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中国深空探测器技术的发展与展望
中国深空探测器技术的发展与展望
人类所生存的地球，只是浩瀚宇宙中的沧海一粟。自古以来，随着科学技术的进步和发展，了解太空、探索地球以外的物质，一直是人类不懈追求的目标。人造地球卫星、载人航天技术的发展，使人类认识宇宙的目光越来越远；而探索更深更广的太空，则成为了现代人类航天活动的一个主要方向。深空探测主要包括对月球的探测、行星及其卫星探测和行星际探测三大方面。深空探测对人类了解太阳系的起源、演变历史和现状，通过对太阳系内各主要行星的比较研究，进一步认识地球环境的形成与演变、 探索生命的起源和演变以及积极开发和利用空间资源具有重要意义。深空探测器可分为月球探测器、行星和行星际探测器等几类。它作为深空探测的主要工具，其技术水平直接影响着整个深空探测计划。
2000年11月中国国务院新闻办公室发布《中国的航天》白皮书，明确提出了未来10年的目标，即开展深空探测研究，重点开展月球探测。2002年公布的《国家产业技术政策》中也在"重点产业技术发展方向"中指出：深空探测将作为中国航空航天领域的重点发展方向。中国在继应用卫星和载人航天工程顺利实施之后，发展深空探测已成为必然趋势。
1 国际深空探测器的发展历史
月球探测是初期深空探测的重点。1959年1月，苏联发射了第1个月球探测器--月球－1。此后至1976年8月，美国和苏联共成功发射了47个无人月球探测器和8艘载人月球飞船，其中9个飞越月球，6个撞击月球，18个为月球轨道器、14个在月表着陆，先后共有12名航天员登上了月球，共运送回379.8kg的月球土壤和岩石标本。在至今所发射的无人探测器中，美国有36个，主要有"先驱者"（Pioneer）系列，"徘徊者"(Ranger)系列、"月球轨道器"(Lunar Orbiter)系列、"勘测者"(Sunveyor)系列；苏联发射了47个，主要有"月球"(Lunar)系列、"宇宙"(Cosmos)系列、"探测器"(Zond)系列。美国的"阿波罗"（Appolo）系列飞船进行了多次的载人登月活动，取得了丰富的科学数据和月球岩石样本，进行了包括月壤力学特性、气象、月震、热流、月面测量、磁场、太阳风等多项实验和探测，获得了大量的科学数据。从1976？1990年间，美、苏再没有发射过无人月球探测器。20世纪90年代，美、俄、欧空局和日本又掀起了月球探测的新高潮，美国、日本先后发射了"克莱门汀"（Clementine）、"月球勘探者"（Lunar Prospector）和"飞天"(Hiten)等月球探测器。这些探测器大多应用了电子、信息以及制造工艺等方面的新技术，取得了更丰富的探测结果。近来，印度也宣布将在2007年左右发射自己的月球卫星。目前，世界主要航天国家和组织酝酿在近20？30年内联合建立永久性月球基地，开发和利用月球的资源、能源和特殊环境，为人类社会的可持续性发展服务。
20世纪60年代初期，美国和苏联发射了多种行星和行星际探测器，分别探测了金星、火星、水星、木星和土星，以及行星际空间和彗星，其中有"先驱者"(美)、"金星"(苏)、"水手"(美)、"火星"（苏）、"太阳神"(美国与德国合作)、"海盗"(美)和"旅行者"(美)等。近年来，美国、欧洲和日本又相继发射了行星探测器，如"伽利略"木星探测器、"卡西尼"土星探测器、"火星探路者"、行星－B火星探测器和"先驱"（Sakigake）哈雷彗星探测器等。
通过这些探测，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 中国月球探测的发展与展望
