中国月球及深空空间环境探测

王 赤，张贤国，徐欣锋，孙越强,3,4

（1.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.天基空间环境探测北京市重点实验室，北京 100190；4.中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190）

引 言

1957年10月4日，人类第1颗人造卫星“斯普特尼克1号”在前苏联拜科努尔航天中心发射升空，开启了人类探索太空的时代。经过60 多年的空间探测与研究，人们逐渐认识到除陆地、海洋、大气之外，还存在一个与人类生存和发展息息相关的空间环境[1-4]。空间环境是指地球表面20～30 km以上到地外天体表面之间区域范围内各类物质的状态及演化。

这一广阔空间环境中的基本物理过程备受关注，是当代自然科学最活跃的前沿学科之一。20世纪90年代末，是空间物理走向“硬”科学时代的一个新发展阶段，强调科学与应用的密切结合，还产生了专门研究和预报空间环境中灾害性过程的变化规律，减轻或防止空间灾害，为人类活动服务的空间环境、空间天气学科[4]。

空间环境同时也是航天器故障异常的主要诱因之一，是航天工程应用关注的热点领域。中高层大气、空间磁场、电离层、高能带电粒子、空间等离子体、空间碎片和微流星等空间环境可导致航天器轨道姿态非受控改变、通信定位质量下降或测控受干扰、总剂量、单粒子、充放电、机械损伤、化学损伤、电子器件硬软错误等诸多空间环境效应，威胁航天器运行的效能发挥，乃至减寿或损毁[5-13]。数据统计分析表明：因空间环境因素直接导致的航天器故障（异常）约占总故障数的40%左右[13]。

空间环境探测是人类认识空间环境的必要措施[14]。空间环境研究是以观测为基础，多学科（空间物理、地球物理、大气物理、等离子体物理等）、多技术（现代电子、通信和计算机技术、大数据技术等）高度交叉综合，地面观测和空间探测的有机结合，通过全球性的合作探测与研究，以解决人类生存发展所面临的环境问题为宗旨的重大前沿科技领域[15]。空间环境探测是了解空间环境状态及变化规律的重要手段，同时也是保障人类空间活动安全的重要数据来源[16]。

深空探测作为与地球轨道卫星和载人航天并驾齐驱的航天活动，不仅是空间技术发展的必然选择，更承载了人类探寻宇宙起源和演化、认识太阳系、探索地球与生命起源和演化奥秘的梦想[17]。1958年8月17日，美国太空技术实验室（Space Technology Labora‐tory，STL）研制的“能力1号”（ABLE 1，后命名为“先锋0号”，PIONEER 0）太空船自卡纳维拉尔角发射中心发射升空，直指环月轨道[18]，拉开了人类深空探测的序幕。

截止2018年底，世界各国已发射的深空探测任务达到250 次，其中美国102 次、前苏联和俄罗斯108次、日本13次、欧空局12次、中国7次、德国和印度各2 次，其他国家地区共4 次[18]，对太阳系内包括月球、行星、彗星、太阳等天体进行了探测，飞行最远的探测器距离地球超过200 亿km。通过深空探测，取得了大量科学探测和技术成果，拓展了人类对太阳系和宇宙的认识，推动了空间技术的进步和经济社会的发展[19]。

中国的深空探测起步于月球探测，按照探月工程“绕”“落”“回”三步走的任务规划[20-21]，自2003年启动探月工程一期研制以来，已经成功实施了“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥 2号”（CE-2）、“嫦娥3号”（CE-3）[22]、“嫦娥4号”（CE-4）月球探测任务及“嫦娥5T1”飞行试验器任务，圆满完成探月工程一期“绕”和二期“落”的任务，后续将择机实施“嫦娥5号”任务，完成探月工程三期“回”的任务。

中国的火星探测计划开始于2011年发射的“萤火1号”，是由中国国家航天局与俄罗斯联邦航天局合作共同探索火星的项目。2011年11月9日，俄方宣布搭载有“萤火1号”的“福布斯-土壤号”火星探测器变轨失败。2016年1月，中国正式批复中国首次自主火星探测任务，中国火星探测任务正式立项，并将在2020年左右发射一颗火星探测器[23]。与此同时，正在论证后续月球、小天体、火星、木星甚至更远的深空探测任务[19,24]。

