前瞻科技
| 综述与述评 2022, 1(1): 17-27
中国深空探测进展与展望
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作者信息
- 1.中国航天科技集团有限公司,北京 100048
- 2.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094
于登云,研究员,中国科学院院士,国际宇航科学院院士。空间飞行器系统工程、动力学与控制专家,深空探测和高轨道高分辨率遥感卫星领域领军者之一。在多引力场轨道动力学与控制、高轨微振动环境优化控制、复杂系统耦合动力学与控制等方面的理论方法与实践上取得了系统性、创造性成果。主持或参加了嫦娥四号、高分四号、资源一号等国家重大航天工程的研制,解决了人类首次月背着陆探测复杂约束下的轨道设计与控制、国际首颗高轨高分辨率遥感卫星高质量成像等一系列关键技术难题,为中国探月、高分专项等重大工程作出突出贡献。获国家科学技术进步奖特等奖2项、一等奖1项、三等奖1项,部级科学技术进步奖一等奖2项,国防技术发明奖二等奖1项。电子信箱： yudyun@sina.com。
Progress and Prospect of Deep Space Exploration in China
Affiliations
- 1. China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100048, China
- 2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China
出版时间: 2022-03-20
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.01.002
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摘要
收起
在简要分析世界主要航天国家和新兴航天国家深空探测进展的基础上,系统梳理了中国深空探测所取得的主要技术和科学进展,对未来的深空探测任务和需要重点突破的主要关键技术提出展望,为后续深空探测发展提供参考。
深空探测
/
科技进展
/
任务设想
/
关键技术
After analyzing the progress in deep space exploration of major aerospace countries and emerging ones in the world, this paper systematically summarizes the main scientific and technological achievements regarding deep space exploration in China. Moreover, it provides an outlook on future deep space exploration and main key technologies. This review can serve as reference for the follow-up development of deep space exploration in China.
deep space exploration
/
scientific and technological progress
/
mission prospect
/
key technology
于登云, 马继楠.
中国深空探测进展与展望.
前瞻科技,
2022
, 1
(1)
: 17
-27
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.01.002
Dengyun YU, Jinan MA.
Progress and Prospect of Deep Space Exploration in China[J].
Science and Technology Foresight,
2022
, 1
(1)
: 17
-27
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.01.002
正文
收起