月球是距离地球最近的自然天体，理所当然成为人类发展深空探测的首选目标。实施月球探测将是继发射人造地球卫星和突破载人航天之后，中国航天活动的第3个里程碑。月球探测具有重要的科学、政治意义及开发应用前景，主要表现在：① 月球探测是人类向外层空间发展的重要一步；② 开展月球探测活动有利于提高国家威望；③ 月球探测计划有利于推进航天领域的国际合作；④ 开展月球探测可激发持续进行空间探测的热情，加速中国科技进步；⑤ 科学发展的需要；⑥ 月球资源开发利用的需要；⑦ 新技术试验验证的需要。
2.1 中国发展月球探测的阶段划分设想
综合分析国际上月球探测已取得的成果，以及世界各国"重返月球"的战略目标和实施计划，考虑到中国科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略，近20年的一个时期，中国实施月球探测工程设想分为3个发展阶段。
（1）第1阶段（2002？2005年或稍后） 此阶段为"环月探测"阶段，即研制和发射第1个月球探测器--月球探测卫星，主要用于对有开发利用前景的月球能源与资源的分布与规律进行全球性、整体性与综合性的探测，并对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。
（2）第2阶段（2005？2010年） 此阶段为"月面软着陆探测与月面巡视勘察"阶段，即发射月球软着陆器，试验月球软着陆技术；研制和发射月面巡视车、自动机器人，探测着陆区岩石的化学与矿物成份，测定着陆点的热流、岩石剩磁，月表的环境，进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析，为月球基地的选址提供月面环境、地形、月岩的化学与物理性质等数据。
（3）第3阶段（2010？2020年） 此阶段为"月面巡视勘察与采样返回"阶段，即发展新型月球巡视车，对着陆区进行月面巡视勘察。2015年后或稍后，发展小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等。在月面巡视车分析取样基础上，采集关键性样品返回地面。同时，对着陆地区进行考察，为下一步载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供数据，并深化对地月系统（尤其对月球）的起源与演化的认识。
中国在基本完成不载人月球探测任务后，根据当时国际上月球探测发展情况和中国的国情国力，研究拟定中国载人月球探测战略目标和发展规划，择机实施载人登月探测以及与有关国家共建月球基地。
2.2 月球探测卫星的研制及其关键技术
根据月球探测发展战略的规划，中国已经开始进行第1颗月球探测卫星的方案论证和关键技术攻关工作。目前，已经确定了探测的科学目标，确定了月球探测卫星系统的基本方案和技术途径，即将进入工程实施阶段。
（1） 探测目的 中国的第1颗月球探测卫星主要用于对有开发利用前景的月球能源和资源的分布与规律进行全球性、整体性和综合性的科学探测，并对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。其主要探测任务可分为4类：① 获取月球表面三维影像；② 分析月球表面有用元素及物质类型的含量和分布；③ 探测月壤厚度；④ 探测地月空间环境。这些探测内容与国外已进行过的探测虽有重复，但更有创新。
（2）技术思路 中国的第1颗月球探测卫星将在充分继承中国现有成熟技术的基础上，针对月球卫星的特点进行设计、研制。该月球卫星将携带CCD立体相机、成像光谱仪、激光高度计、微波辐射计、γ/X射线谱仪、太阳宇宙射线监测器、低能粒子探测器等科学仪器。其工作轨道为极月圆轨道，轨道高度200km。它的基本构型将利用中国已有的成熟卫星平台，各分系统将充分继承现有技术和设备，进行适应性改造。月球卫星拟采用中国已有的成熟运载火箭长征－3A进行发射。运载火箭把卫星送入地球静止转移轨道后与卫星分离，其后的轨道机动、中途修正、近月点制动等均由星上推进系统完成。月球卫星的测控和科学数据传输也基本利用中国现有的测控网，并进行适当改造。
