1.1　深空探测

随着科学技术水平的发展，人类已经具备了通过航天活动来探索地球以外天体的能力。根据探测目标和任务的不同，人类的航天活动主要分为地球应用卫星、载人航天和深空探测三大领域。

深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。关于深空的定义，国际宇航界公认的是国际电信联盟（ITU）的《无线电规则》第1.77款中关于深空的规定。过去的《无线电规则》将深空的边界定义在月球的距离上；1988年10月，在世界无线电管理大会（WARC）ORB-88会议上确定将深空的边界修订为距离地球大于或等于2.0×10 6 km的空间，这一规定从1990年3月16日起生效 ^［1］ 。国际空间数据咨询委员会（CCSDS）在其建议书中也将距离地球2.0×10 6 km以远的航天活动定义为B类任务（即深空任务）。目前，国际上主要航天国家和组织均把这一定义作为深空的标准定义。

在《中国大百科全书——航空·航天卷》的空间探测器条目中提出：对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器，又称深空探测器。空间探测器包括月球探测器、行星探测器和行星际探测器。空间探测器是深空探测的主要工具。深空探测主要包括月球探测、行星探测和行星际探测。探测的主要目的是：了解太阳系的起源、演变和现状；通过对太阳系内的各主要行星的比较研究进一步认识地球环境的形成和演变；了解太阳系的变化历史；探索生命的起源和演变。空间探测器实现了对月球和行星的逼近观测和直接取样探测，开创了人类探索太阳系内天体的新阶段。 ^［2］

空间探测系统包括空间探测器和深空网。空间探测器是系统的空间部分，装载科学探测仪器，执行空间探测任务。为执行不同的探测任务和探测不同的目标，可构成不同的空间探测系统。空间探测的主要方式有：①从月球或行星近旁飞过，进行近距离观测；②成为月球或行星的人造卫星，进行长期的反复观测；③在月球或行星表面硬着陆，利用坠毁之前的短暂时机进行探测；④在月球或行星表面软着陆，进行实地考察，也可将取得的样品送回地球研究。 ^［2］

在2000年11月国务院新闻办公室发布的《中国的航天》白皮书中提出“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究” ^［3］ 。《2006年中国的航天》白皮书在“过去五年的进展”中又指出“在深空探测方面，开展了绕月探测工程的预先研究和工程实施，取得重要进展” ^［4］ 。2007年10月24日，首颗月球探测器嫦娥一号发射成功，同年11月，成功传回月球表面照片。图1-1即为嫦娥一号卫星及其拍摄的月面图像。2007年12月，胡锦涛主席在庆祝我国首次月球探测工程取得圆满成功大会上明确指出“首次月球探测工程，是我国开展深空探测的第一步”。可见，中国将月球探测作为了深空探测的起步。

从1958年8月17日美国发射第一个月球探测器先驱者0号开始，人类迈向太阳系的深空探测活动至今已有50多年的历史了。人类开展的深空探测活动已基本覆盖了太阳系内的各类天体，包括太阳、除了地球之外的其他七大行星及其卫星、小行星和彗星等，实现了飞越、撞击、环绕、软着陆、巡视、采样返回等多种探测方式。探测的重点主要集中在火星、金星、太阳以及小天体。迄今为止，仅有美国、苏联/俄罗斯、欧洲航天局、日本、中国和印度独立开展了深空探测活动。而美国则是目前唯一已经对除地球之外的其他七大行星、太阳、小天体及太阳系以外宇宙空间开展过探测活动的国家。

美国在20世纪70年代发射的先驱者10号（1972年3月2日发射，在2003年1月23日，最后一次接收到从先驱者10号发送来的极微弱信号时，它正处于距地球约80个AU ⁽¹⁾ 的位置，截至2014年3月距离太阳约110.526个AU，并以每年2.534个AU的速度飞离 ^［5］ ）、先驱者11号（1973年4月6日发射，截至2014年3月距离太阳约89.994个AU，并以每年2.392个AU的速度飞离 ^［5］ ）、旅行者1号（1977年9月5日发射，截至2013年9月距离太阳约125.3个AU，并以每年3.6个AU的速度远离太阳系 ^［6］ ）和旅行者2号（1977年8月20日发射，截至2013年9月距离太阳约102.6个AU，并以每年3.3个AU的速度远离太阳系 ^［6］ ）已经能够飞出太阳系边缘，正在奔向更加遥远的星际空间。先驱者10号正在飞向银河系的中心，而先驱者11号正在朝相反的方向飞行 ^［7］ ，旅行者1号和旅行者2号则正在飞向另外两个方向，如图1-2所示。

