2021年全球深空探测事业掀开新篇章月球年轻8亿年

2021年全球深空探测事业掀开新篇章月球年轻8亿年

2021年，全球深空探测事业掀开新篇章。“嫦娥”五号采集的月球样品激起科学研究领域新浪潮，让月球年轻了8亿~9亿年；“天问”一号一步实现“绕、着、巡”，火星上首次留下中国印迹；美国“露西”首次穿越特洛伊小行星群，追寻太阳系形成的历史……总体而言，国内和国际都在组织更全面、更广泛、更深入的深空探测，持续拓展着人类活动的疆域。本文对2021年及前期实施的深空探测发射任务进行归纳，对新的科学成果进行阐述；在梳理已有任务、成果的基础上，从月球、火星、小行星和金星探测4个方面分析了近期国际深空探测的热点，从任务体系、科学目标谱系、工程技术体系、国际合作体系、基于模型的系统工程治理体系5个层面介绍了我国计划构建的深空探测生态体系，可为深空探测的后续规划和未来发展提供参考。

习近平总书记在2021年两院院士大会上指出，随着科技创新深度显著加深，深空探测成为科技竞争的制高点。作为提升国家基础创新能力、丰富人类认知、拓展人类生存空间的新兴重大科技创新领域，深空正持续受到各主要航天国家的高度关注，成为国际航天活动新热点，各国纷纷制定深空探索计划，人类深空探索活动已进入空前活跃的新发展时期。截至2021年底，全球在轨深空探测任务共计40项（详见表1），其中中国在轨深空探测任务共有5项。2021年，全球共实施4次深空探测任务，分别是美国航空航天局（NASA）的“双小行星变向试验技术卫星”、“詹姆斯•韦伯”太空望远镜、“露西”小行星探测器、中国的“羲和”太阳探测器。

表1 2021年在轨深空探测任务

注：1AU=1.。

一、2021年全球主要深空探测任务进展

（一）月球探测领域

月球作为地球唯一的天然卫星，因其独一无二的位置资源、极具特点的环境资源、丰富的物资资源，成为人类进行空间探测和开发利用太空的首选目标。自苏联1958年发射首个月球探测器至今，国际上共实施月球探测任务118次，其中成功66次，成功率约为53%，当前仍在实施的探测任务有6项。

1.我国探月工程稳步前行

“嫦娥”四号持续开展科学探测。“鹊桥”中继星于2018年5月21日发往地月L2点，“嫦娥”四号于2018年12月8日发射升空，实现世界首次月背与地球的中继通信和月球背面软着陆。截至2021年12月底，探测器在月面累计工作时长已达37个月昼，工作超过1000天，“玉兔”二号月球车累计行走超过992.33m（见图1），开展地形地貌、月表低频射电、月表粒子辐射剂量、月表光谱、太阳系银河系射电辐射等观测工作，共获得约探测数据。探测器与月球车整体工况良好，载荷工作正常并将持续开展科学探测。

图1 “玉兔”二号月球车行驶轨迹示意图

“嫦娥”五号继续实施拓展任务。“嫦娥”五号在实现既定目标后，利用轨道器能力和剩余推进剂开展拓展任务，于2021年3月15日到达日地L1点，实现我国首次日地L1点探测。在日地L1点李萨茹轨道（ Orbit）飞行试验期间，共实施了1次轨道入射机动、2次转移轨道中途修正和1次李萨茹轨道维持，验证了日地L1点转移轨道、环绕轨道设计与控制技术，获得了日地L1点轨道演化特性数据，实现了对日地L1点测控链路环境、太阳辐照环境等飞行环境的就位探测，为未来日地L1点探测任务、太阳探测等深空探测任务积累了宝贵数据。

“嫦娥”五号月球样品研究高效展开。截至2021年底，我国已完成3批“嫦娥”五号月球样品的发放。其中，第一批向13家科研机构发放31份共计17.4764g样品，第二批向17家科研机构发放51份共计17.936g样品，第三批向11家科研机构发放33份共计9.4453g样品，相关科学研究也在高效开展过程中。

2.国际月球探测计划进展

NASA推迟首次“阿尔忒弥斯”（）任务。2021年2月，美国政府决定支持NASA继续实施“阿尔忒弥斯”任务；4月，NASA公布其与太空探索技术（）公司签订合约，并批出29亿美元用于研发及生产2艘登月船；在临近发射时，NASA宣布原计划于2021年11月实施的-I推迟到2022年2月。

