深空探测领域开展国际合作的可行性分析

蔡闻一 饶成龙 李东昊 王邵飞 （中国运载火箭技术研究院研究发展中心）



深空探测领域开展国际合作的可行性分析

蔡闻一 饶成龙 李东昊 王邵飞 （中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

Feasibility Analysis of International Cooperation in Deep Space Exploration

深空探测是当今世界科技发展的前沿领域，具有很强的基础性、前瞻性、创新性和带动性，开展深空探测对于科技进步和人类文明的发展具有重要意义。 深空探测重点包括月球探测、火星探测、巨行星探测、小行星及彗星探测等。自20世纪50年代末以来，世界多个航天国家积极开展深空探测活动，空间探测活动的范围逐渐扩大，探测任务也趋于多样化。

1 世界深空探测领域整体进展情况

20世纪50年代末，苏联、美国开始实施深空探测任务。进入21世纪以来，随着科学技术的不断进步，包括中国、日本、印度在内的世界多个国家也纷纷提出了本国的深空探测规划，将深空探测作为重点发展的航天领域之一。

从1958年8月17日美国发射第一个月球探测器——先驱者－0（Pioneer-0）开始，人类迈向太阳系的深空探测活动至今已有57年的历史。通过梳理世界范围内已经开展的深空探测任务，可以看出，开展深空探测的主要目标一般是由近及远。20世纪60年代，人类探测的对象主要是月球、金星和火星。70年代以后，探测器开始向更远的目标——水星、木星、土星、天王星、海王星及太阳系其他天体进发。80年代以后，小行星和彗星也成为人类关注的对象。

不同天体探测活动统计概况

据统计，截至2015年12月底，人类共进行了243次深空探测活动，其中，成功和部分成功140次，占总次数的57.6%（这里所说的成功或部分成功的判定依据主要是以是否返回探测数据为准）。

在所有深空探测任务中，以探测月球为主任务的次数最多，达122次，占总数量的50%；探测火星的有41次，占17%；探测金星的有40次，占17%；探测太阳的有8次，占3%；探测水星的有2次，占1%；探测木星、土星等巨行星及其卫星的有5次，占2%；探测彗星和小行星等小天体的有25次左右，占10%。

通过开展一系列深空探测活动，基本了解了月球表面及其土壤的物理化学特性，探测了火星地形、地貌、大气成分，初步了解了其他行星及彗星的组成，为人类继续探索太空打下了良好基础。

2 深空探测领域开展国际合作的必要性

基于以往航天经验，深空探测的每一次试验或发射，都需要庞大的技术支撑、经费开支和人员投入，所承担的风险也很大，涉及多学科多领域多种技术方法，各国独自开展难以支撑并达到科学目标。因此，只有各国政府及相关组织机构之间开展广泛的交流与合作，组成“科学家共同体”，科学制定研究计划和项目，实现信息和探测数据共享，这项事业才能深入持续发展。

节省研制经费，符合各国利益

发射航天器，建造空间设施，开发和利用月球、火星等深空资源，是一项技术含量高、投资巨大、风险巨大的复杂系统工程。在深空探测领域开展国家间的合作，一定程度上可以分摊项目研制所需的巨额经费，这符合那些计划开展深空探测项目国家的利益。

缩短任务时间，提高研究效率

深空探测是现代科学技术最高水平的集中表现。在深空探测领域开展国际合作，能够有效分解探测任务的总体难度，充分利用不同国家的优势技术，降低任务风险，缩短探测任务的整体时间，避免相同目标、相同任务的重复探测，极大地提高深空探测项目的研究效率。

增进相互了解，促进太空资源的和平利用与开发

通过在深空探测领域开展交流和合作，可以增进各个国家在太空领域政策、技术等方面的了解，减少误解，加强互信，共享太空资源，促进太空资源的和平利用与开发。

发挥示范作用，推进国际宇航合作的深入开展

目前，世界范围内多个国家和组织都在执行一系列空间探测计划。具有一定影响力的航天国家和组织应加强交流和合作，促进和平利用太空，积极发挥领头和示范作用，为全球航天领域国际合作的深入开展打下坚实基础。

3 深空探测领域国际合作进展情况

深空探测的特点是科技含量高、经济领域广、未知因素多、失败风险高、投资数额大。在全球经济一体化发展的大趋势下，各国在探索过程中都不可避免地要开展国际合作，在国家预算缩紧情况下尤其如此。

据统计，在迄今为止所有的深空探测任务中，苏联/俄罗斯发射过115次，占总数量的47.3%；美国发射过105次，占总数量的43.2%；日本发射过8次，占总数量的3.2%；欧洲航天局发射过5次，占总数量的2.1%；中国发射过4次，占总数量的1.6%；印度发射过2次，占总数量的0.8%；国际合作4次，占总数量的1.6%（这里主要是指美国与欧洲之间的合作发射）。

