国际深空探测技术发展现状及趋势

深空探测是人类了解地球、太阳系和宇宙，进而考察、勘探和定居太阳系的第一步。深空探测主要包括月球探测、行星探测、行星际探测和星际探测。

通过深空探测能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，进一步认识地球环境的形成和演变，认识空间现象和地球自然系统之间的关系。从现实和长远来看，对深空的探测和开发具有十分重要的科学和经济意义。

１深空探测回顾及其现状

深空探测通常包括如下３个不同的阶段：①搜索；②勘探；③深入研究。对于不同的星体，人类的探测研究处于不尽相同的研究阶段。现分述如下。

１．１月球

月球是离地球最近的星球，自古以来对人类有着极大的吸引力。随着航天技术的崛起，在２０世纪５０年代末到７０年代初，人类实现了对月球的探测和载人登月，对月球有了基本的认识。月球虽然是人类至今了解得最详细的星体，但还有很多问题尚待进一步研究。

从１９５９年１月至今，只有美国、苏联和日本向月球发射过探测器，美苏共发射了８３个无人探测器。此外，美国还进行过８次载人月球探测，其中包括６次载人登月。

美国先后共发射过３６个无人月球探测器，探测器分别对月球实现了硬着陆和软着陆，发送回大量的照片和化学分析数据。

１９６９年７月发射的阿波罗－１１首次实现载人登月，此后，又进行了５次载人登月飞行。１９９４年１月２１日，美国发射了由航宇局（ＮＡＳＡ）和国防部联合实施的“克莱门汀”月球探测器，运行两个月后获得了迄今为止最详细的月球表面图像。

１９９８年１月６日，美国发射了“月球勘测者”。该探测器采用了一些低成本的飞行器设计，结构较简单。它提供了大量有关月面上一些重点地区的基础性数据，所发回的月球科学数据要比“克莱门汀”探测器详细得多，这对于了解月球的起源及其整体构造是十分重要的。“月球勘测者”对月球的初步勘测，表明月球两极存在大量零散的冰块，且北极藏冰量约为南极的两倍，总储量为６×１０９ｔ。“月球勘测者”发回的数据显示，月球上的冰块分别散布在月球北极近５００００ｋｍ２和南极近２００００ｋｍ２的范围之内。通过探测器获知月球水冰量远远超出原先的估计，从而使其拥有更大的开发价值。

苏联从１９５９年１月至１９７６年８月间先后共发射了４７个无人月球探测器，成功地进行了硬着陆、软着陆和月面探测。２０世纪７０年代以后，由于技术上的障碍以及美国首先登月成功的原因，苏联放弃了载人登月计划。

国际深空探测技术发展现状及趋势

日本在１９９０年１月发射了“飞天”月球探测器，成为第３个探测月球的国家，该探测器重１８２ｋｇ，用于地－月轨道环境探测，同时发射１颗重１１ｋｇ的“造箭室”月球轨道器用于对月观测。目前日本正在研制月球－Ａ和“月亮女神”探测器。计划在２００４年发射月球－Ａ探测器，然后于２００６年后再实施软着陆计划。

欧空局目前正在研制小型先进技术研究

计划－１（ＳＭＡＲＴ－１）探测器。ＳＭＡＲＴ－１将于２００３年发射，探测器将在１７个月后到达月球并进入１０００ｋｍ×１００００ｋｍ的月球极轨道。印度科学家从１９９７年就已经开始对探测月球展开了争论。１９９９年１０月举行了公开的高级会议，讨论了进行登月飞行的科学目的、轨道、航天器设计方案、印度运载火箭能力等问题。印度空间研究组织（ＩＳＲＯ）已向国家航天委员会提交一项关于２００７～２００８年向月球发射无人探测器的任务计划。该探测器为一小型探测器，将装备反射计、分光计和照相机等设备，整个飞行任务的经费为７７８０万美元。

１．２火星

截止到２００１年底，人类共发射了３３个火星探测器，其中美国１４个，苏联１７个，俄罗斯１个，日本１个。现共有１５个探测器成功对火星进行了探测，其中５个飞越火星，６个火星轨道器，４个火星着陆。从２０世纪９０年代至今，人类深空探测的重点是火星探测，火星探测已成为继月球探测后的又一空间探索的热点。在此期间美国先后发射了“火星观察者”、“火星全球勘探者”、“火星探路者”、“火星气候轨道器”、“火星极地着陆器”和“奥德赛”火星探测器，其中“火星观察者”、“火星气候轨道器”和“火星极地着陆器”都失败了。俄罗斯仅在１９９６年发射了火星－９６探测器，该探测器在发射阶段就失败了。

