世界前沿技术发展报告2023《世界航天技术发展报告》（五）太空探索技术
资料来自：《世界前沿技术发展报告2023》和网络
1. 概述
深空探测作为人类太空探索活动的风向标和太空科技创新的主要路径，是当前和未来国际航天领域的重点发展方向之一。2022年，美国、日本、韩国和中国等继续由近及远地开展多目标多任务深空探索，以月球作为前哨基地，逐步开展延伸至其他小行星、火星及太阳等天体的探测活动。
2. 月球探索规划和探索活动
2.1 美国推进“阿尔忒弥斯”项目实施，并公布月球候选着陆区
2022年，NASA先后与以色列、罗马尼亚、巴林、新加坡、沙特阿拉伯、卢旺达和尼日利亚签署《阿尔忒弥斯协定》(Artemis Accords)。截至2022年12月，全球已有23个国家与美国签署《阿尔忒弥斯协定》。“阿尔忒弥斯”(Artemis)项目是NASA主导的载人航天项目，目标是将航天员平安送往月球并返回，建立常态化驻留机制，为未来火星载人登陆任务铺平道路。该项目前期任务主要包括“阿尔忒弥斯”-1不载人绕月任务、“阿尔忒弥斯”-2首次载人绕月飞行任务、“阿尔忒弥斯”-3载人登月任务。其中，“阿尔忒弥斯”-1和“阿尔忒弥斯”-2任务预计将由“太空发射系统”(SLS)执行；“阿尔忒弥斯”-3及后续任务预计将由SpaceX公司研发的“星舰”执行。NASA表示，“阿尔忒弥斯”-3任务预计于2026年执行。
2.2 NASA“猎户座”飞船成功发射并完成无人绕月飞行任务
作为“阿尔忒弥斯”-1任务的核心作业，2022年11月，美国“太空发射系统”重型运载火箭首次成功发射，将“猎户座”载人飞船和10颗立方星送入地月转移轨道。“猎户座”飞船成功脱离箭体后，进行了第1次轨道机动系统发动机点火，并成功飞抵距离月球表面不足129千米处。该飞船通过第2次机动点火首次进入大幅值逆行绕月轨道，并逆行绕飞月球收集测试数据。该飞船在该轨道驻留6天后，再次进行了两次机动点火，成功进入地球返回轨道。在进入地球大气层期间，该飞船采取了特殊的“跳跃式进入法”，通过在地球大气层上弹跳进行减速，以让飞船更精确着陆。
2.3 美国拟建立“地月空间高速公路巡逻系统”以监测地月空间
2022年3月，美国空军研究实验室拟开展“地月高速公路巡逻卫星”(CislunarHighway Patrol Satellite, CHPS)项目，并表示将关注地球静止轨道和月球轨道之间的地月空间。该项目于2022年8月正式更名为“甲骨文”(Oracle)项目。美国空军拟向月球发射CHPS卫星，拟于2025年投入使用，用于搜寻碎片、火箭箭体和以往未进行跟踪的地月空间里的其他物体，并更新目前运行在月球附近或从地球上难以观测的地月空间区域内其他航天器的位置数据。AFRL已向美国Advanced Space公司授予一份价值7200万美元合同，以开发用于监测地月空间环境的实验性航天器。同时，AFRL向企业征询卫星设计和研制方案，希望具备对运行在月球乃至更远距离上的物体进行探测、跟踪和识别的能力。
2.4 美国成功发射CAPSTONE立方体卫星，对环月轨道环境开展测试
2022年6月，美国火箭实验室公司利用“电子”号(Electron)火箭在新西兰成功发射由NASA资助的地月空间自主定位系统技术操作和导航试验(Cislunar AutonomousPositioning System Technology Operations and Navigation Experiment,CAPSTONE)立方体卫星。CAPSTONE卫星重25千克，旨在对环月轨道的稳定性及自主导航系统进行测试，为“阿尔忒弥斯”(Artemis)任务的实施奠定基础。该卫星曾在脱离地球轨道向月球前进的过程中失联，经NASA尝试修复后已重新建立联系，并在3次轨迹校正机动后于2022年11月成功进入环月近直线晕轨道。
2.5 韩国发射首个月球探测器，并成功与地面站实现通信
