美國新版行星科學和天體生物學十年戰(zhàn)略解讀

張揚眉 趙琪（北京空間科技信息研究所）

2022年4月19日，美國國家研究委員會（NRC）發(fā)布《起源、世界和生命：行星科學和天體生物學十年戰(zhàn)略2023——2032》（簡稱《十年戰(zhàn)略》），提出了美國未來十年在行星科學、天體生物學、行星防御等領(lǐng)域的科學優(yōu)先事項和潛在的機遇，并給出相應(yīng)的投資建議。

該報告定義了12個優(yōu)先科學問題，確定了3個高級科學主題——起源、世界和進程、生命和可居住性，以幫助指導行星科學和天體生物學的任務(wù)選擇和研究工作。此外，該報告建議NASA均衡發(fā)展各級任務(wù)，提出了未來十年推薦實施的重點任務(wù)，并根據(jù)不同的預(yù)算前提，制定了未來美國太陽系探索的“保底計劃”和“建議計劃”。

美國國家科學院十年調(diào)查指導委員會聯(lián)合主席、西南研究所行星科學理事會助理副總裁羅賓·卡努普（Robin Canup）說：“這份報告提出了一個雄心勃勃但切實可行的愿景，以在未來十年推進行星科學、天體生物學和行星防御的前沿發(fā)展?！?/p>

1 報告出臺背景

“十年調(diào)查”是由美國國家研究委員會應(yīng)NASA的要求而撰寫的報告，涵蓋美國國家航空航天局（NASA）科學領(lǐng)域的四大分領(lǐng)域——行星科學、天體物理學、太陽物理學和地球科學，目的是為NASA和其他美國政府機構(gòu)制定上述領(lǐng)域在未來十年的戰(zhàn)略規(guī)劃提供參考?！笆暾{(diào)查”大約每十年發(fā)布一個分領(lǐng)域版本，包括《行星科學十年調(diào)查》《天文學與天體物理學十年調(diào)查》《太陽物理學十年調(diào)查》《地球科學十年調(diào)查》等。

美國國家研究委員會是1916年由美國國家科學院創(chuàng)建的民間非營利組織，是美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫(yī)學院具體從事科學技術(shù)研究和業(yè)務(wù)活動的機構(gòu)，既接受這三個國家學院的指導管理，又保持其獨立的研究體制并進行相互協(xié)作。此前，美國國家研究委員會于2003和2011年發(fā)布了名為《太陽系探索新前沿》《行星科學愿景與航程》的“行星科學十年調(diào)查”報告，而2022年新版的“十年調(diào)查”報告則涵蓋行星科學、天體生物學和行星防御相關(guān)內(nèi)容，并被命名為《十年戰(zhàn)略》。報告指導委員會根據(jù)來自6個建議小組的輸入、數(shù)百本白皮書、專業(yè)會議、與任務(wù)團隊討論等多種途徑，撰寫了本版報告。

2 報告主要內(nèi)容

《十年戰(zhàn)略》共23章，700余頁，首先介紹了撰寫該報告的需求、來源和背景，其次闡述了行星科學、天體生物學和行星防御的定義，分析了太陽系月球以及各大行星系統(tǒng)的特點，回顧了以往的探測任務(wù)，歸納出12項優(yōu)先科學問題并加以詳細闡述，梳理了未來相關(guān)的關(guān)鍵探測技術(shù)，重點提出了未來十年建議實施的計劃和任務(wù)，最后展望未來，并提出中期評審報告以及下一版“十年調(diào)查”報告的撰寫需求。

報告封面

提出12項優(yōu)先科學問題，關(guān)注太陽系起源、演化和生命

報告確定了未來十年行星科學和天體生物學領(lǐng)域的12個優(yōu)先科學問題，其中11個科學問題被分為3個科學主題，即太陽系的起源（主題A）、太陽系世界和進程（主題B）以及生命和宜居性（主題C）。第12個科學問題是關(guān)于地外行星的，貫穿覆蓋了上述3個科學主題。該報告建議的所有任務(wù)和計劃，都旨在解決這些優(yōu)先科學問題，回答關(guān)于太陽系的起源、演化和生命等相關(guān)問題。

