弹道跳跃式再入地球，着陆于预定着陆场。

在研制过程中，已突破多项关键技术，主要包括：多探测器系统设计技术、月球采样封装技术、月面起飞技术、月球轨道交会对接与样品转移等技术，并建立了一批地面试验验证设施，具体包括：着陆起飞综合试验系统、交会对接和样品转移全物理试验系统、羽流导流试验系统、采样封装试验系统。建立了月球样品存储与分析实验室、35m南美深空测控站和密云35m数据接收天线。

首次火星探测任务

2016年1月，我国首次火星探测任务正式批复立项，任务目标是研制火星环绕器和着陆巡视器，其中，环绕器主要开展火星环绕探测，并为着陆巡视器提供中继通信服务，着陆巡视器主要开展就位和巡视探测。首次火星探测任务发射质量4920kg，预计于2020年择机发射，2021年到达并在火星表面着陆。

在首次火星探测任务的研制过程中，将突破火星制动技术，环绕技术，进入、下降与着陆技术（E D L），以及火面巡视技术等关键技术。其中，E D L是最为关键的环节。我国首次火星探测任务将采用“弹道—升力式”进入方式，利用新型的盘缝带伞进行减速，并采用着陆缓冲机构实现着陆缓冲，完成E D L任务。目前，首次火星探测任务研制工作进展顺利。通过首次火星探测任务的研制与实施，有望使我国成为世界上第一个在首次任务中即实现火星“绕、落、巡”的国家。

月球永久阴影区探测任务

月球极区的永久阴影区富含水冰，具有极高的探测价值。月球永久阴影区探测器由着陆平台和阴影区移动探测器组成，其中着陆平台在发射和在轨飞行过程中作为移动探测器的服务平台，携带移动探测器在临近永久阴影区的月面光照区着陆，并继续为移动探测器提供能源和测控支持；移动探测器月面着陆后与着陆平台分离，通过月面移动（低空飞行或月面行走方式）进入永久阴影区，完成探测任务。月球永久阴影区探测任务将为我国最终建立月球科研站奠定良好的基础。

小行星采样返回探测任务

小行星探测任务体现了多样性和独特性，任务探测成果关系到探寻宇宙的起源演化、物质结构、生命起源等重大基础前沿科学问题，能反映公众感兴趣的工程基础问题（资源、预警），已成为深空探测的热点。小行星采样返回探测任务中，探测器将首先完成近地小行星绕飞探测，选定备选着陆后进行附着和采样，完成后返回地球。返回器弹道式高速再入地球大气层并在预定着陆场着陆，主探测器在地球借力后飞向主带彗星，开展主带彗星绕飞探测。与隼鸟号、欧西里斯号等小行星采样返回任务采用的“即触即走”的采样方式不同，我国的小行星采样返回任务中将在探测器稳定附着于小行星的情况下完成样品采集与封装，预期样品采集量更大。同时，在一次任务中实现小行星采样返回和主带彗星绕飞探测，预期科学成果丰硕。

火星采样返回探测任务

火星采样返回探测任务的目标是在2030年前实施火星土壤和岩石的无人采样，并将样品返回地球开展科学研究。将采用两次发射的方式，分别发射执行不同子任务的两个不同功能的探测器，其中一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回，另一个完成火星大气进入、下降与着陆，火星表面上升以及样品投送。预期将突破火星表面起飞上升技术，火星表面智能采样、封装和传递技术，环火轨道样品捕获和转移技术，火星大气辅助变轨技术，环火轨道交会技术和火星采样返回微生物污染检测与防护技术等关键技术。

木星系及行星际穿越探测任务

木星系及行星际穿越探测任务的目标是实现木星、木卫四的环绕探测和行星际穿越探测，为深化对木星系和行星际的相关科学研究提供科学探测数据。探测任务由木星系探测器和行星际穿越器组成。在到达木星前，行星际穿越器与木星系探测器分离，行星际穿越器在木星借力后飞往天王星，开展行星际穿越探测，同时，木星系探测器在实施轨道机动后开展木星及木卫四探测。

太阳系边际探测任务

太阳系边际探测任务的目标是飞行到距离太阳约150亿公里（约100A U）的日球层边界，开展物质结构、宇宙演化、生命起源等重大科学问题的探测与研究。参考“旅行者”任务的实施经验，为提高太阳系边际探测任务获取科学成果的可靠性，因此考虑同型设计，同期发射两颗探测器，飞向两个方向，开展日球层双向多目标飞越探测，使科学成果最大化。通过任务的实施，突破太阳系边际探测轨道设计，高效能源技术，远距离测控数传技术，自主控制与管理等深空探测共性关键技术，使我国具备外太阳系甚至太阳系外深空探测能力。

结语

我国在深空探测领域取得了一系列进展和突破。展望未来，随着我国科技水平的不断提升，深空探测的深度和广度将不断拓展。在月球探测方面，首先将按已有规划稳步推进，如期完成“绕、落、回”三步走的战略目标。在此基础上，将进一步开展月球永久阴影区探测。在火星探测方面，首次火星探测任务研制进展顺利，有望实现高起点的火星探测。小行星采样返回、火星采样返回、木星系及行星际穿越、太阳系边际探测等任务正在论证中，将持续带动我国航天技术进步，促进科学认知重大创新，在建设航天强国的道路上更进一步，为人类文明做出我国应有的贡献。