日本于１９９８年发射了“希望”火星探测器，由于推进器出现故障推迟了到达火星的时间，估计２００４年才有可能进入火星轨道。目前的火星探测主要是对火星进行深入的研究，２００２年由“奥德赛”火星探测器发回的资料证实，火星存在大量的冰，这预示着火星上存在生命的可能性。目前许多国家都制定了新一轮的火星研究计划。美国计划２００３年发射“火星探测漫游器”，２００５年发射“火星再认识轨道器”，２００７年发射“灵巧登陆器”和“长期漫游器”，计划在２０１０年以后，进行火星取样返回任务。

欧空局计划在２００３年发射“火星快车”轨道器。法国计划在２００７年发射“火星登陆器网络”。２００２年４月，俄美欧联合公布了登陆火星计划，参加火星登陆计划的各方已同意在２０１４～２０１５年间，派遣航天员向火星进发。按计划，由各方选派的６名航天员将在２０１４～２０１５年间乘飞船飞赴火星。国际火星登陆计划将耗资约２００亿美元。俄罗斯、美国、欧空局成员国将各自支付近１／３的资金。

１．３金星

目前人类已经发射了３８个金星探测器，其中美国７个，苏联３１个。它们中的２２个探测器成功对金星进行了探测，其中３个飞越金星，６个探测金星，４个金星轨道器，９个金星着陆探测器。这些探测器都是１９８９年以前发射的。对金星进行探测的飞行器主要有如下系列。

（１）“金星”系列苏联，１９６３～１９８４年发射，其中有７个探测器在金星表面实现软着陆。

（２）“水手”系列美国，１９６２～１９７３年发射，探测金星及其周围空间。

（３）“先驱者”（“金星”系列）美国，１９７８年发射，在金星表面实现软着陆。

（４）“麦哲伦”探测器美国，１９８９年发射，绕金星观测飞行２４３天。

（５）“伽利略”探测器美国，１９８９年发射，于１９９０年２月飞越金星，进行遥感观测。

１９９０年后，没有发射任何金星探测器，世界各国的空间计划中没有继续研究金的计划。

１．４水星

美国的水手－１０探测器曾先后于１９７４年和１９７５年两次飞越水星，７０年代后期，由于飞船推进系统和防热需求等因素的制约，水星探测计划被延缓。在未来的探测计划中，美国计划于２００４年发射“信使”水星轨道器。日本计划在２００９年发射水星轨道器。

１．５木星

美国的先驱者－１０、１１探测器分别于１９７４年和１９７５年飞越了木星，发回了３００幅木星及其卫星的照片。美国的旅行者－１、２探测器于１９７９年飞越木星。用于深入研究木星的“伽利略”探测器于１９８９年发射，主要对木星及其卫星的化学成分和物理状态进行了研究。欧空局发射的“尤里希斯”探测器在飞越木星并对木星进行探测后，进入太阳极轨道。

１．６土星

美国的先驱者－１１于１９７９年９月飞过土星，探测到土星的两个新环。美国的旅行者－１于１９８０年１１月接近土星，发回土星环照片。美国的旅行者－２于１９８１年８月飞近土星观测了土星和土星环。１９９７年，美国发射了“卡西尼”土星探测器，它所携带的欧空局的“惠更斯”子探测器将在土卫六上着陆，目前探测器一切正常，预计将在２００４年抵达土星，探测土星及土卫六的大气结构和成分。

１．７天王星、海王星和冥王星

美国的旅行者－２探测器于１９８６年和１９８９年分别飞越了天王星与海王星，研究表明，天王星和海王星主要由冰、岩石、氢和氦组成。由于没有探测器拜访过冥王星，人们对其了解很少，主要是基于天文观测。美国计划于２００４年发射“普鲁东－魁伯快车”冥王星探测器。