2022年8月，韩国首个月球探测器“赏月”号搭乘美国SpaceX公司“猎鹰”-9火箭发射升空，执行为期1年的月球观测任务。“赏月”号在发射后成功与地面站实现首次通信，并在经过近30天飞行后，成功抵达距地球约150万千米的日地拉格朗日L1点，并再次启动发动机对轨道进行修正。2022年12月16日，该飞行器成功进入月球轨道，并以每12.3小时绕月球周围椭圆轨道一周的速度飞行。“赏月”号将使用6种不同仪器，对月球表面地形、磁场强度、伽马射线等进行数据采集，其中包括使用由NASA提供的ShadowCam高灵敏阴影相机对月球南极地区进行高清拍摄，为“阿尔忒弥斯”-3任务提供潜在的登月着陆点。
2.6 日本宇宙航空研究开发机构“好客”号小型月球着陆器任务失败
2022年11月，日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)宣布放弃小型箱型探测器“好客”号月球着陆项目。“好客”号探测器是一个6U立方星，长11厘米、宽24厘米、高37厘米、重12.6千克，开发成本560万美元，由美国太空发射系统火箭发射。“好客”号在发射后成功与火箭分离并飞向月球，但出现了角速度每4～5秒旋转一次的现象，比极限值高出8倍，其太阳能电池未能及时朝向太阳，无法接收信号和提供能源，因此错过进入月球轨道并在月球着陆的机会。JAXA已成立特别小组调查失败原因，包括探测器位置偏离问题。
日本曾于2007年发射月球轨道器“月亮女神”(Kaguya)，此后日本在月球探测器领域落后于其他国家。原以为“好客”号会成为日本第一个在月球表面着陆的探测器。除“好客”号项目外，JAXA推动中的月球探测项目还包括2023年“苗条”号月球探测智慧着陆器(Smart Lander for Investigating Moon, SLIM)实现软着陆、2024年或之后在月球南极寻找水等。
2.7 日本初创公司ispace成功发射全球首个商业月球着陆器
2022年12月，日本太空初创公司ispace自主研发的“玉兔”号(HAKUTO-R M1)飞船搭乘美国SpaceX公司的“猎鹰”-9运载火箭于佛罗里达州卡纳维拉尔角成功发射，成为全球首个顺利升空的商业月球着陆器。“玉兔”号月球着陆器高2.3米，宽2.6米，净重340千克，将在约4个月后抵达月球轨道，并预计于2023年4月底在北纬47.5度，东经44.4度月球最北端“冷海”(Mare Frigoris)的阿特拉斯陨石坑(AtlasCrater)着陆。该着陆器的其他潜在着陆点包括“伊里杜姆窦”(Sinus Iridum)、“索姆尼奥姆湖”(Lacus Somniorum)和“前海”(Oceanus Procellarum)。此外，此次发射还搭载了阿联酋月球车和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的有效载荷。
该公司希望完成10项任务操作计划，具体包括：一是完成发射准备；二是启动和部署完成；三是建立稳定运行状态；四是完成首次轨道控制机动；五是完成为期一个月的稳定状态飞行操作；六是在进入月球轨道前完成所有深空轨道控制机动；七是到达月球引力场/月球轨道；八是完成月球轨道上的所有轨道控制机动；九是完成登月软着陆；十是登月后建立稳定系统状态。2023年1月，“玉兔”号已根据任务操作计划成功进行第2次轨道控制机动。此次轨道机动是着陆器前往月球期间的第2次调整，相较于2022年12月完成的第1次调整，机动位置距离地球更远，持续机动时间更长，验证了该公司在各种条件下进行轨道机动的能力。如果任务顺利进行，ispace公司或将成为首家实现月球表面着陆的商业公司。
3. 火星探索活动
3.1 NASA“洞察”号火星探测器任务正式结束
2022年12月，NASA“洞察”号(InSight)火星无人着陆探测器任务正式结束。NASA表示，“洞察”号火星探测器因长期灰尘积聚在其太阳能电池阵列上导致电池功率水平持续下降，已连续两次无法支持与地球通信，最后一次与地球通信是在2022年12月15日。该探测器初始电池阵列功率水平达5000瓦时，2021年6月降至仅700瓦时，2022年12月功率水平已降至285瓦时。美国工程师团队已进行多次清除积聚灰尘尝试后，包括使用“洞察”号的机械臂铲起火星风化层并将其倾倒在电池阵列附近，以期使风化层颗粒吸附电池阵列上灰尘达到除尘效果，但收效甚微。
