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独家:国外火星探测发展情况和态势研究

时间:2016年12月30日 信息来源:中国太空网 点击: 【字体:

张扬眉

(北京空间科技信息研究所)

(中国太空网讯)一直以来,火星探测都是空间探测的一大热点。自苏联1960年发射人类首颗火星探测器、揭开火星探测的序幕开始,美国、俄罗斯、欧洲、日本和印度等航天国家陆续开展火星探测活动,取得了大量的探测成果和重大发现。近年来,韩国、阿联酋等国家也开始涉足空间探测领域,提出月球和火星探测计划,其中阿联酋提出将于2020年发射中东地区首个火星探测器,韩国也提出将于2030年探测火星。此外,国外商业航天公司也开始进入火星探测领域。

整体上看,目前国外火星探测活动即将进入新一轮高潮期,在2016201820202022年的每个火星发射窗口均有火星探测任务,参与国家包括美国、俄罗斯、欧洲、印度、阿联酋等。此外,国外商业航天公司也制定了一系列“火星殖民”计划,期望将来实现人类改造火星、移民火星,进而实现“多星球文明”的远大目标。

一、火星探测的意义

火星是距离地球最近的类地行星,与地球最为相似。火星上是否存在水和生命,火星可否被改造成为适宜人类居住的绿色星球等问题,激发了人们探索火星的好奇心,也成为人类持续探测火星的推动力。探测和研究火星的根本出发点是为了提高人类对宇宙的科学认知,拓展和延伸人类活动空间,推动人类文明可持续发展。

除具有重大的科学意义外,在国际竞争日趋激烈的今天,空间探测,尤其是火星探测已成为目前及未来很长一段时期国际航天大国竞争的主要“竞技场”。成功实施火星探测,在空间探测领域跻身国际先进行列,是成为航天强国的主要标志之一,也是综合国力的重要体现,对国家的国际形象、大国地位起到积极提升作用。

此外,在火星探测领域取得成功,可以振奋民族精神,增强民族自信心和自豪感,激励青少年勇于探索、敢于创新的科学精神,为科技事业召唤源源不尽的后备力量。

火星探测还可以引领前沿高新技术的跨越式发展,鼓励科技创新,进一步推动航天运载、通信、遥测、材料、能源、高端装备制造等技术的快速发展,并以高新技术推动经济发展方式的转变,创造可观的经济和社会效益。此外,火星探测还可以带来一些附加的商业效益,例如太空资源利用、太空旅游等。

二、各国火星探测发展水平对比分析

20世纪60年代起,美国和苏联/俄罗斯就开始进行火星探测活动,截至目前50多年的时间里,美国和苏联/俄罗斯共发射了39个火星探测器。日本和欧洲分别于20世纪90年代和21世纪初实施火星探测活动,并取得了一定的探测成果。此外,印度于2013年成功发射火星轨道器,欧洲和俄罗斯于2016年成功发射“火星生物学2016”(ExoMars2016),目前该探测器携带的轨道器已经成功入轨,而试验着陆器着陆失败。

前,国外共实施了43次火星探测任务,其中美国20次,苏联/俄罗斯19次,日本1次,欧洲1次,印度1次,欧俄合作1次。完全成功或部分成功23次,失败20次,成功率仅为53%(见表1)。

全球火星探测器发射统计表

探测方式

美国

/

欧洲

日本

印度

欧俄

合作

合计

总数

成功

总数

成功

总数

成功

总数

成功

总数

成功

总数

成功

总数

成功

飞越

4

3

5

0

9

3


环绕

8

5

5

1

1

0

1

1

15

7


环绕+软着陆

4

3

8

4

1

1

1

1

14

9


环绕+软着陆+巡视

4

4

0

0

4

4


环绕+软着陆+采样返回

1

0

1

0


合计

20

15

19

5

1

1

1

0

1

1

1

1

43

23


注:成功定义“圆满成功”指圆满完成任务的工程目标和科学目标;“部分成功”指完成主要工程目标或取得较为显著的科学成果;“任务失败”包括发射失败,未抵达探测目标,未完成主要工程目标。表中“成功”包括“圆满成功”和“部分成功”。

 