梳理未來空間探測關(guān)鍵技術(shù)，呼吁NASA提高預(yù)研投入

報告將“技術(shù)”定義為“科學的或其他有組織的知識在實踐性任務(wù)上的系統(tǒng)應(yīng)用”，并強調(diào)，技術(shù)是科學探測的基石，新的科學發(fā)現(xiàn)會引發(fā)新的問題，要回答這些新問題，就需要研發(fā)更加前沿的技術(shù)。在過去十年，NASA的科學任務(wù)部/行星科學部門和空間技術(shù)任務(wù)部協(xié)同工作，研發(fā)了多項對于未來行星和天體生物學任務(wù)至關(guān)重要的高風險技術(shù)。

報告對過去十年在技術(shù)管理和研發(fā)方面取得的進步進行了評估，梳理了這個十年和未來十年應(yīng)研發(fā)的技術(shù)，包括儀器技術(shù)、自主技術(shù)、極端環(huán)境樣品返回、通信系統(tǒng)、進入/離軌、下降和著陸系統(tǒng)、原位移動性、發(fā)射、巡航和交會優(yōu)化、行星防御、行星保護和污染控制、放射性同位素熱電源、太陽電池陣和能量存儲、地表接觸、技術(shù)系統(tǒng)工程和集成等。報告還提及了一些顛覆性技術(shù)的發(fā)展趨勢，包括新興商業(yè)發(fā)射系統(tǒng)、先進材料和制造、量子計算和人工智能/機器學習、動力和推進用小型裂變反應(yīng)堆、商業(yè)航天、汽車用電子設(shè)備、脈沖星導航、原位資源利用等，并指出，隨著不同領(lǐng)域新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，會出現(xiàn)一些顛覆性的機遇，可在降低研發(fā)成本負擔的同時，增強科學探測的能力。報告建議，NASA應(yīng)維持對新興技術(shù)的認知，鼓勵科學和工程團體探索既可降低研發(fā)和運行成本、又可以獲取更多科學回報的技術(shù)研發(fā)新方式。

報告認為，按照上版“十年調(diào)查”報告的建議，NASA的行星科學部門一開始曾將該部6%～8%的資金投向了行星科學技術(shù)的研發(fā)，典型案例包括地形相對導航（TRN）、精準著陸、有機物探測、樣品采集和保存、成像和目標描述、危險探測和規(guī)避（HD&A）等技術(shù)，朝著未來十年技術(shù)研發(fā)方向邁進了一大步。但是，報告也發(fā)現(xiàn)，之后，NASA并未能夠維持該預(yù)算水平，在過去五年，投入百分比僅為4%左右，嚴重低于建議水平。

報告提出幾點建議，主要包括：①NASA行星科學部門應(yīng)以部門總預(yù)算的6%～8%對技術(shù)研發(fā)進行持續(xù)投入；②行星科學部門應(yīng)制定一套投資回報率標準，用于指導投資并鼓勵技術(shù)的合并，這些標準應(yīng)該對行星科學和天體生物學團體保持公開；③以“火星2020”為例，除進行單獨的技術(shù)研發(fā)活動外，還應(yīng)通過飛行任務(wù)不斷驗證新技術(shù)；④應(yīng)準備額外資金應(yīng)對進行技術(shù)演示驗證而出現(xiàn)的成本超支情況；⑤建立單獨的技術(shù)線，在小型飛行任務(wù)中演示驗證多項技術(shù)；⑥空間技術(shù)任務(wù)部應(yīng)確保其30%的投資用于科學任務(wù)部的技術(shù)研發(fā)，其中用于行星科學部門的預(yù)算應(yīng)不少于10%。

建議NASA平衡實施各級探測任務(wù)，提高成本上限

NASA按任務(wù)規(guī)模、技術(shù)復(fù)雜程度以及成本和周期，規(guī)劃了三類空間探測任務(wù)，即“發(fā)現(xiàn)”（小型）、“新疆域”（中型）和“旗艦”（大型）任務(wù)。