1996年11月6日，俄罗斯发射的火星－96 （Mars－96，发射失败）探测器上携带了由德国航天局、欧洲航天局等多家单位参与研制的高精度遥感相机（HRSC）。1999年2月7日，美国航空航天局（NASA）发射的“星尘”（Stardust）彗星探测器的尘埃流量检测装置由NASA、芬兰、德国的多家研究单位共同研制。2008年发射的印度月船－1 （Chandrayaan－1）上携带由美国航空航天局提供的微型合成孔径雷达（Mini-SAR）和欧洲航天局（ESA）研制的相机。

各国深空探测活动次数统计

在任务级的合作方面，最典型的例子是人类历史上最成功的土星探测器“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）。“卡西尼”轨道器由美国航空航天局研制，“惠更斯”土卫六着陆器由欧洲航天局研制。“卡西尼-惠更斯”土星探测器于1997年10 月15日发射，在2005年1月实现了土卫六软着陆，发回地球近千张照片。

2003年6月2日发射的欧洲航天局“火星快车”（Mars Express）探测器和美国于同年6月10日、7月7日发射的勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity）火星车，实现了2次深空国际性通信联络。“火星快车”与勇气号、机遇号分别实现了信息交流，标志着人类在建设国际深空通信网络方面迈出了重要一步，其成功经验将为今后其他国家联合进行行星探测提供借鉴。

此外，中国与俄罗斯在2007年签署了航天合作协议，计划共同对火星及其卫星——火卫一进行探测。该合作协议的签署是中俄两国航天合作历史上的重要里程碑，标志着中俄两国航天局在开展大型项目合作方面走出了重要一步，对推动中俄全面战略协作伙伴关系起到了积极作用。

“卡西尼-惠更斯”土星探测器在轨飞行示意图

4 中国深空探测领域发展情况

中国航天经过50多年的发展，取得了许多举世瞩目的成绩，建立了具有一定国际竞争力的航天工业体系，在深空探测领域也取得了阶段性的研究成果。

“嫦娥”月球探测器

中国的月球探测计划于2004年1月正式启动，分三期实施：“绕”（绕月探测）、“落”（落月探测）、“回”（采样返回探测）。

2007年10月24日，嫦娥－1成功发射，在轨有效探测16个月，实现了中国自主研制的卫星进入月球轨道并获得全月图。2010年10月1日，嫦娥－2发射，获得了世界首幅7m分辨率全月图，对预选的落月区域进行了重点探测。在实现既定工程目标和完成科学探测任务后，开展了日地拉格朗日2点环绕探测，并在距地球7×106km处实现了对图塔蒂斯小行星的飞越交会探测。嫦娥－3于2013年12月2日发射，12月6日进入月球轨道，12月14日在月球表面着陆，中国成为世界上第三个实现月面软着陆的国家。

目前，探月工程三期正在实施过程中，将发射月球自动采样返回器，降落到月球表面后，采集月球土壤和岩石样品并带回地球。2014年10月24日，探月工程三期再入返回飞行试验器（简称试验器）成功发射，同年11月1日，试验器的返回器在中国内蒙古自治区中部地区顺利着陆，圆满完成再入返回飞行试验。

探月工程三期再入返回飞行试验器示意图

试验器的返回器成功在着陆区预定区域降落

萤火－1

中国在火星探测方面也选择了国际合作的方式。2007年3月，中国国家航天局与俄罗斯联邦航天局签署了《中国国家航天局和俄罗斯联邦航天局关于联合探测火星——火卫一合作的协议》，确定双方将联合对火星及其卫星火卫一进行探测。根据协议，俄方的“火卫一-土壤”（Phobos-Grunt）火星探测器与中方小卫星由俄运载火箭同时发射，中方小卫星由“火卫一-土壤”探测器送入绕火星的椭圆轨道。其后，中方小卫星将自主完成对火星空间环境的探测任务，并与“火卫一-土壤”探测器联合完成对火星环境的探测；“火卫一-土壤”火星探测器着陆在火卫一表面并进行探测，提取火卫一样品返回地球。在2011年的发射任务中，因俄方探测器所载综合电子计算机发生故障，未能进入奔火轨道。

虽然此项联合探测任务没有取得成功，但通过该项目的合作，中国完成了第一个火星探测器——萤火－1的研制，在行星际探测器的发射过程、运行轨道、姿态控制特点、测控数传工作模式等方面都有了一定的认识和积累，为后续实施深空领域探测项目奠定了技术基础。

火星－500实验计划

此外，中国还参加了欧洲航天局与俄罗斯联合开展的火星－500（MARS 500）实验计划，共有来自法国、俄罗斯、德国、意大利、中国的6名飞行人员参与，该任务涉及105项实验，验证各飞行系统，目的是探索火星探测过程中人与环境的关系，了解未来前往火星的飞行人员的心理和生理状态，为未来的火星探测活动积累经验。由于从火箭发射、飞往火星、火星着陆到返回地球的全部过程需要近500天的时间，因此志愿者们体验了为期520天的完整火星往返之旅的模拟任务，包括250天飞往火星、30天驻留火星以及240天返回地球。

