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国外深空探测发展总览

时间:2017-06-12  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  深空探测是人类航天活动的重要方向,是人类探索宇宙奥秘和寻求长久发展的必然途径,也是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。自1958年8月美国发射世界上第一个深空月球探测器开始,截止到2016年末,世界上主要航天大国和组织共发射了约244个空间探测器,进行了对太阳系天体包括月球、火星、金星、水星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星等的探测,实现了月球、火星、金星、土卫六、小行星和彗星表面着陆任务,并完成了月球、小行星、彗星粒子及太阳风粒子采样返回。其中,探测的重点集中在月球、火星、金星、太阳以及小天体。

 

  月球探测

 

  作为地球的卫星,月球探测基本是各个国家进行深空探测的第一步,也是目前人类认识最深入的地外天体。目前人类已近完成了上百次月球探测任务。1958年8月,美国发射了世界上第一个月球探测器“先驱者-0”(Pioneer 0),拉开了世界深空探测活动的序幕。第一阶段探测高潮期是1958-1976年,当时正是美国和前苏联的竞赛时期,两国在冷战背景下互相展示空间探测的技术和科学能力。在这18年间,前苏联和美国都进行了声势浩大的月球探测技划。美国先后发射了5次“先驱者”号、7次“徘徊者”系列、7次“勘测者”系列、5次“月球轨道器”系列、11次“阿波罗”系列以及1次“探险者-49号”探测器共36次;前苏联发射的月球探测器主要有24次“月球”系列探测器和5次Zond系列探测器。两国合计发射探月器65次,发射成功的共有42次,其中美国占22次,前苏联占20次,其中,“阿波罗”载人飞船于1969年成功实现载人登月,证明了人类登上月球的可能性,并在美苏竞赛中拔得头筹。

 

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  在1977-1993年的第二阶段,美苏两国都已获得了大量的空间科学数据,是空间探测的“宁静期”,美国还陆续发射了“克莱门汀”号、“月球探勘者”号、月球勘测轨道飞行器、“圣杯”号和月球大气与粉尘环境探测器等,进一步对月球进行了研究。同时,世界的其他发达国家开始加入了探月活动。日本于1990年发射了“飞天”探测器,并于1991年开始了“月球-A”计划,但该计划却由于着陆器技术难关迟迟未能攻破而最终被放弃;欧洲也尝试开始空间探测计划,与美国联合发射了“克莱门汀”号,开始了空间探测的步伐。

 

  第三阶段就是1994年至今,月球探测又逐渐恢复热度,日本成功发射“月亮女神”号探测器,欧空局(ESA)于2003年发射了“Smart-1”号,英国发射了“月光”、“月耙”探测器,印度也成功发射了第一个月球探测器——“月船1号”,其他国家也逐渐活跃起来,开始制定深空探测计划。

 

  火星探测

 

  与其他行星比较而言,火星的自然环境与地球更为相似,因此,火星是除月球之外人类探测最多的行星,也是目前最有探测热度的、人类认识最深入的类地行星。截止2016年末,全球共实施了43次火星探测任务,其中进行了16次火星着陆任务,其中只有8次取得成功,即有50%的着陆失败率,证明了火星着陆过程的危险性。

 

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  在50余年的火星探测历程中,从探测方式上大致可分为两个阶段,第一阶段是以美国和苏联为主对火星的初期探测,主要采用飞越、环绕和硬着陆的方式,获得了大量关于火星大气、地形、地貌等的科学数据。20世纪90年代后,以美国为主开展了第二阶段的火星探测任务,先后实施了11次火星任务,8次成功,实现了软着陆和火星表面巡视探测,占据了火星探测的绝对主导地位。美国发射了“水手”、“海盗”、“火星全球勘测者”、“火星探路者”、“凤凰”、“好奇”号等火星探测器,其中“机遇”号(Opportunity)、“勇气”(Spirit)号在火星表面进行了长期巡视探测;凤凰号(Phoenix)则成功实现了火星极地软着陆,发现了大量水冰的存在;“火星科学实验室”(Mars Science Laboratory)是迄今为止最大最先进的火星着陆探测任务,采用先进的“空中吊车”技术和核电源技术,调查火星生命存在的可能性。俄罗斯在火星探测方面并不是十分成功,并未获得十分亮眼的成就,先后发射了“火星”系列探测器、“宇宙-419”、“火卫-1/2”、“火星-96”以及“火卫-土壤”探测器。

