未来的深空探测与空间环境模拟

焦维新



未来的深空探测与空间环境模拟

焦维新

（北京大学 行星与空间科学研究中心，北京 100871）

文章介绍了国内外有代表性的深空探测计划的内容、特点和意义，包括：欧空局的ExoMars火星车、美国“2020火星车”以及中国的2020火星探测计划；金星着陆探测进展情况；欧空局木星系统探测计划“木星冰月亮探索者（JUICE）”和美国的“木卫二飞越任务（Europa Clipper）”；“蜻蜓号（Dragonfly）”土卫六探测项目；美国的“彗星天体生物学探索取样返回（CAESAR）”项目；月球探测计划等。还分析了未来深空探测对空间环境模拟的具体要求，空间环境模拟对推动深空探测发展的重要意义；提出了对我国未来开展空间环境模拟试验的建议。

深空探测；火星；金星；木卫二；土卫六；彗星取样返回；空间环境模拟

0 引言

空间探测与空间环境模拟技术的发展历来是相辅相成的：后者为前者提供保障，前者的发展对后者提出新的要求，从而促进了后者的更新。近几十年来，我国的空间环境模拟技术发展很快，特别是北京卫星环境工程研究所，建立和完善了多种空间环境模拟设施，为保证我国各类航天器在轨长期安全运行做出了突出贡献。随着我国航天事业的快速推进，中国空间技术研究院、中国科学院以及一些大学和科研机构也先后建立了若干高水平的空间环境模拟实验室。这些实验室的建立和发展，对深化空间环境与航天器作用机理和规律的认知，提升航天科技领域中原始创新能力和水平，夯实相关领域的科研实力，支撑航天领域基础研究发展，具有重大和深远的意义。

在航天领域，我国的“十三五”计划提出了未来深空探测的任务，正在酝酿新的深空探测计划。在国外，一些航天大国也公布了未来的深空探测计划。2017年12月，美国航空航天局（NASA）宣布资助12项深空探测计划的前期研究，这些项目涉及6大任务主题，分别是：彗星表面取样返回，月球南极艾特肯盆地取样返回，探索土卫六或土卫二水世界，土星探测，木星特洛伊小行星群探测，以及金星着陆探测等。

未来的深空探测面对多方面的技术挑战，其中一个方面就是空间环境模拟技术。因为探测目标的环境非常恶劣，如金星表面高温高压，欧罗巴（木卫二）表面地冻天寒，故地面的环境模拟实验对保证项目成功起关键作用。

我国未来要发射火星车，要探测木星系统，还要发射小行星探测器。对这些目标天体的环境模拟，我们以前还没有做过。为了实现我国未来深空探测计划的目标，需要扩展和新建一些空间环境模拟设备，研究新的实验技术和方法。本文的主要内容是介绍、分析未来的深空探测项目，并据此提出对空间环境模拟的要求。

1 国外有代表性的深空探测计划

1.1 火星探测计划

1）ExoMars

该任务由欧洲空间局（ESA）主导，包括着陆平台（质量827.9kg）和火星车两部分。其中火星车由ESA研制，着陆平台由俄罗斯研制。火星车上带有钻头，钻探深度2m，每次取出的样品直径1cm、长3cm，并能自动将样品送到相应的分析仪器。ExoMars至少能取17个样品。经过长达5年的分析研究，历经4次着陆点选择工作组会议讨论，目前候选的着陆点有2个：欧克西亚高原（Oxia Planum）和火星谷（Mawrth Vallis），这2个点基本满足工作组提出的5项要求，最后的决定还需工作组第5次会议讨论得出。

ExoMars任务面对的挑战是ESA如何走出2次火星着陆任务失败的阴影；任务中的2个亮点是钻探取样方式和先进仪器“有机分子分析仪”。火星有机分子分析仪（Mars Organics Molecule Analyser,MOMA）是ExoMars携带的最大仪器，其直接目的是寻找生命标记，回答关于火星生命潜在的起源、演变和分布问题。这些研究通过2个活动进行，一是探测有机分子，二是通过辨别这类分子的属性，估计它们的生物或非生物源。ExoMars任务除了研究钻探样品外，也分析火星大气。MOMA有2个互补的操作模式：气体色谱-质谱仪（GC-MS）和激光解吸附质谱仪（LD-MS）[1]。

