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中國深空探測器技術的發展與(yu) 展望

人類所生存的地球，隻是浩瀚宇宙中的滄海一粟。自古以來，隨著科學技術的進步和發展，了解太空、探索地球以外的物質，一直是人類不懈追求的目標。人造地球衛星、載人航天技術的發展，使人類認識宇宙的目光越來越遠；而探索更深更廣的太空，則成為(wei) 了現代人類航天活動的一個(ge) 主要方向。深空探測主要包括對月球的探測、行星及其衛星探測和行星際探測三大方麵。深空探測對人類了解太陽係的起源、演變曆史和現狀，通過對太陽係內(nei) 各主要行星的比較研究，進一步認識地球環境的形成與(yu) 演變、 探索生命的起源和演變以及積極開發和利用空間資源具有重要意義(yi) 。深空探測器可分為(wei) 月球探測器、行星和行星際探測器等幾類。它作為(wei) 深空探測的主要工具，其技術水平直接影響著整個(ge) 深空探測計劃。

2000年11月中國國務院新聞辦公室發布《中國的航天》白皮書(shu) ，明確提出了未來10年的目標，即開展深空探測研究，重點開展月球探測。2002年公布的《國家產(chan) 業(ye) 技術政策》中也在"重點產(chan) 業(ye) 技術發展方向"中指出：深空探測將作為(wei) 中國航空航天領域的重點發展方向。中國在繼應用衛星和載人航天工程順利實施之後，發展深空探測已成為(wei) 必然趨勢。

1 國際深空探測器的發展曆史

月球探測是初期深空探測的重點。1959年1月，蘇聯發射了第1個(ge) 月球探測器--月球－1。此後至1976年8月，美國和蘇聯共成功發射了47個(ge) 無人月球探測器和8艘載人月球飛船，其中9個(ge) 飛越月球，6個(ge) 撞擊月球，18個(ge) 為(wei) 月球軌道器、14個(ge) 在月表著陸，先後共有12名航天員登上了月球，共運送回379.8kg的月球土壤和岩石標本。在至今所發射的無人探測器中，美國有36個(ge) ，主要有"先驅者"（Pioneer）係列，"徘徊者"(Ranger)係列、"月球軌道器"(Lunar Orbiter)係列、"勘測者"(Sunveyor)係列；蘇聯發射了47個(ge) ，主要有"月球"(Lunar)係列、"宇宙"(Cosmos)係列、"探測器"(Zond)係列。美國的"阿波羅"（Appolo）係列飛船進行了多次的載人登月活動，取得了豐(feng) 富的科學數據和月球岩石樣本，進行了包括月壤力學特性、氣象、月震、熱流、月麵測量、磁場、太陽風等多項實驗和探測，獲得了大量的科學數據。從(cong) 1976？1990年間，美、蘇再沒有發射過無人月球探測器。20世紀90年代，美、俄、歐空局和日本又掀起了月球探測的新高潮，美國、日本先後發射了"克萊門汀"（Clementine）、"月球勘探者"（Lunar Prospector）和"飛天"(Hiten)等月球探測器。這些探測器大多應用了電子、信息以及製造工藝等方麵的新技術，取得了更豐(feng) 富的探測結果。近來，印度也宣布將在2007年左右發射自己的月球衛星。目前，世界主要航天國家和組織醞釀在近20？30年內(nei) 聯合建立永久性月球基地，開發和利用月球的資源、能源和特殊環境，為(wei) 人類社會(hui) 的可持續性發展服務。

20世紀60年代初期，美國和蘇聯發射了多種行星和行星際探測器，分別探測了金星、火星、水星、木星和土星，以及行星際空間和彗星，其中有"先驅者"(美)、"金星"(蘇)、"水手"(美)、"火星"（蘇）、"太陽神"(美國與(yu) 德國合作)、"海盜"(美)和"旅行者"(美)等。近年來，美國、歐洲和日本又相繼發射了行星探測器，如"伽利略"木星探測器、"卡西尼"土星探測器、"火星探路者"、行星－B火星探測器和"先驅"（Sakigake）哈雷彗星探測器等。

