美国新版行星科学和天体生物学十年战略解读

张扬眉 赵琪（北京空间科技信息研究所）

2022年4月19日，美国国家研究委员会（NRC）发布《起源、世界和生命：行星科学和天体生物学十年战略2023——2032》（简称《十年战略》），提出了美国未来十年在行星科学、天体生物学、行星防御等领域的科学优先事项和潜在的机遇，并给出相应的投资建议。

该报告定义了12个优先科学问题，确定了3个高级科学主题——起源、世界和进程、生命和可居住性，以帮助指导行星科学和天体生物学的任务选择和研究工作。此外，该报告建议NASA均衡发展各级任务，提出了未来十年推荐实施的重点任务，并根据不同的预算前提，制定了未来美国太阳系探索的“保底计划”和“建议计划”。

美国国家科学院十年调查指导委员会联合主席、西南研究所行星科学理事会助理副总裁罗宾·卡努普（Robin Canup）说：“这份报告提出了一个雄心勃勃但切实可行的愿景，以在未来十年推进行星科学、天体生物学和行星防御的前沿发展。”

1 报告出台背景

“十年调查”是由美国国家研究委员会应NASA的要求而撰写的报告，涵盖美国国家航空航天局（NASA）科学领域的四大分领域——行星科学、天体物理学、太阳物理学和地球科学，目的是为NASA和其他美国政府机构制定上述领域在未来十年的战略规划提供参考。“十年调查”大约每十年发布一个分领域版本，包括《行星科学十年调查》《天文学与天体物理学十年调查》《太阳物理学十年调查》《地球科学十年调查》等。

美国国家研究委员会是1916年由美国国家科学院创建的民间非营利组织，是美国国家科学院、美国国家工程院和美国国家医学院具体从事科学技术研究和业务活动的机构，既接受这三个国家学院的指导管理，又保持其独立的研究体制并进行相互协作。此前，美国国家研究委员会于2003和2011年发布了名为《太阳系探索新前沿》《行星科学愿景与航程》的“行星科学十年调查”报告，而2022年新版的“十年调查”报告则涵盖行星科学、天体生物学和行星防御相关内容，并被命名为《十年战略》。报告指导委员会根据来自6个建议小组的输入、数百本白皮书、专业会议、与任务团队讨论等多种途径，撰写了本版报告。

2 报告主要内容

《十年战略》共23章，700余页，首先介绍了撰写该报告的需求、来源和背景，其次阐述了行星科学、天体生物学和行星防御的定义，分析了太阳系月球以及各大行星系统的特点，回顾了以往的探测任务，归纳出12项优先科学问题并加以详细阐述，梳理了未来相关的关键探测技术，重点提出了未来十年建议实施的计划和任务，最后展望未来，并提出中期评审报告以及下一版“十年调查”报告的撰写需求。

报告封面

提出12项优先科学问题，关注太阳系起源、演化和生命

报告确定了未来十年行星科学和天体生物学领域的12个优先科学问题，其中11个科学问题被分为3个科学主题，即太阳系的起源（主题A）、太阳系世界和进程（主题B）以及生命和宜居性（主题C）。第12个科学问题是关于地外行星的，贯穿覆盖了上述3个科学主题。该报告建议的所有任务和计划，都旨在解决这些优先科学问题，回答关于太阳系的起源、演化和生命等相关问题。

梳理未来空间探测关键技术，呼吁NASA提高预研投入

报告将“技术”定义为“科学的或其他有组织的知识在实践性任务上的系统应用”，并强调，技术是科学探测的基石，新的科学发现会引发新的问题，要回答这些新问题，就需要研发更加前沿的技术。在过去十年，NASA的科学任务部/行星科学部门和空间技术任务部协同工作，研发了多项对于未来行星和天体生物学任务至关重要的高风险技术。

报告对过去十年在技术管理和研发方面取得的进步进行了评估，梳理了这个十年和未来十年应研发的技术，包括仪器技术、自主技术、极端环境样品返回、通信系统、进入/离轨、下降和着陆系统、原位移动性、发射、巡航和交会优化、行星防御、行星保护和污染控制、放射性同位素热电源、太阳电池阵和能量存储、地表接触、技术系统工程和集成等。报告还提及了一些颠覆性技术的发展趋势，包括新兴商业发射系统、先进材料和制造、量子计算和人工智能/机器学习、动力和推进用小型裂变反应堆、商业航天、汽车用电子设备、脉冲星导航、原位资源利用等，并指出，随着不同领域新兴技术的不断涌现，会出现一些颠覆性的机遇，可在降低研发成本负担的同时，增强科学探测的能力。报告建议，NASA应维持对新兴技术的认知，鼓励科学和工程团体探索既可降低研发和运行成本、又可以获取更多科学回报的技术研发新方式。