我国月球及深空空间环境探测也是随着我国的深空探测的发展而发展起来的，既为推动空间物理和空间天气科学研究进展贡献中国力量，也为我国空间技术不断刷新中国距离保驾护航。截止2018年底，我国月球及深空空间环境探测任务包括“嫦娥1号”“嫦娥2号”“萤火1号”“嫦娥4号”，在研任务包括“自主火星”，正在论证的任务包括后续探月、木星系探测、小行星探测，主要探测要素包括粒子（等离子体、能量粒子、高能粒子、中子）和物理场（磁场）等要素，主要研究手段包括数据分析、基于数据的仿真研究、数据可视化和基于物理的数值模拟研究。

1 探测任务

1.1 “嫦娥1号”“嫦娥2号”

“嫦娥1号”“嫦娥2号”是2 颗三轴稳定的绕月极轨卫星，分别于2007年10月24日和2010年10月1日发射，环月飞行高度为200 km 和100 km，轨道周期为127 min和118 min。空间环境探测仪由一台太阳高能粒子探测器（High-energetic Particles Detectors，HPD）和2 台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion De‐tectors，SWIDs）由SWIDA/SWIDB 组成，其科学目标是探测月球的空间环境，研究月球空间的高能粒子和太阳风离子的成分、通量、能谱及其时空演化特征，以及太阳活动对月球空间环境的影响[25-31]。

1）太阳高能粒子探测器

太阳高能粒子探测器由中国科学院国家空间科学中心研制，科学探测目标是探测月球轨道空间的高能质子、电子和重离子能谱随时间的演化特征（具体指标见表1，详见文献[32]），探测指标的设计主要针对可能诱发卫星单粒子效应和卫星充电效应，威胁卫星安全的高能粒子种类和能谱。

表1 HPD技术指标Table 1 Performances of HPD

HPD的传感器由3片半导体硅探测器组成，带电粒子在传感器中以电离方式损失能量，根据3片半导体硅探测器输出能量的不同，可区分粒子成分和能量。HPD安装在卫星顶部，视场方向为朝天向。

2）太阳风离子探测器

“嫦娥1号”“嫦娥2号”安装的太阳风离子探测器（SWIDs，SWIDA/SWIDB）由中国科学院国家空间科学中心研制，其科学探测目标是探测月球附近等离子体和月球的相互作用，获得月球附近太阳风的基本特征，包括速度、密度和温度等。SWIDs 的观测对象是月球空间0.04～20 keV的离子。其科学探测结果主要用于研究月球附近等离子体环境的特征和月表与太阳风等离子体环境的相互作用。

SWIDs 采用半球形静电分析器，有12 个探测入口分布在同一扇面内平分180°极角，称为极角P1～P12，每个极角各有48个能量通道，近对数划分0.04～20 keV能道宽度，称为能道C1～C48，每一能道对应偏转电压不同，选通不同能量-电荷比E/Q的离子入射MCP 传感器。SWIDs 包含2 台太阳风离子探测器，中心视场重合、扇面正交安装，仪器安装在朝天面，中心视场朝天（具体指标见表2，详见文献[32]）。

表2 SWIDs技术指标Table 2 Performances of SWIDs

1.2 “萤火1号”

“萤火1号”火星探测器的主要科学目标是探测研究火星的空间环境，因此在有效载荷的选择上主要考虑火星空间环境磁场及等离子体能谱和质谱的探测。其上的等离子体探测包是当时国际上先进的等离子体探测器之一，适应自旋或三轴稳定的卫星平台，对空间等离子体方向分布、能谱和离子质量进行探测。高精度磁通门磁强机探测精度为0.01 nT，达到当时国际磁通门磁强计的先进水平；星-地掩星接收机与俄罗斯FGSC 福布斯-土壤探测器配合，主要探测火星正午和子夜电离层的电子密度，有望填补火星电离层探测的空白[33-34]。

1）等离子体探测包

“萤火1号”等离子体探测包由中国科学院国家空间科学中心研制，其探测目标是近火星空间的等离子体环境，等离子体探测包探测等离子体的分布函数、成分等参数，包括离子的能量、方向分布和成分，电子的能量和方向分布。等离子体探测包采用静电分析器技术，在传感器的壁面加电场对入射的带电粒子进行方向和能量的分辨。在半球形静电分析器之后再加上飞行时间（Time of Flight，ToF）系统还可以对离子成分进行分辨[35]。等离子体探测包由离子分析器[36]（I、II）、电子分析器[37]和电子学箱4 部分组成，具体指标如表3所示。