俄罗斯推迟发射“月球”25（Luna-25）。该任务旨在月球南极附近的博古劳斯基陨石坑着陆，寻找水的痕迹并测试极地区域软着陆技术。2021年8月20日，俄方对外宣布决定对着陆器进行额外检修，因此俄罗斯月球探测计划将从2021年10月推迟至2022年。

印度推迟发射“月船”3（）。该任务旨在实现月球软着陆，包括着陆器、月球车和推进模块。因持续受新冠疫情的影响，从2020年推迟到2021年上半年发射的“月船”3，发射时间再次推迟，预计2022年初发射。

（二）火星探测领域

火星是太阳系中和地球最相似的天体之一，也是曾经最可能宜居的地外天体，为地球生命的产生和宜居环境的形成提供了重要参照。从1960年至今，全球共开展过47次火星探测任务，成功率约为53%。其中，火星着陆任务风险更高、难度更大，迄今22次着陆任务中只有10次成功。2021年，中国、美国、阿联酋齐聚火星，创造了火星探测历史的里程碑。

1.我国“天问”一号一次任务实现“绕、着、巡”

2021年2月10日，“天问”一号探测器成功进入环绕火星轨道。5月15日，着陆巡视器平稳降落在着陆点。5月22日，“祝融”火星车驶离与之相伴303天的着陆平台。5月26日，火星车拍摄并传回着陆平台照片，照片清晰地展示了在火星表面闪耀的五星红旗和留下的“中国印迹”。6月11日，国家航天局发布“天问”一号着陆火星后的首批科学影像图，标志着中国首次火星探测任务取得圆满成功。截至12月31日，“天问”一号环绕器在轨运行526天，火星车在火星表面工作225个火星日，累计行驶超过1400m（见图2），共传回约560GB原始科学数据。

图2 “天问”一号环绕器拍摄的“祝融”火星车1km行驶轨迹

火星探测任务的成功使中国成为世界上首个通过一次任务实现火星环绕、着陆、巡视探测的国家，以及世界上继美国之后第二个具备在火星上开展巡视探测能力的国家，在较短时间内使我国在行星探测领域跨入世界先进行列。同时，我国积极开展火星数据交换与国际合作，针对NASA提出的火星探测器轨道星历数据交换请求开展数据交换，与欧空局（ESA）火星快车开展在轨中继通信对接试验，并验证了相关设计标准与国外设备的兼容性。

2. 美国“毅力”火星车踏出火星采样返回第一步

美国“毅力”火星车于2021年2月18日在耶泽罗撞击坑着陆，2021年共完成两次采样，其中，第一次没有采到岩芯样品，但在样品管中装入了火星大气；第二次成功采集到较为年轻的玄武岩，它可以帮助科学家们重建耶泽罗的地质历史时间线。“毅力”火星车携带的“机智”直升机于2021年4月19日在火星上起飞，这是人类首次实现飞行器在其他星球上的受控飞行。2021年4月20日，“毅力”通过电化学分解法将火星大气的二氧化碳分解成一氧化碳和氧气，首次成功从火星大气中制取了5.37g氧气。目前，“毅力”已经处于塞塔南区域，在完成考察和采样之后，“毅力”将重新向北返回着陆点，再向西前往“三岔口”（见图3）。

图3 “毅力”首次科学运动路线图

3. 阿联酋“希望”火星探测器打开阿拉伯太空探索之门

2021年2月9日，“希望”（Hope）火星探测器成功进入环绕火星轨道，成为阿联酋史上首次及阿拉伯世界第一次太空探索。5－7月，“希望”探测器多次“捕捉”到火星上散落的极光（见图4），《自然》报道称，这是迄今人类拍摄到的最清晰的全景火星离散极光图像。离散极光分布于火星局部磁场的上空，对离散极光进行观测有助于理解火星磁场的演变史。

图4 “希望”探测器拍摄到的火星离散极光（圆圈区域）

（三）小行星探测领域

小行星上保存着太阳系形成初期的原始成分，同时可能蕴含地球生命与水起源的重要线索，是研究太阳系起源和演化历史的活化石。截至目前，国内外共实施了16次小行星探测任务，从近距离飞越、绕飞探测、附着就位探测，发展到小行星表面采样返回计划。2021年，小行星探测也进入新的领地。