报告认为，按照上版“十年调查”报告的建议，NASA的行星科学部门一开始曾将该部6%～8%的资金投向了行星科学技术的研发，典型案例包括地形相对导航（TRN）、精准着陆、有机物探测、样品采集和保存、成像和目标描述、危险探测和规避（HD&A）等技术，朝着未来十年技术研发方向迈进了一大步。但是，报告也发现，之后，NASA并未能够维持该预算水平，在过去五年，投入百分比仅为4%左右，严重低于建议水平。

报告提出几点建议，主要包括：①NASA行星科学部门应以部门总预算的6%～8%对技术研发进行持续投入；②行星科学部门应制定一套投资回报率标准，用于指导投资并鼓励技术的合并，这些标准应该对行星科学和天体生物学团体保持公开；③以“火星2020”为例，除进行单独的技术研发活动外，还应通过飞行任务不断验证新技术；④应准备额外资金应对进行技术演示验证而出现的成本超支情况；⑤建立单独的技术线，在小型飞行任务中演示验证多项技术；⑥空间技术任务部应确保其30%的投资用于科学任务部的技术研发，其中用于行星科学部门的预算应不少于10%。

建议NASA平衡实施各级探测任务，提高成本上限

NASA按任务规模、技术复杂程度以及成本和周期，规划了三类空间探测任务，即“发现”（小型）、“新疆域”（中型）和“旗舰”（大型）任务。

其中，“发现”任务成本低于5亿美元，具有研制成本低、研发时间较短、科学回报率较高的特点。目前，NASA已经实施了13次“发现”任务，即将实施第14项任务——“赛琪”（Psyche），此外，确定了另外两项未来任务——“达芬奇”（DAVINCI）和“真相”（VERITAS）金星探测任务。除此之外，NASA在“发现计划”框架下还建立了规模更小、成本更低的“行星探测小行星创新任务”（SIMPLEx），目前已确定多项任务，即“双面神”（Janus）、“月球拓荒者”（Lunar Trailblazer）、“逃离与等离子体加速和动力学探测器”（EscaPADE）、“月球极区氢测绘仪”（LunaHMap）等，每项任务的成本上限为5500万美元，可采用搭载的方式来实施。

“赛琪”小行星探测器

“新疆域”任务成本在5亿～9亿美元之间，与“发现”任务相比，研究的科学问题范围更广、更具挑战性，但同时成本更高、研发周期更长。目前，NASA共发射3项“新疆域”任务，包括“新地平线”（New Horizons）、“朱诺”（Juno）、“欧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）。第4项任务——“蜻蜓”（Dragonfly）土卫六探测任务正在研发中。

“蜻蜓”土卫六探测器

“旗舰”任务成本高于9亿美元，通常为复杂的、到达星体表面的任务，例如：现场样品分析、大型着陆器等，NASA已经实施的“旗舰”任务包括“旅行者”（Voyager）行星际探测器、“麦哲伦”（Magellan）金星探测器、“伽利略”（Galileo）木星探测器、“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）土星探测器和“火星科学实验室”（MSL），目前在研的旗舰任务为“火星采样返回”和“木卫二快帆”。其中，“火星科学实验室”成本高达25亿美元，“木卫二快帆”和“火星采样返回”预计成本分别为25亿美元和45亿美元。

报告建议，NASA应平衡上述三级任务，并考虑通货膨胀因素，提高这三级任务的成本上限，以实现源源不断的新发现并支持取得重大科学进步的能力。

报告还指出，“发现”计划为行星探索做出了重要和根本性贡献，应在未来十年内继续得到支持。低成本的SIMPLEx计划具有很高的科学价值，但受限于当前的成本上限，研究成果仍不够深入。如果成本上限能得到进一步提高，那么SIMPLEx计划将有可能在十年内取得更多科研成果，实现更多创新突破。因此，报告建议NASA将SIMPLEx计划的成本上限提高50%，以扩大该计划的研究范围，增加科研投资回报。

提出未来多项推荐任务，天王星探测成为首要旗舰任务

新版报告将视野从火星转向了更远的巨行星。新版报告提出了6项2023——2032年的候选旗舰任务，其中优先级最高的为天王星轨道器和探测器（UOP），成本42亿美元，该任务将探测天王星大气环境、磁层、环和卫星等。优先级第二的是“土卫二绕落器”（Enceladus Orbilander），成本49亿美元。其余4项任务分别为58亿美元的“木卫二着陆器”（Europa Lander）、28亿美元的“水星着陆器”（Mercury Lander）、52亿美元的“海王星-海卫奥德赛”（Neptune-Triton Odyssey）以及78亿美元的“金星旗舰”（Venus Flagship）任务。上一版报告确定的最高优先级任务为火星采样返回任务，目前，NASA与欧洲航天局（ESA）正合作推进火星采样返回计划，新版报告也支持了该计划。不过，报告指出NASA应当关注火星采样返回的成本，未来十年火星采样返回将耗资53亿美元，可能影响其他行星任务。

