中国与世界航天强国深空探测对标分析

中国空间技术研究院 任 杰　高 峰　李 意　何 楠　金 岩

中国与世界航天强国深空探测对标分析

中国空间技术研究院 任 杰高 峰李 意何 楠金 岩

世界航天国家在深空探测领域的投入情况

一、世界深空探测发展现状

首先，在深空探测的规模方面，截至2015年9月，世界各国针对月球以远的太阳系天体共开展了234次探测活动，如表1所示，其中，俄罗斯和美国的探测次数最多。20世纪90年代以前，美国进行了63次探测，俄罗斯/前苏联进行了114次探测，欧洲进行了3次探测（德国进行了2次太阳探测，欧空局进行了1次彗星探测），日本进行了2次彗星探测。20世纪90年代开始，我国、印度等国家陆续开始涉足深空探测领域。在该时期，美国进行了32次探测，俄罗斯仅进行了2次火星探测，欧洲和日本分别进行了6次探测，我国进行了4次月球探测（包括嫦娥五号飞行试验器任务），印度进行了2次探测。可以看出，我国深空探测次数总数，以及20世纪90年代以后的任务数量都远远落后于美、俄等航天强国。

从探测目标来看，世界各国开展的234次探测活动中，月球探测次数最多（114次），其次为火星（42次）和金星（41次），如图1所示。美国对于太阳系各天体都进行了全面的探测，是唯一实现了全部原“九大行星”探测的国家。俄罗斯对月球、火星和金星进行了大量的探测，特别是在无人月球和金星探测方面取得了巨大成就，占据了领先地位。欧空局尽管起步晚于美国、俄罗斯（前苏联），但其探测覆盖了各类天体，特别是20世纪90年代以后其任务数量仅次于美国，处于世界领先水平。日本也对主要探测目标（月球、火星、小天体和金星）进行了探测，但其火星探测任务已经失败，金星探测任务也未成功进入金星环绕轨道，但可能于2016～2017年再次尝试进入。我国通过探月工程成功实现了月球软着陆和月球巡视任务，在月球探测方面取得了辉煌成就。印度则分别发射了1个月球探测器和1个火星探测器，实现了对两颗天体的环绕探测。可以看出，目前我国仅对月球进行了探测，尽管取得了举世瞩目的成就，但我国深空探测起步较晚，探测次数也较少，且探测目标单一，有必要进一步拓展探测目标，巩固我国航天大国的地位。

图1　深空探测活动统计图（其它天体包括太阳系其它行星及太阳）

表1　深空探测活动统计表

表2　深空探测任务成功率统计表

在深空探测成功率方面，深空探测任务涉及技术范围广、难度大，任务风险也很高，在所研究的234次深空探测任务中，成功任务次数仅为137次（如表2所示）。可以看出，20世纪90年代以前深空探测任务成功率较低，20世纪90年代以后深空探测任务成功率有了大幅提升，但成功率仍不足90%。在月球探测的114次任务中，成功任务为57次，总成功率仅为50%。其中，美国的成功率为61.9%，俄罗斯的成功率为35.9%。我国目前发射的所有月球探测任务均获得了成功，这在航天历史上是极为罕见的，特别是对于尚处于深空探测起步阶段的我国，是极为难得的。然而，深空探测任务整体成功率并不高，任务风险较大，我国依然应该保持对深空探测高风险性的认识，做好防微杜渐工作。

在深空探测的资金投入方面，相比于世界航天强国，我国实施的深空探测发射任务次数还较少，积累的经验与技术也较少。而美国、俄罗斯等国家已在深空探测领域投入了大量资金。20世纪90年代以前，仅有美国和前苏联两国开展了大量深空探测活动。20世纪90年代中期开始，欧洲、日本和我国等国家和地区才开始在深空探测领域崭露头角。1990～2015年间，世界各国共开展深空探测任务52次，其中，月球探测任务14次，小天体探测任务9次，火星探测任务17次，其它探测任务12次。目前可以掌握预算的国外深空探测任务约有25次，如表3所示。在这些可统计预算的任务中，美国有17次任务，可统计任务预算为127.4亿美元；欧洲有4次任务，可统计任务预算为32.2亿美元；日本有2次任务，可统计任务预算为7.6亿美元；印度有2次任务，可统计任务预算为1.68亿美元（如表4所示）。

美国作为唯一探索了整个太阳系各类天体的国家，在技术和经验上处于绝对领先地位，但仍非常重视深空探测领域的发展，1990～2015年，已知的任务资金投入高达127亿美元，此外还有未知的任务投资、某些科技研发投入、机构运营费用、非某个任务专用设施的建设投资等。相比而言，我国在深空探测方面技术经验还较少，还需要对技术试验和基础设施建设进行投资。目前我国仅开展了月球探测，且投资绝对值和力度与美国相比还存在很大的差距。