2018年11月，“洞察”号在火星赤道以北广阔且平坦的“埃律西昂平原”(ElysiumPlanitia)登陆，旨在了解火星内部结构、探究火星震和火星内核等，任务年限从最初的两年延长至4年。“洞察”号的主要成就之一是证实火星仍存在地震活跃现象，并记录火星震超1300次，同时测量到陨石撞击产生的地震波。
3.2 NASA“毅力”号火星探测器在火星连续投放岩石取样管
2022年12月，NASA“毅力”号(Perseverance)火星探测器已在火星表面连续投放2份火星岩石样本管，为“火星采样返回项目”(Mars Sample-return Mission, MSR)提供支持。“毅力”号于2022年12月21日在火星表面投放了第一份取样管，其中装有在火星“杰泽罗”陨石坑(JezeroCrater)采集的粉笔大小的火成岩岩芯；2022年12月24日在火星表面投放了第二份取样管，其中装有在火星古河流三角洲边缘采集的7.36厘米的沉积岩岩芯。该沉积岩岩芯是迄今火星探测器采集到的最长岩芯。“毅力”号预计将投放共计10个密封取样管，建造人类在火星上的第一个样本库。样本库的建成将标志着NASA“火星采样返回项目”迈出了重要一步。
“毅力”号在每个钻探点均收集了两份样本，其中一份保存在探测器内，另一份则投放在火星表面作为备份。NASA表示，如果“毅力”号的动力持续时间足够长，就可以把携带的样本交付给未来的着陆器；如果“毅力”号不能交付样本，那么火星上的样本库就会作为备份，由两架样本回收直升机来完成交付工作。NASA拟于2033年将火星样本送回地球。届时，“毅力”号将使用机械臂把样本放置在小型火箭舱内，再由小型火箭发射到火星轨道。火星轨道上的航天器将捕获小型火箭舱并将样本送回地球进行深入分析。
3.3 NASA成功进行火星登陆充气式返回舱测试任务
2022年11月，NASA利用“宇宙神”-5火箭成功进行“充气减速器”(Low-Earth OrbitFlight Test of an Inflatable Decelerator, LOFTID)充气式返回舱近地轨道飞行测试任务。“充气减速器”返回舱验证了充气式再入减速技术，成功溅落在夏威夷附近海域。该任务旨在测试直径为6米的“充气减速器”返回舱的性能，并收集再入大气层时的数据，以支持开展未来的火星登陆任务。
4. 太阳探索活动
4.1 中国成功发射综合性太阳探测卫星“夸父一号”
2022年10月，中国科学院使用长征二号丁运载火箭成功发射太空科学卫星“夸父一号”，并顺利进入太空“逐日”的预定轨道。该卫星作为先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)，是由中国太阳物理学家自主提出的综合性太阳探测专用卫星，也是中国科学院“空间科学先导专项”继“悟空”“墨子号”“慧眼”“实践十号”“太极一号”和“怀柔一号”之后，研制发射的又一颗太空科学卫星，实现了中国天基太阳探测卫星跨越式突破。“夸父一号”卫星由中国科学院国家“空间科学中心”负责工程大总体和地面支撑系统的研制建设；中国科学院微小卫星创新研究院、中国科学院国家天文台、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院紫金山天文台负责卫星平台及有效载荷研制；中国科学院紫金山天文台负责研发科学应用系统；中国西安卫星测控中心负责研发测控系统；中国航天科技集团有限公司第八研究院负责研制生产运载火箭。
“夸父一号”卫星将利用太阳活动第25周峰年契机，以探测太阳“一磁两暴”为任务，研究“一磁”（全日面矢量磁场）“两暴”（太阳耀斑和日冕物质抛射）的形成、相互作用及彼此关联，为影响人类航天、通信、导航等高科技活动的太空灾害性天气预报提供支持。该卫星设计寿命4年，运行在距地约720千米的太阳同步晨昏轨道，搭载有全日面矢量磁像仪、莱曼阿尔法太阳望远镜和太阳硬X射线成像仪3台有效载荷。此次观测任务将首次在一颗近地卫星平台上实现对全日面矢量磁场、太阳耀斑非热辐射、日冕物质抛射日面形成和近日面传播的同时观测，同时将首次在莱曼阿尔法波段实现全日面和近日冕的同时观测。
4.2 中国发布首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”探测成果