 

  此外,ESA、日本和印度也对火星探测进行了尝试。1998年日本发射的希望号(Nazomi)因轨道误差以失败告终,之后成功发射了“行星-B”号探测器;2005年ESA发射了“火星快车”/猎兔犬-2(Mars Express/Beagle-2)火星探测器,其中“火星快车”成功进入火星轨道,猎兔犬-2未能按预期实现着陆;2016年与俄罗斯开始合作“火星生物学”(ExoMars)项目,意在探寻火星生命,该项目分为两个阶段,第一阶段为ExoMars-2016,已于2016年10月19日成功进入火星椭圆轨道,但携带的着陆器发生故障,第二阶段为ExoMars-2018,原计划于2018年发射,但已推迟到2020年;印度于2013年11月5日发射了“曼加里安”(Mangalyaan)火星环绕探测器。

 

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  金星探测

 

  金星是距离地球最近的类地行星,表面大气压约为地球的90倍,表面温度高达400℃。由于其环境恶劣,生命存在的可能性非常小,因此人类对金星的探测热情并没有火星高。目前人类先后对金星进行了40次探测,成功19次,实现了飞越、撞击、环绕和软着陆探测。

 

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  从1962年发射“水手1/2(Mariner 1/2)”号金星探测器开始,NASA也派遣了多个探测器前往金星轨道,如“水手5/10”号、“先驱者5/12/13”号、“麦哲伦”号等,其中“麦哲伦(Magellan)”号探测器的表现最佳。该探测器1990年发射,4年间拍摄的金星全球雷达影像覆盖了金星表面98%的范围。俄罗斯(前苏联)在金星探测方面比其火星探测成功,且金星的着陆任务主要由前苏联实施,在1961年到1983年间就派遣了16个太空探测器前往金星,有几个已成功登陆金星表面。其主要的探测器有“金星”系列和“织女1/2”号,但在金星表面工作寿命最长的金星-13(Venera-13)着陆器仅存活了127min。

 

  自1990年以后,仅有ESA和日本实施过金星探测。欧空局2005年发射的“金星快车”(Venus Express)成功进入了金星轨道开展探测,日本2010年成功发射了首个金星探测器——“拂晓”号,并于2015年12月成功进入金星大椭圆轨道。

 

  太阳探测

 

  太阳作为太阳系的主宰,对于人类生存环境的影响巨大,也是深空探测的重点目标。在深空探测任务中,对太阳的探测,主要采用太阳环绕轨道和日地拉格朗日L1点观测两种方式,已发射的任务都是由美国主导开展。

 

  美国在20世纪六七十年代发射的“先驱者”(Pioneer)系列以及太阳神-1/2(Helios-1/2),主要采用太阳环绕轨道对太阳风及太阳磁场等进行探测。1990年,美国和欧空局合作发射了“尤里塞斯”(Ulysses)太阳探测器,第一次成功实现了太阳近极轨道(倾角70°)的探测。在日地拉格朗日L1点对太阳进行长期观测的主要有国际日地探险者-3(ISEE-3)等5颗卫星,其中“起源”(Genesis)卫星成功采集到了太阳风粒子并返回地球。2006年,美国还发射了“日地关系天文台”(STEREO)探测器,采用双星对太阳开展立体观测,首次提供了太阳的三维视图。除此之外,日本与美国合作发射了“日之出”太阳探测器。

 

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  太阳系大行星及其卫星探测

 

  太阳系8大行星中除火星和金星外,人类还主要对土星、木星、水星实现了探测活动。由于探测距离远、飞行时间长,因此主要采用飞越探测,少部分实现了环绕探测,对探测器的寿命、自主控制及测控通信要求也很高;且行星距离太阳遥远,一般需要采用核电源。

 

  水星在太阳系8大行星中质量最小,距太阳最近。目前为止,只有美国对其开展过探测活动。水手-10(Mariner-10)探测器于1974年和1975年对水星进行过飞越探测,获得了水星大气成分、磁场分布等数据。为了进一步了解水星的内部结构,美国2004年发射了“信使”(MESSENGER)水星轨道器,飞行约7年后,于2011年3月成功入轨,对水星表面的化学成分、地理环境、磁场等进行探测。