表3　国外深空探测任务预算概况

表4　20世纪90年代后可统计任务预算统计

二、美国在深空探测领域的预算情况

2013年，全球政府航天计划总支出约为740.95亿美元，增长了1.7%，高于2009～2013年平均0.86%的年增长率。其中，美国政府航天支出占全球政府航天支出总量的一半以上，总计为412.57亿美元，比2012年增加9.4%；欧空局的预算为42.82亿欧元，比2012年的40.20亿欧元增加6.5%；俄罗斯联邦航天局的预算则比2012年增加了30.43%；日本也增加了8.12%的航天预算；印度的预算增加率达到了39.13%。整体而言，各航天国家在预算上都呈现出了增长态势。美国近几年保持了继续加大预算投入的态势，深空探测投入在整个航天投入中的占比更是呈现不断增长的趋势，如图2所示。美国国家航空航天局（NASA）“科学”领域在2011～2015财年批准的预算所占比例保持了连年上升趋势，而占深空探测任务大多数的“行星科学”分领域在2011～2015财年批准预算所占比例呈稳定波动状态，其中，仅2013年相对有所减少，其余均为增加趋势。

我国现阶段深空探测任务与国外同类型任务对比分析

我国在深空探测领域的整体投入情况目前还远远落后于美国、俄罗斯等航天强国。这在一定程度上是由于我国深空探测起步晚，任务较少造成的。下文将对我国任务与国外同类型任务进行对比分析。

一、我国探月工程与前苏联“月球”计划的对比

我国探月工程分为三期，分别完成月球的环绕、软着陆和巡视，以及采样返回任务。纵观世界各国的探月史，只有前苏联的“月球”计划与此类似。

“月球”（Luna）探测器是前苏联于1959～1976年间发射的无人月球探测器系列，共24个，完成了月球的飞越、撞击、软着陆、巡视和采样返回任务，整个计划持续17年。我国探月工程始于2004年，将持续到2020年，整个计划的时间与前苏联实施“月球”计划的时间跨度相仿。因此，无论是计划的工程目标，还是整个计划的任务时间，前苏联“月球”计划与我国探月工程都有很高的相似度。因此，两者在整体任务上具有一定的可比性。

图2　美国“科学”和“行星科学”领域预算占比变化图

“月球”计划的总成本约为45亿美元。由于处于不同的年代，必须采取一定的方法进行折合估算才能进行横向对比。这里采取如下方法进行折算：目前执行任务所需花费=当时执行任务花费/当时国民生产总值（GDP1）*目前国民生产总值（GDP2）。这里取1970年前苏联的GDP（4334.12亿美元）作为GDP1，2014年的GDP（20600亿美元）作为GDP2，那么，如果当前执行“月球”计划约需214亿美元，按2014年汇率计算，“月球”计划折合人民币约需1315亿元。据了解，我国探月工程的总投资大约占国家GDP的万分之几，超过140亿人民币，因此推算仅为“月球”计划折合费用的不足20%。

另外，前苏联在该计划中实际发射的探测器多于24个，但其中有些发射失败的探测器或因未脱离低地球轨道而被编入“宇宙”（Cosmos）系列，或因未进入月球轨道而未被归入“月球”系列。1959～1976年，前苏联共实施了64次探月任务。如果考虑这些任务的总经费，以及其它相关设施的建设和技术准备，花费将更为高昂。相比而言，我国探月工程的特点可总结为花费少、成功率高。

二、我国“嫦娥二号”与美国同期“GRAIL”任务的对比

除选取国外同类型系列任务进行比较外，本文还针对单个任务进行了同时代任务的比较。由于近期的月球探测任务均为环绕任务，因此，本文选取2010年我国发射的“嫦娥二号”与2011年美国发射的“引力恢复与内部实验室”（GRAIL）进行比较。

GRAIL是美国的月球探测器，又称“圣杯”探测器，于2011年9月10日搭乘德尔他-2运载火箭发射。该任务属于NASA的“发现计划”，由2个相同的探测器（GRAIL-A和GRAIL-B）组成。GRAIL项目由NASA喷气推进实验室（JPL）管理，任务的主承包商为美国洛克希德·马丁公司，有效载荷研制单位包括JPL、萨丽·瑞德科学公司等。根据NASA的2011财年预算申请，GRAIL项目的总成本为4.962亿美元，其中，包括立项预算0.505亿美元，研制与发射预算4.270亿美元，运行预算0.187亿美元。按照2011年美元兑人民币的中间价6.4588计算，GRAIL的任务花费约为32.05亿元人民币。据了解，“嫦娥二号”探测器的总投资预估为9亿元人民币，仅为GRAIL任务的28.08%。并且，美国此前已进行过多达40余次无人探月任务，拥有非常成熟的技术及地面支持系统。

