2023年深空探测进展与展望

随着深空探测技术的发展，人类不断丰富对太阳系天体和宇宙空间的认知，探测活动从太空争霸、技术试验、科学研究向科学与应用并重转变。2023年，国际新增深空探测任务7次，包括3次月球探测（俄罗斯“月球”25，印度“月船”3，日本SLIM），2次行星探测（欧洲“木星冰卫星探索者”，美国“灵神星”探测器），1次太阳探测（印度“阿迪蒂亚”L1）和1次天文观测（欧洲“欧几里得”太空望远镜）。世界各国对于深空探测的参与热情高涨，着眼于更远深空开展一系列规划部署，并在可重复运载、深空智能化、行星防御等方面取得重大突破。

一、深空探测任务进展

2023年4月，我国发布了最新的月球探测规划，主要内容包括：将在2024年前后发射“鹊桥”二号中继星和“嫦娥”六号探测器，实现月背采样返回；2026年前后发射“嫦娥”七号，实现月球南极资源勘查；2028年前后发射“嫦娥”八号，和“嫦娥”七号一起构成月球科研站基本型。国际月球科研站将分阶段实施，突破月面远程运输、能源动力、地月往返等核心技术，逐步建成长期无人自主运行、短期有人参与的月球科研站，支撑更远、更大规模的深空探测活动。我国还将分三步建设“鹊桥”通导遥综合星座系统，分为先导型、基本型和拓展型，分别在2030年前后、2040年前后和2050年前后建成，为载人登月、国际月球科研站，以及更深远的火星、金星、巨行星和太阳系边际探测等提供支持。

在行星探测方面，我国发布首次火星探测火星全球影像图（见图1），包括按照制图标准分别制作的火星东西半球正射投影图、鲁宾逊投影图和墨卡托投影加方位投影图，空间分辨率为76m，将为开展火星探测工程和火星科学研究提供质量更好的基础底图。目前，“天问”一号任务13台载荷累计获取原始科学数据2300GB，环绕器继续在遥感使命轨道开展科学探测，持续积累一手科学探测数据，关于火星的三维立体影像图正在制作，将会在合适时机对外发布。我国“天问”二号小行星探测任务已经转入正样研制阶段，计划在2025年前后通过一次发射实现从近地小行星2016HO3（距离地球超4000万千米）采样返回地球，之后前往主带彗星311P开展伴飞探测。这将是我国首次从行星际取回样品，也将成为“天问”三号火星采样返回重要环节的先期验证。

图1  火星全球影像图（墨卡托投影加方位投影图）

在月球探测方面，2023年4月，美国国家航空航天局（NASA）发布了完善后的“阿尔忒弥斯”月球探测计划的下一阶段架构，包括“阿尔忒弥斯”2到“阿尔忒弥斯”5任务，其中：“阿尔忒弥斯”2将是“猎户座”飞船首次飞往月球的载人任务，计划最早于2024 年11月发射；“阿尔忒弥斯”3将实现首次载人月球着陆；“阿尔忒弥斯”4和“阿尔忒弥斯”5将包括载人着陆和“门户”地月空间站的组装。NASA计划每年进行一次架构概念审查，包括“阿尔忒弥斯”计划的后续任务将如何与载人火星任务的长期计划保持一致。

在月球通信导航技术方面，2023年5月19日，全球首次地月空间立方星任务——“地月自主定位系统技术操作与导航实验”（CAPSTONE）完成在近直线晕轨道（NRHO）上运行的为期6个月的主任务，对月球通信和导航技术进行了演示验证。CAPSTONE的主要任务在第二次轨道修正后的插入轨道后开始，完成了28圈飞行和7次机动，同时经历了6次月食，最长时间为74.32min。

美国持续开展火星探测，并为火星取样返回作准备。“毅力”（Perseverance）火星车在一个名为“三叉”（Three Forks）的区域内成功放置了第10份火星样品管，完成火星表面样品管“仓库”的建设工作。这10份样品管以锯齿形的图案被放置于火星表面，每个样品管之间相距5~15m（见图2）。根据美欧未来的“火星采样返回”（MSR）计划，将于2028年左右发射火星着陆器和直升机，由直升机从该“仓库”收集样品管后送给着陆器，并最终由返回器携带火星样品返回地球。

