來源:中國航天
轉載:空天大視野
2022年,全球深空探測領域取得蓬勃發展。“天問”一號任務圓滿完成科學探測任務目標;“嫦娥石”的發現讓人類對月球起源與演化的理解更進一步;美國“阿爾忒彌斯”1(Artemis-1)任務成功發射,開啟重返月球之旅;“雙小行星重定向測試”(DART)任務完成全球首次近地天體撞擊防御技術試驗……人類探索深空的腳步從未停止,深空探測活動的疆域在不斷擴大。本文對月球探測、行星探測、天文探測和近地小行星防御等方面的任務進展與科學發現進行歸納,對國際相關政策規劃開展分析,并闡述了深空探測領域未來的發展重點與趨勢。
一、深空探測任務進展
自20世紀60年代以來,全球共開展深空探測任務260余次,人類“足跡”已遍布太陽系八大行星,人類“眼界”已拓展至138億光年。當前,圍繞宇宙演化與生命起源等重大科學前沿問題和地外資源開發利用,全球深空探測活動以月球、火星等為探測重點,已進入空前活躍的新時期,在軌任務共有約40項。2022年,全球共發射實施4項深空探測任務,即美國6月28日發射的“地月自主定位系統技術操作與導航實驗”(CAPSTONE)立方星、韓國8月4日發射的“韓國探路者月球軌道器”(KPLO)、美國11月16日發射的“阿爾忒彌斯”1任務,以及日本12月11日發射的“白兔重啟任務1”(HAKUTO-R-M1,簡稱為“白兔-R-M1”)任務。
(一)月球探測
月球是地球唯一的天然衛星,由于其具有重要的科學意義與資源價值,已成為世界各國開展深空探測活動的首選目標,也將是未來人類進入深空的理想前哨站。2022年,中國探月工程四期啟動研制,月球科研站基本完成國際大科學工程培育工作,美國主導并聯合多國正在實施“阿爾忒彌斯”月球探測計劃,歐洲提出了“月球村”設想,俄羅斯、日本、印度、阿聯酋等國家也正在實施月球探測計劃,繼美蘇太空爭霸之后,世界范圍內的月球探測熱潮已經興起。
1.多個月球探測任務相繼發射,推動月球新一輪探索熱潮
2022年6月28日,全球首次地月空間立方星任務——CAPSTONE發射,并于11月13日成功進入月球環繞軌道。CAPSTONE是美國航空航天局(NASA)主導研制的一顆12U立方星,作為美國“門戶”(Gateway)地月空間站運行的探路先鋒,對“近直線暈軌道”(NRHO)的穩定性進行模擬驗證,幫助降低未來地月空間站的運行風險。此外,CAPSTONE還將演示驗證不依賴地面跟蹤的新型導航技術。任務不僅將為“門戶”地月空間站的運行鋪平道路,還將為立方星開展空間探索奠定基礎。
2022年8月4日,韓國首次月球探測任務——KPLO發射升空,并于12月17日成功進入月球環繞軌道。任務的工程目標為驗證韓國月球探測關鍵技術,演示驗證“空間互聯網技術”,科學目標為探測月球環境,繪制月球地形圖,支持韓國未來的月球著陸任務開展著陸地點選擇、月球資源調查、月球輻射環境和表面環境探測等工作。
2022年11月16日,美國新一代重型運載火箭“太空發射系統”(SLS)成功發射,將“獵戶座”載人飛船及10顆立方星送往月球軌道,開始執行“阿爾忒彌斯”1任務。本次任務是“阿爾忒彌斯”計劃的首次試飛任務,“獵戶座”飛船開展了無人繞月飛行,并于12月11日返回地球,為后續載人繞月飛行奠定了基礎。“阿爾忒彌斯”1任務搭載發射的10顆立方星將開展月球探測、地月環境輻射研究、小行星探測、技術演示驗證等工作。