月球及其以远的深空是继陆、海、空、近地空间之后人类活动的第五疆域。深空探测是指发射航天器至地月距离以远的宇宙空间,对地外天体或空间进行探测的航天活动[1]。
自1958年以来,人类已发射深空探测任务260余次,覆盖了太阳系内包括月球、行星、彗星、太阳等不同类型天体。深空探测活动取得大量科学探测和技术成果,拓展人类对太阳系和宇宙的认识,推动空间技术的进步。中国的深空探测起步于月球探测,探月工程“绕、落、回”三步走已经圆满收官,行星探测工程也随着“天问一号”的圆满成功拉开了序幕。
深空探测是人类探索宇宙奥秘和寻求永续发展的重要途径,是拓展人类生存空间、丰富人类认知的重大新兴领域。开展深空探测活动,能够极大丰富人类知识图谱,牵引带动大规模精密制造、新材料、新器件、深空超远距离通信、先进推进、空间核能、智能自主控制等高新技术的发展和应用,深刻改变人类自然观和宇宙观,有力促进人类文明持续发展。
1 国外深空探测进展
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1.1 美国相关进展
美国是最早开展深空探测的国家之一,探测范围覆盖整个太阳系,实现对太阳、月球、系内行星、小行星、彗星等各类天体的探访。其有代表性的任务和成就如下。
美国在1958—1976年的空间竞赛期间,大量投入,通过“先驱者”“徘徊者”“勘测者”“阿波罗”等系列月球探测活动快速突破了月球飞越、环绕、软着陆、表面巡视、采样返回和载人登月等探测技术。美国6次成功实施载人登月,共有12名宇航员先后踏上月球,带回约382 kg的月球样品,获取前所未有的科学探测成果,促进大量新兴学科的诞生,一大批科学技术成果广泛应用于经济建设。20世纪90年代以来,发射了“克莱门汀号”（Clementine）探测器、“月球勘探者号”（Lunar Prospector）探测器、“月球勘测轨道器”（LRO）、“月球陨坑观测和遥感卫星”（LCROSS）等,这些探测器针对月球极区水冰探测获得大量科学成果,其中LRO获取了月球极区高精度数字高程模型（DEM）和影像数据,至今仍在轨运行,如图1所示。“月球大气与尘埃环境探测器”（LADEE）上搭载一台空间激光通信实验载荷,成功实现人类首次星际空间激光通信实验,传输速率高达622 Mbps。2017年推出“阿尔忒弥斯”（Artemis）载人月球探测计划,并联合多国参与。2023年计划发射寻找月球南极水冰的“毒蛇号”（VIPER）月球车等。
1977年发射的“旅行者1号”（Voyager 1）、“旅行者2号”（Voyager 2）探测器已经飞出太阳系进入星际空间,截至2021年11月,二者已经距离地球将近230亿km。2005年发射的“深度撞击号”（Deep Impact）任务飞行4.3亿km后,实现对坦普尔1号彗星核精准撞击探测。2006年发射的“新地平线号”（New Horizons）探测器成功实现冥王星飞掠探测,正在快速飞离冥王星、进入柯依伯带中心地带。美国已成功实施9次火星表面着陆探测,将5辆火星车带到火星表面,其中2020年发射的“毅力号”（Perseverance）火星车已经开展火星氧气制备等资源开发利用技术验证,如图2所示,所携带的“机智号”（Ingenuity）无人直升机实现在火星表面飞行。2011年发射的“朱诺号”（Juno）探测器实现对木星的环绕探测,传回大量木星极区和大红斑等科学探测数据。2016年发射的“奥西里斯-REx”（OSIRIS-REx）探测器在贝努小行星上发现了水痕迹,并成功实现小行星采样,正在返回途中。2018年发射的“帕克号”（Parker）太阳探测器,已成功穿过太阳大气层,第一次近距离“接触”到太阳。2021年实施的“双小行星重定向测试”（DART）任务,意在开展小行星在轨撞击防护操控技术验证。2021年成功发射“詹姆斯·韦伯”（James Webb）空间望远镜等空间探索项目,展示其在深空探测领域的领先地位。
未来美国将继续深入开展火星探测活动,探测目标仍将是搜寻火星过去或现在的生命迹象,将与欧洲联合推动火星采样返回计划,拟在2026年实施火星取样返回任务,并制定以载人登陆火星为长远目标的深空探索路线图,为将来载人火星探测奠定技术基础,确保美国在火星及深空探测领域的领先优势。
1.2 苏联/俄罗斯相关进展