1.美国“露西”将首次穿越特洛伊小行星群

2021年10月16日发射的“露西”（Lucy）是穿越特洛伊小行星群的首项探测任务（见图5），在2027－2033年之间，“露西”将借助地球引力，先后探访1颗主带小行星，4颗位于日木L4区域的特洛伊小行星和1颗卫星，以及2颗位于日木L5区域的特洛伊小行星，如果该计划成功，将创造一次任务中探索最多天体的记录。

图5 “露西”的轨道路径（航天器的路径（绿色）显示在木星保持静止的参考系中，使轨迹具有椒盐脆饼般的形状）

2.“双小行星变向试验技术卫星”（DART）为行星防御添砖加瓦

2021年11月24日，DART搭乘“猎鹰”9运载火箭发射。DART是NASA开展的全球首次近地天体撞击防御技术试验任务火星十五，将撞击近地双小行星系统——迪蒂莫斯（）中较小的天体迪摩法斯（），试验用于改变小行星运行轨道的动能撞击技术，旨在为防止小行星撞击地球奠定技术基础。探测器携带了一颗由意大利航天局（ISA）提供的6U立方星，其将在撞击前部署并捕获DART撞击的图像。

（四）太阳探测领域

太阳的变化深刻地影响着地球上的生命，同时，太阳也是目前唯一一颗人类可以对诸多物理参数（包括时间、空间和波段）进行高分辨率观测的恒星。因此，对太阳的探测不仅推动了人类对太阳本身的认识，还具有广义的天体物理意义。近年来，太阳探测受到越来越多的关注，目前，国内外已实施了18次太阳探测任务火星十五，其中15次获得成功。

1.“羲和”拉开我国太阳探测的序幕

2021年10月14日，我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和”在太原卫星发射中心顺利升空，拉开了我国太阳空间探测的序幕。“羲和”的全名为“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”，主要科学载荷为太阳空间望远镜，是国际上首次实现空间太阳Hα波段光谱成像探测的卫星。对Hα光谱数据进行分析，可以从光球层到色球层获取太阳低层大气的信息，从而推演太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化，研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。

2.美国“帕克”首次进入日冕层

“帕克”（PSP）是NASA于2018年发射的太阳探测器，其任务是探测日冕层并逐渐接近太阳2021年全球深空探测事业掀开新篇章月球年轻8亿年，最终计划抵达距离太阳表面仅8.86个太阳半径的位置。“帕克”于2021年4月28日成功穿过日冕并采集了粒子和磁场数据，它在太阳表面上方18.8个太阳半径处遇到特定的磁性和粒子条件，这表明其已经越过阿尔文临界面，进入日冕层中。这是人类历史上首次有航天器接触到太阳，这一里程碑标志着太阳科学的一次巨大飞跃。

二、2021年全球深空探测主要成果与科学发现

深空探测是空间科学信息来源的基础，重大科学成果与发现也建立在观测水平的提升和观测手段的开拓之上。随着深空探测技术的进步，人们已经不满足于到行星的表面看一看；而是看向时间的深处，即研究行星的演化历史；看向空间的深处，即研究行星的内部结构；看向人类的深处，即研究生命起源和寻找地外生命。2021年全球深空探测的主要成果与科学发现重点围绕时间、空间、生命这3个维度进行。

（一）“嫦娥”五号采回的月壤样品揭示月球演化历史

月球的形成和演化对我们理解宜居地球的形成有重要意义。2020年底，“嫦娥”五号顺利从月球风暴洋东北部（51.916°W，43.058°N）采回了1731g月球样品，为我们研究月球晚期演化的奥秘提供了契机。研究表明，“嫦娥”五号样品为一类新的月海玄武岩，填补了美国和苏联月球采样任务的“空白”（见图6）。该玄武岩非常年轻，仅20亿年，比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间晚了8亿~9亿年。同时，着陆区的源区并不富集放射性元素，并且月幔源区几乎不含水。研究还发现，“嫦娥”五号月壤可能同时包含低钛和高钛玄武岩，研究人员猜测这是因为着陆区曾有多次火山喷发。这一系列研究成果改变了我们对月球热演化历史的认识，对了解月球起源和演化具有重要意义。