表3 等离子体探测包性能指标Table 3 Specifications of plasma package of YH-1

2）高精度磁通门磁强计

中科院国家空间科学中心研制的“萤火1号”高精度磁强计采用了分立结构的磁通门传感器。其探测精度达到0.01 nT，重量约为2.5 kg，传感器重0.25 kg，功耗5 W。性能指标（如表4所示）经过国外机构检测，达到国际先进水平[38-39]。

表4 “萤火1号”高精度磁强计技术指标Table 4 Specifications of YH-1 fluxgate magnetometer

3）掩星接收机

火星电离层无线电掩星探测的原理是以俄罗斯Rhobos-Grunt探测器上的甚高频信标信号（833 MHz/416.5 MHz）作为掩星探测的无线电信号源，利用“萤火1号”上安装的接收机进行接收，记录下被火星电离层遮掩信号的载波相位L1、L2。掩星接收机的主要指标如表5所示[40]。

表5 “萤火1号”掩星接收机主要指标Table 5 Specifications of YH-1 receiver

1.3 “嫦娥4号”

“嫦娥4号”空间环境探测主要采用国际合作方式开展，科学目标和技术指标如表6所示[41-42]，所携带的载荷中子与辐射剂量探测仪LND 和中性原子探测仪ASAN性能指标如表7～8所示。

表6 “嫦娥4号”空间环境探测科学目标Table 6 Scientific objectives for the international collaboration payloads onboard CE-4

表7 中子与辐射剂量探测仪主要性能指标Table 7 Main specifications of lunar neutron and radiation measuring instrument neutron and radiation measuring instrument

表8 中性原子探测仪主要性能指标Table 8 Main specifications of neutral atom detector

1.4 在研任务

作为我国深空探测计划的又一个里程碑事件，中国政府于2016年1月对中国首次自主火星探测任务正式批复立项，计划于2020年发射一颗火星探测器，一次性实现“环绕”“着陆”“巡视”3个目标。中国首次自主火星探测任务的探测器由一个火星环绕器和一个火星着陆巡视器构成。环绕探测科学任务着眼于对火星全球性和综合性的探测；着陆巡视器由进入舱和火星车组成，火星车巡视探测科学任务着眼于火星局部地区的高精度就位探测。其科学目标包括5个方面的探测和研究[43]：

1）火星形貌与地质构造特征；

2）火星表面土壤特征与水冰分布；

3）火星表面物质组成；

4）火星大气电离层及表面气候与环境特征；

5）火星物理场与内部结构。

其中，第4 与第5 项科学目标与空间环境探测紧密相关。为实现上述目标，火星环绕器配置火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪等3类空间环境探测载荷，火星车上配置火星表面磁场探测仪，具体载荷配置和探测目标如表9～10所示[43]。

表9 火星环绕器空间环境探测载荷配置Table 9 Payloads of MARS-1 orbiter

表10 火星车空间环境探测载荷配置Table 10 Payloads of MARS-1 rover

2 探测与分析结果

迄今为止，我国自主获取的月球与深空空间环境的数据主要来自“嫦娥1号”和“嫦娥2号”，“嫦娥4号”的数据正在分析中。

2.1 近月空间环境分布规律

1）高能粒子分布

“嫦娥1号”和“嫦娥2号”HPD探测结果表明，太阳活动低年，空间环境相对宁静时期，月球轨道100～200 km高度空间区域与ACE卫星所在的行星际日-地（月）系统拉格朗日L1点附近的高能质子、高能电子、重离子He、C、N、O 的背景流量相当，月球的局部磁异常和稀薄大气对月面以上100～200 km的高能带电粒子影响很小[26,32]。

CE-1 观测的质子能谱具有幂律谱的分布形态，并与通常所指具有90%置信度最恶劣的银河宇宙线质子谱相当[26]，观测结果如图1所示。

图1 CE-1在环月轨道观测、CREME86计算1 AU处、ACE于L1点观测高能质子能谱比对Fig.1 The spectrums of energetic protons by CE-1 at lunar orbit，CREME86 at 1 AU and ACE at L1