2022年12月11日,日本ispace公司的首次商業月球著陸任務——“白兔-R-M1”發射升空,預計將于2023年4月末在月球著陸。“白兔-R-M1”是ispace公司研制的商業月球著陸器,以將用戶的有效載荷交付至月球表面為主要目的,此次任務的載荷包括阿聯酋穆罕默德?本?拉希德航天中心(MBRSC)的“拉希德”(Rashid)月球車、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的可變形月球機器人、加拿大任務控制空間服務(MCSS)的人工智能飛行計算機、日本特殊陶業公司的全固態電池等。“白兔-R-M1”是全球首次以商業目的為核心的月球探測任務,正式拉開了商業月球探測的序幕。
2.多國穩步推動后續計劃發展,為月球探測提供持續動力
2021年底,中國探月工程四期任務獲得國家批復,將在未來10年之內陸續實施“嫦娥”六號、“嫦娥”七號和“嫦娥”八號任務。其中,“嫦娥”六號將前往月球背面執行采樣返回任務;“嫦娥”七號將對月球南極資源和環境進行詳查,開展著陸、巡視和飛越探測;“嫦娥”八號將開展月球資源開發利用和技術試驗驗證,建設月球科研站基本型。在月球樣品方面,截至2022年12月,我國完成了5批198份共計65104.1mg的月球科研樣品發放工作,33家單位的98個科研團隊獲得了月球科研樣品,研究方向集中在地球化學、地質學、月壤物性、太空風化、磁場、生物等領域。月球樣品研究已經取得了令人鼓舞的成果。
俄羅斯、日本和印度等國繼續推進其后續無人月球探測任務,但受到俄烏沖突、新冠疫情、技術問題等因素的影響,任務發射時間存在不同程度的推遲。目前,俄羅斯的“月球”25(Luna-25)任務、印度的“月船”3任務及日本的“小型月球探測著陸器”(SLIM)任務均計劃于2023年發射。商業月球探測領域蓬勃發展,月球通導系統建設持續擴大。
商業月球探測取得突破性進展,日本ispace公司首次商業月球著陸任務取得成功,NASA“商業月球有效載荷服務”(CLPS)計劃支持的多個商業探測任務蓄勢待發,與此同時,月球通信與導航服務(LCNS)網絡等相關產業也在快速發展,以匹配未來大規模月球探測的需求。
在月球有效載荷運輸服務方面,NASA正積極推動CLPS計劃,旨在簽訂運輸服務合同,利用商業月球著陸器將小型無人著陸器和漫游車送往月球的南極區域,其主要目的是探明月球資源,測試原位資源利用(ISRU)概念,進行月球科學研究以支持“阿爾忒彌斯”計劃。截至2022年12月,NASA共宣布8份月球表面任務訂單,多家商業公司將為其提供月球載荷運輸服務。
在月球通信與導航服務網絡方面,NASA正在推動“月球網絡”(LunaNet)架構的發展。LCRNS項目成為獨立項目,正在管理月球中繼服務的采購與實施,以支持“阿爾忒彌斯”月球任務。NASA還發布了第二版“月球網絡”互操作性規范草案。歐空局(ESA)也在推動“月光”倡議(Moonlight initiative),提議在月球周圍部署一個航天器網絡以支持載人和無人月球探索,正在鼓勵歐洲航天公司在月球周圍放置一組通信與導航衛星,并積極推進“月球探路者”(Lunar pathfinder)任務的發展,用于早期月球任務的初步通信服務。ESA在2022年1月啟動了“月光”倡議:月球通信與導航服務征集想法和用例,以了解外部對月球通信與導航服務的需求,進而幫助ESA設計出能更好滿足這些需求的功能。
2022年6月,ESA與NASA簽署了一項關于“月球探路者”的諒解備忘錄,NASA將發射并交付“月球探路者”至工作軌道,以換取NASA任務的數據中繼服務,使NASA成為“月球探路者”服務的首批用戶之一。ESA和NASA還將合作使用“月球探路者”進行導航實驗。CLPS任務最終可能成為“月球探路者”的用戶。