通過這些探測，基本了解了月球表麵及其土壤的物理化學特性，探測了火星地形、地貌、大氣成分，初步了解了其他行星及彗星的組成，為(wei) 人類繼續探索太空打下了良好基礎。

2 中國月球探測的發展與(yu) 展望

月球是距離地球最近的自然天體(ti) ，理所當然成為(wei) 人類發展深空探測的首選目標。實施月球探測將是繼發射人造地球衛星和突破載人航天之後，中國航天活動的第3個(ge) 裏程碑。月球探測具有重要的科學、政治意義(yi) 及開發應用前景，主要表現在：① 月球探測是人類向外層空間發展的重要一步；② 開展月球探測活動有利於(yu) 提高國家威望；③ 月球探測計劃有利於(yu) 推進航天領域的國際合作；④ 開展月球探測可激發持續進行空間探測的熱情，加速中國科技進步；⑤ 科學發展的需要；⑥ 月球資源開發利用的需要；⑦ 新技術試驗驗證的需要。

2.1 中國發展月球探測的階段劃分設想

綜合分析國際上月球探測已取得的成果，以及世界各國"重返月球"的戰略目標和實施計劃，考慮到中國科學技術水平、綜合國力和國家整體(ti) 發展戰略，近20年的一個(ge) 時期，中國實施月球探測工程設想分為(wei) 3個(ge) 發展階段。

（1）第1階段（2002？2005年或稍後） 此階段為(wei) "環月探測"階段，即研製和發射第1個(ge) 月球探測器--月球探測衛星，主要用於(yu) 對有開發利用前景的月球能源與(yu) 資源的分布與(yu) 規律進行全球性、整體(ti) 性與(yu) 綜合性的探測，並對月球表麵的環境、地貌、地形、地質構造與(yu) 物理場進行探測。

（2）第2階段（2005？2010年） 此階段為(wei) "月麵軟著陸探測與(yu) 月麵巡視勘察"階段，即發射月球軟著陸器，試驗月球軟著陸技術；研製和發射月麵巡視車、自動機器人，探測著陸區岩石的化學與(yu) 礦物成份，測定著陸點的熱流、岩石剩磁，月表的環境，進行高分辨率攝影和月岩的現場探測或采樣分析，為(wei) 月球基地的選址提供月麵環境、地形、月岩的化學與(yu) 物理性質等數據。

（3）第3階段（2010？2020年） 此階段為(wei) "月麵巡視勘察與(yu) 采樣返回"階段，即發展新型月球巡視車，對著陸區進行月麵巡視勘察。2015年後或稍後，發展小型采樣返回艙、月表鑽岩機、月表采樣器、機器人操作臂等。在月麵巡視車分析取樣基礎上，采集關(guan) 鍵性樣品返回地麵。同時，對著陸地區進行考察，為(wei) 下一步載人登月探測、建立月球前哨站的選址提供數據，並深化對地月係統（尤其對月球）的起源與(yu) 演化的認識。

中國在基本完成不載人月球探測任務後，根據當時國際上月球探測發展情況和中國的國情國力，研究擬定中國載人月球探測戰略目標和發展規劃，擇機實施載人登月探測以及與(yu) 有關(guan) 國家共建月球基地。

2.2 月球探測衛星的研製及其關(guan) 鍵技術

根據月球探測發展戰略的規劃，中國已經開始進行第1顆月球探測衛星的方案論證和關(guan) 鍵技術攻關(guan) 工作。目前，已經確定了探測的科學目標，確定了月球探測衛星係統的基本方案和技術途徑，即將進入工程實施階段。