图2  “毅力”完成存放的10份火星样品管位置

在小行星探测方面，2023年9月24日，NASA首个载有从小行星贝努（Bennu）收集了岩石和尘埃的返回舱成功着陆。Bennu样本预计约250g，相关人员将建立样品管理中心，并在后续面向国际开放申请。10月13日，“灵神星”（Psyche）探测器发射，将对小行星带中的灵神星（16 Psyche）展开探测，这将是人类首次接近和探索M型（金属质）小行星。11月14日，NASA接收到Psyche探测器的激光信号，这标志着NASA深空光通信（DSOC）系统的首次测试成功。

天文观测方面，截至2023年7月31日，“詹姆斯•韦伯”太空望远镜正式入轨运行1周年，12月19日，NASA公布了该太空望远镜拍摄的有史以来最清晰的天王星照片，其中包括14颗天王星卫星（见图3）。在美国天文学会第241次会议上，NASA概述了开发“宜居世界天文台”（Habitable Worlds Observatory）的情况，正在推动下一代大型太空望远镜的开发进入新阶段。

图3  “詹姆斯•韦伯”太空望远镜拍摄的天王星照片

NASA于2023年投资了一类小型、低成本的行星任务，即行星探索小型创新任务，这些任务通过共享或次级有效载荷跟随其他发射任务来节省成本。其中“月球开拓者”将搭载在计划于2024年年中发射的PRIME-1上开展绕月探测。NASA还计划在2024年底发射VIPER探测器对月球南极开展探测，目标是为重返月球的“阿尔忒弥斯”计划探路，以及前往月球南极调查水冰。

除了月球南极探索外，美国还将向更远的木卫探测拓展，NASA木星探测器“欧罗巴快船”将于2024年10月10日发射，目的地是木卫二，那里的冰壳下有海洋般的液态水，被视为太阳系最可能存在外星生命的星球之一。“欧罗巴快船”将对该海洋和冰壳进行研究，并为未来搜寻生命的木卫二表面探测器寻找登陆地点。该探测器将在2030年4月抵达绕木星运行轨道，随后用大约4年时间对木卫二进行大约50次近距离飞越。

2023年9月7日，日本发射SLIM探测器，并于2024年1月19日成功着陆，成为日本首个成功在月球软着陆的探测器。SLIM着陆器是一个以月球高精度着陆及轻小型化为目标的项目，主要用于演示定点着陆技术和障碍物探测技术，在月球表面验证小尺寸、轻量型的探测系统，着陆器通过相机拍摄月球表面，与提前录入的月球形貌进行比较并调整着陆轨道，以实现月面着陆精度在100m以内。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在开发一项名为“火卫探索”（MMX）的机器人任务，计划于2024年9月左右发射。这次任务的主要科学目标是确定火星卫星的起源。科学家们还不确定火卫一和火卫二是否是火星利用引力捕获进入轨道的小行星，或者是否由已经在火星轨道上的碎片形成。该探测器将用3年时间围绕火星开展科学活动，对火卫一和火卫二进行观测。MMX还将在火卫一表面着陆并采集样本，然后返回地球。

2023年5月1日，韩国首个月球任务“达努里”（Danuri）月球轨道器携带的阴影相机（Shadow Cam）持续拍摄了月球南北极图像。该相机由NASA提供，揭示出高分辨率、微弱光线下南极附近的沙克尔顿环形山（Shackleton Crater）的永久阴影区域的细节（见图4）。