2）“2020火星车”

NASA的“2020火星车”功能与“好奇号”火星车类似，新增功能包括：分析样品中是否有能维持生命存在的物质，研究火星氧气就位资源利用方法等，还携带了能探测地下水冰、矿物资源和帮助科学家了解火星存在生命可能性的穿地雷达。另外，在着陆之前，火星车能在一定范围自动选择着陆点，有自主避障功能。

“2020火星车”及其有效载荷如图1所示。其中最突出的仪器叫SHERLOC[2]，意思是用喇曼和发光谱仪测量有机物以扫描适居环境。这是一个紫外喇曼谱仪，使用小尺度成像和紫外激光确定小尺度矿物和探测有机物，目的是：1）评估取样点的适居潜力及含水的历史；2）评估关键元素（C, H, N, O, P, S等）和能源对生命的可利用性；3）确定是否有潜在的生物迹象保存在火星岩石和露头的岩层中；4）对已经选择的样品储藏物进行有机和矿物分析。

在图1所示的仪器中，空气温度传感器、热红外传感器、风传感器、辐射及尘埃传感器、压力传感器是一组仪器，即“火星环境动力学分析器”，由西班牙负责研制。其他仪器除用小国旗标出的外，都是由美国研制的。

美国一直重视火星探测的科学目标，在项目确定、仪器选用以及着陆点选择等方面投入巨大精力。单从着陆点选择来说，每次都要通过反复、多轮筛选，至今已举行3次着陆点工作会议，初步确定3个候选点，最后的选择将在今年下半年的第4次工作会议上决定。在重视深空探测的科学目标方面，美欧的举措很值得我们借鉴。

到目前为止，人类已经发射了40余颗火星探测器，可以说是对火星进行了一定程度的“普查”。图2所示为已发射或即将发射的火星探测器的（候选）着陆地点。其中红点是“2020火星车”候选着陆点，白点是ExoMars候选着陆点，其他标志是已发射的火星车或着陆器的着陆点。今后的主要目标是“详查”，即任务和目标都很集中，有望在一些重大科学问题上取得突破。

图2 火星车及着陆器着陆点

1.2 金星探测计划

近10年来，美欧的学者提出了多个金星探测方案[3]，但目前金星探测还没有正式项目，由于这些项目耗资巨大，技术上也面对许多挑战，所以都没能入选正式计划。2017年12月，“金星成分就地考察任务”（Venus In-situ Composition Investigations, VICI）获得了NASA的资助，将携带2个着陆和多种探测仪，测量金星大气层和表面的成分。

从比较行星学的角度来看，探测金星所涉及的科学问题更多且更重要。但由于探测的难度大，多年来没有明显进展。要想在关键问题上获得突破，特别是关于金星超级温室效应、当前是否有活火山以及表面与低层大气相互作用等问题，只有发射着陆器和近金星表面飞艇，才有望取得突破。

由于金星表面温度超过460℃，着陆器只能运行几分钟。欧美的一些学者提出建议，采用主动制冷发射的着陆器（见图3），可以大大延长着陆器的寿命。笔者在中国空间科学学会空间探测学术年会上，提出了发射低高度金星飞艇的建议。以上2种探测方式有望在金星探测方面取得重大突破。

图3 国外提出的几种带有主动制冷系统的着陆器

1.3 Europa Clipper等木星探测计划

美国的木卫二飞越任务（Europa Clipper）已经进入Phase B，其基本任务是环绕木星飞行，并靠近木卫二飞越，对其表面进行高分辨率成像观测。在基本任务期间，大约飞越45次，距离木卫二表面的高度从2700km到25km。这次探索聚焦在了解生命的3个主要要素：液态水、有机化学物质和能量；同时，也为未来的着陆探测寻找合适的着陆点。为了证实液体海洋的存在和了解其内部特征，Europa Clipper携带了雷达和磁强计。

“木星冰月亮探索者”（JUICE）是ESA的一个大型探测任务，计划于2022年发射，2029年到达木星，详细观测木星及其卫星Ganymede、Callisto和Europa。确定这些冰月亮是否具备适居环境。