（3）关键技术 月球探测卫星的关键技术可概括为如下几点。
？轨道设计 轨道设计是月球探测卫星成败的关键。分析求解地月转移轨道，建立中途修正的数学模型、方法和编制软件，利用调相轨道扩大发射窗口，环月轨道的长期性状研究，月球卫星轨道捕获、调整以及长期运行过程中轨道调整的控制策略和具体方法，月球卫星轨道的测轨预报的精度分析、优化设计等都是必须解决的问题。同时，用于实时跟踪测轨的精确数学模型和软件，特别是地月转移轨道段飞行器的跟踪测轨模型和软件，中国正在攻关研制。
？对月姿态确定技术 为保证有效载荷的正常工作，对整星的姿态控制精度有较高的要求。而月球表面不像地球有比较稳定的红外辐射场，因此对月姿态确定不能采用红外敏感器，必需采用其他手段。如紫外敏感器或星敏感器加外推算法。
？测控和数据传输 由于月球探测卫星的轨道高度为4×105km左右，所以测控信道的自由空间损耗远高于中低轨道卫星和地球静止轨道卫星。同时由于中国测控网的分布有限，因此卫星在很多时间内处于不可见区域。如何提高星上天线的发射增益，在有限的时间内完成测控和科学数据传输，是尚待解决的问题。
？星上热控和电源分系统的设计 日－地－月三者的相互关系和环月轨道决定了一年中卫星与太阳的相对位置变化很大，同时月球反照、红外辐射随时间的变化也较大，因此卫星的外热流环境复杂多变。这给热控和电源系统的设计带来了新的问题。
2.3 月表登陆及自动巡查展望
中国月球探测的第2阶段将实施月表的软着陆和自动巡查。为实现此目标，必须研制带有登陆器和自动巡查器（月球车）的月球探测器。月表软着陆主要可分为以下3个阶段：
（1）探测器接近月面阶段 轨道控制使探测器沿一定的轨迹到达预定的着陆点上空，在这个过程中要控制着陆器的姿态和速度矢量。
（2）软着陆发动机点火阶段 离月面约100m高度时，软着陆发动机点火，保证着陆器以要求的着陆速度和姿态着陆。
（3）着陆撞击直至稳定阶段 着陆器的某一部分接触到月球表面到最终稳定地立在月球表面的过程。在这个过程中需满足以下几个要求：① 整个过程中着陆器姿态稳定；② 在着陆器第一次与月面接触后，要避免着陆器反弹跳起现象；③ 着陆器着陆后的姿态应保证所有其他系统正常工作。
由于月球表面没有大气层，因此无法借助气动力来减速着陆，必须使用软着陆发动机和着陆缓冲装置。着陆缓冲装置可有花瓣式、桁架式、薄壁壳体式等几种结构形式。为保证着陆后着陆器的正常工作，需进行着陆撞击动力学分析，优化着陆器设计参数，以选择着陆工况参数，确定临界着陆工况。
月球表面的热工况、太阳照射等条件具有一定的特点，因此为保证着陆器的正常工作，必须考虑这些因素。其主要研究内容如下。
（1）月表软着陆探测器总体设计技术 包括任务目标的确定、有效载荷方案、着陆器结构形式选择、着陆器材料选用原则、着陆器温控系统设计方法、着陆工况参数选择、着陆器与地面的通信等。
（2）着陆轨道设计与控制 包括着陆过程中的轨道控制与姿态测量技术，着陆过程中的轨道参数选择。
（3）着陆过程动力学分析设计 整个着陆器（包括缓冲器）由多个结构和机构件组成，描述着陆器着陆过程的动力学方程是非线性微分方程，需考虑着陆器、缓冲机构的结构特点、着陆点的地形倾斜度、第1次接触时着陆器的姿态，着陆时的内、外力等因素，并进行一定的工程简化，综合分析得到着陆撞击载荷。
（4）着陆过程地面试验技术 为检验着陆器的设计，需在地面进行试验，以验证着陆器的工作性能和可靠性。它包括着陆试验方法、试验工况选择等。
月球表面自动巡视探测技术主要是通过月球车在月球表面自动行驶，利用车载有效载荷对月面进行全景和近景摄影，对月表的化学成分进行分析，并把所获取的信息传送回地面。由于月球表面环境恶劣，地形复杂多变，因此月球表面自动巡视探测技术包含很多关键技术。主要有以下3个方面。