5 关于深空探测领域开展国际合作的思考

从全球范围来说，现在深空探测还在探索阶段，探索和利用深空是一项复杂、艰巨、高风险、高投入的事业，开展国际合作，将是深空探测的必然发展趋势。经过载人航天工程、探月工程，中国在运载火箭技术、探测器研制等方面拥有良好的基础，已经具备开展更大规模深空探测的人才和技术储备。中俄火星探测项目的合作经验，也将为后续与其他国家和地区开展国际合作提供借鉴和参考。

政治环境

鉴于大型航天项目的高成本与技术复杂性，近年来，各国政府、企业界、学术界均表示出了拓展全球航天合作的意向，在未来的深空探测规划中都明确了国际合作是其中的一个重要方面，都有加强合作的政治意愿。一些国家也发布了相关政策，强调国际航天合作，为国家间开展太空探索合作与交流提供了政策依据。我国政府一贯主张在平等互利、和平利用、共同发展原则的基础上，加强与世界各国在太空领域的交流与合作，促进包容性发展。

2013年，习近平总书记提出建设“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的战略构想，即“一带一路”战略。“一带一路”一端连接发达的欧洲经济圈，另一端连接极具活力的东亚经济圈，将带动中亚、西亚、南亚以及东南亚的发展，并且辐射到非洲去。“一带一路”战略的实施，也将为中国与“一带一路”沿线国家在航天领域开展合作提供契机，推动“一带一路”沿线的各个国家加大航天合作力度，推进航天基础设施建设，包括空间和地面设施，实现空间数据的共享，利用中国在载人航天、月球探测、火星探测方面积累的经验，促进“一带一路”沿线国家在深空探测领域的尝试和拓展，推动各国航天技术水平的提升，促进经济共同发展。

研究经费

通过梳理各个国家近50多年来的深空探测活动可以看出，美国、俄罗斯、欧洲、印度等国家通过开展月球探测、火星探测等深空探测活动，一定程度上带动了本国航天技术及国民经济的整体发展。但同时也可以看到，开展深空探测活动，开发和利用月球、火星等深空资源，是一项投资巨大、风险巨大的复杂系统工程。各国为了实施本国的深空探测计划，都投入了巨大的财力。

在深空探测领域开展国家间的合作，可以实现资源共享、优势互补。根据本国的经济实力和科学技术水平，不同的国家有着不同的合作动机。对科技水平相对较低的国家来说，通过开展国际合作，可以分摊项目研制所需的巨额经费，从而确保足够的经费支持，一定程度上可以解决在航天技术研发过程中的经费不足的困难，这符合计划开展深空探测项目相关国家的自身利益。

欧洲“火星快车”探测器

科技交流

在深空探测领域开展国际合作，能够有效分解探测任务的总体难度，充分利用不同国家的优势技术和成熟技术，降低任务风险，缩短探测任务的整体时间，避免相同目标、相同任务的重复探测，极大地提高深空探测项目的研究效率。

在运载火箭领域，我国自主研制的“长征”系列火箭家族型谱不断完善，目前已经形成了10余种型号的火箭家族，运载火箭的总体技术水平达到国际先进水平，国际竞争能力不断提升，能够承担的发射任务范围不断扩大，可用于发射近地轨道、太阳同步轨道和地球同步转移轨道的多种卫星及载人飞船，也可以执行深空的发射任务。

此外，除甘肃酒泉、山西太原、四川西昌外，我国在海南文昌新建了第4个航天发射场。该发射场位于低纬度，距离赤道只有19°，能够为火箭发射节省大量的燃料，并且基本满足了全球各种轨道航天器发射要求，如：地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务。

人才培养

航天产业的人才培养周期长，产业发展也需要大量的高素质人才支撑。为适应这一需求，各国政府均加大力度培养航天人才，减少人才流失，从而巩固航天工业的技术实力。科技人才是发展深空探测的主体，建设一支高素质的科技人才队伍是成功实施深空探测计划的关键因素。因此，要开展深空探测活动，必须将科技人才队伍建设纳入总体发展战略，加强深空探测领域科技人才培养。

6 结束语

经过50多年的航天工程实践，我国在技术基础和实施方面，已经具备了开展深空探测研究的能力，并且在空间科学和航天技术领域培养造就了一支高素质的科技队伍，拥有较为丰富的人才资源。在开展深空探测活动时，可以通过开展学术交流、教育培训、联合研究、派遣访问学者等合作方式，促进不同国家间空间探索领域人才的交流和沟通，带动参与合作项目国家的青年科技人员成长，培养出更多、更优秀的航天人才队伍，促进科技人才队伍整体能力的提升。