行星探測是人類拓展宇宙認知邊界、探尋地外生命信息的重要技術途徑,已成為世界深空探測活動的重要方向。探測火星、木星等天體可為人類研究太陽系起源和演化、探尋地外生命信息提供技術手段和科學依據,小行星因其科學價值、資源利用價值,近年來也已引起世界各國的廣泛關注。
1.多國火星探測任務有序推進,歐俄探測任務推遲發射
我國的“天問”一號任務已于2022年6月實現全部既定科學探測任務目標,進入拓展任務階段。截至12月,“祝融”火星車累計巡視探測1921m,“天問”一號軌道器和火星車累計獲取原始科學數據約1600GB。科學研究團隊利用我國獲取的一手科學探測數據,形成了一批原創性成果,發現了晚西方紀(距今30億年)以來著陸區發生的風沙活動、水活動的新證據,在《自然》《中國科學》等國內外重要期刊發表論文50余篇。我國首次火星探測任務獲得2022年國防科技進步特等獎、國際宇航聯合會2022年度“世界航天獎”。國際天文聯合會將“天問”一號著陸區的22個火星地理實體以我國的歷史文化名鎮命名。
圖2“祝融”火星車巡視探測圖(截至2022年6月)
在國際深空探測方面,歐俄聯合開展的“火星生物學”項目第二次任務原計劃于2022年發射,受俄烏沖突等因素的影響,7月,歐洲宣布正式終止與俄羅斯合作“火星生物學”任務。ESA計劃建造歐洲自己的著陸器,將“羅莎琳德?富蘭克林”火星車送上火星表面。此外,美國的“洞察”(InSight)火星著陸器和印度的“曼加里安”(Mangalyaan)火星軌道器正式結束任務。其中,“洞察”于2018年11月著陸火星,由于火星塵埃的持續積聚,太陽能電池板的發電量一直在減少,NASA在2022年12月21日宣布,“洞察”在對火星進行長達4年多的科學探測之后,任務正式終結;“曼加里安”于2014年9月進入火星軌道,2022年9月,印度宣布探測器由于與地面失去聯系而結束任務。
2.美歐調整“火星采樣返回”計劃,進一步精簡任務架構
美歐對當前火星探測的最高優先級任務——“火星采樣返回”(MSR)計劃進行了調整,重點是刪除了用于取回樣品的新火星車,改為由“毅力”(Perseverance)火星車完成樣品的取回工作,同時由火星直升機作為備份。最新的架構如下:(1)由“毅力”攜帶樣品管并在未來執行任務時將其送回地球,同時將一部分樣品管存儲在火星表面作為備份;(2)2028年夏季,發射ESA研制的“樣品取回著陸器”(SRL)及NASA研制的“火星上升器”(MAV)和2架火星直升機,在“毅力”將樣品送回“樣品取回著陸器”后,由“火星上升器”將樣品送入火星軌道;(3)2027年秋季,發射ESA的“地球返回軌道器”(ERO),其在進入火星軌道后從“火星上升器”獲取并密封樣品,并將樣品容器放入“地球再入艙”(EEV)中;(4)2033年,密封于“地球再入艙”的火星樣品管被送回地球。
圖4 “火星采樣返回”計劃概念圖(由“毅力”運輸樣品管)
3.小行星采樣返回持續推進,數項小行星探測計劃調整
2022年,我國“天問”二號小行星探測任務已進入初樣階段,預計在2025年發射,并對近地小行星2016HO3開展伴飛探測并取樣返回。美國“歐西里斯雷克斯”(OSIRIS-Rex)小行星采樣返回任務計劃在完成采樣返回任務之后,將開展擴展任務——“歐西里斯阿波菲斯探測器”(OSIRIS-APEX),以訪問小行星“阿波菲斯”(Apophis)。“阿波菲斯”預計將于2029年飛掠地球,離地球最近時距離僅3.2萬千米。屆時探測器將在“阿波菲斯”附近停留18個月,對這顆350m的小行星展開近距離探測。在NASA宣布“歐西里斯雷克斯”在擴展任務期間探測“阿波菲斯”之后,韓國以“缺乏技術能力”為由,放棄了發射探測器以在2029年“阿波菲斯”小行星近距離掠過地球期間探測該小行星的計劃。