对于“新疆域”中型任务，报告建议实施半人马小天体轨道器和着陆器、谷神星采样返回、彗星表面采样返回、土卫二多次飞越、月球地球物理网络、土星探测器、土卫六轨道器、金星原位探测器、海卫一探测器等任务。这些任务主题的选择基于每个主题将如何解决确定的优先科学问题，并考虑计划平衡、目的地类别、成本、技术准备和科学价值。

此外，报告还建议，当火星采样返回任务完成大部分工作后，在“火星探测计划”框架下的下一项优先任务是“火星生命探索者”（MLE），并建议通过国际合作方式实施“国际火星冰层测绘仪”（iMIM）任务。同时，作为“月球发现与探测计划”的最高优先事项，耐力－A（Endurance－A）1耐力-A是委员会提出的一个任务概念，旨在解决最高优先级的月球科学问题——利用月球来研究太阳系的早期动力学和撞击历史，提出利用“商业月球有效载荷服务”计划提供的月球车穿越南极艾托肯盆地，将收集1 0 0 k g的样品并运送到便于航天员收集、送回地球的位置。应作为一项战略型中型任务来进行实施。

除了月球和火星目的地之外，该报告还提出，NASA应该在具有广泛科学重要性的其他领域制定科学探测战略，例如：金星、木卫二、土卫六等，这些领域未来将有越来越多的美国任务和国际合作机会。

建议关注宜居性变化规律，尽快启动行星防御新任务

与上一版“行星科学十年调查”报告不同，新版报告将内容扩展至传统行星科学之外的领域，包含了天体生物学和行星防御，这两个领域近年来愈发受到NASA的重视。

在天体生物学方面，报告提出三点建议：①NASA和其他相关机构应关注宜居性变化规律以及行星和生命的共同演化。由于天体生物学本质上是一门跨学科领域，涉及对物理、化学、生物、地质、行星和天体物理系统的综合研究，因此，建议NASA利用并推广成功的计划机制，努力促进跨学科、跨部门合作。②由于人们近年来对地球地表下生命的多样性、火星地表下方流体的历史和性质，以及海洋世界可能的生命宜居地进行了研究，因此，NASA应将计划和任务的重心放在对地表下环境适居性的研究与探索上。③为了推进宇宙生命探索工作，NASA应加快开发与验证相关环境下的生命探测技术。此外，NASA应将天体生物学专业知识整合到从启动、概念化到规划、开发与运行的所有任务阶段。

在行星防御方面，该报告建议NASA应全力支持“近地天体探测者”（NEO Surveyor）的开发、按时发射和后续的运行。在“双小行星重定向”（DART）和“近地天体探测者”任务后，应规划一项最高优先级的行星防御演示验证任务，该任务是一项快速反应的飞越侦察任务，目标是直径在50～100m的近地天体。这样的任务应评估飞越探测方法的能力和局限性，以更好地为短时预警时间的近地天体威胁做好准备。报告建议，在接下来的十年中，NASA应尽快抓住科学机遇，开发一种新方法，对预警时间较短的（少于3年）新威胁进行快速响应和飞越表征。

“近地天体探测者”

此外，在未来十年的基础设施方面，报告建议NASA与欧洲合作制定端到端的火星样品处理计划，建设火星样品接收设施；NASA继续进行投资，进一步改进放射性同位素电源系统技术，从而更好地管理钚－238的供应；等等。

根据预算，制定太阳系探测“保底”和“建议”双计划

报告根据不同的预算条件，为未来十年内NASA的太阳系探索活动制定了两套具有代表性的计划，即“保底计划”和“建议计划”。“保底计划”考虑通货膨胀因素，将NASA每年行星科学的预算都在2023财年金额的基础上增加2%；“建议计划”则瞄准解决该报告提出的优先问题，涵盖最高优先级任务，十年总预算比“保底计划”高出17%。“保底计划”和“建议计划”都将完成以下目标：