图4  “达努里”拍摄的沙克尔顿环形山细节图像

2023年7月14日，印度LVM-3重型火箭搭载“月船”3飞船从萨迪什•达万航天中心升空，8月23日，“月船”3降落到月球南极附近（见图5），印度因此成为世界上第四个无人探测器成功着陆月球的国家。8月24日，“月船”3月球车发回了第一张月球南极附近的任务照片。月球车在活动的十余天中行进了约100m，利用激光诱导击穿光谱仪（LIBS）在其着陆区的表面发现了硫等多种元素成分，但在第2个月昼期间，月球车和着陆器均启动失败。12月5日，印度空间研究组织（ISRO）称“月船”探测器的推进舱模块在完成任务后已返回了地球轨道。

图5  “月船”3着陆器着陆图片

2023年9月2日，印度太空计划的最新任务“阿迪蒂亚”L1（Aditya-L1）探测器发射，向太阳系中心航行，Aditya-L1将以连续的方式观测和了解太阳的色球与日冕动力学，科学目标包括研究日冕加热、太阳风加速、日冕物质抛射、太阳大气动力学和温度各向异性。11月7日，太阳高能X射线谱仪（HEL1OS）首次捕捉到太阳耀斑的高能X射线，任务成果初显。

2023年8月11日，俄罗斯“月球”25（Luna-25）探测器从东方航天发射场发射升空，8月19日，Luna-25失联，进入了非预定轨道并坠毁在月球表面。9月1日，NASA发布月球新“陨石坑”图像，推测这些“陨石坑”可能由Luna-25探测器造成（见图6）。10月3日，俄罗斯国家航天集团称，Luna-25探测器故障最有可能的原因是：多个优先级指令发送到同一个数据阵列，导致角速度测量装置加速度表未能打开，进而造成机载综合控制系统运行异常。

图6  疑似为Luna-25探测器在月球表面留下的撞击坑

2023年4月14日，欧空局（ESA）的“木星冰卫星探索者”（JUICE）探测器搭乘“阿里安”5（Ariane-5）运载火箭成功发射。JUICE任务将对木星及木星的3颗冰卫星——木卫二、木卫三和木卫四进行观测，揭秘冰卫星的宜居性，探测木星系统的复杂环境，推进人类对外太阳系的探索。探测器预计于2031年7月飞抵木星，之后将围绕木星飞行，在此期间完成木卫二、木卫三和木卫四的多次飞越，最终于2035年底撞击木卫三表面。

7月1日，ESA的可见光到近红外空间天文望远镜“欧几里得”搭乘“猎鹰”9（Falcon-9）运载火箭成功发射，为研究暗物质和暗能量提供支持。其位于日地拉格朗日L2点轨道，在接下来的6年里，该望远镜预计将对大约1/3的深空进行成像，构建有史以来最详细的宇宙三维地图，为研究人员提供一个前所未有的了解宇宙大尺度结构的窗口。

ESA小行星探测器“赫拉”将于2024年10月8日使用“猎鹰”9火箭在卡纳维拉尔角发射。“赫拉”任务携带1个主探测器和2颗立方星，将于2026年底到达双小行星Didymos-Dimorphos，研究其物理特征，并评估2022年NASA实施的“双小行星重定向任务”（DART）的撞击效果。

二、深空探测领域科学发现

中国科学家联合国际研究团队利用“天问”一号环绕器和火星车开展了高分辨率遥感和近距离就位的联合探测，发现了火星古风场改变的沉积层序的证据，证实风沙活动记录了火星古环境随火星自转轴和冰川期的变化。这项研究有助于增进对火星古气候历史的理解，也为科学家们研究地球未来的气候演化方向提供借鉴（见图7）。

图7  中国科学家联合国际研究团队发现火星古风场改变的沉积层序的证据

自2021年7月发放第一批月球科研样品至今，已向国内114个研究团队发放6批258份共计77.7g月球样品，研究方向集中在地球化学、地质学、月壤物性、太空风化、磁场、生物等领域，并已于2023年11月开放“嫦娥”五号样品首批国际借用申请。我国科学家在“嫦娥”五号月壤样品中发现了多种类型、不同起源的月球玻璃物质（见图8），构建了月壤玻璃/非晶相的分类目录，并从玻璃形成的角度阐释了采样点月球表面的空间环境特征及其对月表物质的改造作用。与“阿波罗”任务采集样品不同的是，“嫦娥”五号着陆点月球表面的撞击环境整体上相对温和。通过对月壤玻璃物质进行研究，将为剖析月球的物质组成、月表的时空演化奠定基础，有望为基于月壤资源原位加工制造玻璃材料和器件提供科学依据。