从探测方式的角度看,国外火星探测活动的发展历程可分为3个阶段:第一阶段(19601971年)是掠飞火星阶段,主要对火星进行远距离观测,初步了解火星总体概貌;第二阶段(1971年至今)主要采用轨道器环绕探测与着陆、原位巡视探测相结合,以宏观与微观探测相配合的方式,对火星表面、大气、磁场、地质地貌以及火星地表下的环境特点进行综合研究;随着空间探测技术的不断提高以及载人火星探测的潜在需求,国外火星探测活动的第三阶段将进一步向无人采样返回发展,探测器将获取火星土壤、钻取火星岩石,并将样品带回地球进行详细研究。

从探测特点看,国外火星探测任务发展历程可概括为2个阶段,第一阶段(19601988年)为“技术带动”阶段,发射任务密集,成功率较低,但以突破相关技术为主;第二阶段(1988年至今)为“科学带动”阶段,突出特点是发射任务较少,任务成功率明显提高,在轨时间长,科学成果丰富。第一阶段的主要推动力是发展空间探测相关技术,追求飞得更远、更接近目标、探测时间更长。随着技术能力逐渐增强,第二阶段由发展技术转向科学驱动,更加关注科学探测成果的综合获取。

1. 美国处于领先地位

国是全球唯一全面掌握火星掠飞、环绕、着陆和巡视勘察技术的国家,在火星探测领域占据绝对领先地位,取得火星探测史上多个“第一”。美国1971年发射的水手-9Mariner9)是第一个成功进入环绕火星轨道的探测器;1975年发射的海盗-1Viking1)是第一个在火星表面成功着陆并持续开展探测工作的着陆器;1996年发射的“索杰纳”(Sojourner)是第一个登陆火星的漫游车;2011年发射的“火星科学实验室”(MSL)是第一个采用“空中吊车”精准着陆技术的探测器;2013年发射的“火星大气与挥发物演变”(MAVEN)探测器是全球第一个专门研究火星上层大气的探测器。

截至目前,美国共实施火星探测任务20次,其中飞越任务4次,环绕任务8次,着陆任务2次,环绕+着陆任务2次,巡视任务4次。成功15次,失败5次,成功率为75%

2. 苏联/俄罗斯多次尝试火星着陆

苏联/俄罗斯的火星探测活动起步最早,也取得火星探测史上的多个“第一”。苏联1960年发射的火星探测器-1Marsnik1)是世界上第一个飞往火星的探测器;1971年发射的火星-3Mars3)是世界上第一个在火星表面着陆的探测器,但着陆后20s就与地球中断通信。从20世纪90年代中期至今,俄罗斯仅发射了火星-96(包括轨道器和着陆器)和“福布斯-土壤”(Phobos-Grunt)火卫一采样返回探测器,但2次任务均遭失败。此外,俄罗斯与欧洲航天局(ESA)于20163月联合实施“火星生物学2016”任务。

至目前,苏联/俄罗斯共独立实施火星探测任务19次,其中飞越任务5次,环绕任务6次,环绕+着陆以及着陆任务8次。苏联/俄罗斯没有进行过一次完全成功的火星探测任务,仅部分成功5次,失败14次,成功率(将“部分成功”任务计入“成功”任务)仅为36%

3. 欧洲轨道器两次成功,着陆器两次失败

欧洲于2003年发射“火星快车”(Mars Express)探测器,该探测器由轨道器和猎兔犬-2Beagle2)着陆器组成。轨道器成功进入火星轨道并正常工作,标志着欧洲掌握了火星环绕探测技术,但猎兔犬-2着陆器在软着陆时与地面失去联系,坠毁在火星表面。目前,“火星快车”轨道器在轨工作情况良好,并曾在美国“凤凰”(Phoenix)着陆器和“火星科学实验室”着陆火星期间为其提供信息中继服务。

除“火星快车”外,ESA还与俄罗斯联合发射了“火星生物学2016”任务,该任务的轨道器——“痕量气体轨道器”(Trace Gas Orbiter)成功入轨,但“斯基亚帕雷利”(Schiaparelli)试验着陆器由于制动发动机提前关闭而撞向火星表面,软着陆任务失败。

4. 日本实现火星掠飞

日本于1998年成功发射“希望”(Nozomi)火星轨道器,按计划,“希望”探测器应在1999年到达火星,但由于推力器故障,探测器只能采用地球借力飞行方式飞往火星,并定于20031214日利用主发动机反向点火变轨进入火星轨道。但由于后来探测器的通信和热控系统发生故障,探测器于200312月接近火星,却无法按预期飞向火星,而是在距火星1000km处飞过,未进入绕火星运行轨道,探测火星任务失败。但是日本已获得探测器星际飞行和火星环绕探测的初步经验和教训,进行了行星空间氢气和莱曼α光谱谱系观测,获得了各种观测数据。