图6 “嫦娥”五号玄武岩颗粒背散射电镜图片

（二）“嫦娥”四号在月球背面发现“天外来客”

月球自形成以来就不断受到陨石的撞击作用，如何识别这些撞击体及其类型，对我们理解内太阳系的撞击历史至关重要。最近，“嫦娥”四号在其行驶途中发现了一个形成年龄小于100万年的撞击坑（见图7）。在该陨石坑内，研究人员利用超高空间分辨率的影像与光谱数据，首次在月表原位识别出碳质球粒陨石撞击体残留物。这一发现表明，富含挥发分的碳质小行星的撞击可能仍然为现在的月球提供水源。同时，该研究显示比较年轻的月表物质（如“嫦娥”五号返回样品）中存在撞击体残留物的可能性。对这些撞击体残留物进行分析火星十五，有望对太阳系轨道动力学演化进行进一步约束，增进我们对内太阳系撞击历史的了解。

图7 “玉兔”二号对巡视路径上“偶遇”的一个小型新鲜撞击坑进行详细的光谱探测

（三）“洞察”揭秘火星内部结构

2018年11月26日，NASA的“洞察”（）火星探测器成功在火星赤道附近着陆。它在火星表面布设了首台火震仪，开启了人类直接探测火星内部结构的新篇章。经过3年多的运行，“洞察”在其着陆点测量到大约733次地震。科学家基于其中35次地震的数据，揭示了火星的内部结构，估计了火星地核的大小（见图8）、地幔的结构和地壳的厚度。这是人类第一次使用地震数据来探测地球以外行星的内部结构，具有里程碑式的重要意义。在此基础上，火星核的成分、火星热和动力学演化等终极问题也有待更深入的探讨。

图8 火星内部结构与火震射线路径

（四）天文望远镜窥探小行星身世之谜

是一颗于2016年4月27日发现的小行星，被认为是至今发现的轨道最稳定的地球准卫星。科学家利用美国的大双筒望远镜（Large ，LBT）和探索频道望远镜（ ，DCT）对这颗小行星进行了可见光和近红外波段的光谱测量，发现这颗小行星与月球岩石的光谱曲线相似2021年全球深空探测事业掀开新篇章月球年轻8亿年，且这颗小行星的轨道能量也与地月系统轨道能量接近，这表明其可能与地月系统存在一定的渊源。我国正计划从这颗小行星上采样返回，在后续科学研究中将给出更加确凿的答案。

（五）“隼鸟”2带回太阳系最原始物质

2020年12月18日，“隼鸟”2从C型小行星龙宫（Ryugu）带回5.4g黑色沙粒状物质，科学家对此展开了大量研究。2021年12月21日发布的科学研究成果证实样本中的黑色颗粒是太阳系里已知最原始的物质。这些样品的返照率只有2%，比绝大多数陨石都要黑，其中还含有水合物和有机物，且平均密度低于所有陨石，内部没有熔融物质凝结形成的球粒等结构，这表明数十亿年来这些颗粒的形成都没经受过外部加热之类的变化，而是从原行星盘中聚集形成时产生的。

（六）“旅行者”1首次听到星际“声音”

“旅行者”1于2011年进入星际空间，是人类至今发射的最遥远的人造天体。2021年5月，NASA首次报告了“旅行者”1对星际空间物质密度的连续测量结果及首次探测到波动信号。科学家认为“旅行者”1所传回的窄频率范围内的“嗡嗡声”来自星际气体扰动对探测器造成的振动。借助这些数据可以更深入地了解太阳风与星际空间粒子的相互作用，更好地监测等离子体的空间分布。

总体而言，在深空探测的各个领域都涌现出新的科学成果，覆盖天体物理、行星科学、日球层物理等多个学科领域，改变着人类对宇宙的认知。随着后期国内外探测任务的不断推进，新一轮的科学发现也将拉开帷幕。

三、2021年国际航天政策主要动态

2021年，世界各国纷纷出台航天政策，制定合作协议、投资计划等，加强对太空探索的战略部署，推进多边外交合作，提升对技术创新和太空资源开发利用的关注度，同时在财政预算方面加大对深空探测的投入。其中，2021发布的主要航天政策如表2所示。

表2 2021年国际航天政策动态

四、深空探测发展趋势

（一）近期国际深空探测热点