2022年8月，中国国家航天局发布中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”探测成果。“羲和号”是一颗太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，于2021年10月搭载长征二号丁运载火箭发射升空，运行于平均高度为517千米的太阳同步轨道，主要科学载荷为太阳Hα成像光谱仪。
该卫星以太阳科学探测与新型卫星技术测试为主，经过前期在轨试验与调试，创下5个国际首次，对后续开展太阳探测任务、提升中国在太空科学领域国际影响力等具有重要意义。一是国际首次成功实现太阳Hα波段光谱扫描成像；二是国际首次在轨获取太阳Hα谱线、Si I谱线、Fe I谱线的精细结构；三是国际首次实现主从协同非接触“双超”（超高指向精度、超高稳定度）卫星平台技术在轨性能验证与工程应用；四是实现国际首台太阳Hα成像光谱仪在轨应用；五是实现国际首台原子鉴频太阳测速导航仪在轨验证。
5. 其他深空探索活动
5.1 美国詹姆斯·韦伯太空望远镜成功部署，并取得多项探测成果
美国詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)是由NASA、欧洲航天局和加拿大航空航天局(Canadian Space Agency)联合研发的红外线观测用太空望远镜。该望远镜于2021年12月成功发射，2022年1月抵达了第二拉格朗日点，并围绕该点以半径80万千米的日晕轨道运行。
2022年2月，詹姆斯·韦伯太空望远镜传回了拍摄的第一张照片。2022年7月，NASA公布了詹姆斯·韦伯太空望远镜升空半年多以来拍摄的首批全彩照片。该批图像涵盖深空星系团、致密星系群、弥漫星云及系外行星等天文学最前沿的研究领域。2022年8月，望远镜首次捕捉到太阳系外行星大气中存在二氧化碳的明确证据。2022年9月，望远镜发布了其拍摄的首张火星红外图像，捕获了整颗行星的大气数据。2022年11月，望远镜发现已知最早星系。詹姆斯·韦伯太空望远镜通过观测遥远的原始星系，可以确定星系的演化过程，对研究人员理解太阳系的形成与演化过程具有建设性意义。同时，詹姆斯·韦伯太空望远镜利用强大的观测系统可对光芒相对暗淡的低能量褐矮星、年轻的原恒星等目标开展观测，揭示一个由不可见的恒星和行星组成的隐秘宇宙，为研究人员开展系外行星的探索，深入研究地球上生命的起源提供重要帮助。
5.2 NASA实施全球首次近地小行星防御任务
2022年9月，NASA“双小行星重定向测试”(DART)航天器以每秒6.5千米的速度成功撞击了近地双小行星系统中的卫星“迪莫尔弗斯”(Dimorphos)。该任务是NASA开展的全球首次行星防御技术测试，旨在验证利用动能撞击技术偏转小行星运行轨道的可行性。NASA表示，撞击任务后两周的观测数据表明，DART航天器成功使目标小行星“迪莫尔弗斯”的轨道周期缩短了32分钟。根据NASA的衡量标准，DART任务取得成功的最低要求是使目标小行星的轨道周期改变73秒，这意味着该任务的实际成果达到了最低基准的25倍以上。后续撞击观测活动或将持续6个月，将对小行星轨道变化、质地、撞击陨石坑进行测算，以精准评估撞击效果。
5.3 日本在小行星探测器“隼鸟”-2的采集样本中发现超20种氨基酸，首次确认地球外氨基酸的存在
2022年6月，日本在其小行星探测器“隼鸟”-2(Hayabusa 2)带回的“龙宫”(Ryugu)小行星沙土样本中发现了20余种氨基酸。此次发现是人类首次在地球外确认氨基酸的存在。氨基酸是构成蛋白质的基本单位，有助于探索生命起源。此外，此次发现可能将进一步证实生命起源于太空，即地球上的原始氨基酸分子可能是通过陨石携带进入地球的。
6. 深空探索前沿技术
6.1 NASA授出月球核裂变发电系统合同
2022年6月，NASA与美国能源部合作选定3种月球表面核裂变发电系统(TheFission Surface Power)的设计概念提案，向洛克希德·马丁、西屋电气(Westinghouse)及IX公司（Orix Corporation；Intuitive Machines和X-Energy公司的合资企业）授出价值约500万美元的合同，用于初步设计开发40千瓦级裂变发电系统。裂变系统相比其他发电系统，具有体积小、重量轻、可靠性高，以及可在任意位置及各种自然环境下连续供电的优势。根据计划，月球表面核裂变发电系统将在21世纪20年代末具备月球演示能力，最终实现在月球至少运行10年的目标。
