$开展深空探测

    我国虽然开展深空探测活动起步较晚，但随着探月工程取得的重要进展，我国已具备了继续开展深空探测的能力。适时开展对太阳系主要天体的探测，可以在空间科学、空间技术和空间应用领域加速实现从跟踪研究向自主创新的转变，从航天大国向航天强国的转变；完善我国深空探测科学研究体系，培养和造就一支深空探测领域的科学、技术和管理的创新型人才队伍；激发大众探索精神，提高全民族的科学素质和自主创新意识，振奋民族精神，增强民族凝聚力；维护我国的空间合法权益，推动科技、经济与社会的可持续发展，展现大国地位。因此，深入持续地开展深空探测活动是极为必要的。

    因此，针对深空探测重大关键科学问题，根据我国现有科学、经济发展水平，以及航天技术基础和发展能力，以火星探测为切入点，统筹开展小行星、太阳、金星、木星系统等探测，在太阳系的起源与演化、太阳和小天体活动对地球的灾害性影响、地外生命信息探寻等研究领域取得一批重大科学成果，建立较为完善的深空探测科学研究体系，推动我国天文学等学科发展和空间科学、空间技术应用。在未来的一段时间内，启动、推进与实施一系列探测任务，包括火星的环绕遥感探测、着陆巡视探测和取样返回；近地小行星的伴飞、附着探测和主带小行星的伴飞、附着探测及取样返回；太阳的定点观测、极轨观测和太阳风暴全景观测；金星的环绕和浮空探测以及木星系统与木卫二的环绕探测。

    从火星探测切入，同时选择可能对地球具有潜在威胁的近地小行星和针对可能对地球造成灾害性影响的太阳活动，实施火星全球遥感探测与火星车巡视探测、多目标近地小行星探测和太阳定点观测。相继实施金星环绕与浮空探测、火星取样返回、太阳极轨观测和主带小行星取样返回，继续深化对火星、太阳活动和小行星的认知。实施木星系统环绕探测和太阳风暴全景观测。

    通过太阳系科学探测任务的实施，通过火星全球遥感探测与着陆巡视探测和取样返回，实现从全球普查到局部详查、取样返回，再到样品试验室分析的科学递进。通过对近地小行星和主带小行星进行飞越、伴飞、附着探测和取样返回，实现对目标小行星的整体性探测和局部区域的就位分析及样品的系统分析，研究小行星的起源与演化，为将来可能的小行星撞击地球事件的应对措施和早期太阳系形成与演化过程提供科学依据。通过对太阳的深空定点观测、极轨观测和太阳风暴全景观测，实现由点到面再到体的系统的太阳探测任务目标，研究太阳磁场和太阳活动的起源和演化，探究太阳活动对近地空间环境的灾害性影响，提高对太阳风暴的预报和警报能力。通过对金星和木星系统的首次探测，填补我国深空探测及其相关研究领域的空白。

    探测对象与任务不断拓展、探测数据研究与应用的深化，为我国全面系统地持续开展太阳系探测进一步奠定科学和技术基础，使我国深空探测的技术基础、研究体系、人才队伍等都跨上一个新的台阶。结合我国载人登月等航天工程的进展、国家深空探测新的战略需求和国际深空探测的新态势等，对我国已进行的火星、太阳、小行星、金星、木星系统探测等任务继续开展深化探测，同时要对太阳系开展全面、系统的科学探测，从更具科学意义、更具应用性和挑战性出发制订深空探测活动的科学目标，为人类社会的可持续发展服务。

    $火星探测的科学畅想

    火星的平均直径约6740千米，相当于地球的半径，火星的体积接近地球的15%。火星的平均密度为3940千克/米(地球为5520千克/米)，质量只有地球的十分之一。火星轨道距太阳的平均距离为2.28亿千米，地球为1.49亿千米。火星的自转速度为24.13千米/秒，自转周期为24小时37.63分钟，公转周期为687。火星的体积与质量均比地球小，与太阳的距离较地球远、公转周期长。

    火星大气层密度不到地球大气的百分之一， 表面的大气压约500—700帕。火星表面大气压极低，液态水在火星表面沸腾成气态，因而现今的火星不可能形成类似地球的大面积分布的水圈，加之火星质量较小，对气体捕获的能力较低，只能保留极稀薄的大气层。海盗号的两个登陆点夏季的平均温度为-60℃，冬季的平均温度为-120℃，火星表面昼夜的温度变化达50℃。火星大气温度由表面至50千米高度，温度随高度增加而下降，自-52℃降为-232℃；从50至100千米高度，温度波动较小；至130千米高度，温度为-212℃。火星大气中有少量的云，低云层由水冰组成，高云层由凝结的二氧化碳组成。火星大气成分按体积计算分别是二氧化碳（95%）、氮(2.7%)及氩(1.6%)，微量成分为氧、一氧化碳、水蒸气、氖、氪、氙等，与地球平流层的成分较接近。火星大气活动有中纬度冬季风体系和赤道夏季风体系。火星大气中特有的现象是尘暴，每年大约发生100次地区性尘暴；全球性尘暴为强烈的全球性潮汐风与尘暴发源地的地形风相结合，使大气底层尘埃扬起并进入盛行的高速风带而形成。全球性尘暴在一个地区开始，迅速扩展，数天之内即席卷全球，大气尘埃刮到几千米的高空笼罩火星表面，持续可达数星期甚至更长。