 

  木星是太阳系中最大的行星,目前,对其探测的国家仍以美国为主。1989年美国和德国联合发射了“伽利略”(Galileo)轨道探测器,对木星及其卫星的化学成分和物理状态进行了探测,证实了木卫二、木卫三表面覆盖着冰层。2011年8月发射的“朱诺”(Juno)轨道探测器已于2016年进入木星环绕轨道,获取迄今为止分辨率最高的木星云层高清晰图像,并首次获得木星南北极图像,该探测器也是首个在距离太阳遥远距离处采用太阳电池能源的空间探测器,预计任务将持续至2018年。

 

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  土星是太阳系内第二大行星,美国20世纪70年代发射的“先驱者-10/11”(Pioneer-10/11)和“旅行者-11/12”(Voyager-11/12)等4次任务对土星进行了飞越探测。1997年美国和欧空局联合发射的“卡西尼-惠更斯”(Cassini Huygens)探测器首次对土星及其卫星开展了环绕探测。2004年,“卡西尼”与“惠更斯”分离,继续环土星轨道探测,“惠更斯”则成功着陆在土卫六表面。目前,该探测器即将于2017年下半年结束任务。

 

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  除上述行星外,天王星和海王星仅有“旅行者-2”对其进行了飞越探测。

 

  小行星与彗星探测

 

  小行星和彗星等小天体保存着太阳系早期形成的原始信息,可作为研究太阳系起源与演化的证据。人类通过航天器对小行星和彗星等小天体进行探测至今已有30多年的历史,美国、欧洲、俄罗斯和日本相继开展了小行星探测,20世纪80年代开始对彗星探测,90年代中期开始对小行星的探测。截至2016年底,全球已实施了6次小行星探测任务,其中美国4次、日本2次。

 

  美国发射的探测器包括“ISEE-3”彗星探测器、近地小行星交会探测器、“黎明”号小行星探测器、“星尘”号维尔特二号彗星探测器、“深度撞击”号坦普尔一号彗星探测器、“等高线”彗星探测器、“新视野”号冥王星探测器等,其中2004年发射的“星尘”号首次实现了彗发物质的取样返回。此外,2016年9月NASA成功发射OSIRIS-REx小行星探测器,目前该探测器太阳电池已经展开,飞行正常。日本2003年发射的“隼鸟”号完成世界上首个小行星采样返回任务,于2010年返回地球。2014年又发射了“隼鸟-2”,探测C类小行星1999JU3,预计2020年末返回地球。欧洲发射过“乔托”号哈雷彗星探测器、“罗塞塔”彗星探测器,并与美国合作发射了“深空1号”和“深空4号”彗星探测器。其中,“罗塞塔”号是全球首个进入彗星环绕轨道、首次着陆于彗星表面的探测器,于2016年9月30日完成探测任务,受控撞于彗星表面。

 

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  国外最新深空探测计划

 

  当前,美国、俄罗斯、欧洲、日本以及印度等国家掀起了新一轮空间探测热潮,并制定了一系列空间探测计划,重点围绕月球、火星、小行星和木星等开展探测,并向载人探测方向发展,且国际合作和商业化成为发展深空探测的两大途径,重点关注深空资源的探测、开发和利用,太阳系起源和演化以及空间生命探测和人类可持续发展等重大问题。

 