原計劃于2022年8月發射的NASA“賽琪”(Psyche)小行星探測任務延期至2023年,主要原因在于模擬航天器的測試平臺問題、航天器關鍵組件延遲交付、缺少飛行軟件測試等。原計劃搭載“賽琪”發射運載火箭的“雙面神”(Janus)雙小行星系統探測任務也受到了影響。
天文探測是人類揭示宇宙起源、探索系外宇宙、拓展人類視野的重要科學途徑。由于地球大氣層遮蔽等環境因素的影響,地基望遠鏡已無法滿足科學家探索宇宙的需求。近年來,隨著一系列大型空間望遠鏡的發射,更多宇宙早期和深遠星系的圖像被獲取,極大地拓展了人類對宇宙誕生及更加遙遠的恒星際空間的認識,掀起了探索宇宙的新熱潮。
“詹姆斯?韋伯”空間望遠鏡(JWST)在2021年12月發射后,順利進入距離地球150萬千米的日地拉格朗日L2點工作軌道并開始探測活動。由于其強大的觀測能力,在軌觀測僅數月時間就拍攝了多幅創紀錄的圖像。7月,NASA與ESA、加拿大航天局(CSA)和空間望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)的合作伙伴一同發布了“詹姆斯?韋伯”空間望遠鏡拍攝的首批圖像,包括船底座星云、南環星云、系外行星WASP-96 b光譜圖、斯蒂芬五重星系,以及“詹姆斯?韋伯”空間望遠鏡首張宇宙深場圖。這批圖像揭示了一系列曾經被隱藏的宇宙特征。
2022年9月26日,全球首次近地天體撞擊防御技術試驗任務——DART按照計劃成功撞擊目標小行星。DART攜帶的立方星、全球多臺地面望遠鏡及天基望遠鏡對撞擊事件進行觀測,以了解動能撞擊技術在行星防御方面的可用性及撞擊產生的各類影響。探測器最終以6.5km/s的速度撞擊了小行星,撞擊點距離小行星Dimorphos的中心僅有17m。NASA對獲得的觀測數據進行分析后發現,DART的撞擊成功改變了小行星的軌道,這標志著人類首次有目的地改變天體的運動,也是首次真實尺度演示小行星偏轉技術。
二、深空探測領域科學發現
(一)“嫦娥”五號證實月球表面有水并助力發現月球表面新礦物
我國科學家利用“嫦娥”五號攜帶的“月球礦物光譜分析儀”所探測的數據,首次獲得了月表原位條件下的水含量。數據分析結果為月球水的存在提供了新證據:“嫦娥”五號采樣區的水含量在120×10-6以下,而巖石中的水含量約為180×10-6,并且以“結合水”或羥基的形式存在。除此之外,2022年9月,一種新的磷酸鹽礦物——“嫦娥石”被我國科學家在“嫦娥”五號月球樣本的玄武巖碎屑中發現。國際礦物學會新礦物分類及命名委員會經投票確認其為一種全新的礦物。該礦物是人類在月球上發現的第六種新礦物,我國成為世界上繼美國、蘇聯后第三個在月球發現新礦物的國家。
(二)“祝融”發現火星水活動跡象并揭秘火星淺表結構我國科學家根據“祝融”火星車4個月內采集的低頻雷達數據,獲得了火星北方低地最大撞擊盆地——烏托邦平原南部長約1171m剖面的高精度火星表面以下(<80m)的結構分層圖像并發現顯著的分層結構。數據表明該區域淺表80m之上未發現液態水存在的證據,但不排除存在鹽冰的可能性。本發現為深入認識火星地質演化和環境、氣候變遷提供了重要觀測基礎。而在地質年代較年輕的“祝融”著陸區,我國科學家利用火星車獲得的數據發現了水活動的跡象,表明該區域可能含有大量以含水礦物形式存在的可利用水。該區域發現的巖化板狀硬殼層中富含含水硫酸鹽等礦物,可能是由地下水涌溢或毛細作用蒸發結晶出的鹽類礦物膠結了火星土壤后經巖化作用形成的。這一發現表明,亞馬遜紀時期的火星水圈可能比以往認為的更加活躍,同時也為未來利用火星北部平原的含水礦物提供了理論基礎。