5. 印度火星轨道器科学意义有限

印度于2013115日用极轨卫星运载火箭-XLPSLVXL)从印度南部斯里哈里科塔发射场成功发射其首颗火星探测器——“曼加里安”(Mangalyaan)。20149月,“曼加里安”成功进入火星,目前在轨工作。但“曼加里安”任务以实现工程目标为主,侧重于任务的政治影响力。探测器在大椭圆轨道上运行,距离火星较远,且仅携带了15kg的有效载荷,科学意义有限。

三、火星探测科学目的的演变

火星探测具有重大的科学意义,50多年来,人类探索火星试图回答以下重大的科学问题:火星是否存在生命活动的信息或曾经孕育过生命?火星是否是太阳系中最有可能改造的适合人类居住的天体?火星独特的地形地貌和物理特性,承载了其演化的丰富信息,其演化与太阳系的起源及演化是什么关系?因此,全球火星探测任务的科学目标主要围绕对火星演化历史和火星生命信息的探测和研究这两方面来制定,其中对火星演化历史的探测包括火星大气层、地形的演化、火星的物质组成和化学演化、火星内部物理场和结构的演化等;对火星生命信息的探测包括火星水体探测、盐类矿物探测、从火星表面的形貌特征反证火星过去存在水体活动、从火星陨石中探寻生命存在的证据等。

按照时间段分类,全球火星探测的发展历程可分为3个阶段,即冷战时期(1990年前)、20世纪90年代(19901999年)和21世纪初(2000年至今)。

1. 冷战时期

冷战时期,苏联观测了火星及其空间环境(包括火星表面温度和大气组成),拍摄了一些火星表面图像,获取了一些相关数据。美国在“冷战”期间共实施了8次火星探测任务,主要为“水手”系列和“海盗”系列。在此之后,美国开始遵循其“火星探测计划”(MEP)的目标进行火星探测活动。两国的具体探测目标见表2

冷战期间国外火星探测任务的科学目标

国家

任务

科学目标

具体探测目标

苏联/

俄罗斯

火星系列

火星演化历史探测

观测火星及其空间环境

福布斯”(Phobos系列

火星演化历史探测

研究行星际环境;观测太阳;表征火星附近的等离子体环境;研究火星表面及大气环境;研究火卫一的表面组成

美国

水手系列

火星演化历史探测

探测火星大气,拍摄火星图像

海盗系列

火星生命信息和火星演化历史探测

着陆火星并搜寻生命存在的证据

2. 20世纪90年代

20世纪90年代,全球共进行了7次火星探测任务,其中美国5次,俄罗斯和日本各1次。在此阶段,美国是火星探测的主角,并开始了其持续至今的火星探测计划,标志性任务为“火星探路者”(Mars Pathfinder),其携带的“索杰纳”漫游车是全球第一辆在火星表面着陆的漫游车。

美国的“火星探测计划”是美国航空航天局(NASA)于1993年制定的一项长期火星探测计划,包括火星轨道器、着陆器和漫游车任务,目的是探索火星目前的环境、气候、地质历史和存在生命痕迹的可能性,即涵盖了探测火星生命信息和火星演化历史两方面的科学目标。1992年,NASA的“火星观测者”任务失败,促使NASA正式制定了“火星探测计划”。广义上来说,自1993年之后,NASA的火星探测任务都属于“火星探测计划”,但“火星探测计划”中的任务也可能属于NASA“发现”(Discovery)、“新疆域”(New Frontier)、“旗舰”(Flagship)计划。狭义上来说,“火星探测计划”的任务仅包括NASA财年预算申请中科学领域、行星科学分领域下的“火星探测计划”项目。按狭义分类法统计,目前NASA已经实施的“火星探测计划”任务包括“火星全球勘测者”、“火星气候轨道器”、“火星奥德赛”(Mars Odyssey)、机遇号(Opportunity)、勇气号(Spirit)、“火星勘察轨道器”(MRO)、“凤凰”、“火星科学实验室”以及“火星大气与挥发物演变”。