（1） 探測目的 中國的第1顆月球探測衛星主要用於(yu) 對有開發利用前景的月球能源和資源的分布與(yu) 規律進行全球性、整體(ti) 性和綜合性的科學探測，並對月球表麵的環境、地貌、地形、地質構造與(yu) 物理場進行探測。其主要探測任務可分為(wei) 4類：① 獲取月球表麵三維影像；② 分析月球表麵有用元素及物質類型的含量和分布；③ 探測月壤厚度；④ 探測地月空間環境。這些探測內(nei) 容與(yu) 國外已進行過的探測雖有重複，但更有創新。

（2）技術思路 中國的第1顆月球探測衛星將在充分繼承中國現有成熟技術的基礎上，針對月球衛星的特點進行設計、研製。該月球衛星將攜帶CCD立體(ti) 相機、成像光譜儀(yi) 、激光高度計、微波輻射計、γ/X射線譜儀(yi) 、太陽宇宙射線監測器、低能粒子探測器等科學儀(yi) 器。其工作軌道為(wei) 極月圓軌道，軌道高度200km。它的基本構型將利用中國已有的成熟衛星平台，各分係統將充分繼承現有技術和設備，進行適應性改造。月球衛星擬采用中國已有的成熟運載火箭長征－3A進行發射。運載火箭把衛星送入地球靜止轉移軌道後與(yu) 衛星分離，其後的軌道機動、中途修正、近月點製動等均由星上推進係統完成。月球衛星的測控和科學數據傳(chuan) 輸也基本利用中國現有的測控網，並進行適當改造。

（3）關(guan) 鍵技術 月球探測衛星的關(guan) 鍵技術可概括為(wei) 如下幾點。

？軌道設計 軌道設計是月球探測衛星成敗的關(guan) 鍵。分析求解地月轉移軌道，建立中途修正的數學模型、方法和編製軟件，利用調相軌道擴大發射窗口，環月軌道的長期性狀研究，月球衛星軌道捕獲、調整以及長期運行過程中軌道調整的控製策略和具體(ti) 方法，月球衛星軌道的測軌預報的精度分析、優(you) 化設計等都是必須解決(jue) 的問題。同時，用於(yu) 實時跟蹤測軌的精確數學模型和軟件，特別是地月轉移軌道段飛行器的跟蹤測軌模型和軟件，中國正在攻關(guan) 研製。

？對月姿態確定技術 為(wei) 保證有效載荷的正常工作，對整星的姿態控製精度有較高的要求。而月球表麵不像地球有比較穩定的紅外輻射場，因此對月姿態確定不能采用紅外敏感器，必需采用其他手段。如紫外敏感器或星敏感器加外推算法。

？測控和數據傳(chuan) 輸 由於(yu) 月球探測衛星的軌道高度為(wei) 4×105km左右，所以測控信道的自由空間損耗遠高於(yu) 中低軌道衛星和地球靜止軌道衛星。同時由於(yu) 中國測控網的分布有限，因此衛星在很多時間內(nei) 處於(yu) 不可見區域。如何提高星上天線的發射增益，在有限的時間內(nei) 完成測控和科學數據傳(chuan) 輸，是尚待解決(jue) 的問題。

？星上熱控和電源分係統的設計 日－地－月三者的相互關(guan) 係和環月軌道決(jue) 定了一年中衛星與(yu) 太陽的相對位置變化很大，同時月球反照、紅外輻射隨時間的變化也較大，因此衛星的外熱流環境複雜多變。這給熱控和電源係統的設計帶來了新的問題。

2.3 月表登陸及自動巡查展望

中國月球探測的第2階段將實施月表的軟著陸和自動巡查。為(wei) 實現此目標，必須研製帶有登陸器和自動巡查器（月球車）的月球探測器。月表軟著陸主要可分為(wei) 以下3個(ge) 階段：