(三)“毅力”證實火星“杰澤羅”環形山曾為生命提供宜居環境“毅力”團隊公布了“火星2020”(Mars 2020)任務的首批研究成果,為火星上水的歷史提供了新見解。“毅力”火星車分析的首批樣本來自“杰澤羅”環形山,研究發現這片區域曾經是一片湖泊,含有火成巖礦物(如火山巖)與含有礦物顆粒的鹽塊混合物。這些鹽塊物質中既包括硫酸鹽,像火星上常見的瀉鹽;也存在高含量的含氯鹽,如氯化物和高氯酸鹽;還有一些火成巖礦物被轉化為碳酸鹽,當大氣中的二氧化碳溶解在水中時就會發生這種情況。這些高度可溶的鹽塊物質表明“杰澤羅”撞擊坑內的巖石曾被鹽水浸泡過,因此成為火星上有過液態水的明確證據,有力地證實了“杰澤羅”環形山曾經為生命提供宜居環境。
科學家對“隼鳥”2任務采回的小行星“龍宮”的樣品進行分析發現,小行星“龍宮”樣品與CI球粒隕石最為相似,但是具有低反照率、較高的孔隙度及更易碎的特征。通過光譜分析,科學家在2.7μm(表明樣品富含OH)與3.4μm(表明有機物的存在)處發現了較強的吸收峰,并且檢測到了碳酸鹽(其中一部分富含鐵),及富含NH的化合物。有機物的新發現可能會為研究太陽系行星的形成與演化路徑提供新思路。
1.NASA發布新版戰略規劃,更加強調創新與進步
2022年3月,NASA發布《2022年戰略規劃》。與上一版相比,新版戰略規劃將NASA的四大戰略目標從“發現、探索、發展、實現”(Discover, Explore, Develop, Enable)調整為“發現、探索、創新、進步”(Discover, Explore, Innovate, Advance),更加強調創新和進步。此外,該規劃將“應對氣候危機”作為NASA的重要目標,提出將大力推動地球科學領域相關任務和活動的發展。與上一版戰略規劃類似,新版戰略規劃再次重申了NASA的以下規劃:鞏固美國在全球航天航空領域的領先地位,在月球表面保持可持續的人類駐留并向火星探索邁進,鼓勵創新并創造就業機會,與國際合作伙伴加強航天合作,鼓勵低地球軌道的商業航天活動,推動發展美國當代和下一代人的多樣性、公平性、包容性與可及性。
2.美國發布新版行星科學10年調查報告,提出未來10年科學優先事項
2022年4月,美國國家研究委員會發布了《起源、世界和生命:行星科學和天體生物學10年戰略2023—2032》,提出了美國未來10年在行星科學、天體生物學、行星防御等領域的科學優先事項和潛在的機遇,并給出相應的投資建議。報告的主體內容包括:(1)提出了12項優先級更高的科學問題,確定了3個高級科學主題——起源、世界和進程、生命和宜居性;(2)梳理了未來深空探測的關鍵技術,并提及了一些顛覆性技術的發展趨勢,同時呼吁NASA進一步提高技術研發的投入;(3)建議NASA平衡大中小型任務,并考慮通貨膨脹因素,提高任務的成本上限;(4)提出多項推薦任務,其中候選旗艦任務共6項,優先級最高的為“天王星軌道器和探測器”,其次分別為“土衛二繞落器”“木衛二著陸器”“水星著陸器”“海王星海衛一奧德賽”“金星旗艦”;(5)將內容擴展至傳統行星科學之外的領域,包含天體生物學和行星防御,并規劃一項最高優先級的行星防御演示驗證任務;(6)根據不同的預算條件,為未來10年內NASA的太陽系探索活動制定了2套具有代表性的計劃,即“建議計劃”和“保底計劃”,前者涵蓋了報告中提出的最高優先事項,旨在實現前沿技術的開發和應用,保持美國在太陽系探索領域的領先地位,后者則通過削減部分任務預算及延期部分任務,為預算不足的情況給出備選方案。
