太阳系| 吴季：未来10-20年，深空探测将成为航天大国角逐的重要战场_太阳系的形成与演化|航天技术

2020年是中国深空探测的重要年份，先后有天问1号和嫦娥5号顺利发射。同时，还有阿联酋的希望号火星轨道器和美国的火星实验室毅力号顺利升空。
本文主要讨论了深空探测的科学目标、始终面临的技术挑战及使深空探测可持续发展的方法，并对中国未来深空探测的规划提出了几点建议。
在人类发射的近200个深空探测器中，绝大部分都是探测月球和火星的。但，人类并没有忘记走向更远的深空。
1977年，美国发射了旅行者1号和旅行者2号，目前这两个探测器都已经飞到了太阳系边缘，超过120个天文单位（AU）。
伽利略号探测器探测了木星及其卫星，卡西尼-惠更斯号探测器探测了土星及其卫星，并在土卫六上实现了着陆。
此外，伽利略探测器和旅行者号探测器还分别飞越探测了天王星、海王星、冥王星，以及多个小行星。
特别是最近10年来，人类对太阳系小天体的兴趣逐渐增加，试图发现地球上难以获得的稀有资源，并将其带回地球。
深空探测的科学问题与目标
深空探测涉及的最大科学问题是太阳系是如何起源和演化的。
行星科学的基本原理和理论认为，太阳系形成于一团其他恒星爆炸毁灭后留下的星际物质。经过长时间的引力作用，中心区域经过碰撞出现了恒星核，并由于压力不断增加出现核聚变反应，这就是太阳。
然而，这个理论框架还有很多细节未能得到解释。实际上，对太阳系中的每个天体，都有很多科学问题需要解答。
对太阳系的探测，首先是对行星的探测，回答那些诱人的科学问题，并由此最终理解和回答太阳系的起源和演化这两个最基本的科学问题。
当然，人类需要了解的自然奥秘并不局限于行星。对太阳本身以及对太阳喷射出来的粒子在行星际中的运动规律也是研究的重要目标。
特别是，太阳为何以及在何时发生大的物质喷发？其喷出的物质到达地球后对人类生存和活动的影响如何？对这些问题的研究称为空间天气研究，是目前最紧迫的科学问题之一。
研究太阳的活动并做出准确预报，最好的方式是进入深空，抵近太阳进行观测，或在行星际中，去观测那些几乎每个太阳活动周期都有，但是并没有朝向地球喷发来的巨大物质。
太阳系中有太多的科学问题值得我们探索，开展深空探测不仅仅是为了了解太阳系、增加人类认识自然的知识，还与人类在太阳系中能否长期生存密切相关。
深空探测遇到的主要技术挑战
脱离地球引力
进入深空的第一个技术挑战是将探测器的速度从起飞时的0 km/s ，加速到11.2 km/s的第二宇宙速度，从而顺利离开地球的引力场。
齐奥尔科夫斯基在100年前就给出了计算加速能力的基本公式，即齐奥尔科夫斯基公式——在发动机和燃料决定的喷气速度及需要运送的有效载荷一定的情况下，速度增量的增加，对起飞前燃料的增加是e指数的关系，这是人类大规模进入深空最大的障碍。
行星际轨道飞行
探测器被加速到第二宇宙速度，就可以脱离地球引力进入行星际。但是，对不同的探测目的地，需要对行星际的飞行轨道进行优化设计。
设计的目的一般有两个：燃料最省和尽快到达。
达到这两个目的，需要利用行星际中两个特殊的引力效应：
1）利用各天体之间的引力平衡点，探测器在该点受到的引力作用最小，可以做到最节省燃料。
但是为了寻找该点，有时需要增加飞行路径，因为所有的天体围绕太阳旋转的周期不同，因此这些引力平衡点也在随时间变化。这就给轨道设计带来了挑战和创新的机会。
2）利用的是特殊的引力效应，即借助天体的引力来加速。
总之，深空探测器在太阳系中飞行的轨道受到行星位置和其引力场影响，需要事先优化设计发射窗口和轨道。
外天体上着陆和起飞
探测器到达地外天体，比较容易的是进入其引力场，进行环绕探测和遥感成像探测。但是如果需要着陆探测，甚至在其表面起飞并将样品带回地球，目前人类所掌握的技术仍不成熟。
地外天体各不相同，分为无大气（如月球）、有稀薄大气（如火星）和有稠密大气（如金星）。
在没有大气的天体上着陆，无法使用降落伞减速，必须使用反推火箭。这将消耗较多的燃料，增加从地球上起飞时的重量；从地外天体上起飞，将样品返回地球，将耗费更多的燃料。
且与大天体不同，在小天体上着陆与起飞是完全不同的技术。
首先，由于小天体引力场非常小，无法借助其自身引力的力量，所以需要拥有非常精准的轨道设计和自动控制的能力。
其次，如果无法将探测器在相互接触的一刹那相互锚定，探测器将在反作用力的作用下很快弹跳起来。
而一旦着陆成功，从其表面起飞将会非常容易，无需耗费很多燃料就可飞离。
远距离通信
无线电波在行星际中传播的速度是30万km/s 。如果探测器飞离地球，进入太阳系深空，远距离通信将成为最主要的技术困难之一。
首先，通信距离越远，无线电波经过长距离传输，能量与通信距离的平方成反比扩散和衰减。
即使增大发射天线和接收的口面将天线的波束变窄，也无法补偿能量衰减，更何况天线口面的增大是有物理限制的。
加之探测器上的天线口径由于火箭发射时整流罩的物理约束，即使在发射后再展开，也只能到米级，限制了远距离通信的信号带宽和数据率。
为了保证接收电平在信道噪声之上，距离越远信道带宽就需要设计的越窄，因此，能够传输的数据率就越低。
其次，远距离通信带来的时间延迟，使得探测器必须具备自主判断和运行的能力，即高度智能化。
核能源的利用
首先，核能源的火箭发动机可以在行星际飞行中对探测器持续加速，大大缩短飞行时间。
其次，探测器在向外行星际飞行时，将逐渐远离太阳，太阳能发电将不可行。
因此，研发小型核能发电机（而不仅仅是提供热量）是实施外行星际探测的必备技术。
表面资源利用
变轨、着陆、起飞都需要很多能源，即燃料的支持，最好的办法是在行星际中就地获取能源。这项技术将是未来人类能否更有效和大范围开发利用太阳系深空的必备技术。
到目前为止，除了太阳能以外，人类还没有实现对任何太空资源的就地利用。
然而，从太阳能转化为电力的能力密度比较低，目前无法替代化石能源，完成着陆、起飞以及大机动、复杂的变轨和加速等高耗能的技术动作。
动机与需求
1959年至今，人类进入太阳系深空已经超过60年，除了阿波罗计划6次成功将人类带到月球表面并安全返回以外，其他任务都是无人探测计划。
人类开展深空探测和开发利用的动机和需求主要来自3个方面。
政治需求
阿波罗计划是典型的政治任务，这个具有鲜明政治色彩的计划带动了美国科技的发展，对不止一代的美国人产生了教育和激励作用。
中国的嫦娥计划与此类似，在中国具备了绕月、落月等探测月球的技术能力之后，获得科学成果而不是重复实施上述工程任务，就变得更为重要了。
但政治任务是不可持续的，正如阿波罗计划成功之后，美国再也没有哪一届政府愿意投入如此多的经费重复阿波罗时代的辉煌。
科学探索的需求