3  20世纪90年代火星探测任务的科学目标

国家

任务

科学目标

具体探测目标

美国

火星观测者

Mars Observer

火星演化历史探测

观测火星表面及大气,建立火星动力学模型

火星全球勘测者

MGS

火星演化历史探测

绘制高分辨率火星地图,探测火星地形、磁场和引力场,测定火星大气成分和气候

火星探路者

火星演化历史探测

探测火星大气、地质、土壤和磁场,研制低成本火星探测和着陆技术

火星气候轨道器

MCO

火星演化历史探测

监测火星大气尘埃和水汽,绘制火星气候变化演变图

火星极地着陆器/深空-21

火星生命信息和火星演化历史探测

探测火星表面和过去的水资源

俄罗斯

火星-96

火星演化历史探测

研究火星大气与气候,为载人登火做准备

日本

希望

火星演化历史探测

研究火星上层大气与太阳风的相互作用,观测火星磁场

注:1火星极地着陆器/深空-2Mars Polar Lander/Deep Space2)。

NASA的“火星探测计划”有以下4项目标:确定火星上是否曾经存在生命;研究火星气候;研究火星地质情况;为未来的载人探测火星做准备。

早期的“火星探测计划”任务包括“火星奥德赛”、“火星探测漫游者”(MER,勇气号和机遇号)、“火星勘察轨道器”、“凤凰”着陆器等,其主要探测目的都是“寻找水”。只有在发现了火星上过去和现在存在水的证据之后,才有可能进一步探索火星上是否有生命痕迹。目前,NASA的火星探测器已经发现火星表面有水和支持微生物生存的证据,因此美国2011年发射的“火星科学实验室”的探测目的则开始转变为“寻找生命痕迹”。

3. 21世纪初至今

21世纪初至今,全球共实施11次火星探测任务,其中美国7次,俄罗斯1次,欧洲1次,印度1次,欧俄合作1次,具体情况见表4。该阶段火星探测任务的最大特点是大部分任务均成功(苏联/俄罗斯的“福布斯-土壤”除外),开展了对火星的长期环绕探测和巡视探测,进行了大量的科学探测试验任务,获得多项重大的科学探测成果。

4  21世纪初至今全球火星探测任务的科学目标

国家

任务

主要科学目标

具体探测目标

美国

火星奥德赛

火星演化历史探测

研究火星表面矿物学,获取火星气候和地质特征数据,探测火星表面放射性环境

火星探测漫游者-A(勇气号)

火星生命信息探测

探测火星表面的水的踪迹,寻找生命存在的证据

火星探测漫游者-B(机遇号)

火星生命信息探测

探测火星表面的水的踪迹,寻找生命存在的证据

火星勘察

轨道器

火星生命信息和火星演化历史探测

探测火星气候和季节变化的物理机制,确定火星地形分层特性,观测火星表面热流活动,搜寻水的证据

凤凰

火星生命信息和火星演化历史探测

对着陆点周围的土壤、岩石和水冰等样品进行原位探测,判断样品是否含有有机物或其他生命痕迹

续表4

国家

任务

主要科学目标

具体探测目标

美国

火星科学实验室(好奇号)

火星生命信息和火星演化历史探测

探测火星上构建生命的物质的含量,例如碳、氢、氮、氧、磷和硫;探测火星岩石和土壤的形成过程和变化过程,分析火星大气长期演变过程,确定火星上水和二氧化碳的情况,研究火星表面辐射的光谱特征等

火星大气与挥发物演变

火星演化历史探测

探测火星上层大气的结构和成分,研究从火星大气挥发到太空中的易挥发物质的挥发速度、特性、总量,并研究导致这些物质挥发的原因和过程,从而揭示火星大气变稀薄的原因

俄罗斯

福布斯-土壤

火星演化历史探测

研究火卫一的内部结构、轨道及固有运动的特征、尘埃环等,火卫一样品采样返回

欧洲

火星快车

火星演化历史探测

探测火星矿物成分、火星大气、火星表层构造等

印度

曼加里安

火星演化历史探测

探索火星表面地形、矿物分布和火星大气

欧俄

合作

火星生物学2016

火星生命信息和火星演化历史探测

寻找火星过去或现在的生命痕迹;探测火星地下浅层水和物质的分布;研究火星大气中的微量气体,以及这些微量气体的来源

 