苏联自1958年发射首个月球探测器以来,实现了深空探测历史上的多个“第一”,如“月球-2”（Luna-2）首次成功撞击月球,“月球-16”（Luna-16）首次实现月球无人采样返回,“金星-7”（Venera-7）首次成功着陆金星表面等。“月球-24”（Luna-24）是苏联发射的最后一个月球探测器,采集170 g月球样品返回地面。俄罗斯正积极推动月球探测计划,以期通过月球探测的实施提升和展示本国空间技术实力,重振俄罗斯的深空探测能力,近期计划瞄准月球南极,已明确“月球-25、26、27、28”（Luna-25、26、27、28）共4次月球探测任务,主要科学目标是绘制月表全图,探测月球表面、亚表面结构,探测月球引力场,研究月球周围空间环境,采集月球表面样品,实现采样返回。主要工程目标是验证月面软着陆技术、月表低温钻探取样技术等,为载人月球探测打下基础。其中,“月球-25”（Luna-25）月球南极着陆探测任务计划2022年发射。
俄罗斯全面掌握金星掠飞、环绕和着陆技术,在金星探测方面处于领先,并提出“金星-D”（Venera-D）探测计划,拟于2026年和美国合作实施该任务。
1.3 欧洲航天局相关进展
欧洲航天局特别重视国际合作,已在多个领域实现国际联合深空探测。2003年发射 “智慧-1”（SMART-1）探测器,成功实现月球环绕探测和撞击,是世界上第1个采用太阳能离子发动机作为主要推进系统的探测器,第1次获得月球表面包括钙和镁在内的一些化学元素的含量数据。近期,又提出“月球村”（Moon Village）构想,突出其工程和科学载荷优势,联合主要航天国家开展探测,同时积极响应美国“深空之门”（Gateway）月球轨道空间站计划,还与俄罗斯达成月球探测合作协议,计划合作实施“月球-27”月球极区资源勘测任务。
欧洲航天局将继续和俄罗斯合作实施“火星生物学”（ExoMars）项目第2次任务,还将与美国合作火星采样返回计划。欧洲航天局将发射“赫拉”（Hera）小行星观测项目,探测受美国DART任务撞击后小行星的特征、轨道及其旋转变化等,为未来的行星防御技术提供基础数据。2018年10月和日本联合研制并发射了“贝皮·哥伦布号”（BepiColombo）水星探测器,是世界上第3个水星探测器,也是第1个通过两器开展水星磁场联合测量的探测器。2020年与美国合作发射的太阳轨道探测器（Solar Orbiter）,开展对日观测,加深对太阳的各种物理现象理解,并为提升对太阳风暴等极端空间天气的预报能力奠定基础。
1.4 其他新兴国家相关进展
日本于2007年9月成功发射“月亮女神号”（SELENE）月球环绕探测器,实现了月球探测的亚洲第一。2014年发射的“隼鸟2号”（Hayabusa 2）小行星探测器,于2020年12月返回,成功实施了世界首次小行星采样返回任务,一举取得小行星探测的领先地位。目前正在实施“小型月球软着陆器任务”（SLIM）,旨在实现百米级的精确软着陆;同时还有日本私营月球机器人探索公司（Ispace）正在实施“白兔-R”（Hakuto-R）任务,验证月面着陆技术并进行资源探测。此外,日本还与美国航空航天局（NASA）签署了《阿尔忒弥斯协定》（Artemis Accords）,为美国“深空之门”月球轨道空间站提供电池和贮箱等部件、月面数据及补给服务等。
印度2008年完成“月船一号”（Chandrayaan 1）绕月探测,并于2013年成功发射“曼加里安号”（Mangalyaan）火星环绕探测器,成为亚洲第1个实现火星探测的国家。2019年发射自主研制的“月船二号”（Chandrayaan 2）探测器,在即将着陆月面时发生异常,未能成功着陆月面,但并未影响印度着陆月球的愿景,其拟于2023年左右实施“月船三号”（Chandrayaan 3）月球着陆与巡视任务,该任务将与日本合作,采用H3运载火箭发射,其中着陆器由印度提供,月球车由日本提供。
以色列SpaceIL公司于2019年发射“创世纪号”（Beresheet）月球着陆器,虽然最终未成功着陆月面,但已经说明以色列在月球探测技术方面取得了重大突破,以色列正计划发射第2个月球探测器。
韩国计划2022年发射“月球轨道器探路者”（KPLO）环月探测任务,2030年前实现月球着陆。
阿联酋与美国联合研制并于2020年成功发射了“希望号”（Hope）火星探测器,这是阿拉伯国家首次执行星际探测任务。目前正在研制“拉希德1号”（Rashid 1）月球车,计划于2022年由日本Ispace公司“白兔-R”任务搭载发射,推进空间探测合作。
1.5 趋势分析