木星的大气层、磁层和辐射带环境十分复杂、变化多端，4颗伽利略卫星又分成冰与火的世界。木卫一表面火山密集，其余3颗可能都有地下海洋。这其中有很多科学问题值得探索。然而一个突出的困难是木星的辐射太强，故对接近木星的探测器须仔细考虑解决辐射防护问题。

1.4 土卫二与土卫六探测计划

“蜻蜓号”（Dragonfly）是前往土星的一艘无人探测器，目标是登陆土卫六（Titan），寻找适合生物生存的环境与化学变化。美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室于2017年4月提出了土卫六探测计划，2017年12月，“蜻蜓号”入选“新边疆计划”最后决选名单，将与“彗星天体生物学探索取样返回任务”（CAESAR）竞争最终席位。

“土卫二生命特征和适居性”（ELSAH）是一个天体生物学概念的任务，其目的是寻找土卫二的生物学特征和评估其适居性。目前这个项目也获得了NASA的前期研究资助。

提起土卫二，“卡西尼”探测器获得的图像还留在人们的脑海里：在土卫二极区有上百个间歇式喷泉，喷出的大多数成分是水。土卫六地表有湖，表面上有压力为1.52×105Pa的大气层，地下很可能有海洋。寻找地外生命，土卫二和土卫六是不可错过的机会。

1.5 彗星与小行星探测

2017年12月21日，NASA宣布了第4次“新边疆任务”的遴选结果。最终有2项任务进入决赛环节，其中一项就是CAESAR。该任务将向丘留莫夫-格拉西缅科彗星（欧洲“罗塞塔”探测器曾经探测的彗星）发射一枚探测器，从该彗星表面收集至少100g样品，然后将其带回地球。科学家将收集那些与生命产生和活动相关的有机化合物，借此理解彗星对地球生命的诞生产生过怎样的影响。

小行星探测计划比较多。美国的“欧西里斯贝努”（OSIRIS-REx）和日本的“隼鸟2号”（Hayabusa-2）取样探测器正在飞往目标小行星的途中，新的探测计划包括ESA和NASA联合项目“小行星撞击与偏转评估”任务（AIDA），以及NASA的2项探索早期太阳系的计划（即“露西”(Lucy)计划和“灵神星”(Psyche)轨道器）。

小天体有些已历经演化，称得上是“老寿星”，在它们的身上可以找到太阳系起源和演变的线索，甚至可能发现生命起源和演化的痕迹。因此，现如今深空探测的目标已不只是盯住大天体，对小天体的研究会慢慢成为热点。

1.6 月球探测

“月船二号”是印度空间研究组织与俄罗斯共同研制的月球探测器，也是印度继“月船一号”之后的第2个月球探测器。它将由3部分组成，包括绕月轨道飞行器、月球降落舱和登月机器人。其中月球降落舱将由俄罗斯航天机构提供，登月机器人则由印俄双方联合研制，计划2018年下半年发射。

“月球”（Luna-Glob）计划是俄罗斯的月球探测计划，这个计划早已透漏出来，但由于俄罗斯经济不景气，常常是计划赶不上变化。目前计划的主要内容包括：Luna-Glob lander（Luna 25），月球极区着陆器；Luna-Resurs orbiter（Luna 26），月球轨道器；Luna-Resurs lander（Luna 27），月球南极着陆器和月球车；Luna-Grunt rover（Luna 28），月球车；Luna-Grunt sample return vehicle（Luna 29），月球取样返回任务。

“月球艾特肯盆地取样返回”任务是美国酝酿已久的项目。由于奥巴马政府取消了美国重返月球计划，这个项目多年没有进展。在2017年12月，该项目被列为NASA的一个推荐项目。

2 中国的深空探测计划

2.1 火星探测

我国将于2020年7、8月份之间择机发射火星探测卫星，预计卫星飞行7个月左右抵达火星，将于2021年发回相关探测数据。卫星设计寿命为1个火星年，接近2年时间。火星车设计寿命为3个火星月，相当于地球上的92天。整个探测任务共携带13种有效载荷，其中轨道器上7种，火星车上6种。火星车装有4块太阳电池板，载有不同分辨率的火星遥感相机、能探测火星浅层结构的浅层雷达等，将探测火星的形貌、土壤、环境、大气，研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。