综上所述,全球火星探测任务的科学目标集中在火星演化历史探测和火星生命信息两方面,而且所有的火星探测任务计划都有与火星演化历史探测相关的科学目标。对于火星生命信息的探测,全球航天国家中,美国将对火星生命痕迹的探测列入了其火星探测战略规划;其他国家如苏联/俄罗斯发射的火星任务多在冷战期间,主要以领先美国、占据火星探测技术制高点为目的;而日本和印度均只实施了一次火星任务,主要目的是实现零的突破,取得了一定的科学成果,其中尤其是印度的火星轨道器仅实现绕火星轨道运行,使其成为全球第4个成功实施火星探测任务的国家,政治意图明显,科学意义不大;欧俄合作的“火星生物学2016”任务,原本属于欧洲“曙光”计划(Aurora Programme)的一项旗舰级任务,该任务的主要科学目标就是寻找火星过去或现在的生命痕迹,后来由于资金、技术等问题一再延期;之后,美国与欧洲发起“火星联合探测行动”,美欧计划合作实施“火星生物学”任务,再后来美国因为预算不足而退出,欧洲转而寻求俄罗斯的合作,并将任务分为2016年和20182次发射。

来,美国将稳步推进其“火星探测计划”和其他火星探测项目,计划发射火星着陆器、火星车和轨道器,未来可能实施火星采样返回任务,其科学目标将继续遵循“寻找火星生命信息”的主线,寻找火星上的水,探索生命痕迹,研究火星的可居住性,并为今后的载人火星探测做准备;欧洲也将以其“曙光”计划为主线,以载人火星探测为长远目标,探索火星生命痕迹,验证火星软着陆技术,未来也可能实施火星采样返回任务;俄罗斯则以重振其空间探测能力为重点,与欧洲合作实施火星探测,除“火星生物学2020”(原为“火星生物学2018”,后延期后更名)外,未来可能独立实施火卫一采样返回任务;其他国家如印度、阿联酋、韩国等国家,则相对侧重于火星探测的政治目的,力求取得任务成功,对科学目标的选择并不成系统。

五、主要航天国家火星探测途径与前景

前期的火星探测任务使人们进一步认识到,探索火星对地球环境演变趋势研究和拓展人类活动疆域具有重大现实意义。因此,全球的火星探测热潮始终持续,甚至越发激烈。

1. 美国持续推进火星探测

美国空间探测的长期战略是开展对太阳系的持续探测,包括实现载人火星探测和对其他行星的探测,进而延伸人类的活动疆域。美国进行空间探测,既具有科学目的,又兼顾政治、科技等其他考虑。一方面探索未知世界,深化人类对宇宙的认识;另一方面通过探测活动带动技术的创新和发展,并巩固其航天领先地位。

2010年,奥巴马政府调整美国载人探索计划,将其调整为在2025年实现人类首次访问近地小行星,2035年左右实施载人绕火星轨道飞行,之后实现载人火星探测。

20126月,NASA发布《可持续的载人航天探索路线图》,提出了一项多目标(地月空间、近地小行星、月球、火星及其卫星)的载人航天战略,并指出美国空间探测的最终目标是实现载人火星探测,而机器人探测作为不可或缺的先驱任务,可为未来的载人任务打下坚实的基础。

2014年,NASA发布《NASA战略规划2014》,指导未来航天活动,制定了美国包括空间探测在内的各大领域的战略方向、战略目标和优先级,强调采取大胆创新途径开展空间科学和空间探索,提出在21世纪30年代实现载人火星的探索目标。作为对《NASA战略规划2014》的响应,并参考美国国家科学研究委员会2011年发布的《行星科学10年调查报告:20132022年行星科学的愿景和前程》建议,NASA科学任务部发布《2014年科学计划》,以“认识太阳系组成、起源、演化及潜在的其他生命”为科学发展目标,勾勒出未来10年行星科学任务发展路线图,进一步明确美国未来空间探测的方向和目标,计划在2025年前实施数次火星探测任务。

2015108NASA发布了一份题为《火星之旅:开拓太空探索新篇章》的报告,声称美国接下来将分3个阶段实施载人火星探索系列任务,对美国载人火星探测目标和计划设想进行了分析和总结。

目前,美国正稳步实施以载人登陆火星为最终目标的空间探测战略规划,在轨的火星探测器共有5个,包括3个轨道器和2辆火星车。美国未来将继续深入开展火星探测活动,探测目标仍将是搜寻火星过去或现在的生命迹象,未来任务包括洞察号(InSight)火星深度钻岩着陆器、“火星2020”(Mars2020)新型火星车以及接替“火星奥德赛”的新型火星轨道器,并可能在此之后实施无人火星采样返回任务,为将来载人火星探测奠定技术基础。