科学探索需要回答科学问题、突破科学前沿。科学前沿的突破是永无止境的，因此，以科学探索目标驱动的深空探测任务是可持续的。
但由于科学探索任务是政府出资的项目，研发投入取决于政府的财政能力大小和对基础科学发展的支持力度。
通常政府对基础科学发展的投入可以分配到以下几个方面：
（1）无需大量经费投入的自由探索性的基础科学研究，这部分经费往往以投向大学为主。
（2）投向大科学装置的建设，例如加速器、大型天文望远镜以及其他国家实验室需要的重大科学装置等。
（3）投向空间科学卫星和深空探测任务。
空间科学卫星是比较单纯的基础科学研究任务，具有不断提出新目标、不断突破前沿的性质，具备自我可持续发展的性质。
深空探测任务往往需要不断到达新的目的地，同时具有政治和科学两重性质。对政府而言，如果在遴选时，能同时考虑其政治显著性和科学发现性，就能收到双重的回报，同时也就具有了自我的可持续发展性。
市场需求
除了政府投入，商业性质的投入在深空探测领域也开始兴起。目前，越来越多的人意识到，太阳系资源利用的方向，应该是就地利用，比从地球上带去要经济得多。
因此，太空资源的就地利用，包括水的提取、燃料的提取、太阳能电池板的就地制造、金属材料的冶炼和锻造等都是非常有经济前景的业务方向。这些方向一旦找到市场，就可进入可持续发展的轨道。
此外，对这些资源就地利用的最大需求，来自于本身就具有可持续发展性质的太空旅游。
对近期及未来的展望
中国正在步入快速发展的阶段。到2035年，中国的发展目标是进入世界创新型国家前列。空间科技是一个大国科技创新能力的重要指标。
深空探测具有非常强的政治象征意义和对民众的激励教育作用，在实现政治目标的同时，深空探测必须伴随着新的科学发现，这是深空探测任务可持续发展的根本。
以上两个驱动力如果能双轮驱动，就可以使国家在其中投入的产出倍增。相反，如果只顾及取得第一、占领高地，而忽略科学发现和产出，就将失去可持续发展的动力；同样，如果只顾及科学产出，没有发挥出深空探测的政治性和显著性，就浪费了其应有的政治资源。
此外，应该发挥社会民间资本的作用，在商业航天领域积极鼓励与太阳系资源的开发和利用相关的技术的发展，甚至是商业性质的发射任务。
在技术方面，各航天大国都在研制更大推力的火箭以及可回收利用的火箭。进入空间的成本将不断降低，进入太阳系深空的能力也将不断提升，人类下一个目标将是火星样品的返回。
但是，火星的样品返回必须注意其对地球反向污染的问题。正向的污染也是一个必须注意的问题，如果将地球上的生命无意中带到火星，并在火星上繁殖，这对人类的科学探测将带来干扰。
在2023年之前，人类有可能实现对地球以外生命的首次发现。
此外，随着中国嫦娥5号的成功实施，国际上政府月球探测计划的重点也将逐渐转入对进一步发现水冰和水合物的探测，以备未来进一步开发利用。
商业投资的航天任务将主要集中在月球和小行星资源探索和利用方面，在近期，主要的突破可能发生在月球资源的就地开发。
在深空通信技术方面，需将主要努力集中在提高传输速率方面。具体的技术是将载波的频率提高至毫米波，甚至到激光水平。
可以预见，当重型火箭和可重复使用火箭技术逐渐走入应用以及有AI辅助的自动导航与控制技术逐渐成熟，这些技术可以辅助探测器可靠地在地外天体着陆和起飞。
当就地能源提取和加注技术成熟，以及深空激光宽带通信走向实用之后，人类进入和探测太阳系深空的活动将快速发展。这个高潮可能出现在2030年前后。
对中国未来深空探测的建议
可以预见，在未来10~20年，深空探测将成为国际上航天大国竞相角逐的一个重要战场。
中国计划在2035年进入创新型国家前列，在已经具备优势的航天领域更应该成为领先的国家，从现在开始谋划好未来十分必要。
建议中国相关部门在规划未来深空探测任务和制定政策时，考虑如下3点建议：