中国的火星探测起步晚，但起点高，计划一次实现“环绕、着陆、巡视”的目标。这就意味着不仅要实现环绕火星全球遥感探测，还要突破火星进入、下降、着陆、巡视、远距离测控通信等关键技术，这是其他国家第一次实施火星探测从未有过的，面临的挑战也是前所未有的。

为了实现巡视探测，火星探测器要具备较强的环境适应性。除了需要面对普通航天器遇到的真空、低温、辐射等问题外，也需要适应火星表面的地形地貌、尘暴、低重力、高低温、低气压等特殊环境，还需要解决远距离通信以及长时间日凌时期的探测器自主管理等一系列问题。

2.2 木星系统探测

我国已经明确将要开展对木星系统的探测，目前正制定具体的探测计划。木星是太阳系行星中的巨无霸，体积为地球的1316倍，质量是地球的318倍，是所有其他行星质量的2.5倍。木星的大气层、辐射带、内部结构以及4颗伽利略卫星，都有许多奥秘等待揭开。探索木星的困难不仅在于距离远，更重要的是木星的辐射带极强，这就给探测器的轨道设计带来困难。如果靠近木星，可以更清楚地观测其大气层的结构，同时还能从木卫二近处飞越；但这样就进入了木星的强辐射区，可能给探测器带来极大的辐射损伤。因此需要权衡辐射防护和科学目标之间的关系，在保证探测器安全的前提下，才能更深入地研究木星磁层结构，木卫二表面冰层形貌及厚度，木卫三和木卫四的形态和内部结构等。

2.3 月球取样返回探测

2018年5月，我国将发射一颗位于地−月系统第二拉格朗日点的通信中继卫星，实现月球背面与地面站之间的测控通信，年底将发射“嫦娥四号”着陆器和巡视器，在中继测控支持下实现月球背面软着陆，开展就位和巡视探测，着陆地点为月球南极艾特肯盆地的卡门陨石坑。这将是人类探测器首次在月球背面着陆，其科学意义和社会影响都十分重大。

2019年，“嫦娥五号”将实现月面取样返回，为“嫦娥工程”划上完美的句号。“嫦娥五号”面对的技术难点包括月面自动采样与封装技术、月面起飞技术、月球轨道交会对接技术和高速再入返回技术。其着陆点将位于月球风暴洋西北角的吕姆克山脉附近。

未来的“嫦娥六号”很可能在月球南极沙克尔顿陨石坑着陆，并实现取样返回。月球的南极区含有非常丰富的挥发性物质，这些物质很可能是月球形成初期就具有的。在这里取样返回，对于研究月球的起源和演变具有重要意义。

3 未来深空探测对环境模拟的要求

3.1 火星表面环境模拟

火星表面环境具有大气稀薄、干燥、严寒、风沙大、沙尘暴频繁的特点。国外火星着陆器和火星车发生的事故大都与火星表面环境有关。例如“凤凰号”着陆器，尽管超期服役了60多天，但由于极区寒冷，最后还是因电力供应不足而“冻死”在着陆点。“勇气号”和“机遇号”火星车都遇到沙尘暴。在2007年6月底，一连串的沙尘暴开始垄罩火星的大气层。到了7月20日，“机遇号”和“勇气号”都遭遇到因太阳能电力不足而造成系统完全失效的可能。

正常情况下，太阳电池板每天能够产生2500kJ的能量。在沙尘暴中，电池板的发电能力大幅降低。倘若火星车太阳电池每天产生的电力少于540kJ，则将逐渐耗尽蓄电池电力。如果蓄电池电力耗尽，关键的电子仪器可能会因为极度的寒冷而失效。在2007年7月18日，“机遇号”火星车每天只能产生460kJ的太阳能电力，是其任务史上的最低点。NASA的应对是命令“机遇号”每3天向地球通信1次，这样的状况是其任务史上第一次发生。