3.NASA發布《月球到火星目標》,形成貫穿太陽系的探索藍圖
2022年5月,NASA發布第一版《月球到火星目標》(Moon to Mars Objectives),包括50個目標,隨后NASA向各界征集意見,共收到超過5000條反饋意見。9月,NASA發布修訂版《月球到火星目標》,形成了貫穿整個太陽系的探索藍圖。修訂版《月球到火星目標》涵蓋4個領域,包括科學、月球和火星基礎設施、運輸與居住、運行,旨在幫助確定NASA及其工業和國際伙伴在月球與火星探測領域的投資方向。修訂版《月球到火星目標》新增了9個“貫穿目標的通用主題”,并補充修訂完成最終63個目標,包括科學目標26個、基礎設施目標13個、運輸和居住目標12個、運行目標12個。
4.歐洲發布新版空間探索路線圖,提出協同發展近地、月球和火星探索活動
2022年7月,ESA發布新版空間探索路線圖——《新世界2030+戰略路線圖》(Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap)。該路線圖提出歐洲探索的長期目標是在近地軌道、月球和火星各自開展可持續的探索活動,并使三者之間的協同效應最大化。
在近地軌道活動方面,歐洲將在“國際空間站”剩余壽命期內優化其使用率,并為“國際空間站”時代之后的載人探索活動做好準備,包括促進其商業利用、支持科學研究及探索月球和火星。在月球探索方面,歐洲將提高戰略自主權,使ESA成為可持續載人和無人探索的合作伙伴,為下一步的能力、技術和伙伴關系奠定基礎。在火星探測方面,執行無人先導探測任務,繼續尋找生命,填補戰略知識空白,發展相關能力,為載人探索火星做準備。
5.美國發布首個國家地月空間科技戰略
2022年11月,美國白宮科技政策辦公室(OSTP)發布首份《國家地月空間科技戰略》,旨在解決美國的科技領先地位如何支持所有航天國家和實體負責任、和平和可持續地開展地月空間探索與利用問題。該戰略的主要目標包括:地月空間科技發展和人才培養、擴大地月空間的國際合作、將美國的空間態勢感知能力擴展到地月空間、建設地月空間基礎設施。該戰略表達了按照2021年美國太空優先事項框架,在負責任、和平、可持續地探索、開發和利用包括月球在內的地月空間方面引領世界的愿景。
1.美國繼續推進《阿爾忒彌斯協定》,載人月球探測計劃合作聯盟持續擴大
《阿爾忒彌斯協定》(Artemis Accords)是美國提出的月球探索基本原則,包含10條行為準則,分別是和平目的、透明度、互操作、緊急救援、空間物體登記、科學數據發布、外層空間遺產保護、空間資源、消除空間活動沖突、軌道碎片。截至2022年12月,《阿爾忒彌斯協定》簽署國家增加至23個,分別是美國、澳大利亞、加拿大、意大利、日本、盧森堡、阿拉伯聯合酋長國、英國、烏克蘭、韓國、新西蘭、巴西、波蘭、墨西哥、以色列、羅馬尼亞、巴林、新加坡、哥倫比亞、法國、沙特阿拉伯、盧旺達和尼日利亞。
2.美歐將在載人登月、火星探測、月球導航等多個領域開展國際合作