其中，“發(fā)現(xiàn)”任務(wù)成本低于5億美元，具有研制成本低、研發(fā)時間較短、科學回報率較高的特點。目前，NASA已經(jīng)實施了13次“發(fā)現(xiàn)”任務(wù)，即將實施第14項任務(wù)——“賽琪”（Psyche），此外，確定了另外兩項未來任務(wù)——“達芬奇”（DAVINCI）和“真相”（VERITAS）金星探測任務(wù)。除此之外，NASA在“發(fā)現(xiàn)計劃”框架下還建立了規(guī)模更小、成本更低的“行星探測小行星創(chuàng)新任務(wù)”（SIMPLEx），目前已確定多項任務(wù)，即“雙面神”（Janus）、“月球拓荒者”（Lunar Trailblazer）、“逃離與等離子體加速和動力學探測器”（EscaPADE）、“月球極區(qū)氫測繪儀”（LunaHMap）等，每項任務(wù)的成本上限為5500萬美元，可采用搭載的方式來實施。

“賽琪”小行星探測器

“新疆域”任務(wù)成本在5億～9億美元之間，與“發(fā)現(xiàn)”任務(wù)相比，研究的科學問題范圍更廣、更具挑戰(zhàn)性，但同時成本更高、研發(fā)周期更長。目前，NASA共發(fā)射3項“新疆域”任務(wù)，包括“新地平線”（New Horizons）、“朱諾”（Juno）、“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）。第4項任務(wù)——“蜻蜓”（Dragonfly）土衛(wèi)六探測任務(wù)正在研發(fā)中。

“蜻蜓”土衛(wèi)六探測器

“旗艦”任務(wù)成本高于9億美元，通常為復(fù)雜的、到達星體表面的任務(wù)，例如：現(xiàn)場樣品分析、大型著陸器等，NASA已經(jīng)實施的“旗艦”任務(wù)包括“旅行者”（Voyager）行星際探測器、“麥哲倫”（Magellan）金星探測器、“伽利略”（Galileo）木星探測器、“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）土星探測器和“火星科學實驗室”（MSL），目前在研的旗艦任務(wù)為“火星采樣返回”和“木衛(wèi)二快帆”。其中，“火星科學實驗室”成本高達25億美元，“木衛(wèi)二快帆”和“火星采樣返回”預(yù)計成本分別為25億美元和45億美元。

報告建議，NASA應(yīng)平衡上述三級任務(wù)，并考慮通貨膨脹因素，提高這三級任務(wù)的成本上限，以實現(xiàn)源源不斷的新發(fā)現(xiàn)并支持取得重大科學進步的能力。

報告還指出，“發(fā)現(xiàn)”計劃為行星探索做出了重要和根本性貢獻，應(yīng)在未來十年內(nèi)繼續(xù)得到支持。低成本的SIMPLEx計劃具有很高的科學價值，但受限于當前的成本上限，研究成果仍不夠深入。如果成本上限能得到進一步提高，那么SIMPLEx計劃將有可能在十年內(nèi)取得更多科研成果，實現(xiàn)更多創(chuàng)新突破。因此，報告建議NASA將SIMPLEx計劃的成本上限提高50%，以擴大該計劃的研究范圍，增加科研投資回報。

提出未來多項推薦任務(wù)，天王星探測成為首要旗艦任務(wù)

新版報告將視野從火星轉(zhuǎn)向了更遠的巨行星。新版報告提出了6項2023——2032年的候選旗艦任務(wù)，其中優(yōu)先級最高的為天王星軌道器和探測器（UOP），成本42億美元，該任務(wù)將探測天王星大氣環(huán)境、磁層、環(huán)和衛(wèi)星等。優(yōu)先級第二的是“土衛(wèi)二繞落器”（Enceladus Orbilander），成本49億美元。其余4項任務(wù)分別為58億美元的“木衛(wèi)二著陸器”（Europa Lander）、28億美元的“水星著陸器”（Mercury Lander）、52億美元的“海王星-海衛(wèi)奧德賽”（Neptune-Triton Odyssey）以及78億美元的“金星旗艦”（Venus Flagship）任務(wù)。上一版報告確定的最高優(yōu)先級任務(wù)為火星采樣返回任務(wù)，目前，NASA與歐洲航天局（ESA）正合作推進火星采樣返回計劃，新版報告也支持了該計劃。不過，報告指出NASA應(yīng)當關(guān)注火星采樣返回的成本，未來十年火星采樣返回將耗資53億美元，可能影響其他行星任務(wù)。