月球附近经常观测到高能电子流爆发现象，CE-1/HPD探测器的观测概率是20%，其中持续几分钟的脉冲式事件和持续时间大于10 min 的事件各占50%，磁尾的磁鞘和边界层过渡区是此类事件的多发区域[26]，观测结果如图2所示。

图2 CE-1/HPD观测到的0.1～2 MeV高能电子爆发现象20070123）Fig.2 Bursts of 0.1～2 MeV electron event by CE-1/HPD on 20070123

2）太阳风等离子体分布

“嫦娥1号”“嫦娥2号”和SWIDs数据分析表明，太阳风离子分布符合Maxwell分布，可以对SWIDs数据用Maxwell 函数拟合获得月球附近等离子体参数。对月球附近和行星际上游太阳风离子的速度、密度和温度比对分析表明，太阳活动低年，空间环境相对宁静条件下，月球附近太阳风参数演化与上游太阳风保持着相同的时间演化趋势；二者相比，太阳风速度、密度变化不大，温度有所上升，这可能与月球附近太阳风受到压缩或与月面相互作用加速加热有关[44]。

月球在中磁尾穿越磁层顶期间，观测到显著的太阳风、磁鞘、磁尾等离子体特征，对应上述3个等离子体区域，温度逐渐上升，密度逐渐下降[45]。

CE/SWIDs 观测的背景太阳风能谱图（见图3～4）表明，大部分观测到的太阳风能谱具质子H+单峰结构，或质子和4He2+双峰结构，4He2+峰中心能量约是H+峰中心能量的2倍[28,32]。

图3 CE-1/SWIDs观测到中磁尾磁层顶穿越过程中等离子体分布变化Fig.3 Plasma distribution evolution during the mid-magnetotail crossing observed by CE-1/HPD

图4 CE-1/SWID-A观测得到的太阳风离子能谱双峰结构（20071218）Fig.4 CE-1/SWID-A observational results in solar wind from 02：20 to 04：27 UT on 2007-12-18.

2.2 近月空间环境与月面相互作用

1）近月空间离子加速现象

王晓栋等[31]利用“嫦娥1号”SWIDS的数据发现了月球晨昏线附近太阳风离子经月面散射，被对流电场加速的现象（图5）。这种加速现象多发生在南北两极，可导致～200 eV/q 的离子产生600～1 500 eV的能量增加。这种加速机制多发生在行星际磁场By分量为主的情况下，且对应By值的正、负，其发生区域分别在月球的南极、北极。同时这种加速离子经E×B进入月球尾迹，为太阳风粒子进入月球尾迹提供了一种可能机制。

图5 CE-1/SWIDB在极区附近观测到的离子加速现象。A：SWIDB的几何姿态；B：月球在日地月空间的位置；C：SWIDB 1-11极角计数累计能谱演化，红色横线标注太阳风粒子观测时段、品红横线标注被加速离子观测时段；D：太阳天顶角、SCG坐标位置；E：时延后的行星际磁场Fig.5 The observation of orbit 0381 and 0382，when the Moon and the spacecraft were in the interplanetary space.（A）The observation geometry of SWIDB in the selenocentric solar ecliptic（SSE）coordinate system.Sectors in black detected the largest flux of solar wind protons.（B）The location of the spacecraft in the ecliptic plane during observation.（C）The summed E‐t spectrum of all 11 sectors except for the blocked sector 12.Red and pink bars cover the measurements of the solar wind ions and accelerating particles，respectively.（D）The evolution of solar zenith angle（SZA）and selenocentric geographic（SCG）coordinates of the spacecraft.（E）The Bx，By and Bz components of the interplanetary magnetic field（IMF）in GSE coordinate sys‐tem.IMF data in this study are from ACE/MAG at L1 point with shifted time.Gradient gray boxes cover the periods of the spacecraft in the optical shadow

钟俊等[46-47]利用“嫦娥1号”数据发现了月球向阳面“载荷”（pickup）离子加速的现象，并对不同行星际条件下的“载荷”离子加速现象进行详细分析。结果表明，行星际磁场Bx为主时，“载荷”离子速度有一个很强的平行磁场分量，行星际磁场By分量的大小影响加速效率，随着By分量数值减少，“载荷”离子加速效率下降。钟俊等[47]同时发现，行星际磁场By为正情况下，H+进入月球尾迹的深度大于He2+（图6）。