另一方面，我国“嫦娥二号”的研制时间（2008～2010年）比GRAIL的研制时间（2006～2011年）要短的多。由此可以看出，我国“嫦娥二号”的花费处于同期同类型任务的较低水平。

表5　“GRAIL”与“嫦娥二号”经费投入情况对比

ALL ABOUT军民融合不一样的角度和观点

任 杰，工程师，任职于中国空间技术研究院，主要从事航天领域深空探测研究，参与了我国多个深空探测项目的论证和经济可行性研究工作。

我国计划中任务与国外同类型任务比对分析

我国目前计划中的深空探测任务仅有火星探测计划，任务的工程目标包括：突破火星制动捕获、火星进入着陆、火星表面巡视、长期自主管理、行星际测控通信等关键技术，通过一次飞行任务即实现火星环绕探测和巡视探测的目标，获取自主火星探测工程和科学数据，使我国深空探测能力和水平进入世界航天第一梯队，实现深空探测技术的跨越；构建独立自主的深空探测基础工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理，以及人才队伍，推动我国深空探测活动可持续发展。

我国的火星探测任务包括着陆和表面巡视两方面，近期该类型任务仅有美国的“火星科学实验室”（Mars Science Laboratory，MSL）。MSL于2011年11月26日由宇宙神-5运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射，是世界上首个采用“空中吊车”精准着陆方式进行软着陆的探测器。其携带“好奇号”火星漫游车，历经36个星期的飞行，于2012年8月6日在火星表面的盖尔陨坑成功着陆并开始工作，目前已获得大量科学探测成果。根据NASA发布的2011年预算申请，MSL项目总成本为23.943亿美元，其中包括立项预算5.155亿美元、研制与发射预算17.20亿美元、运行预算1.588亿美元。NASA在2012财年预算申请中，又为MSL项目的火星样品分析仪（SAM）增加了一些研制费用，用于进一步解决火星样品采集和处理钻头的研制难题。整个MSL项目的总成本约为24.763亿美元。

按照2011年美元兑人民币的中间价6.4588计算，MSL的任务花费约为160亿人民币。在无月球以远探测经验的情况下，我国的火星探测总投资预估为几十亿元人民币量级，低于MSL任务花费的一半。当然，MSL任务包含了投入高昂的“空中吊车”等先进技术，但考虑到美国在此前已经进行了18次火星探测任务，拥有成熟的技术和丰富的经验，可以与我国的火星探测计划形成一个粗略的横向对比。

表6　MSL与我国火星探测计划经费投入情况对比

由我国火星探测计划与近期同类型任务美国MSL的比较可以看出，我国火星探测计划的经费相对较低，在一个合理的范围之内，且我国此次火星探测计划的研制时间仅为6年（2015～2020年），相比于MSL约8年的研制时间（2004～2011年）要短2年，相比于美国首次完成火星着陆和巡视任务（1996年的“火星探路者”）距离首次火星飞越（1964年“水手4号”）要快得多。

结论与启示

一、我国深空探测起步晚、积淀少

与美国、俄罗斯等航天强国相比，我国开展深空探测活动的历程还很短。我国目前正在进行的深空探测任务仅有探月工程，而月球以远目标探测所需的发射技术、地面支持系统、通信系统等尚未形成体系，还需要进一步加强技术的积累和基础条件设施的建设。

二、我国深空探测花费低、成功率高

我国深空探测尽管起步较晚，但近期的发展取得了令世界瞩目的成就，为我国成为航天强国奠定了良好的基础。我国探月工程现已成功实现了月球软着陆和巡视，成功率达100%，这在航天历史上是绝无仅有的。此外，相比于美国、俄罗斯/前苏联的同类型任务，我国的深空探测任务花费较低。

三、我国深空探测任务应进一步扩展目标天体

不同的探测目标具有不同的科学价值，开展多样化的探测有助于空间技术的发展和空间科学研究的完善。我国目前仅对月球实施了探测，并制订了火星探测计划，相比于各航天大国的深空探测情况，探测目标不够多样化，有必要进一步扩展深空探测的目标天体范围。

四、深空探测应长远规划、超前部署、提前攻关

深空探测涉及的技术范围广、难度高，且任务风险大，必须在任务实施之前预先开展技术开发与验证工作。从各航天强国对任务的长期规划看，未来的深空探测任务，特别是载人火星探测任务的各项筹备工作已经启动。我国也应尽早制定深空探测长期规划，提前梳理关键技术，加强技术储备。