對于“新疆域”中型任務(wù)，報告建議實施半人馬小天體軌道器和著陸器、谷神星采樣返回、彗星表面采樣返回、土衛(wèi)二多次飛越、月球地球物理網(wǎng)絡(luò)、土星探測器、土衛(wèi)六軌道器、金星原位探測器、海衛(wèi)一探測器等任務(wù)。這些任務(wù)主題的選擇基于每個主題將如何解決確定的優(yōu)先科學問題，并考慮計劃平衡、目的地類別、成本、技術(shù)準備和科學價值。

此外，報告還建議，當火星采樣返回任務(wù)完成大部分工作后，在“火星探測計劃”框架下的下一項優(yōu)先任務(wù)是“火星生命探索者”（MLE），并建議通過國際合作方式實施“國際火星冰層測繪儀”（iMIM）任務(wù)。同時，作為“月球發(fā)現(xiàn)與探測計劃”的最高優(yōu)先事項，耐力－A（Endurance－A）1耐力-A是委員會提出的一個任務(wù)概念，旨在解決最高優(yōu)先級的月球科學問題——利用月球來研究太陽系的早期動力學和撞擊歷史，提出利用“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)”計劃提供的月球車穿越南極艾托肯盆地，將收集1 0 0 k g的樣品并運送到便于航天員收集、送回地球的位置。應(yīng)作為一項戰(zhàn)略型中型任務(wù)來進行實施。

除了月球和火星目的地之外，該報告還提出，NASA應(yīng)該在具有廣泛科學重要性的其他領(lǐng)域制定科學探測戰(zhàn)略，例如：金星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六等，這些領(lǐng)域未來將有越來越多的美國任務(wù)和國際合作機會。

建議關(guān)注宜居性變化規(guī)律，盡快啟動行星防御新任務(wù)

與上一版“行星科學十年調(diào)查”報告不同，新版報告將內(nèi)容擴展至傳統(tǒng)行星科學之外的領(lǐng)域，包含了天體生物學和行星防御，這兩個領(lǐng)域近年來愈發(fā)受到NASA的重視。

在天體生物學方面，報告提出三點建議：①NASA和其他相關(guān)機構(gòu)應(yīng)關(guān)注宜居性變化規(guī)律以及行星和生命的共同演化。由于天體生物學本質(zhì)上是一門跨學科領(lǐng)域，涉及對物理、化學、生物、地質(zhì)、行星和天體物理系統(tǒng)的綜合研究，因此，建議NASA利用并推廣成功的計劃機制，努力促進跨學科、跨部門合作。②由于人們近年來對地球地表下生命的多樣性、火星地表下方流體的歷史和性質(zhì)，以及海洋世界可能的生命宜居地進行了研究，因此，NASA應(yīng)將計劃和任務(wù)的重心放在對地表下環(huán)境適居性的研究與探索上。③為了推進宇宙生命探索工作，NASA應(yīng)加快開發(fā)與驗證相關(guān)環(huán)境下的生命探測技術(shù)。此外，NASA應(yīng)將天體生物學專業(yè)知識整合到從啟動、概念化到規(guī)劃、開發(fā)與運行的所有任務(wù)階段。

在行星防御方面，該報告建議NASA應(yīng)全力支持“近地天體探測者”（NEO Surveyor）的開發(fā)、按時發(fā)射和后續(xù)的運行。在“雙小行星重定向”（DART）和“近地天體探測者”任務(wù)后，應(yīng)規(guī)劃一項最高優(yōu)先級的行星防御演示驗證任務(wù)，該任務(wù)是一項快速反應(yīng)的飛越偵察任務(wù)，目標是直徑在50～100m的近地天體。這樣的任務(wù)應(yīng)評估飛越探測方法的能力和局限性，以更好地為短時預(yù)警時間的近地天體威脅做好準備。報告建議，在接下來的十年中，NASA應(yīng)盡快抓住科學機遇，開發(fā)一種新方法，對預(yù)警時間較短的（少于3年）新威脅進行快速響應(yīng)和飛越表征。