2. 俄罗斯寻求国际合作,重筑空间探测能力

罗斯在2011年“福布斯-土壤”任务发射失败后,重新审视并调整了其空间探测规划,将大多数空间探测任务的发射时间延迟到2016年以后。俄罗斯航天工业近年来遭受多次挫折,需要可行的大项目带动。俄罗斯总统普京在20128月曾表示,俄军工业发展已显滞后,要采取“强有力而涉及面广”的路线,实现跃进式发展。

20134月,俄罗斯宣布《2030年及以远俄罗斯航天活动领域国家政策原则的基本规章》,提出了包括火星研究站、月球车巡视和采样返回、载人登月、金星探测、木星探测、小行星探测等在内的空间探测长远规划,力求重筑其空间探测能力。目前,俄罗斯坚持继续实施火星探测活动,已于2016年和欧洲航天器联合发射“火星生物学2016”任务。此外,俄罗斯还正进行福布斯-土壤-2任务的研制工作。

俄罗斯未来参与或独立实施的火星探测任务有“火星生物学2020”任务,以及2020年福布斯-土壤-2火卫一采样返回任务。

3. 欧洲围绕“曙光”计划实施火星探测任务

欧俄合作的“火星生物学”第二阶段任务原“火星生物学2018”被延期到2020年。未来欧洲将继续围绕其“曙光”计划,开展以载人火星探测为最终目标的空间探测活动。“曙光”计划是ESA20042月宣布的一项空间探索计划,其核心内容是欧洲国家参与的月球和火星的无人探测任务,是欧洲以载人为最终目的的空间探测的一项长期发展战略规划。

4. 日本将进行火星卫星采样返回

日本并未开展长期而宏大的、针对单一目标天体的综合探测活动,而是选择小行星作为突破点。日本目前已发射了彗星、火星、月球、金星和小行星探测器,其中彗星探测、月球探测和小行星探测都获得成功,尤其是小行星采样返回探测具有世界领先水平,但1998年发射的唯一的火星探测器——“希望”探测器任务失败。

2013125,日本发布了新的《宇宙基本计划》,规划了月球探测、小行星探测、水星探测等空间探测任务。日本未来空间探测近期目标是月球探测、小天体采样返回探测和水星探测,长远目标是实现载人登月和月面长期生存,建立月球基地,开展月球资源利用。日本未来还将开展大天体的环绕探测,包括水星、火星,以及开展木星综合探测。日本明确指出,要通过国际合作开展大天体探测等复杂的空间探测任务。

20156月,日本提出将于2021年左右将实施火卫一或火卫二采样返回探测任务。

5. 印度将于2020年左右实施第二次火星探测

印度一直主张通过发展空间技术促进民用技术的发展。印度总统也曾多次指出,空间技术发展象征着印度的科学技术成就。但实际上,印度进行空间探测任务,其政治目的重于科学目的。印度将日本和中国作为空间探测的主要竞争对手,其空间探测目的首先是显示实力,提升航天地位,其次才考虑科学探测成果。

度在其“十二五”规划中,将火星探测正式纳入国家航天发展计划,提出将在20132014年开展火星探测。在成功实施首次火星探测任务后,印度提出将于2020年左右进行第二次火星探测活动。

六、小结

1. 全球火星探测活动将达到史无前例的宏大规模,呈现出多国积极参与、探测形式多样、充分发挥各自技术优势的全新格局

由于每26个月出现一次火星任务发射窗口,加上各国出于对本国火星探测乃至空间探测的战略规划考虑,其他国家或商业公司在2016201820202022年的发射窗口都安排了密集的火星探测任务,包括2016年欧俄的“火星生物学2016”;2018年美国的洞察号着陆器和太空探索技术公司(SpaceX)的“红龙”(Red Dragon)飞船,2020年欧俄的“火星生物学2020”、美国的“火星2020”、印度的曼加里安-2以及阿联酋的希望号(Hope);2022年美国的新型火星轨道器、日本的火星卫星采样返回探测器等,均可预见在未来数年中,全球的火星探测活动将进入新一轮高潮期,尤其是2020年全球(包括中国)将发射5个火星探测器,将成为火星探测史上发射火星探测器数量最多的一年。此外,与冷战时期仅美苏争霸的格局不同,未来火星探测活动将由全球各国参与,既包括主要航天国家,如美国、欧洲、俄罗斯、日本、印度等,也将出现一些新兴参与国,如阿联酋、韩国等,世界火星探测将呈现出多国积极参与、探测形式多样、充分发挥各自技术优势的全新格局。