根据美国3辆火星车所遇到的问题，对火星环境模拟应着重注意3点：一是沙尘对太阳电池电力输出的影响；二是当沙尘覆盖了太阳电池板后，采用什么办法自动清除；三是关键仪器对火星表面温度的承受能力。此外，与以往模拟试验不同的是，火星表面大气压强只有地球的0.6%，而且主要成分CO2占全部气体的95.97%，大气中还夹带着大量沙尘。因此，需要研究在这种环境下火星车上仪器与周围环境达到热平衡的特点。

3.2 金星表面环境模拟

尽管我国目前还没有确定探索金星的计划，但许多学者已经提出了一些探索金星的技术方案，包括着陆探测和低高度飞艇探测。探索金星的科学意义重大，因此，提前对金星着陆探测进行空间环境模拟的准备工作是十分重要和必要的。

金星表面平均温度为462℃，压强达92个标准大气压，环境是非常恶劣的。苏联早期的着陆器，在金星表面只存活了短暂时间，要想获得更大的科学成果，就需要延长着陆器在金星表面正常运行的时间。一个比较有效的措施是主动制冷。

金星探测地面模拟所需的主要设备是具有一定体积的、能产生高温高压的容器。整个设备由气体自动传送装置、气体混合器、气体分析器、加热装置以及程序逻辑控制装置等组成，设备里面放置待试验的主动制冷系统。通过模拟试验，可以知道在预期时间内维持预定温度需要多少制冷剂；不同温度下，仪器能运行多长时间。目前，NASA的格林极端环境平台（Glenn Extreme Environment Rig, GEER）已经建立了关于金星环境的模拟装置，参见https://geer.grc.nasa.gov。

GEER的容积为800L，能模拟高达500℃的极端温度，压强从近真空到90个标准大气压，能混合多种气体以模拟金星和木星的大气环境。2014年，该装置模拟金星表面环境运行了24天，容器内产生的金星大气包含96.5%的CO2，3.5%的N2，1.80×10-4的SO2，2.3×10-5的CO，4×10-7的HCl，5×10-8的HF，4.4×10-6的OCS。

3.3 对木星强辐射环境的模拟

木星的辐射环境是非常恶劣的，图4和图5是根据Divine-Garret辐射模型[5]给出的木星轨道电子和质子辐射通量随轨道高度的变化[6]。木卫二的平均轨道半径大约为9.6个木星半径（J），处于高通量电子辐射区内。美国曾对木卫二着陆器进行了深入的研究，后来考虑到木星的辐射效应，暂时放弃了该着陆器项目，先实施木卫二的飞越探测项目，待对其辐射特征有了充分了解和找到了有效的辐射防护措施后，再实施着陆探测项目。

图4 木星轨道电子积分通量随轨道高度的变化

图5 木星轨道质子积分通量随轨道高度的变化

面对这种严酷的辐射环境，为保护探测器电子部件的安全，除了选择合适的轨道以避开辐射带之外，还要对关键电子部件加装辐射防护罩。至于防护罩选择什么材料，多大厚度，除了需要利用相应辐射模型进行数值模拟外，还要在实验室进行实际模拟。

对木星辐射环境模拟的基本要求是：强度足够大的、可变通量的辐射源；可改变材料和厚度的屏蔽罩；辐射效应测量装置；整个实验装置的辐射防护。

3.4 对小行星和彗星表面取样方法模拟

美国和日本目前对几百m尺度的小行星表面取样主要采取“接触即离”的方法，即探测器飞到距离小行星表面一定高度后，伸出取样杆，利用杆末端携带的取样头接触到小行星表面后，停留片刻完成取样，随即离开。具体的取样方法美、日有所不同，其中美国的方法是：取样头接触小行星表面后，从圆形取样头的周围向小行星表面吹氦气，在气流的作用下，使小行星表面碎屑流体化，随气流一起被吹进取样器，取样可在大约5s内完成，随即将取样头的头部关闭，并离开小行星表面。日本的方法是先撞击小行星表面，撞出碎片，然后取样。

实施美国取样方法的前提是小行星表面确有风化层（土壤），这需要在选择目标小行星之前予以确定，最好的确定方法是用雷达探测小行星表面物质的极化比。同时，也要根据探测结果，在实验室进行模拟。在模拟过程中，需要改变风化层的厚度、颗粒的尺寸、氦气流的强度和方向，检验在不同环境下可获得的样品的体积和质量，以根据小行星表面状态选择最佳的取样操作参数。