1）继续支持正在进行或开发中的任务；

2）继续按当前计划开展火星采样返回活动；3）启动天王星轨道探测器旗舰任务；

4）到十年中期，将用于研究与分析的资金增至行星科学部门年度预算的10%或更多；

5）继续支持火星和月球探测计划；

6） 随着火星采样返回任务成本的下降，将“火星探测计划”恢复到火星采样返回任务之前的资金水平，在2032财年达到5亿美元；

7）采纳有关“发现”计划和“新疆域”计划成本上限的建议；

8）采纳技术、风险与成本评估研究得出的成本；

9）将典型“发现”任务的生命周期成本定为9亿美元；

10） 将典型“新疆域”任务寿命定为11年，生命周期成本前五年20亿美元、后五年22亿美元；

11）继续支持行星防御，启动一项全新的快速飞越侦察任务；

12）维持和增加钚－238的生产。

“保底计划”和“建议计划”的最大区别在于，对于报告中的优先科学问题，两套计划对相应解决措施的支持力度不同。“建议计划”涵盖了报告中提出的最高优先事项，旨在实现前沿技术的开发和应用，保持美国在太阳系探索的领先地位。“保底计划”则削减了“土卫二绕落器”“火星生命探索者”等预算，延期实施天王星探测旗舰任务，延期选择“新疆域”新任务等。

为应对任务预算低于“保底计划”预算的情况，报告还确定了以下可以优先考虑的削减项目：①推迟启动下一项旗舰任务；②将新的“发现”任务的数量减少至4个；③取消原定在“近地天体勘测者”任务之后启动的任务，以降低行星防御任务预算；④减缓未来十年“新疆域”计划的节奏；⑤将耐力－A任务的启动时间推迟至十年末期，以降低“月球发现与探测计划”的资金水平；⑥将“火星探测计划”资金降低到低于“保底计划”提出的预算；⑦将新“发现”任务的数量减少至3个；⑧削减研究与分析活动资金。

3 几点分析

以解决重大科学问题为导向，围绕科学前沿规划任务

整篇报告中长达300页的篇幅都用于详细梳理目前行星科学领域的优先科学问题，可以看出美国行星科学任务以解决重大科学问题为导向、围绕科学前沿规划任务的特点。报告高度重视任务科学目标的设立，根据各项任务解决重点科学问题的能力及其平衡性、技术风险、就绪情况和成本，选择了需要重点关注和建议开展的大中型战略任务，并评估这些任务是否能对解决这些科学问题做出“实质性”“突破性”或“变革性”的贡献。

寻求小、中、大型任务均衡发展，探测重点向更远天体拓展

美国已经具备了探索太阳系八大行星和小天体的能力，目前正以火星采样返回、木卫二探测任务为重点，发展前沿探测技术，解决重大科学问题。在下一个十年，美国的深空探测活动将在寻求各型任务均衡发展、探测目标广泛覆盖的基础上，通过天王星、海王星等新的旗舰任务，进一步拓展人类认识宇宙的疆域，实现科学和技术上的突破。

在任务选择方面，美国将通过“火星探测计划”“月球发现与探测计划”，围绕“阿尔忒弥斯”（Artemis）载人登月目标，部署表面载荷，发展相关技术。此外，通过“发现”“新疆域”和“旗舰”计划，广泛探测太阳系天体，并对冰巨星等更远天体进行更深入、更系统的探测。

针对NASA任务超支问题，提出双向解决方案

一直以来，NASA对于其小、中、大型任务的成本都有相对固定的标准，在其最早于2006年发布的《太阳系探索路线图》中，曾规定这三类任务的成本和发射频率分别为：小型任务2.99亿美元、每十年发射4～7次；中型任务7.5亿美元、每十年发射2～4次；大型任务成本为7.5亿到数十亿美元，研制周期约7年。但在实际运行中，任务超支情况时常发生，尤其是“詹姆斯·韦布空间望远镜”（JWST）最初的总成本预计数亿美元，但20年间，随着建造的进行，项目预算和进度经历了数次变更，最终整个项目耗资约百亿美元。

针对上述情况，报告提出了双向解决方案，一是“开源”，提高任务成本上限。考虑通货膨胀因素，以及出现例如技术研发挑战、发射时间调整以及新冠疫情影响等，报告建议分别提高“发现”和“新疆域”任务的成本上限，以确保对行星探测任务的足额投资。二是“节流”，在控制行星科学领域总预算的要求下，优先考虑采取削减、延期、降低发射频率等措施来降低总成本。

以支持深空探索为重点，专注前沿空间技术的研发储备

NASA高度重视空间探测技术的预研，除科学任务部行星科学部门外，其下还有专门的空间技术任务部，每财年获得数十亿美元预算，继续保持对可用于NASA探测任务的开创性前沿技术的投入，其中重点研发无人和载人月球、火星及以远的探测技术，同时也为商业航天和其他国家的航天活动提供支持。这些技术具有高风险、高回报的特点，范围覆盖学术界和企业界，包括原位资源利用（ISRU），自动着陆和危险规避，先进冷却剂管理，先进材料，在轨制造和组装，小型航天器技术等。

报告充分考虑NASA在空间探测技术发展方面的需求，梳理了这个十年和未来十年应研发的相关技术，制定了技术发展原则，并为行星科学部门的预算安排提出了相关建议。