2013年9月12日，美国国家航空航天局（NASA）宣布旅行者1号已经飞出了太阳系，进入由等离子体和电离气体占主导的星际空间，成为目前离地球最远的人造飞行器，也是第一个进入星际空间的人造物体。图1-3给出了旅行者1号和旅行者2号在星际空间的位置示意，上方的航天器是旅行者1号。

2012年4月15日，嫦娥二号离开日地拉格朗日L2点前往4179号小行星（Toutati，图塔蒂斯）进行探测。2012年8月下旬，嫦娥二号与地球的距离突破了200万km，进入了真正意义的深空。北京时间2012年12月13日16时30分09秒，嫦娥二号在距地球约700万km远的深空，对4179号小行星进行了飞越探测，并成功对其进行了拍照，如图1-4所示。这是中国第一次对小行星进行探测，也是第一次真正意义上的深空探测活动。中国也成为继美国、欧洲航天局和日本之后，第四个对小行星实施探测的国家（或组织）。

由于火星的自然环境与地球较为相似，是人类目前认识最深入的类地行星，一直以来都是国际上深空探测的重点目标。截至2014年12月，人类已先后发射42颗火星探测器，实现了飞越、环绕、着陆和巡视探测，如图1-5所示。在50余年的火星探测历程中，人类已经获得了大量关于火星大气、地形地貌等的科学数据。

自20世纪90年代以来，主要是美国先后实施了12次火星探测任务，其中9次取得成功，实现了软着陆和火星车巡视探测。其中具有代表性的是机遇号（Opportunity）和勇气号（Spirit）在火星表面进行了长期巡视探测；凤凰号（Phoenix）成功实现了火星极地软着陆，并发现了火星上水冰的存在；2011年11月26日发射的火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL），即好奇号火星车（Curiosity），全部采用核电源，空中吊车式软着陆方式，再次开展火星巡视探测，并已于2012年8月6日成功着陆在火星表面的Gale陨石坑，如图1-6所示。

2013年11月18日13时28分（美国东部时间）美国NASA发射了“火星大气与挥发演化”（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN，MAVEN）探测器，如图1-7所示，2014年9月22日MAVEN探测器顺利进入环火轨道，开展火星上层大气、电离层及其与太阳和太阳风之间的相互影响探测。

印度航天研究组织（Indian Space Research Organization，ISRO）2013年11月5日发射了印度第一个火星探测器——火星飞船（Mangalyaan），于2014年9月24日进入火星轨道，成为世界上第四个将航天器送达火星轨道的航天机构，也是亚洲第一个实现火星探测的国家。

进入21世纪以来，世界上各主要航天大国和组织都制定了20年乃至更长远的深空探测发展规划。2011年9月，由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）、俄罗斯联邦航天局（Федеральное космическое агентство России，Roscosmos）、日本宇宙航空开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）等14个国家或组织的航天局（如图1-8所示）组成的国际空间探索协调组（International Space Exploration Coordination Group，ISECG）发布了《全球探测路线图》，并于2013年8月进行了修订。该路线图规划了未来25年通过国际合作人类持续探测月球、小行星和火星的途径，确定了探测目的地、任务目标、任务方案及探测准备活动等，如图1-9所示。

ISECG提出的未来25年的空间探测活动的最终目标是实现载人火星探测。各个成员机构针对这一目标在路线图中提出了两种技术路线，一种是以美国NASA为主导提出的小行星优先路线，另一种是其他国家和组织提出的月球优先路线。两种路线的主要差异是在2020年之后的载人探测任务规划上，一个是从月地拉格朗日L1点的深空定居点任务到载人小行星着陆探测，最终实现载人火星探测；另一个是从载人月球探测到实现载人火星探测。各个成员机构已明确的2025年前全球无人深空探测任务规划如图1-10所示，探测的重点仍主要集中在火星，包括了着陆器/巡视器、轨道器和采样返回任务。