（1）主要航天国家均制定符合本国发展特点的任务规划。各国均结合本国实际,制定符合发展规律、富有技术特色的探测规划。月球既是深空探测活动的首选,也是开展更远深空探测的跳板。据不完全统计,2030年前,各国规划后续月球探测任务约18次,火星探测任务5次,小行星探测任务5次,巨行星探测任务3次等,符合由近及远、由易到难的探测规律。
（2）地外资源开发利用逐渐成为深空探测的热点。月球、火星和小行星等地外天体上都含有人类生产、生活所需的资源和其他矿物质,如氦-3、金属资源、水资源等,人类对地外天体的资源开发利用已提上日程,并可能催生地月经济圈、地外天体采矿、太空制造等新兴产业生态。
（3）国际合作日益增多、实施模式呈现多元化。各国均高度重视在深空探测领域的国际合作,发挥各国优势技术资源,共摊投入、风险和收益;同时除了政府出资外,商业公司参与度越来越高,其研制模式更加灵活,如美国SpaceX公司批量生产“星舰”（Starship）并通过实际发射试错方式,快速形成定型产品。
2 中国深空探测进展
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2.1 嫦娥一号
2007年10月24日,“嫦娥一号”月球探测器成功发射,获取了中国首幅月面图像和120 m分辨率全月球立体影像图,以及大量科学探测数据,圆满完成“绕”月任务,成为中国航天发展继“东方红一号”卫星和“神舟五号”载人飞船之后的第3个里程碑。“嫦娥一号”月球探测器突破绕月探测的轨道设计、高精度高自主控制、地月距离测控通信、复杂环境热控等关键技术,总体性能达到国际先进水平。
“嫦娥一号”实现中国千年奔月梦想,开创了“微波月亮”先河,开启中国人走向深空探索宇宙奥秘的时代,标志着中国已经进入世界具有深空探测能力的国家行列。
2.2 嫦娥二号
2010年10月1日,“嫦娥二号”月球探测器成功发射,在环月轨道上对全月球进行高精度立体成像,并对“嫦娥三号”预选着陆区进行分辨率优于1.5 m的详查。“嫦娥二号”在完成既定月球探测任务后,于2011年8月飞抵距离地球150万km的日地拉格朗日L2点,开展环绕L2点的空间探测;又于2012年12月,飞抵距离地球700万km处,实现与4179（图塔蒂斯）小行星的交会飞越探测,成为中国第1个环绕太阳飞行的人造航天器。“嫦娥二号”月球探测器突破直接地月转移、高精度延时积分成像、行星际轨道设计与控制、千万公里级深空测控通信等关键技术,首次实现“一探三”,通过一次发射任务,实现月球、日地拉格朗日L2点和小行星的多目标多任务探测,总体性能达到国际先进水平。
“嫦娥二号”的研制与成功实施,开辟了深空探测新领域,开创了任务新模式,取得“低成本、高质量、高回报”的突出实效,将中国深空探测事业推进到一个新的高度。
2.3 嫦娥三号
2013年12月2日,“嫦娥三号”月球探测器成功发射,13 d后实现月球虹湾地区精准软着陆。此后,着陆器与“玉兔号”月球车成功实现两器分离、两器互拍,并分别开展月面就位探测和巡视探测,圆满完成“落”月任务,如图3和图4所示。“嫦娥三号”月球探测器突破了月球着陆自主导航控制与悬停避障、变推力推进、着陆缓冲、月面移动、月面生存、遥操作控制等关键技术,在国际上首次实现在月面着陆探测器、月球车的多种形式的科学探测;首次采用对月测距测速和地形识别敏感器及7500 N变推力发动机实现月球表面高精度软着陆;首次采用重力辅助两相流体回路技术,实现极端温度环境下的月面生存。“嫦娥三号”月球探测器首次实现中国地外天体软着陆和巡视探测,成为继美国、苏联之后第3个成功实现地外天体软着陆和巡视勘查的国家。与同类任务相比,“嫦娥三号”月球探测器总体技术水平已跻身世界同类任务的领先行列。
2.4 嫦娥四号
为提前建立月球背面对地中继链路,2018年5月21日,承担“嫦娥四号”中继通信任务的“鹊桥”中继星成功发射,进入地月拉格朗日L2点使命轨道。2018年12月8日,“嫦娥四号”月球探测器成功发射。2019年1月3日,“嫦娥四号”实现人类航天器首次在月球背面软着陆,“玉兔二号”月球车率先在月球背面刻上中国足迹,如图5和图6所示。“嫦娥四号”任务首次利用地月拉格朗日L2点卫星中继通信,支持探测器在月球背面着陆和巡视探测,是人类航天发展史上的又一新的突破。“嫦娥四号”突破地月中继通信、复杂地形着陆、空间同位素热/电源等多项关键技术,具备全月面到达、自主精准着陆、地月L2点中继、高精度高可靠发射、多目标月球测控通信、同位素电源国产化等能力,填补了国际空白;带动新能源、新材料、新工艺、人工智能、先进电子等技术的进步,促进中国空间射电天文学、行星科学等发展,对推动航天强国和科技强国建设、提高民族凝聚力,具有重大现实意义和深远历史影响。