图8  月球表面各类玻璃物质的固、液、气多种路径起源示意图

在2023年中，“詹姆斯•韦伯”太空望远镜解开了一些星系、恒星和黑洞的秘密，增进了人类对早期宇宙的理解，发现了太阳系以外行星上的甲烷和二氧化碳。其重大观测结果包括：（1）发现了由10个星系组成的线状排列规律，证明了早期超大质量黑洞如何潜在地调节星系中恒星的形成；（2）发现了迄今为止最遥远且活跃的超大质量黑洞；（3）对k2-18b（其质量是地球质量8.6倍的系外行星）进行了新的调查，发现它存在含碳分子，包括甲烷和二氧化碳，“詹姆斯•韦伯”太空望远镜的发现为最近的研究提供了证据，表明k2-18b可能是一颗Hycean系外行星，它有可能拥有富氢大气和水海洋覆盖的表面（见图9）。

图9  利用“詹姆斯•韦伯”太空望远镜近红外成像仪和近红外光谱仪获得的k2-18b的光谱信息

美国“好奇”（Curiosity）火星车证明火星上拥有适于生命出现的环境条件。科研人员通过“好奇”搭载的桅杆相机（MastCam）和化学相机（ChemCam），在38亿—36亿年前的沉积层中发现了呈六角形图案的盐类沉积物，这是火星具备持续的、周期性、有规律的干湿季节的首个证据。这种环境为形成复杂的生命前体和组成化合物（如RNA）提供了理想条件，为在火星上发现孕育生命自然过程的痕迹提供了线索。此外，“好奇”在夏普山（Mount Sharp）发现了在湖泊中形成的古代水波纹，这是该任务迄今为止有关火星有水的最清晰的证据。

日本“隼鸟”2携带的5.4g近地小行星“龙宫”沙石样本为研究赋予地球生命的起源及太阳系诞生历史提供了新契机。根据对“龙宫”样品的元素丰度、同位素比率、矿物学、有机分子等的实验室分析结果，科研人员有多项新发现，其中一项重要成果显示在“龙宫”样品中发现了尿嘧啶（Uracil）和烟酸（一种B3维生素），尤其前者是形成RNA的4种核碱基之一。这意味着核碱基等益生元分子或由地外起源，可通过包括“龙宫”在内的碳质小行星/陨石输送到早期地球上。

三、国际深空探测相关政策规划

2023年3月，联合国外层空间事务办公室（UNOOSA）发布新版《近地天体和行星防御》报告（ST/SPACE/73）。与2018版的报告相比，主要变化是更新了已发现的近地天体的数量。该报告还指出将支持2014年成立的2个实体——国际小行星预警网和空间任务规划咨询小组，并与其合作。此外，该报告还号召对2029年飞越地球的小行星99942阿波菲斯（Apophis）进行探测。

2023年4月，美国国家科学技术委员会（NSTC）发布新版《近地天体危害和行星防御国家准备战略与行动计划》。该份战略报告对2018年的版本进行了更新，重点关注联邦政府和机构在未来10年内的6个目标：（1）增强近地天体探测、跟踪和表征的能力；（2）改进近地天体建模、预测和信息集成；（3）研发近地天体侦察、偏转和干扰任务；（4）加强近地天体防御准备工作方面的国际合作；（5）加强并定期执行近地天体撞击应急程序和行动协议；（6）通过加强机构间合作改进美国对行星防御的管理。