这些研究结果对近月等离子体环境的理解具有重要意义。

2）月球逃逸层H2+存在的证据

2011年，王晓栋等[48]报道了“嫦娥1号”SWIDs观测到能谱平行曲线结构（PCs，图7所示）的事例，被认为是首次就位探测到月球逃逸层H2+存在的证据。王晓栋等对该能谱平行曲线结构进行了详细分析，结果表明，能谱平行曲线离子的能量存在2倍比例关系，且在速度相空间，平行曲线结构的离子表现出显著的双圆环现象，给出了“载荷”（pickup）粒子中存在m/q=2的离子成分的证据，即月球逃逸层H2+存在的证据。

图6 CE-1/SWIDB数据和时延后的ACE行星际磁场数据Fig.6 The observation results of CE-1/SWIDB and time-shifted IMF from L1/ACE

3）月面微磁层观测结果

图7 CE-1/SWIDs观测到的平行曲线结构。A：月球在地月空间的位置；B：SWIDA/B在SSE坐标系投影；C：SWIDA和SWIDB全方向累加能谱演化图；D：太阳天顶角（红色曲线）、纬度（绿色曲线）和SSE坐标经度（蓝色曲线）/SCG坐标经度（蓝色点线）；E：时间延迟后的L1点ACE观测的行星际磁场；F：SWIDB的方向谱，纵轴为每一个极角方向的视场方向，红色加号标注能谱双曲线数据Fig.7 Observation of parallel curve（PC）events in orbit 0326.（A）Position of the Moon（closed circle）in the ecliptic plane as seen from the Earth’s north pole.（B）Observation geometries of SWIDA and SWIDB projected in the XY and the XZ plane in the selenocentric solar ecliptic（SSE）frame，in which the Sun locates at the+X direction.The trajectory of the spacecraft in this orbit is drawn to scale.The blue and red arcs represent the latitude coverages where PCs were observed by SWIDA and SWIDB，respectively.Specifically，locations of the spacecraft and FOVs of SWIDA and SWIDB at the time of three（one for SWIDA）observations are shown，with sector 1 and 12 marked.Dark sectors detect PC particles.IMF direction projected on the ecliptic plane is also shown.Following panels show time-dependent parameters.（C）Energy-time（E-t）spectra of（top）SWIDA and（bottom）SWIDB data summed over all 12 sectors each.（D）The solar zenith angle（SZA）（red curve），latitude（green curve）and longitude of the spacecraft in the SSE（blue dashed curve）/selenocentric geographic（SCG）（blue dot‐dashed curve）frames.The blue and red bars cover the time spans of PCs in SWIDA and SWIDB， respectively.（E）The interplanetary magnetic field （IMF）conditions shifted from L1 point measurement （ACE / MAG data）.（F）The directional spectrum of SWIDB data in the meridian plane by integrating over all energy channels.The direction is the instantaneous FOV direction of a sector.The red pluses figure out PC counts.

王晓倩等[49]和崔俊等[50]基于“嫦娥2号”太阳风离子探测器数据发现了月球微磁层（Lunar Magnetic Anomalies，LMA）存在的证据，“嫦娥2号”中第35、36、37 轨在100 km 高度幸运地穿越了澄海对峙区（Serenitatis Antipode）附近，SWIDs 观测到显著的LMA 特征，即太阳风离子密度下降和温度上升（图8中阴影区），这被认为是微磁层对太阳风的屏蔽作用造成的。这是当时月球微磁层存在的第3个公开发表的观测证据，也是其中最显著最直接的观测证据。

图8 “嫦娥2号”SWIDs观测到的微磁层存在的证据Fig.8 The evidence of LMA by CE-2/SWIDs

4）近月高能电子爆发事件

王馨悦等[25]利用HPD 高能电子数据和SWIDs 等离子体数据分析发现，高能电子爆发事件可诱发环月卫星表面充电，这种充电现象进而导致SWIDs 探测到的等离子体能谱整体抬升，抬升幅度与卫星表面充电电位相当。