１．８小星体

美国、苏联、欧洲和日本先后进行或联合进行了有关小行星及彗星的探测。美国和欧空局１９７８年发射的国际日地探险者－３分别于１９８５年和１９８６年探测了“贾可比尼”彗星和“哈雷”彗星。苏联于１９８４年发射的“金星－哈雷彗星”探测器分别对金星和“哈雷”彗星进行了探测。欧空局１９８５年发射的“乔托”探测器分别对“哈雷”彗星和“格里格－斯克杰利厄普”彗星进行了探测。日本１９８５年发射了“先驱”和“彗星”两个探测器均对“哈雷”彗星进行了探测。美国１９９６年发射的“尼尔”（又叫“近地小行星交汇”）对Ｅｒｏｓ小行星进行了探测。近年来，美国相继发射了多个小星体探测器。１９９８年发射的深空－１探测器用于进行小行星和彗星的探测，１９９９年发射的“星尘”探测器将对Ｃｏｍａ彗星进行取样返回探测，２００２年发射的“彗星旅行”探测器用于探测Ｎｕｃｌｅｉ彗星（已失败）。另外，欧空局计划于２００３年发射“罗赛塔”彗星轨道器－着陆器（因火箭原因，现已推迟）。美国于２００４年发射深撞－１探测器拟完成彗星交会与撞击任务。

２深空探测技术的发展现状与趋势

２．１发展现状

随着人类空间探测活动范围的扩大及探测任务进一步趋于多样化，深空探测的新型推进技术、探测器智能自主技术、新型传感器和载荷技术、测控与通信技术等都得到了长足的发展，并在深空探测活动中发挥了重要作用，有的还正在进一步研发，将列入今后的深空探测计划去实际应用。

（１）电推进与核推进技术

对于深空探测来说，找到快速、高效的推进方式是很重要的。由于传统火箭并不适用于更深一层的宇宙探测，因此，深空探测中的电推进和核推进技术的研发及其应用已引起航天大国的高度重视。电推进具有比冲高、推力小、能重复启动、质量轻和寿命长等特点，它很有可能成为未来深空探测器的首选推进技术。

电推进作为未来十分重要的深空探测技术，其研究范围几乎覆盖了所有类型的电推力器，但以离子发动机的研制为主，并且在深空探测器中已经实现了以离子发动机系统为主的推进，这标志着电推进的应用进入了一个崭新阶段。在离子推进系统工作期间，可以选择推力器的节流级来调节推力大小，并且在一般情况下，弹道机动和中途修正也可由离子推进系统来执行。

目前，国际电推进研究对象还扩展到了一些采用新的工作原理的推进方案，如采用微加工工艺成型的微型离子器、采用等离子体气体聚变的推力器等。而所有这些项目大多得到了政府和大公司的资金支持。

国际上核推进技术的研发也已崭露头角。核推进火箭提供的最大速度增量可达到２２ｋｍ／ｓ，使航天器到达土星的飞行时间减少到３年，而传统航天器则要花费７年的时间。核推进火箭非常安全而且有利于环保，这一点与人们平时的想象相反，因为发射核火箭时，放射性并不强。载有核助推器的航天器可作为普通化学火箭头部的有效载荷被发射出去，当有效载荷进入地球高轨道时，即大约８００ｋｍ以上，核反应堆开始工作。

制造核动力火箭发动机所需的技术并非遥不可及。目前已经设计出一种小型核动力火箭发动机，称为微型核反应堆发动机，约６～７年可制造出来。主要航天国家近期在深空探测技术方面将加速核能推进的研发工作，增加核推进研究的投入。

（２）探测器智能自主技术

由于传统控制技术越来越难以满足航天器深空探测任务多样性和姿态控制、轨道控制的高性能指标要求，先进航天国家早在２０世纪８０年代就着手发展航天器智能自主技术，并在自己的空间探测计划中逐渐增大了对智能自主技术的投入力度。

开发智能自主技术，旨在研制自主航天器，使深空探测器能自主完成导航控制、数据处理、故障判断和部分重构与维修工作，从而大大减少对地面测控、通信等支持系统的依赖。

近期在深空探测器的智能自主技术方面已取得重要突破，有的深空探测器已通过远程代理、自主导航、信标操作、自主软件测试和自动编码等技术途径，充分实现了智能自主控制。

（３）新型传感与载荷技术

在新型传感技术方面，目前国际上正在研发有源像元敏感器技术，以实现集成多功能成像，并开展了集成敏感器的研究。为了在技术上取得革命性突破，满足长远的深空探测应用需求，还正在研发最富有挑战性的前沿技术：生物－分子签名敏感技术，用以识别生命。