“嫦娥四号”还首次搭载德国、荷兰、沙特等多个国家的科学载荷,建立国际合作的有效机制,为人类和平利用太空,贡献中国智慧、中国方案、中国力量。
2.5 嫦娥五号
“嫦娥五号”月地高速再入返回飞行器于2014年10月24日发射;2014年11月1日,服务舱与返回器分离,返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆;服务舱经过规避机动后,执行了地月L2点探测、环月轨道交会对接远程导引飞行试验、“嫦娥五号”着陆区高分辨率成像等试验。月地高速再入返回任务的实施,使中国掌握了第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回技术,构建了月地高速再入返回工程体系,实现第二宇宙速度安全返回。
2020年11月24日,中国发射“嫦娥五号”月球探测器。2020年12月17日,“嫦娥五号”返回器成功着陆在内蒙古预定着落区,完成中国首次月球采样返回,时隔44年再次为人类带回月球样品。“嫦娥五号”突破月面起飞上升技术,月面自动采样封装技术,无人月球轨道交会对接和样品转移技术,月地转移入射和携带月球样品高速再入返回地球的技术,复杂探测器装配、集成与测试（Assembly, Integration and Test, AIT）技术,建立月面无人自动采样返回地面试验体系。“嫦娥五号”探测器效果图如图7所示。
“嫦娥五号”任务是探月工程的第6次任务,也是中国航天迄今为止最复杂、难度最大的任务之一,实现中国首次月球无人采样返回,创造单次无人采样量最多（1731 g）的世界记录,获得月球样品20亿年的定年结果,比此前国际预示的最年轻月球样品又年轻了约10亿年,深化了月球成因和演化历史等科学认知[15]。
2.6 天问一号
“天问一号”火星探测任务是中国行星探测首次任务,于2020年7月发射。2021年5月15日,“天问一号”探测器着陆于火星乌托邦平原南部预选区域,在火星上首次留下中国人的印迹。2021年5月22日,“祝融号”火星车驶下着陆平台,6月11日完成两器拍照,高起点、高质量地圆满完成中国首次火星探测任务,“祝融号”火星车和着陆平台在火星表面工作如图8所示。这是国际上首次通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视探测,对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等开展科学探测;国际上首次采用基于配平翼的火星大气进入方案、在火星车上采用太阳能集热等关键技术,使中国成为世界上第2个成功着陆火星并开展巡视探测的国家,实现中国在深空探测领域的技术跨越。
“天问一号”任务成功是中国航天事业自主创新和跨越发展的标志性成就。在中国航天发展史上实现了6个首次：一是首次实现地火转移轨道探测器发射,二是首次实现行星际飞行,三是首次实现地外行星软着陆,四是首次实现地外行星表面巡视探测,五是首次实现4亿km距离的测控通信,六是首次获取第一手的火星科学数据。在世界航天史上,“天问一号”不仅在火星上首次留下中国人的印迹,而且首次成功实现通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视三大目标,充分展现中国航天人的智慧,标志着中国在行星探测领域跨入世界先进行列。
总之,中国深空探测起步晚,但起点高。从无到有,取得一系列空间技术突破和空间科学成果,逐步建立起较为完备的学科体系和科研平台,具备跨越发展的基础。但与航天强国和人类探索未知的愿望相比,中国仍存在不小差距。主要表现在：一是在探测目标天体的数量和科学发现方面,存在较多欠缺和空白,需要持续开展;二是在探测技术手段,探测深度、广度和精细化程度上,还存在不足;三是对地外天体资源开发利用技术尚处于地面研究阶段。
3 中国深空探测未来展望
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3.1 未来任务设想
3.1.1 月球探测