（1）探測器接近月麵階段 軌道控製使探測器沿一定的軌跡到達預定的著陸點上空，在這個(ge) 過程中要控製著陸器的姿態和速度矢量。

（2）軟著陸發動機點火階段 離月麵約100m高度時，軟著陸發動機點火，保證著陸器以要求的著陸速度和姿態著陸。

（3）著陸撞擊直至穩定階段 著陸器的某一部分接觸到月球表麵到最終穩定地立在月球表麵的過程。在這個(ge) 過程中需滿足以下幾個(ge) 要求：① 整個(ge) 過程中著陸器姿態穩定；② 在著陸器第一次與(yu) 月麵接觸後，要避免著陸器反彈跳起現象；③ 著陸器著陸後的姿態應保證所有其他係統正常工作。

由於(yu) 月球表麵沒有大氣層，因此無法借助氣動力來減速著陸，必須使用軟著陸發動機和著陸緩衝(chong) 裝置。著陸緩衝(chong) 裝置可有花瓣式、桁架式、薄壁殼體(ti) 式等幾種結構形式。為(wei) 保證著陸後著陸器的正常工作，需進行著陸撞擊動力學分析，優(you) 化著陸器設計參數，以選擇著陸工況參數，確定臨(lin) 界著陸工況。

月球表麵的熱工況、太陽照射等條件具有一定的特點，因此為(wei) 保證著陸器的正常工作，必須考慮這些因素。其主要研究內(nei) 容如下。

（1）月表軟著陸探測器總體(ti) 設計技術 包括任務目標的確定、有效載荷方案、著陸器結構形式選擇、著陸器材料選用原則、著陸器溫控係統設計方法、著陸工況參數選擇、著陸器與(yu) 地麵的通信等。

（2）著陸軌道設計與(yu) 控製 包括著陸過程中的軌道控製與(yu) 姿態測量技術，著陸過程中的軌道參數選擇。

（3）著陸過程動力學分析設計 整個(ge) 著陸器（包括緩衝(chong) 器）由多個(ge) 結構和機構件組成，描述著陸器著陸過程的動力學方程是非線性微分方程，需考慮著陸器、緩衝(chong) 機構的結構特點、著陸點的地形傾(qing) 斜度、第1次接觸時著陸器的姿態，著陸時的內(nei) 、外力等因素，並進行一定的工程簡化，綜合分析得到著陸撞擊載荷。

（4）著陸過程地麵試驗技術 為(wei) 檢驗著陸器的設計，需在地麵進行試驗，以驗證著陸器的工作性能和可靠性。它包括著陸試驗方法、試驗工況選擇等。

月球表麵自動巡視探測技術主要是通過月球車在月球表麵自動行駛，利用車載有效載荷對月麵進行全景和近景攝影，對月表的化學成分進行分析，並把所獲取的信息傳(chuan) 送回地麵。由於(yu) 月球表麵環境惡劣，地形複雜多變，因此月球表麵自動巡視探測技術包含很多關(guan) 鍵技術。主要有以下3個(ge) 方麵。

（1）月球車的總體(ti) 設計 月球車的機械結構應體(ti) 現結構緊湊、體(ti) 積小、質量輕、功能強的特點，其驅動機構應具備很好的穩定性和適應爬坡和翻越障礙的能力。目前的行駛機構主要有履帶式、腿式和輪式幾種，他們(men) 在適應能力和工作效率方麵各有其優(you) 缺點。月球車的結構、機構設計方法、機構動力學分析、月球車的材料選擇、月球車溫控和能源係統設計方法等都是需要解決(jue) 的關(guan) 鍵技術。

（2）月球車的自主導航、運動控製方法 月球車在月表的行走導航控製可分為(wei) 自主控製和地麵控製兩(liang) 種方式。俄羅斯曾經使用的月球車多為(wei) 借助於(yu) 地麵進行控製。但由於(yu) 月－地間距離遙遠，因此通信有較大的延遲。目前較先進的技術是月球車利用自己的傳(chuan) 感和控製係統實現自主導航。