“近地天體探測者”

此外，在未來十年的基礎(chǔ)設(shè)施方面，報告建議NASA與歐洲合作制定端到端的火星樣品處理計劃，建設(shè)火星樣品接收設(shè)施；NASA繼續(xù)進行投資，進一步改進放射性同位素電源系統(tǒng)技術(shù)，從而更好地管理钚－238的供應(yīng)；等等。

根據(jù)預(yù)算，制定太陽系探測“保底”和“建議”雙計劃

報告根據(jù)不同的預(yù)算條件，為未來十年內(nèi)NASA的太陽系探索活動制定了兩套具有代表性的計劃，即“保底計劃”和“建議計劃”?！氨５子媱潯笨紤]通貨膨脹因素，將NASA每年行星科學的預(yù)算都在2023財年金額的基礎(chǔ)上增加2%；“建議計劃”則瞄準解決該報告提出的優(yōu)先問題，涵蓋最高優(yōu)先級任務(wù)，十年總預(yù)算比“保底計劃”高出17%。“保底計劃”和“建議計劃”都將完成以下目標：

1）繼續(xù)支持正在進行或開發(fā)中的任務(wù)；

2）繼續(xù)按當前計劃開展火星采樣返回活動；3）啟動天王星軌道探測器旗艦任務(wù)；

4）到十年中期，將用于研究與分析的資金增至行星科學部門年度預(yù)算的10%或更多；

5）繼續(xù)支持火星和月球探測計劃；

6） 隨著火星采樣返回任務(wù)成本的下降，將“火星探測計劃”恢復(fù)到火星采樣返回任務(wù)之前的資金水平，在2032財年達到5億美元；

7）采納有關(guān)“發(fā)現(xiàn)”計劃和“新疆域”計劃成本上限的建議；

8）采納技術(shù)、風險與成本評估研究得出的成本；

9）將典型“發(fā)現(xiàn)”任務(wù)的生命周期成本定為9億美元；

10） 將典型“新疆域”任務(wù)壽命定為11年，生命周期成本前五年20億美元、后五年22億美元；

11）繼續(xù)支持行星防御，啟動一項全新的快速飛越偵察任務(wù)；

12）維持和增加钚－238的生產(chǎn)。

“保底計劃”和“建議計劃”的最大區(qū)別在于，對于報告中的優(yōu)先科學問題，兩套計劃對相應(yīng)解決措施的支持力度不同?！敖ㄗh計劃”涵蓋了報告中提出的最高優(yōu)先事項，旨在實現(xiàn)前沿技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，保持美國在太陽系探索的領(lǐng)先地位?！氨５子媱潯眲t削減了“土衛(wèi)二繞落器”“火星生命探索者”等預(yù)算，延期實施天王星探測旗艦任務(wù)，延期選擇“新疆域”新任務(wù)等。

為應(yīng)對任務(wù)預(yù)算低于“保底計劃”預(yù)算的情況，報告還確定了以下可以優(yōu)先考慮的削減項目：①推遲啟動下一項旗艦任務(wù)；②將新的“發(fā)現(xiàn)”任務(wù)的數(shù)量減少至4個；③取消原定在“近地天體勘測者”任務(wù)之后啟動的任務(wù)，以降低行星防御任務(wù)預(yù)算；④減緩未來十年“新疆域”計劃的節(jié)奏；⑤將耐力－A任務(wù)的啟動時間推遲至十年末期，以降低“月球發(fā)現(xiàn)與探測計劃”的資金水平；⑥將“火星探測計劃”資金降低到低于“保底計劃”提出的預(yù)算；⑦將新“發(fā)現(xiàn)”任務(wù)的數(shù)量減少至3個；⑧削減研究與分析活動資金。

3 幾點分析

以解決重大科學問題為導向，圍繞科學前沿規(guī)劃任務(wù)