根据NASA最新发布的消息，未来美国探测彗星也将采用取样返回的形式，而且取样方法也是“接触即离”。彗星表面的情况肯定与小行星的不同，因此在彗星上取样返回将面临许多新的问题。

3.5 月球南极沙克尔顿陨石坑取样返回方法模拟

沙克尔顿陨石坑直径20.92km，深度约4.2km，月球的自转轴点就位于沙克尔顿陨石坑内距中心点仅几km处。坑底是永久阴影区，温度低达88K。因此，该陨石坑含有大量水冰和多种挥发物，是研究月球起源和演变的理想场所。美国多年以前就酝酿在沙克尔顿陨石坑取样返回的计划。我国的“嫦娥六号”计划在月球南极取样返回（具体着陆点未定），因此，做好在月球南极陨石坑底取样返回的模拟试验，对保证计划的顺利实施是至关重要的。

其中的关键因素是低温：在88K的温度下，着陆器的关键部件能工作多长时间，采取什么样的取样方式，如何保证采集的样品一直处于低温环境下——所有这些问题，都给我们提出了新的挑战。

4 结束语

未来国外的深空探测计划具有以下几个特点：1）对有些天体的探测，是在经历了几十年“普查”探测的基础上进行的，因此任务和目标都非常集中；2）新的任务往往都是“难啃的骨头”，遇到的技术挑战大；3）面对的空间环境恶劣，包括极寒、极热和强辐射等；4）一旦实现既定目标，将取得重大科学突破；5）美欧的探测计划特别重视科学目标，工程目标是为科学目标服务的，重视组织大科学团队，充分发挥各类研究人员的作用；6）非常重视研制新的有效载荷，而不是当前有什么就上什么。

对我国来说，深空探测还仅仅是起步。我们既不能把目标定得太高，也不能在低水平重复。应根据我国的实际条件，借鉴国外的经验教训，走出一条特色之路。大目标相同，我们也可以在分支领域做有自己特色的工作。当前，我国有些探测项目还处于论证阶段，特别要注意科学目标的合理制定，处理好科学目标和工程目标间的关系。

能否实现预定的科学目标，除了与航天器性能及有效载荷的质量有关外，另一个重要因素是空间环境适应性。航天器再先进，仪器的性能再好，但不适应所处的空间环境，也不可能达到预期目标。特别是未来的深空探测，要面对的往往是极端的空间环境。因此，加强地面空间环境模拟实验研究，是一项具有战略意义的工作。

我国在空间环境模拟试验方面取得了很大的成绩，保证了我国多种型号航天器任务的执行。但面向未来深空探测的需要，现有设施远远不能胜任。空间环境模拟试验是一个庞大的系统工程，不是一个简单的实验设备。特别是对于极冷、高温和强辐射环境，建立起完备的模拟系统绝非易事。有关主管部门应当重视空间环境模拟试验设施的建设，特别是那些具有综合性和难度较大的工程，要像对待一个重大探测项目那样，首先进行前期论证，对试验目的和意义、试验要求以及总体框架等进行广泛和深入的研究。在此基础上，择优选择最佳方案，对关键技术进行攻关，使我国的空间环境模拟试验技术尽快达到世界先进水平，服务于未来的深空探测任务。

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（编辑：闫德葵）

Future deep space exploration and related space environmental simulation

JIAO Weixin

(Research Center of Planetary and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China)

The future deep space exploration programs are reviewed, including the ExoMars, the 2020 Mars rover, the VICI, the Europa Clipper, the JUICE, the Dragonfly, and the CAESAR. The special requirements of the space environmental simulation for future deep space missions are analyzed, with emphasis on the importance of the space environmental simulation in promoting the deep space explorations. Suggestions are made for improving the related environmental simulation technologies in China.

deep space exploration; Mars; Venus; Europa; Titan; CAESAR program; space environmental simulation

V476; V529.1; V416.5

A

1673-1379(2018)02-0103-08

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.001

焦维新（1946—），男，教授，长期从事空间探测技术以及行星科学的教学与研究工作。E-mail: jiao@pku.edu.cn。

2018-02-23；

2018-03-19

国家自然科学基金项目（编号：41374181）