随着美国、欧洲、俄罗斯等国积极实施新的火星探测任务,涌现出大量与火星探测相关的新技术,例如美国喷气推进实验室(JPL)研发的火星直升机技术,该直升机将与火星车一起发射到火星表面,每天在火星上空飞行23min,可勘测火星车周围地形,执行火星表面探测任务,可极大地提高火星探测效率。再如俄罗斯正在研发的核能发动机技术,提出将于2018年开展核发动机的测试工作。采用核推进技术,可在1个半月时间内将人送往火星。此外,NASA也公布其2033年左右的载人火星探测任务中可能采用核推进技术,目前NASA正研制的“哥白尼”(Copernicus)飞船采用核裂变方式获取巨大推力,可在100天内抵达火星。由此可见,一旦成功突破核推进技术,载人火星探测面临的最大障碍——飞行时间问题将迎刃而解,空间探测方式将发生根本性的变革。

2. 商业火星探测崭露头角,未来火星探测商业市场潜力巨大

近年来,国外一些商业公司和组织提出以“殖民火星”为目的的火星探测系列计划,其中最引人关注的是美国SpaceX公司提出的火星探测方案,该公司创始人伊隆·马斯克20164月宣布最快将于2018年向火星发射首次商业任务,SpaceX公司也将成为全球首个执行空间探测任务的公司。如果“火星殖民计划”能够按部就班地进行,2024年将实现载人火星探测,2025年人类将登陆火星,这将大大早于NASA提出的21世纪30年代登陆火星的计划。这也将催生出一条经济效益客观的产业链,包括火星移民、火星种植、火星旅游等,都将为参与的商业公司带来巨大的经济效益。此外,还有此前在全球引起广泛质疑的“火星一号”计划,该计划通过官方网站选拔火星移民志愿者,并收取575美元不等的报名费,还计划通过广告和真人秀节目为项目成本筹措资金,据称全球有8万人报名参加该计划,缴纳的报名费已达数十万美元。虽然“火星一号”计划的真实性和可行性值得进一步探讨,但从中也可以看出未来火星探测商业市场具有的巨大潜力。

 

七、建议

1. 兼顾工程目标制定与科学目标,制定火星探测战略规划

火星探测科学目标的选择意义重大,从对以往火星探测任务进行分析可以看出,全球火星探测任务涵盖了研究火星演化历史和进程、寻找火星可能的生命痕迹等主要科学目标。但我国在制定火星探测任务科学目标的同时,也应兼顾任务的工程目标,才能通过有限次数的任务掌握尽可能多的火星探测技术能力,实现尽可能多的科学目标。

2. 进行火星探测相关技术预研,实现技术能力的提前储备

空间探测尤其是火星探测面临大量技术难题,临时进行技术开发,从时间上、进度上都为时已晚。美国长期以来十分重视空间探测技术的预研与储备,制定了未来10年内的技术领域投资规划。NASA行星科学部门与空间技术任务部合作,对空间探测技术的研发和投资进行统筹管理,并寻求在行星任务中验证新技术的机会,包括共性技术和专用技术。NASA提前投入大量资金进行新型能源、推进、导航、大气捕获、仪器、小型化、辐射减缓、行星保护、样品采集、返回和处理等新技术的开发,如高能太阳电推进系统、进入/下降和着陆系统(EDL)、空间机器人系统、激光通信中继验证、低密度超音速减速器等项目。

在充分考虑我国当前的技术能力和未来任务需要的基础上,我国应该高度重视技术预研和储备,提前进行例如深空核电源、高比冲发动机等核心技术预先研究项目,实现新的技术跨越,为我国未来空间探测活动打下基础。

 

3. 充分意识到任务难度,并有重点地制定探测目标

火星着陆是一项极具挑战的任务。火星距离地球较远,测控难度大且通信时间长,探测器只能采用自主控制的方式在火星表面着陆。此外,火星大气稀薄,着陆需要大气制动、降落伞和制动发动机等结合的方式才能实现软着陆。过去的19次着陆和巡视任务中,有13次成功进入火星大气,仅有8次任务着陆成功,成功率极低。欧洲拥有先进的测控和自主控制技术,但2次着陆任务均以失败告终,足以说明火星着陆难度之大。