2023年，在美国国家科学院空间研究委员会的会议上，NASA总部的火星探测计划（MEP）介绍了一份新的规划草案——《一起探测火星：火星科学的可持续未来规划》。这是一份有关 NASA 无人火星探测的长远战略，强调2024年之后将利用每两年一次的窗口期，以固定节奏发射成本相对较低的任务，同时，将借鉴 NASA在近地和月球上的公私合作经验，加强火星上和火星附近的基础设施建设。这些低成本的飞行任务成本将在1亿~3亿美元之间，聚焦于三大科学主题：继续寻找生命迹象；为未来载人火星任务提供信息；研究火星地质和气候等。同年，NASA宣布成立新的月球到火星计划办公室，以开展NASA在月球和火星上的载人探索活动。

2023年，美国持续推进《阿尔忒弥斯协定》，月球载人探测计划合作联盟不断扩大。《阿尔忒弥斯协定》是美国提出的月球探索基本原则，包含10条行为准则，分别是和平目的、透明度、互操作、紧急救援、空间物体登记、科学数据发布、外层空间遗产保护、空间资源、消除空间活动冲突、轨道碎片。2023年，又有10个国家签署了《阿尔忒弥斯协定》，签署国家达到33个。

2023年11月，欧盟理事会批准了首个欧盟空间安全和防务战略。该战略建议采取以下行动：（1）通过年度分类分析和加强军事与民用太空安全情报服务，加深欧盟对太空威胁的了解；（2）加强空间系统和服务的弹性和保护；（3）通过空间领域感知信息、欧盟联合应对专用工具箱及进一步发展演习，更好地应对空间威胁；（4）通过更好地将空间层面纳入共同安全和防务政策（CSDP）任务及行动的规划与执行，加强空间用于安全和防务目的。同时，ESA发表世界首个《零空间碎片宪章》（Zero Debris Charter），旨在大幅限制地球和月球轨道上空间碎片的产生。

根据俄罗斯能源火箭航天公司总设计师弗拉基米尔•索洛维约夫提出的月球探测路线图草案，俄罗斯正计划实施载人登月任务，这将是俄罗斯航天员首次登月。根据该路线图草案，俄罗斯计划在2031—2040年间将航天员送上月球，在2041—2050年间建设月球基地。路线图强调加强俄罗斯在月球上的优势地位。2023年8月，俄罗斯“月球”25探测器偏离预定轨道，撞上月表后失联。俄罗斯国家航天公司总裁尤里•鲍里索夫呼吁从失败的“月球”25探测器任务中吸取教训，并继续开展探月计划。

2023年6月，日本内阁府宇宙开发战略本部发布《宇宙安全保障构想（草案）》，以日本国家安全保障战略为基础，提出了宇宙安全保障的目标和具体措施。日本将宇宙安全保障的目标确立为：确保和平与繁荣，国民享有安全舒适的生活；联合盟友促进宇宙空间能够自由进入和稳定利用。

四、深空探测发展重点与趋势

到2023年，已有33个国家签署了《阿尔忒弥斯协定》，包括美国传统的航天合作伙伴，如ESA及英国、加拿大和日本等国的航天机构，以及近年来不断加大航天发展力度的国家，如巴西、韩国和阿拉伯联合酋长国。此外，欧空局旨在研究暗能量和暗物质的“欧几里得”任务，以及日本宇宙航空研究开发机构的XRISM任务都存在与其他国家不同程度的合作。

我国立足探月工程形成的科技、工程、设施和人才等坚实基础，正牵头积极推进国际月球科研站建设，已与俄罗斯、阿尔及利亚、南非、委内瑞拉等十余个国家签署了国际合作文件。在月球和行星探测任务中，我国也积极开展国际合作，与瑞典、德国、荷兰、法国等开展了科学载荷的联合研制、联合试验和科学共享，发布了“嫦娥”八号国际合作机遇公告。后续，我国深空探测工程的实施将带动国际合作伙伴空间探测和科学研究能力大幅提升，引领构建月球探测国际标准和行为准则。未来我国将持续建立完善深空探测领域政策法规体系，研究制定深空探测商业化、行星保护、地外天体样品管理等政策法规，制定相关管理、工程技术、科研应用标准规范，促进科学成果高效产出，推进我国深空探测标准国际化。