在深空探测器载荷技术方面，可把目前已经或将要使用的有效载荷技术，归纳为以下几个方面：

光谱仪有红外光谱仪、紫外光谱仪、成像Ｘ射线光谱仪、γ射线光谱仪、中子光谱仪等。其他探测仪有合成孔径雷达、亚表面探测雷达／高度计、辐射测量仪、微型行星地震仪、射电科学实验件、空间等离子体探测仪等。成像技术有高分辨率立体相机、小型成像相机、微型成像相机、芯片相机、热散发成像系统等。漫游技术月球漫游车、火星漫游车等.取样技术有穿头和钻探取样装置等。例如，“火星极地着陆器”探测器携带了很多穿头，用于研究火星表面及亚表面的地震和磁特性。每个穿头重２．４ｋｇ（包含气动壳体内为３．６ｋｇ），能穿透到坚冰以下２０ｃｍ。

（４）测控与通信技术

在深空探测测控技术方面，有的国家建立了深空网，利用深空网对探测器进行深空跟踪。为了解决深空探测器的通信时延、深空测角以及连续观测等问题，目前国际上采取的措施有：通过加大地球上深空站的天线口径、提高射频频段、降低接收系统噪声温度、采用先进的信道编译码技术和信源压缩技术等措施来克服巨大距离损失，运用连接端站干涉仪（ＣＥＩ）技术来实时提供测角数据进行实时导航，立足于全球布设陆基深空网，来克服地球自旋影响，以提供全天时连续观测。在深空探测通信技术方面，目前正在进行高速宽带光通信终端的试验。由于未来的深空探测也将采取星座和组网的工作方式，通信中继技术将必不可少。它将为星座或网络中的探测器与探测器之间、着陆器与轨道器之间、巡视车与基地站之间、大气机器人与其他装置之间，提供通信保障。

２．２发展趋势

２１世纪上半叶，先进航天国家将重点发展有助于快、好、省地开展深空探测活动的一系列关键技术，主要包括微小型化技术、高级自主和智能技术、光学通信技术、高效推进技术与高效能源变换及传输技术、行星整体成像技术等。

（１）微小型化技术小而轻、节省功

率的探测器和有效载荷，能更加有效地支持深空探测活动。微机电系统（ＭＥＭＳ）这类超微型加工技术和集成技术将给微型深空探测器的发展作出重大贡献，使电源、遥控、数据处理、制导与控制系统实现以微机为核心的高度集成，实现模块化、微型化、超轻量化。探测器的总质量将比现在减少一个量级。

（２）高级自主和智能技术操作和控制深空探测器的自主技术将进一步发展。这将大大增强深空探测活动的效率，使深空探测器的操作高度自动化，包括导航、跟踪、精确着陆、失效监测和校正等。这样，可使探测器能自动取样返回、自升和下降。

（３）光通信技术由于光通信有大容量、非相干性、轻便、小型等许多优点，它将会作为未来深空探测的重要信息传输手段而大力发展。预计光通信在２０１０年前后将获得广泛应用。光通信终端的研制成功将可以充分发挥深空探测器上的高分辨率、宽视场成像仪的作用，而不受数据传输能力的限制。

（４）高效推进技术与高效能源变换及传输技术在深空探测中，为了缩短到达行星或恒星的时间，使探测器能以较少推进剂而携带更多观测仪器等，将促使电推进、核推进等高效推进技术成为最重要的技术而得以更快的发展。高效能源变换技术将朝着小型、轻便太阳电池方向发展。在传输技术方面，未来将开发微波或激光能源传输技术，包括从卫星到深空探测器，从月球上的能源站到深空探测器等的能源传输。

（５）行星整体成像技术除上述空间探测的关键技术等将得到很大发展之外，人工智能用于成像分析、高分辨率的Ｘ射线成像仪中的极精密金－钨栅网、大口径和质量轻的光学望远镜等，也将在深空探测中发挥重要作用，从而大大提高深空探测器的性能。