1   太阳系深空有很多未解的重大科学问题以及许多人类未到达过的天体，深空探测的任务目标应将政治目标和科学目标同等对待。
政治目标需要注重工程上的显著性，即要体现创新和技术突破；科学目标应该瞄准重大发现，破解和回答重大科学问题。
如果只强调突出工程显著性的政治目标，则会失去可持续发展的动力；而如果只强调科学目标，则浪费了深空探测在政治上的积极作用。只有将两者紧密的结合起来，才能既发挥了任务的政治优势，又使其能够可持续发展。
2   必须重视几个深空探测关键技术的研发和投入，包括：
（1）大推力运载火箭、回收及可重复使用技术的研发，尽快实现低成本进入深空的能力；
（2）地外天体的进入、着陆与起飞技术的研发，并使其能够在不同环境的天体上着陆和起飞，并将样品返回地球；
（3）行星际激光通信技术，涉及高温超导单光子探测器、飞秒激光功率放大器等多项技术，提升深空远距离通信的数据带宽和能力；
（4）核能源技术也需重视，不能在需要时出现卡脖子的问题。
3   为商业性质的航天任务进入深空制定相关政策，鼓励商业航天企业开展深空探测，特别是以月球资源就地利用为目标的商业航天任务，并用政府深空任务作为他们的主要用户，建立和形成稳定的市场需求。
作者简介：吴季，中国科学院国家空间科学中心原主任，国际宇航科学院院士， IEEE会士中国空间科学学会理事长。曾任“地球空间双星探测计划”应用系统总设计师、国家重大科技基础设施——“子午工程”总经理、中俄火星联合探测计划“萤火一号”首席科学家、嫦娥1号、2号和3号探测器有效载荷总指挥、中科院空间科学先导专项（一期）负责人。研究方向为空间科学探测计划系统设计和微波遥感技术。本文发表于《科技导报》2021年第3期
即将推出，欢迎订阅查看
2021年第3期专题目录
卷首语
《时代呼唤新一轮的科技体制改革》
作者：王贻芳（中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、发展中国家科学院院士）
专题：
《掌握规律，创新驱动，扎实推进我国集成电路产业发展》
作者：王阳元（中国科学院院士）
《粒子物理发展态势及未来规划》
作者：王贻芳（中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、发展中国家科学院院士）
《航空发动机科学技术的发展与创新》
作者：陈懋章（中国工程院院士）
《深海科技的前景与陷阱》
作者：汪品先（中国科学院院士、第三世界科学院院士）
《深空探测的现状、展望与建议》
作者：吴季（中科院空间中心原主任）
《谈“十四五”生态保护和绿色发展的生态关系》
作者：李百炼（美国人类生态科学院院士、美国科学促进会会士）
《科技原始创新生态亟需改善——谈原始创新的起点问题》
作者：杨文采（中国科学院院士）
《新形势下科技人才培养评价体系应有新变化》
作者：王小凡（中国科学院外籍院士）
《如何培养一流创新学者——访哈佛大学教授丘成桐》
作者：王丽娜（《科技导报》编辑）
《国家重点实验室建设发展现状与战略思考》
作者：闫金定（科技部处长）
《学科布局的逻辑内涵及中国实践》
作者：杜鹏（中科院战略院研究员）
《完善人口政策并提倡尊老爱幼代际互助家庭模式》
作者：曾毅（发展中国家科学院院士、荷兰皇家艺术与科学院外籍院士）
《坚持创新核心地位建设世界科技强国》
作者：万劲波（中科院战略院研究员）

【太阳系| 吴季：未来10-20年，深空探测将成为航天大国角逐的重要战场】来源：科技日报

太阳系| 吴季：未来10-20年，深空探测将成为航天大国角逐的重要战场

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