整篇報告中長達300頁的篇幅都用于詳細梳理目前行星科學領(lǐng)域的優(yōu)先科學問題，可以看出美國行星科學任務(wù)以解決重大科學問題為導向、圍繞科學前沿規(guī)劃任務(wù)的特點。報告高度重視任務(wù)科學目標的設(shè)立，根據(jù)各項任務(wù)解決重點科學問題的能力及其平衡性、技術(shù)風險、就緒情況和成本，選擇了需要重點關(guān)注和建議開展的大中型戰(zhàn)略任務(wù)，并評估這些任務(wù)是否能對解決這些科學問題做出“實質(zhì)性”“突破性”或“變革性”的貢獻。

尋求小、中、大型任務(wù)均衡發(fā)展，探測重點向更遠天體拓展

美國已經(jīng)具備了探索太陽系八大行星和小天體的能力，目前正以火星采樣返回、木衛(wèi)二探測任務(wù)為重點，發(fā)展前沿探測技術(shù)，解決重大科學問題。在下一個十年，美國的深空探測活動將在尋求各型任務(wù)均衡發(fā)展、探測目標廣泛覆蓋的基礎(chǔ)上，通過天王星、海王星等新的旗艦任務(wù)，進一步拓展人類認識宇宙的疆域，實現(xiàn)科學和技術(shù)上的突破。

在任務(wù)選擇方面，美國將通過“火星探測計劃”“月球發(fā)現(xiàn)與探測計劃”，圍繞“阿爾忒彌斯”（Artemis）載人登月目標，部署表面載荷，發(fā)展相關(guān)技術(shù)。此外，通過“發(fā)現(xiàn)”“新疆域”和“旗艦”計劃，廣泛探測太陽系天體，并對冰巨星等更遠天體進行更深入、更系統(tǒng)的探測。

針對NASA任務(wù)超支問題，提出雙向解決方案

一直以來，NASA對于其小、中、大型任務(wù)的成本都有相對固定的標準，在其最早于2006年發(fā)布的《太陽系探索路線圖》中，曾規(guī)定這三類任務(wù)的成本和發(fā)射頻率分別為：小型任務(wù)2.99億美元、每十年發(fā)射4～7次；中型任務(wù)7.5億美元、每十年發(fā)射2～4次；大型任務(wù)成本為7.5億到數(shù)十億美元，研制周期約7年。但在實際運行中，任務(wù)超支情況時常發(fā)生，尤其是“詹姆斯·韋布空間望遠鏡”（JWST）最初的總成本預(yù)計數(shù)億美元，但20年間，隨著建造的進行，項目預(yù)算和進度經(jīng)歷了數(shù)次變更，最終整個項目耗資約百億美元。

針對上述情況，報告提出了雙向解決方案，一是“開源”，提高任務(wù)成本上限?？紤]通貨膨脹因素，以及出現(xiàn)例如技術(shù)研發(fā)挑戰(zhàn)、發(fā)射時間調(diào)整以及新冠疫情影響等，報告建議分別提高“發(fā)現(xiàn)”和“新疆域”任務(wù)的成本上限，以確保對行星探測任務(wù)的足額投資。二是“節(jié)流”，在控制行星科學領(lǐng)域總預(yù)算的要求下，優(yōu)先考慮采取削減、延期、降低發(fā)射頻率等措施來降低總成本。

以支持深空探索為重點，專注前沿空間技術(shù)的研發(fā)儲備

NASA高度重視空間探測技術(shù)的預(yù)研，除科學任務(wù)部行星科學部門外，其下還有專門的空間技術(shù)任務(wù)部，每財年獲得數(shù)十億美元預(yù)算，繼續(xù)保持對可用于NASA探測任務(wù)的開創(chuàng)性前沿技術(shù)的投入，其中重點研發(fā)無人和載人月球、火星及以遠的探測技術(shù)，同時也為商業(yè)航天和其他國家的航天活動提供支持。這些技術(shù)具有高風險、高回報的特點，范圍覆蓋學術(shù)界和企業(yè)界，包括原位資源利用（ISRU），自動著陸和危險規(guī)避，先進冷卻劑管理，先進材料，在軌制造和組裝，小型航天器技術(shù)等。

報告充分考慮NASA在空間探測技術(shù)發(fā)展方面的需求，梳理了這個十年和未來十年應(yīng)研發(fā)的相關(guān)技術(shù)，制定了技術(shù)發(fā)展原則，并為行星科學部門的預(yù)算安排提出了相關(guān)建議。