在ESA理事會會議期間,NASA局長呼吁歐洲參與美國的多項重大航天任務,進一步加強雙方的傳統伙伴關系,并與ESA局長簽署兩份合作協議。要點包括:(1)美歐已達成協議,3名ESA航天員將搭乘“獵戶座”飛船到達月球軌道空間站——“門戶”,未來還會將首位歐洲航天員送到月球表面,除了“獵戶座”服務艙、“門戶”的部分艙段或設施外,ESA還將向“阿爾忒彌斯”計劃提供歐洲大型后勤著陸器(EL3)——“阿爾戈”(Argonaut),通過“月光”計劃提供通信導航服務支持,以及月表探測科學和技術。(2)ESA和NASA在會議期間簽署了關于“月球探路者”合作的諒解備忘錄。(3)ESA和NASA正在評估如何合作實施受俄烏沖突影響的“火星生物學”火星車任務。(4)ESA和NASA簽署了地球系統科學戰略伙伴關系框架協定,希望相關合作能在氣候變化全球響應方面發揮引領作用。
3.俄烏沖突使得多項深空探測任務受到影響
自2022年2月俄烏沖突爆發以來,俄羅斯與其他國家的航天合作受到嚴重影響,包括在軌的“光譜倫琴伽馬”(Spektr-RG)任務、原計劃于9月發射的“火星生物學”項目第二次任務、未來的無人月球任務等。3月,德國宣布關閉與俄羅斯合作的空間X射線望遠鏡“光譜倫琴伽馬”上的“攜帶成像望遠鏡陣列的擴展倫琴調查儀”(eROSITA),將其切換至安全模式,暫停科學觀測。4月,ESA宣布結束與俄羅斯在一系列月球任務上的合作,轉而尋求與NASA和其他機構的合作。ESA表示將結束與俄羅斯“月球”25、“月球”27著陸器及“月球”26軌道器開展合作的計劃。
四、深空探測發展重點與趨勢
(一)地外天體資源開發與利用備受關注
在美國重返月球計劃和載人火星探測終極目標的牽引下,全球探索活動繼續聚焦月球和火星兩大目標,并呈現出逐步從科學探測階段向資源開發、利用階段轉變的趨勢。月球探測方面,各國越發關注月球水冰資源的勘探與開發,“阿爾忒彌斯”1任務攜帶的立方星將探測月球水冰和揮發物的分布情況,2023年,NASA計劃利用CLPS任務將“極地資源水冰采礦實驗”1(PRIME-1)送上月球,對地表下的冰進行自動取樣和分析,在月球上開展首次原位資源利用演示。火星探測方面,美國已經對火星制氧技術開展了試驗,并且美歐聯合開展的“火星采樣返回”計劃進入初步設計和技術完成階段,日本也在推動火星衛星采樣返回任務。
中國探月工程四期和行星探測工程已全面啟動研制,“嫦娥”七號將就位探尋月球水冰的存在和來源,“嫦娥”八號將首次開展月壤中稀有氣體提取、氧資源制備、月面3D打印等工作,并在月球科研站階段開展月球資源原位利用。“天問”二號將實施近地小行星伴飛和取樣返回、主帶彗星伴飛等任務,拓展對小行星的認知。“天問”三號火星采樣返回任務也進入關鍵技術攻關階段,將進一步增強對火星的認識,為未來太空資源開發利用奠定基礎。
隨著月球探測活動的增多,通信、導航和定位及遙感系統將促進月球的可持續探索和月球經濟的誕生。美歐已經開始推動利用商業力量建立月球通信與導航網絡,以服務于未來的載人與無人探測任務,降低任務實施門檻及任務成本。NASA正在“阿爾忒彌斯”計劃下推動“月球網”(LunaNet)的建立,該網絡將為月球及其周圍的航天器提供中繼通信服務并提供導航信息。ESA正與商業伙伴合作推動“月光”計劃,將建立商業月球通信與導航服務系統。
我國正在推動建立“鵲橋”通導遙綜合星座系統,開展深空互聯網建設,論證實施“鵲橋”工程,計劃于2030年前后基本建成地月空間通信能力,為探月工程四期、月球科研站等提供通信、導航與遙感等服務,并形成為全球月球探測任務提供服務的地月空間基礎設施,打造地月空間鵲橋通信導航遙感星座,推動地月經濟圈的構建。