5）磁层对近月空间粒子辐射环境的屏蔽作用

王洁和秦刚[51]利用“嫦娥1号”HPD高能粒子数据对月球轨道的磁层屏蔽效应进行了分析研究，发现当月球位于地球磁层内时，HPD 6个能道的质子通量并没有发生显著减少，结果表明地球磁层不能为月球轨道附近高能粒子提供显著的磁屏蔽。对于6个质子能道，月球位于地球磁尾与太阳风中时，高能质子通量差异的百分比上限分别为1.2%、0.07%、1.4%、2.7%、0.29%和1.7%。

高能质子通量差异百分比定义如下

其中：i表示能道序号；in和out分别表示磁层内外。

2.3 基于实测数据的理论和应用研究

1）卫星和月球表面充电研究

王馨悦等[25]基于CE-1/HPD 探测的高能电子爆发事件数据，进而用电流平衡法对事件期间卫星和月表充电现象进行了模拟研究（图9），结果表明，高能电子爆发时段内能量电子积分总流量超过1011cm-2时，环月卫星和月球表面充电电位均可达负上千伏，且月表充电时间尺度比卫星表面充电时间小1个量级。

图9 电流平衡法模拟的环月卫星和月表充电过程Fig.9 Simulation of satellite and Lunar surface charging

石红等[45]利用CE-1/SWIDs 等离子体数据对平静期近月环境中的卫星表面充电情况进行了估算。根据2008年6月份的CE-1/SWIDs 数据，轨道等离子体温度在1.8～20 eV 之间，在忽略二次电子发射、光电子发射和迎风面的情况下，粗略估算太阳风等离子体对探测器的充电电位在-7～-70 V 之间，而月球尾迹区充电现象仍需进一步研究。

2）基于实测数据的微磁层模拟研究

Xie 等[52]对CE-2/SWIDs月面微磁层观测结果进行了三维Hall-MHD数值模拟研究，重现了月面磁场异常区等离子体密度的下降（图10所示），但这个等离子体空洞可能不是在微磁层内，而是2 个磁异常（澄海和雨海）引起的微磁层之间的压缩区。研究同时发现，由于微磁层的空间尺度与离子回旋尺度相当，Hall效应在微磁层形成过程中发挥了非常重要的作用。太阳风离子可以穿越微磁层的磁层顶，削弱间断面两侧的等离子体速度跃变，导致等离子体空泡消失，以及弓激波和磁层顶的合并，而电子被微磁层边界阻挡。这同时导致了微磁层的不对称性，等离子体堆积到一侧，而磁场堆积到另一侧。模拟结果显示，决定微磁层结构的参数主要包括太阳天顶角（Sun Zenith Angle，SZA）、磁声马赫数和压强平衡距离与离子惯性尺度的比例D（=RM/Lpi，SZA 越大，微磁层尺度越大；D足够大情况下，MMS越小微磁层尺度越大；另一方面，随着D变小，更多离子可以穿越磁层顶导致弓激波与磁层顶合并，引起微磁层的基本结构发生改变。

图10 月面微磁层3D Hall MHD数值模拟结果与CE-2实测结果比对Fig.10 Comparisons between the simulation and the observation of Chang’E-2 on 0037 orbit

3）数据可视化

对于深空空间环境探测中大量、异构的复杂探测数据的可视化，我国科学家进行了大量有益的探索。毛凯憨等[53]、Zhang 等[54-55]和熊继新等[56]提出的数据可视化分析技术能够快速提取粒子通量的分布、演化特征，实现对大规模粒子分布数据的可视化分析。并在此基础上设计实现的可视化辅助分析系统（图11～12）充分整合了数据浏览、比较、三维可视及渲染和分析时所需要的多种信息，大大提高了对大规模粒子数据的分析效率。

图11 嫦娥HPD数据可视化辅助分析系统Fig.11 Quick-plot system for CE/HPD data analyzing

图12 “嫦娥”SWIDs数据可视化辅助分析系统Fig.12 Quick-plot system for CE/SWIDs data analyzing

3 我国月球及深空空间环境探测展望

1）与规划任务相关的深空空间环境问题

我国的深空探测已经成功实施了“嫦娥1号”“嫦娥2号”“嫦娥3号”“嫦娥4号”月球探测任务及“嫦娥5号”飞行试验器任务，圆满完成探月工程一期“绕”和二期“落”的任务，后续将择机实施“嫦娥5号”任务，批复立项了中国首次自主火星探测任务，预计在2020年左右发射一颗火星探测器，与此同时，正在论证后续月球、小天体、火星、木星甚至更远的深空探测任务。