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  美国在空间探测领域一直处于绝对世界领先地位,各型探测器飞船基本覆盖太阳系所有行星,尤其在火星探测领域,全球参加过火星任务的探测飞船中的一半属于美国,火星表面的火星车则全部属于美国。未来美国将继续推进将火星探测为主的太阳系探索战略,2016年开展InSight着陆任务,2020年再次开展火星着陆任务,为2025年左右实现火星取样返回作技术储备,计划2035年左右实现载人环火探测和载人登陆火星。2016年9月美参议院通过了新的《2016年NASA过渡授权法案》,要求继续推进“航天发射系统”(SLS)和“猎户座”(Orion)多功能载人飞船研发工作,为火星载人探测做好准备。除此之外,美国还将进行小行星探测,将“小行星重定向任务”机器人任务的发射日期由2020年12月推迟至2021年12月;月球探测方面,NASA正在研制“资源勘探者”月球巡视器,计划在2018年通过国际合作或商业着陆器发射到月球表面,还计划在2018年实施“猎户座”飞船搭载立方体卫星的无人绕月飞行任务,以探测月球南极土壤的氢含量和月球水冰资源;大行星探测方面,木星/土星及其卫星将成为NASA未来10年的重要探测目标,计划于2020年发射“快帆”(Clipper)木卫二轨道器及着陆器,对木卫二表面、大气及可能存在的海洋进行深入探测。

 

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NASA设想的火星殖民计划

 

  俄罗斯未来10年则将空间探测重点锁定于月球,于2016年3月出台《2016-2025年联邦航天规划》,将原计划2025年实施的月球载人飞行推迟到再下一个10年规划。除此之外,俄罗斯还积极寻求国际合作以分担资金压力和减少投入风险。俄罗斯空间探测任务规划如下表所示:

 

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  欧空局则制定了《宇宙愿景2015-2025》空间探测规划,描绘了在太阳系探索、天体物理学研究和基础物理学3个领域的战略目标。目前计划任务如下:

 

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  日本将继续对月球、小行星、和火星等开展机器人着陆、巡视和采样返回探测任务,开展精确着陆技术验证,为未来“月亮女神-2”和“月亮女神-X”的着陆和载人登月奠定基础。此外,还计划于2020年前后发射火星轨道器和着陆器,对火星内部、表面、大气及周围空间进行探测。

 

  印度的航天战略是持续发展包括空间在内的多领域航天技术,覆盖运载火箭、空间科学、月球探测、火星探测等多个领域,计划在完成首次探月后进行月球软着陆任务。

 

  除上述主要国家以外,韩国、阿联酋和巴西等新兴航天国家也在积极谋划开展空间探测活动,韩国在2013年公布了《2040太空计划》,提出将发射一系列轨道器和着陆器,对月球和火星进行无人探测,2015年12月宣布启动探月计划,计划在2018年12月发射其首个月球探测器——“韩国探路者月球轨道器”(KPLO),随后将在2020年采用独立研发的运载火箭发射月球着陆器。《2040太空计划》中还提出在2026和2030年发射火星轨道器和着陆器。阿联酋在2015年5月宣布将在2020年发射“希望”(Hope)火星探测器,这也将是中东地区首个探测器。巴西在2016年11月宣布将于2020年12月向月球轨道发射纳卫星,项目名为Garatea-L,目标搜集月球表面的基本数据并进行有关人体微生物、分子和细胞等科学实验。

 

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  近年来,除主要航天国家和机构的空间探测计划外,许多民营公司和科学团队也开始涉足空间探测领域。2016年4月,美国Space X与NASA签署协议,计划最早于2018年发射“红龙”火星着陆试验舱,这将是民营企业首次实施火星探测任务;2016年8月,美国联帮航空管理局(FAA)批准Moon Express于2017年向月球发射无人着陆器,而后NASA可利用这些商业着陆器将月球科学载荷和设施送上月球;2016年7月,英国萨瑞卫星技术公司(SSTL)宣布将利用先进的小卫星技术研制低成本月球轨道通信卫星,2017年5支“月球X大奖赛”参赛团队探月项目将陆续进入发射实施阶段,于年底之前最先将探测器发射到月球并移动500m的团队将获胜。ESA也表示将鼓励私营企业对空间探索项目的投资和研发,并将其纳入业务合作伙伴和未来潜在客户。可见,在未来空间探测活动中,商业民营公司将呈活跃态势,商业航天活动也将由近地轨道向地球以远的空间领域延伸。

 

  高端装备发展研究中心报告推介:《全球重点国家及地区深空探测关键技术专题调研报告》、《国内外深空探测着陆与返回技术发展调研报告》、《国外典型深空探测器结构、机构及有效载荷调研报告》、《俄罗斯深空探测及载人航天器研制计划及典型产品调研报告》等课题调研报告,如需订购或定制相关课题报告请联系我们,010-52882700/57325805

 

 

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