近地小天體撞擊地球威脅是一項全人類面臨的重大威脅,開展行星防御活動可以體現大國擔當,提升國家影響力,是推動國家政治和外交的戰略高點。美國在行星防御活動方面一直非常積極,主導了全球的小天體監測活動,并實施了全球首次近地天體撞擊防御技術試驗任務。NASA新版行星科學10年調查報告首次將內容擴展至行星防御領域,并建議NASA全力支持正在推進的行星防御相關計劃,規劃新的行星防御演示驗證任務,說明美國對行星防御更加重視。
我國將著手構建近地小行星防御系統,研制并發射小行星觀測器和撞擊器,并計劃在2025年左右實施近地小行星防御演示驗證任務,為構建人類命運共同體、保衛地球生命安全貢獻中國智慧、中國方案和中國力量。
各國在重點開展月球及火星探測的同時,還在推進木星系及以遠的探測,以持續拓展人類的探索疆域。NASA新版行星科學10年調查報告對探測目標的關注從進行中的火星采樣返回,轉向以天王星為代表的巨行星,優先級最高的3個旗艦級任務全部聚焦于巨行星探測方面。在任務實施方面,美國計劃于2024年發射“木衛二快帆”(Europa Clipper)探測任務,歐洲計劃于2023年發射“木星冰衛星探索者”(JUICE)任務,兩者將對木星的衛星開展探測,研究其冰下海洋及宜居性。
我國正在推進“天問”四號木星系及行星際穿越計劃,未來還將實施海王星探測任務,探測海王星與海衛一的深層結構,探尋生命的證據。我國前往深空的能力也在不斷增強,重型運載火箭總體方案已明確,性能達到國際先進水平,有望進一步拓展我國深空探測的舞臺。
近年來,美歐等國不斷加強深空探測領域的國際合作。美國“阿爾忒彌斯”計劃正在廣納國際合作伙伴參與其中,《阿爾忒彌斯協定》簽署國家已經增加至23個。NASA還通過DART任務的多方參與,促進世界各地科學家和工程師加強對通過國際合作解決與行星防御相關問題的認知。ESA與NASA不斷加強航天領域的合作,雙方在“阿爾忒彌斯”計劃上深入合作,并且正在聯合推動火星采樣返回計劃。
我國正積極推動與俄羅斯、歐洲、海灣國家等的廣泛國際合作,中俄兩國簽署合作建設國際月球科研站諒解備忘錄,并倡議更多國家積極參與任務各階段;在阿根廷建設深空探測站,優化我國深空測控網布局。未來我國將圍繞月球科研站、月球通導遙系統、近地小行星防御、火星采樣返回等任務,開展多邊、雙邊合作,推動系統級、分系統級國際合作。同時,我國在先進技術、科學研究方面也將深入協作,發布“深空探測重要科學問題全球征集”活動,旨在達成深空探測科學問題國際共識,解決人類共同面對的問題,戰勝風險挑戰。
五、總結
2022年,各國繼續推動以月球和火星為重點的太陽系探測活動,解決重大科學問題成為深空探測的核心目標和導向,各國圍繞科學前沿規劃任務,向木星及以遠的星際空間不斷拓展。在推動原位資源利用技術發展的同時,積極引導商業力量建設月球通信與導航服務系統,以構建月球的空間基礎設施,服務于未來可持續無人及有人探索。行星防御作為一項保障全人類可持續發展、體現大國擔當的活動,受到廣泛關注。總而言之,地月空間經濟圈正在吸引越來越多的商業力量進駐,月球和火星探測正迎來參與者爆發、從探索邁向應用的轉型發展期,人類在走出地球搖籃的同時,也在保護地球家園(本文得到國防基礎科研計劃((JCKY2020903B001)和深空探測實驗室前沿科研計劃(2022-QYKYJH-HXYF-014)支持)。
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