空间环境探测作为科学探索和航天工程环境适应能力提升的主要数据获取手段，其关注的科学问题理应与我国月球与深空探测任务的实施一致，主要包括：①月尘迁移、微磁层分布与成因、月面物质成分及其与地球太阳风关联关系等问题；②行星际物质的主要成分及其传播特性；③太阳风与火星、木星、其他天体的相互作用机制，以及各自磁层特性；④太阳活动、日冕物质抛射事件和能量粒子事件在其中发挥的作用；⑤火星、木星大气层的结构、辐射环境及其对行星际空间环境扰动的响应过程和机理；⑥太阳系天体有机物、水分子踪迹以及中性成分逃逸的过程和机理。

2）载荷技术发展建议

我国深空探测起步晚，但起点高，对应国际发展态势以及我国深空探测规划，载荷技术的发展应满足以下几点需求。

（1）提升宏观探测能力，加强遥感成像探测技术

受运载能力限制，深空探测资源十分宝贵，消耗最少资源获取最丰富观测信息是大的发展趋势，遥感成像载荷，可以一次性获取市场范围内宏观尺度等离子体、磁场分布信息，XEUV成像技术、中性原子成像技术等正在成为国际深空空间环境探测的主流载荷。

（2）提升微观探测能力，发展轻小型化多要素综合探测技术

磁场、成分、能谱、投掷角等原位探测要素是深空空间物理现象微观分析的必要要素，时、空变化尺度跨度大，必须同时同地探测才能深入物理现象本质，限于深空探测平台能力，需发展轻小型多要素综合探测技术。

（3）提升长周期多目标探测能力，发展长寿命、大动态复杂环境适应技术

深空探测任务周期长、一次性到访目标多样，对探测载荷的长寿命、大动态复杂环境适应能力提出了新的、更高需求。

（4）提升有效数据获取效率，发展星上载荷智能化数据处理技术

数据传输也是深空探测任务的难点之一，同时受距离限制载荷通讯控制无法实时，因此减少无效数据回传、提升载荷自主应对能力是今后深空探测载荷发展趋势之一，星上智能化数据处理是有效解决手段之一。

3）与实测数据配合的理论、模拟和应用分析研究

科学创新和应用能力提升是空间环境探测的最终目标，二者相辅相成是航天强国道路上前进的推动力。

数值模拟是对新的探测现象进行合理解释、理论研究取得创新进展的重要手段之一，自主探测、原创创新、兼顾国际合作是我国深空探测必须坚持的发展之路。因此，必须加强与探测配合的理论和数值模拟研究能力。

深空探测存在许多未知，空间环境探测和应用研究是提升我国航天工程空间环境适应能力的基础。提前布局和发展应用能力是从容应对深空探测空间环境威胁的重要前提。

4 结束语

深空探测承载着人类航天技术发展、探索宇宙奥秘、寻找地外生命和宜居地的重任，成为各航天强国关注的热点。我国月球与深空探测起步晚，但起点高，正在追赶并努力实现并跑到领先。空间环境探测，既承载了人类对科学未知不断探索的好奇心，也担负着支撑空间技术、空间应用发展的重要任务。通过“嫦娥1号”“嫦娥2号”装载的高能粒子探测器、太阳风离子探测器获得的近月空间环境第一手数据，重新认识了近月空间环境粒子分布规律，发现了太阳风离子加速现象、高能电子爆发事件、月球逃逸层He2+存在证据、微磁层的存在等现象，利用事例分析、数值模拟等手段提出了自己的理论认识，为我国月球与深空空间环境探测奠定了基础、积累了经验、培养了优秀的科学家团队。

目前，人类首次实现月背着陆的“嫦娥4号”正利用国际合作载荷源源不断地获取新的、高精度空间环境数据，其探测结果的研究发现必将为国际深空探测的发展做出独特的重要贡献。

我国自主火星探测已做好了准备，探月后续任务、小行星、木星系以及更远深空的探测计划必将极大促进对月球与深空的空间环境的认知。