（3）月球車的地麵仿真實驗技術 為(wei) 驗證月球車的設計，需在地麵進行試驗。需模擬月球表麵的地形地貌，模擬測控通信，以檢驗月球車的性能。

2.4 月表自動取樣並返回技術展望

為(wei) 更好地研究月壤成分，一般需在月表取樣然後帶回地球進行分析。自動探月器在月表著陸後，為(wei) 實現取樣返回，需完成月表鑽孔、月壤收集、月壤封存以及探測器返回等一係列複雜動作。整個(ge) 過程涉及到控製、機械、軌道等方麵的關(guan) 鍵技術，主要內(nei) 容包括以下幾項。

（1）測器總體(ti) 設計技術 包括帶有取樣器的月球探測器的設計、取樣器的選用原則等。

（2）月壤取樣器的設計 取樣器是一個(ge) 鑽岩機，要能在月表正常工作，考慮月壤的硬度，可以鑽探一定的深度。取樣完畢後，需要一套專(zhuan) 門的機構，把采集的月壤運送到探測器的專(zhuan) 門容器內(nei) 並封存。取樣器的設計包括結構、機構設計、工作控製及溫控方式等。

（3）軌道器與(yu) 著陸器的軌道控製技術 一般的月表自動采樣返回可采取兩(liang) 種飛行程序：一種是月球探測器（包括軌道器和著陸器兩(liang) 部分），當探測器運行在合適（高度100？200km）的月球停泊軌道時，著陸器與(yu) 軌道器分離，脫離停泊軌道並實現在月表軟著陸；著陸後進行采樣，采樣完成後著陸器從(cong) 月麵再次起飛，進入停泊軌道，與(yu) 軌道器對接，然後共同返回地球軌道。另一種是探測器自行完成月表著陸、取樣和從(cong) 月表起飛再返回。這兩(liang) 種方式中的軌道控製、交會(hui) 對接以及著陸器從(cong) 月表的再起飛技術等都是關(guan) 鍵技術問題。

3 火星探測器技術展望

火星是距離地球最近的外行星，是除地球之外，被認為(wei) 最有可能存在過生命物質的星球，因此它引起人類的極大探測興(xing) 趣。

探測的主要目標是：探尋火星是否存在或曾經存在過生命；火星表麵是否存在過大麵積的水體(ti) 及對兩(liang) 極冰蓋和地下水的估計；火星大氣的形成、演化及天氣和氣候特征；火星磁層和電離層特征；火星表麵的礦物，火星地質、地化和內(nei) 部結構特征；探尋火星可能開發和利用的資源。

火星探測一般分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段：第1個(ge) 階段是研製火星衛星，探測火星的環境、遙測火星表麵的物理化學特性；第2個(ge) 階段是發展火星表麵軟著陸技術，進一步探尋火星是否有生命物質的痕跡。

火星相對月球而言距離地球更加遙遠，火星表麵有大氣層存在，因此從(cong) 探測器技術角度講，探測火星比月球更加困難。未來10年應開展的火星探測器關(guan) 鍵技術主要有以下幾個(ge) 內(nei) 容：① 火星探測係統總體(ti) 技術研究；② 火星探測器軌道設計與(yu) 仿真；③ 火星探測器的製導、導航和控製技術；④ 火星探測係統的通信和測控技術；⑤ 火星探測器的推進和新型能源係統研究；⑥ 火星探測軟著陸技術研究。

4 結束語

深空探測是一個(ge) 國家綜合國力和科技水平的體(ti) 現，是中國航天活動發展的必然選擇。40多年的航天工程實踐，使中國在技術基礎和設施、人員等方麵已經具備了開展深空探測研究的實力。

未來10年，中國應大力推進深空探測技術的發展和工程實施，在充分繼承現有技術的基礎上，努力促進新材料、新技術、新工藝等在深空探測中的應用。深空探測一直是推動國家科技進步、開展新技術和新型部件技術試驗驗證的重要手段。同時中國應盡快建立健全的深空探測的測控網絡，為(wei) 今後的發展打下堅實基礎。