（1）月球车的总体设计 月球车的机械结构应体现结构紧凑、体积小、质量轻、功能强的特点，其驱动机构应具备很好的稳定性和适应爬坡和翻越障碍的能力。目前的行驶机构主要有履带式、腿式和轮式几种，他们在适应能力和工作效率方面各有其优缺点。月球车的结构、机构设计方法、机构动力学分析、月球车的材料选择、月球车温控和能源系统设计方法等都是需要解决的关键技术。
（2）月球车的自主导航、运动控制方法 月球车在月表的行走导航控制可分为自主控制和地面控制两种方式。俄罗斯曾经使用的月球车多为借助于地面进行控制。但由于月－地间距离遥远，因此通信有较大的延迟。目前较先进的技术是月球车利用自己的传感和控制系统实现自主导航。
（3）月球车的地面仿真实验技术 为验证月球车的设计，需在地面进行试验。需模拟月球表面的地形地貌，模拟测控通信，以检验月球车的性能。
2.4 月表自动取样并返回技术展望
为更好地研究月壤成分，一般需在月表取样然后带回地球进行分析。自动探月器在月表着陆后，为实现取样返回，需完成月表钻孔、月壤收集、月壤封存以及探测器返回等一系列复杂动作。整个过程涉及到控制、机械、轨道等方面的关键技术，主要内容包括以下几项。
（1）测器总体设计技术 包括带有取样器的月球探测器的设计、取样器的选用原则等。
（2）月壤取样器的设计 取样器是一个钻岩机，要能在月表正常工作，考虑月壤的硬度，可以钻探一定的深度。取样完毕后，需要一套专门的机构，把采集的月壤运送到探测器的专门容器内并封存。取样器的设计包括结构、机构设计、工作控制及温控方式等。
（3）轨道器与着陆器的轨道控制技术 一般的月表自动采样返回可采取两种飞行程序：一种是月球探测器（包括轨道器和着陆器两部分），当探测器运行在合适（高度100？200km）的月球停泊轨道时，着陆器与轨道器分离，脱离停泊轨道并实现在月表软着陆；着陆后进行采样，采样完成后着陆器从月面再次起飞，进入停泊轨道，与轨道器对接，然后共同返回地球轨道。另一种是探测器自行完成月表着陆、取样和从月表起飞再返回。这两种方式中的轨道控制、交会对接以及着陆器从月表的再起飞技术等都是关键技术问题。
3 火星探测器技术展望
火星是距离地球最近的外行星，是除地球之外，被认为最有可能存在过生命物质的星球，因此它引起人类的极大探测兴趣。
探测的主要目标是：探寻火星是否存在或曾经存在过生命；火星表面是否存在过大面积的水体及对两极冰盖和地下水的估计；火星大气的形成、演化及天气和气候特征；火星磁层和电离层特征；火星表面的矿物，火星地质、地化和内部结构特征；探寻火星可能开发和利用的资源。
火星探测一般分为两个阶段：第1个阶段是研制火星卫星，探测火星的环境、遥测火星表面的物理化学特性；第2个阶段是发展火星表面软着陆技术，进一步探寻火星是否有生命物质的痕迹。
火星相对月球而言距离地球更加遥远，火星表面有大气层存在，因此从探测器技术角度讲，探测火星比月球更加困难。未来10年应开展的火星探测器关键技术主要有以下几个内容：① 火星探测系统总体技术研究；② 火星探测器轨道设计与仿真；③ 火星探测器的制导、导航和控制技术；④ 火星探测系统的通信和测控技术；⑤ 火星探测器的推进和新型能源系统研究；⑥ 火星探测软着陆技术研究。
4 结束语
深空探测是一个国家综合国力和科技水平的体现，是中国航天活动发展的必然选择。40多年的航天工程实践，使中国在技术基础和设施、人员等方面已经具备了开展深空探测研究的实力。
未来10年，中国应大力推进深空探测技术的发展和工程实施，在充分继承现有技术的基础上，努力促进新材料、新技术、新工艺等在深空探测中的应用。深空探测一直是推动国家科技进步、开展新技术和新型部件技术试验验证的重要手段。同时中国应尽快建立健全的深空探测的测控网络，为今后的发展打下坚实基础。
未来10年，应是中国深空探测技术飞速发展的10年。在努力实施月球探测一期和二期工程的基础上，积极开展火星及其他行星探测器的可行性和方案论证工作。在自我为主的原则下，大力开展国际合作，力争在深空探测的国际舞台上占有自己的一席之地。