6.2 DARPA启动探索太空制造计划
2022年3月，DARPA与8个企业与大学研究团队签订新型轨道与月球制造、材料和大质量高效设计(Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design, NOM4D)项目合同，任务目标是开展太空制造领域材料科学、制造和设计技术等方面的概念研究，实现未来太空结构的在轨制造，以免受火箭发射能力的限制。DARPA希望实现从地球运送原材料，并收集月球材料进行在轨制造的模式。NOM4D项目不涉及在月球表面建造任何结构，所有制造过程都将在轨道建设设施中完成，其最终成果也将用于轨道应用。
6.3 DARPA“敏捷型地月空间行动演示验证火箭”项目持续推进，为核热火箭设计研制提供支持
2022年5月，DARPA发布敏捷型地月空间行动演示验证火箭(DemonstrationRocket for Agile Cislunar Operations, DRACO)项目第二和第三阶段征询书，推进核热火箭发动机的设计、开发、制造与组装。DRACO项目旨在开发新型核热推进技术，以解决电力推进系统的推重比和化学推进系统的推进剂效率方面存在的局限性，为未来太空作业奠定基础。该项目第一阶段的目标是开展核热推进反应堆和推进子系统的概念设计，以及开展在轨演示验证系统的概念设计；第二阶段的目标是完成演示系统的初步和详细设计，并建造和试验核热火箭发动机；第三阶段的目标是进行核热火箭发动机的全功率在轨飞行试验。
目前，DARPA授予通用原子电磁系统(General Atomics ElectromagneticSystems Group, GA-EMS)、蓝色起源和洛克希德·马丁3家美国公司第一阶段合同。截至2022年11月，GA-EMS已完成DRACO项目A任务第一阶段主要任务目标，包括交付核热推进反应堆和发动机的基线设计，并使用NASA核热火箭元件环境模拟器成功测试核反应堆的耐高温元件等关键部件。
6.4 美国国防创新小组选择美国超安全核能公司和雪崩能源公司开发小型核动力航天器
2022年5月，美国国防创新小组选择两家美国公司超安全核能和雪崩能源(Avalanche Energy)开发小型核动力航天器，并计划2027年开展太空演示。其中，超安全核能公司将展示一种名为EmberCore的可充电封装核放射性同位素电池。雪崩能源公司开发了一种名为Orbitron的手持式微聚变反应堆，可用作推进器和动力源。
6.5 美国桑迪亚国家实验室为月球基地设计微电网
2022年5月，美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories, SNL)与NASA达成合作，为未来月球基地设计微电网。该实验室为月球基地采矿与加工中心的微电网设计电气系统控制器。该控制器可在不同时间维持均匀的电压水平。采矿设施的微电网最终与月球居住单元的微电网相连。该实验室的另一个工作重点是开发连接采矿设施与居住单元微电网的系统，以维持电网的韧性与稳健性。
6.6 日本探测器“小马座”将验证以水为推进剂的新型推进器
2022年11月，日本“小马座”(Equuleus)探测器顺利与地面建立通信，按照预期目标执行任务。“小马座”是一颗由日本宇宙航空研究开发机构和东京大学联合研制的月地平动点6U立方星，与“好客”号同时搭乘“阿尔忒弥斯”-1任务SLS运载火箭发射。“小马座”配有“宝瓶宫”(Aquarius)推进系统，包括8个水推进器，载有1.5千克水推进剂，用于姿态控制和机动管理。此外，该探测器还配备了等离子层氦离子观测望远镜、6U月球撞击现象探测相机、隔热地月物体探测器等多种科学仪器。“小马座”将飞向地月拉格朗日点验证轨道机动技术，并测量地球周边等离子体分布，为研究地球周围空间区域的辐射环境、测试低能量轨迹控制技术提供支持。