在月球探测领域,应通过月球基地或科研站建设,在深化月球科学探测和月球资源开发利用上持续发力。近期,应通过几次任务,围绕月球极区这片人类尚未涉足的处女地,实现月球极区资源详细勘查,并开展无人月球科研站关键技术先期攻关,建设月球科研站基本型。围绕月球地质构造、空间天文、资源与环境等科学问题开展深化研究,获得原创性科学成果,为未来月球科研站建设与运营,以及载人探月奠定基础。首先开展月球极区环境与资源勘查,突破月面高精度详查、永久阴影区飞越探测、适应极区环境的智能机器人等关键技术,揭示月球深部结构和物质组成等,开展月球水冰证认。其次,实施月球极区样品采样返回,揭示月球早期撞击和风化层月壤等形成与演化过程,深化月球地质构造研究。最后开展月球极区资源开发利用试验,突破智能机器人协同操作、月球科研站指挥中枢综合控制等关键技术。这些探测器通过协同工作,构成月球科研站基本型,既对月球开展长期科学探测,又对地球进行大范围、全尺度、长周期观测,并为后续科研站建设所需的关键技术开展实地验证。
同时,应与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设,按照“共商、共建、共享”的原则,在充分继承中国探月工程已掌握的探月技术基础上,在月面建设和运营基础设施和共享平台,支撑开展长期、较大规模的月球轨道与月面探测、天文与对地观测、基础科学试验、资源开发利用和技术验证等。此外,应持续深化载人登月方案论证,组织开展关键技术攻关,研制新一代载人飞船,夯实载人探索开发地月空间基础。
3.1.2 月球以远的行星探测
在月球以远的行星探测领域,应在广度和深度上持续发力。围绕行星科学前沿重大问题,应加速实施小行星探测、火星取样返回、木星系及行星际穿越等探测任务,深化火星、巨行星和行星际科学认知,揭示太阳系起源与演化规律,带动深空技术跨越发展。
小行星探测任务。围绕人类尚未涉足的小行星或彗星,突破自主导航控制、弱引力天体表面附着、表面弱引力取样、轻小型化高速再入返回等关键技术。测定小行星与主带彗星的轨道、自转、形状和热辐射等物理参数,研究轨道起源与动力学演化,探测小行星与主带彗星物理性质、化学组分和结构,揭示小行星演化历史,深化太阳系起源与演化研究。
火星取样返回任务。应突破火星表面起飞上升、微生物污染检测与防护等关键技术。深化火星形貌、物质成分等探测,取回火星样品,研究火表物质结构、物理特性、物质组成,深化火星成因和演化认识,开展生命踪迹、比较行星学等研究。
木星系及行星际穿越探测任务。应突破空间高效同位素发电、强辐射环境防护、极端高低温自适应热控制、长寿命自主运行等关键技术。探测木星系空间的磁场、等离子体和粒子分布、木星磁层的动力学及其与太阳风耦合过程,探测木星卫星表面形貌、物质组成和构造特征,探测从金星至天王星的行星际空间环境,深化巨行星和行星际科学研究。
太阳系边际探测作为空间科学研究的前沿领域,逐渐成为国际空间探测的热点。太阳系边际探测任务不仅可以填补中国空间物理、空间天文和行星科学等在深远空间的研究空白,而且对包括核电推进、太阳帆推进、电帆推进等新型动力技术,以及超远距离行星际测控通信、超长寿命空间产品保证、先进探测载荷等技术,具有显著的发展牵引作用,为人类共同期待的未来星际探测的发展作出应有贡献。
3.2 未来主要关键技术
1）深空探测器总体技术
对于深空探测任务而言,探测器总体技术的特点体现在多任务多目标多约束下的深空探测器优化设计技术,其中如何实现燃料最省、时间最短到达预定目标的轨道设计与控制策略是航天任务设计中首要而关键的一环。相比近地卫星轨道,深空目标天体繁多且存在复杂变化的引力场环境,深空探测轨道技术包括多体系统低能量轨道设计与控制策略、不规则弱引力场轨道设计与控制策略、新型推进衍生的轨道设计与控制策略等。此外,小天体探测任务目标选择、复杂序列借力轨道等也是未来深空探测轨道设计与优化技术重要的研究方向。
2）新型能源技术
高效的能源系统是进行深空探测任务的一项基本保障。核能源具有能量密度高、寿命长的特点,是解决未来深空探测能源问题的一个有效途径,包括同位素衰变能源、核裂变反应堆能源等。核电源具有不依赖太阳、能量自主产生、能量密度高等优点,可大幅提高空间可用电功率水平和推进系统可使用时间,特别适用于难以获取太阳能或具有瞬时大功率能量需求特点的深空探测任务,主要技术包括空间堆技术、高效热电转换技术、大功率热排散技术、轻质高效辐射屏蔽技术、地面试验验证技术、核安全技术等。