连续着陆失败对于欧洲火星探测造成了一定打击,但2次失败均不至于造成任务的全面失败,这是由于“火星生物学2016”任务的科学目标主要由轨道器完成,着陆器只在着陆过程中和着陆后数天收集一些数据,而并不会对科学观测任务造成重大影响。因此,我国在实施首次火星“绕、落、巡”一体任务时,应充分吸取欧俄任务的教训,充分考虑任务的系统性和复杂性,在系统可靠性设计、部件选择和应用管理等方面严格控制。同时,我国也应充分意识到“完美”实施“绕、落、巡”任务的巨大难度,可将重点放在环绕任务上,着陆和巡视任务重点仅用于技术验证。这样做可以有效降低任务失败的风险,且轨道器对火星的全面观测将有助于后续任务的开展。

4. 充分考虑采取各种形式和程度的国际合作

空间探测项目的研制成本高、周期长,且直接经济效益反应不迅速,国际合作是目前全球空间探测活动的大趋势,已有多个国家成功地进行了空间探测领域的国际合作,取得了巨大成功,例如美德合作的“太阳神”系列任务、美欧合作的“卡西尼-惠更斯”土星探测任务、欧美的“尤里塞斯”太阳探测任务等。未来全球的多项探测任务也将采取国际合作模式,例如欧俄合作的“火星生物学”任务、欧日合作的“贝皮-科伦坡”(Bepi Colombo)水星探测任务等,此外一些国家例如印度、韩国等也在积极寻求空间探测方面的国际合作机会,例如,印度于20161月与法国签订合作意向书,可能联合实施曼加里安-2火星探测任务;20162月,韩国与美国签订航天合作协议,包括将在月球和火星探测领域进行合作。

空间探测有多个层面上的国际合作模式,包括顶层战略规划制定的合作,具体探测任务系统级的合作,以及提供仪器和任务支持形式的合作。

在目前预算并不充裕的情况下,多国都在空间探测领域采取了以提供仪器和任务支持为主的国际合作形式。我国也应在充分考虑政治、经济和技术多种元素的前提下,在坚持核心技术自主研发,独立掌握空间探测关键技术的基础上,广泛寻求国际合作,扩大我国在世界科学领域的影响,综合提升我国的科技实力。

随着航天技术的不断发展,近地轨道航天技术已日趋成熟,包括火星探测技术在内的空间探测技术代表了航天技术发展的重要方向,空间探测任务已经成为了航天未来发展的重要标志。创新地开展空间探测任务,掌握先进的空间探测技术和能力,获得原创性科学成果,是一个国家综合国力的体现,也是我们发展航天事业,建设航天强国的重要体现。在过去的10余年,我国通过探月工程重大专项的实施,已经取得了月球环绕探测、月球表面软着陆和巡视探测的重大成果,用于月球采样返回的重大关键技术——地球高速再入返回技术也已突破,中国用有限的几次任务掌握了美国和苏联用十几次甚至几十次任务才掌握的技术,在月球探测方面大幅缩小了和世界航天强国的差距。但在月球以远的空间探测领域,我们才刚刚起步,与美国还有相当的差距。

因此,我们应更加重视空间探测领域的发展,建立我国空间探测战略和规划的制定和完善机制;结合我国国情,形成我国空间探测中长期发展战略和规划,并纳入国家战略;以工程目标为基础,以科学目标为牵引,有所侧重地选择空间探测的发展重点和探测目标,形成具有中国特色的空间探测任务发展路线图;研究航天技术的发展方向,形成空间探测技术发展路线图;借鉴国家科技重大专项的成功经验,设立空间探测专项工程,加大预算和投资力度,牵引航天技术和基础工业的发展;根据空间探测规划和路线图,持续保持一定规模的经费投入,提前安排任务概念研究、任务方案论证、关键技术攻关和重大技术试验验证,为正式任务的实施奠定技术基础和实现人才队伍储备;积极开展空间探测技术引进,缩短技术研发的周期,在独立掌握空间探测核心关键技术的基础上,扩大空间探测任务国际合作,不断提升我国在世界空间探测领域的国际地位和影响力。


(作者:张扬眉 北京空间科技信息研究所)
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