可重复使用运载火箭技术近年来得到快速发展。美国SpaceX公司“猎鹰”9和“重型猎鹰”火箭的实践表明（2023年发射即达96次）垂直起降可重复使用运载火箭已能够实现提升进入空间规模、大幅降低成本、缩短履约周期、降低产能需求和拓展市场规模的目标，同时该公司还在全力推进有史以来运载能力最强的“超重-星舰”（Super Heavy-Starship）完全可重复使用重型运载火箭，目前也已开展多次原理性测试和全系统飞行试验。俄罗斯国家航天集团公布的“阿穆尔”运载火箭也将采用可重复使用方案。ESA计划研制的下一代“阿里安”火箭则将可重复使用技术列入规划。中国也将可重复使用技术作为下一代运载火箭研制的重要方向。

随着我国深空探测任务的不断拓展，对运载能力提出了更高的要求。我国运载火箭经历了“解决有无”、“任务牵引”、“能力提升”的三代运载火箭发展，下一代将进入以战略能力和高效益为目标，以重复使用和智能飞行为典型特征的第四代运载火箭发展阶段。根据运载火箭型谱规划，我国重型运载火箭为第四代火箭，具备重复使用能力，运载能力参数对标国际先进水平。重型运载火箭的研制将带动百吨级大质量航天器的发展，大幅拓展我国空间探测开发与应用的规模，将全面支撑我国后续国际月球科研站、火星及地外天体资源利用、载人火星探测、大型空间基础设施建设等任务的实施。

人类正在由近地向太阳系更深远处的深空进行探索，拓展人类涉足疆域，而深空探测对信息传输和自主决策等方面提出了更高要求。当前国际深空探测领域呈现智能化发展趋势，相关的前沿技术已应用于自主导航、数据处理、通信遥感等不同领域。NASA的“好奇”火星车所搭载的自主探索收集增强型科学系统（AEGIS）能够利用人工智能手段进行地面特征识别，无需等待地球指令，自主选取科学目标进行研究；“毅力”搭载的自动导航技术（AutoNav）能够在无地球指令的情况下实现自主驾驶和避障，同时通过分析火星表面图像，识别地质特征和潜在科学研究地点，从而提高任务效率和科学产出成果；ESA的“太阳轨道器”采用了边缘计算技术，使探测器实现科学数据“原位处理”，并将重要信息传回地面，减少数据传输量并提高响应速度。

我国目前也在积极探索AI、云计算等前沿技术手段在深空探测领域的应用，未来将在月球、火星等探测任务中采用智能技术实现自主决策与科学分析，提高落点精度及探测区域的精确度；逐步建立基于模型的深空探测数字化研发生产与在轨支持体系，构建型号研制全生命周期的“模型-数据-知识”体系，全面建成深空探测数字化生态系统；推进深空探测科学目标谱系建设，建立深空领域大模型，形成能够指导未来任务规划以及支撑空间科学、空间技术、空间应用研究、科学教育普及等的大知识智能平台，旨在为深空探测未来规划发展提供生成式的知识与信息支持，推动数据驱动的深空研究范式变革。

近地小行星撞击地球是人类生存发展面临的重大威胁之一，加强近地小行星撞击风险应对能力是当前的国际共识。2023年4月，美国发布的《近地天体灾害和行星防御国家准备战略与行动计划》重点强调包括监测预警、建模预测、防御手段、国际合作等未来十年的战略目标。NASA随后发布了《NASA行星防御战略和行动计划》，明确NASA的行星防御战略目标、具体行动和可行的发展路径。2024年10月，ESA计划发射“赫拉”任务，重新探测Didymos小行星系统，以研究DART动能撞击后的效果。

中国将持续着手构建近地小行星防御系统。首次近地小行星防御演示验证任务拟通过“一箭双星”的方式发射探测器和撞击器，采用“伴飞+撞击+伴飞”的任务形式，开展国内外协同观测，实现撞评结合。目前，正面向全球征集近地小行星防御空间处置方案，助力近地小行星防御能力提升，共建普遍安全的地球家园。

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