3）新型深空测控通信技术
深空测控通信技术是天地信息交互的唯一手段,也是深空探测器正常运行、充分发挥其应用效能不可或缺的重要保证。深空探测器的测控通信面临着由于遥远的距离所带来的信号空间衰耗大、传输时间长、传播环境复杂等一系列问题,是深空探测的难点之一。近10余年来,为解决深空探测测控通信时延、深空测角以及测控弧段等问题,世界主要深空测控通信网均在加大深空站天线口径、提高射频频段、探索深空光通信技术等方面进行大量技术研究。未来测控通信的发展主要包括高频通信技术、天线组阵技术、光通信技术等。此外,建立深空测控中继站、构建行星际网络以及采用量子通信技术等也将是未来深空测控发展的方向。
4）智能自主控制技术
深空探测器飞行距离远、所处环境复杂、任务周期长、与地球通信存在较大时延,利用地面测控站进行深空探测器的遥测和遥控已经很难满足探测器操作控制的实时性和安全性要求。深空探测器智能自主控制技术,即通过在探测器上构建一个智能自主管理软硬件系统,自主地进行工程任务与科学任务的规划调度、命令执行、器上状态监测与故障时的系统重构,完成无地面操控和无人参与情况下的探测器长时间自主安全运行。为了实现深空探测器在轨自主运行与管理,必须突破自主任务规划、自主导航、自主控制、自主故障处理等关键技术。
5）新型结构与机构技术
深空探测器的结构与机构是承受有效载荷、安装设备、在轨操作和提供探测器主体骨架构型的基础。深空探测任务目标的多样性与特殊性决定了需要研发新型的结构与机构,尤其是对于在地外天体表面开展巡视探测的航天器。为完成这一目标,就必须研究适应不同天体与目标要求的新型着陆器结构与机构、巡视器结构与机构、钻取采样结构与机构等技术。
6）新型科学载荷技术
科学有效载荷是直接执行特定航天器任务的仪器设备,直接关系科学探测成果的获取和传输。深空探测科学目标具有多样性,如水冰探测、空间环境探测、金属等各类矿物质探测等,决定了需要不同的新型载荷。同时,深空探测器的小型化和轻量化,以及科学探测精细化等特点,对载荷的小型化、轻量化和探测精度提出新要求。
7）深空天体资源利用技术
随着人类深空探测活动不断深入,月球、火星等深空天体资源利用尤其是原位利用已成为人类追求的目标。要实现这一目标,必须围绕不同天体的地质构造、物质成分,表面环境等因素,在地面提前开展深空天体资源利用技术研究,包括原位制氢与制氧技术、3D打印技术、原位建造技术等。
4 结束语
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对未知世界的探索、发现是人类发展的永恒动力。近年来,中国月球与深空探测任务的实施,为实现航天大国向航天强国迈进奠定了雄厚的技术基础。当今世界,开展深空探测活动正在由技术驱动和科学牵引并举逐步发展到以科学引领为主、牵引技术进步的阶段。深空探测活动的目标是加深对宇宙的认知、拓展人类的活动空间、探寻地外生命信息,进一步揭示宇宙奥秘与生命起源、了解并保护地球、激发科学探索精神。可以预见,重大科学发现将越来越多地诞生于深空探测领域,人类的生存发展将越来越多地依赖于空间科学、空间技术和空间应用的发展进步。基于此,中国应加快开启深空探测新征程,持续开展深空探测任务,加速推进向深度和广度发展,为构建人类命运共同体贡献更多的中国力量和中国智慧。
文献
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参考文献
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2022年第1卷第1期
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文章信息
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.01.002
- 接收时间：2022-02-24
- 出版时间：2022-03-20
- 发布时间：2022-04-20
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表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
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