    火星表面广泛分布着火山作用形成的地形，如奥林匹斯火山墩，直径达500千米，火山墩的中央为直径达65千米的火山口，火山熔岩墩高出周围平原约20千米，火山墩边缘是高出平原2千米的陡崖。火星表面广泛分布着火山口形成的环形坑，坑的直径达50—150千米，火山口四周能观察到向外溢出的熔岩流。火星表面还密集分布大量的由小天体撞击形成的撞击坑。仅在的赤道区范围内就发现有5万多个直径大于1千米的环形坑。大约有5%的坑具有撞击成因的中心锥，有些较年轻的坑具有辐射纹。撞击坑与火山口环形坑形态相似，难以区分，只有通过对坑的形态、结构和熔岩流分布等特征的精细分析才能加以区分。

    火星表面分布着延伸上千米的大断层，形成了一些宽几千米，甚至几百千米宽的大峡谷。火星上的“运河”如同地球上的河系，有些延伸几千千米。“运河”河谷可能是火山熔岩流所造成，也可能在火星早期历史中曾出现过流动的水系所造成。

    火星上的极冠，主要是由固态二氧化碳和水冰所组成，夏季消融，冬季增大。经测定，极冠的温度约-123℃。极区的冰川将各种岩石碎屑搬运到中纬地区，形成广泛分布的层状沉积。层状沉积物受到了冰水浸蚀，形成弯曲的悬崖和阶地。

    火星表面的土壤呈黄棕色，经海盗1、2号取样测定，主要含氧、硅、铁、铝、钙以及钾、磷、硫、氯、钽、钒、铬、镁、钴、镍、铜等元素，主要由绿泥石和蒙脱石，次为水镁矾、石盐、方解石等组成。根据对火星土壤的测定，80%为富铁粘土，约10%的硫酸镁，5%的碳酸盐和5%的铁的氧化物，表明火星岩石富含镁、铁，估计没有大量的富钾花岗岩。火星表面风的吹扬作用形成一些几百千米甚至几十千米宽的风成纹理或沙丘。

    火星表面是一个大气极其稀薄、没有水体、寒冷而荒芜的死寂的世界，没有任何生命活动的痕迹。

    一、探寻火星生命活动的信息

    到目前为止，火星是除了地球以外人类了解最多的行星，已经发射过40多枚探测器探测火星，并向地球发回了大量数据。同时火星探测也充满了坎坷，大约三分之二的探测器，特别是早期发射的探测器，都没有能够成功完成它们的使命。但是火星对于人类却有一种特殊的吸引力，因为它是太阳系中最近似地球的天体之一，是目前科学家勘探到的环境最接近地球的星球。这颗让古代人类充满幻想的星球，如今又成为现代人类的希望所在。如果要寻找另外一个适合人类居住的星球，火星肯定是第一候选。

    虽然人类至今还没有亲自到过火星，只派出过探测器登上了这颗红色星球，但是，人类的幻想却是无止境的。因此，人类未来登陆火星并在此居留是未来火星探测的最终目标，也是人类保护地球、合理利用和开发火星作为第二家园、提供人类可持续发展的重要目标。从长期来看，火星是一个可供人们移居的星球。

    截至目前，美国（和欧空局）火星探测的科学目标，主要关注火星的全球性特征，证明火星的过去或现在有可能存在水体和生命的活动迹象，以水的探测为主线，探测地外生命以及维持人类未来的可持续发展的外星体。因此在兼顾生命和水的证明性科学目标研究的同时，也需要关注火星开发、改造和长期居住相关的科学问题。

    目前已有的探测证明，当今火星表面没有发现具有生命活动的任何证据，虽然火星大气中发现含有极微量的甲烷，但仍然无法判断甲烷是来源于火星生命的活动还是来自无机的成因。火星过去是否曾经存在过生命不得而知，虽然有些火星陨石中发现一些类似“微生物化石”的结构，仍然难以确证火星过去曾经存在过生命。然而火星地下水体分布的发现以及火星环境的探测表明，火星具备生命生存与繁衍的条件。

    二、探测火星土壤特性及其（气体、矿产、水）资源

    人类未来登陆火星并在火星上居留，首要接触的是火星土壤的改造以及火星资源的就地开发利用问题。研究人员正在试图研究目前火星表面是否存在地下水，从而削弱表面的风化沉积作用，这也意味着是否目前火星表面存在着二氧化碳水合物。一般认为，水、二氧化碳或冰会大量存留在赤道附近的风化沉积层的冻土层部位，同时这些物质可能在高纬度地区会大量存在，火星风化层中的水含量为2%—60%。虽然目前在火星上还看不到液态水，但迄今探测发现的大量水流痕迹，至少说明火星上曾经有过滔滔大水，而且科学家们也发现火星两极有大量的冰存在。火星表面的大气压很低，水无法以液态存在，只在低海拔区可短暂存在。而冰倒是很多，如两极冰冠就包含大量的冰。2007年3月，NASA就声称，南极冠的冰假如全部融化，可覆盖整个星球达11米深。另外，地下的水冰永冻土可由极区延伸至纬度约60°的地方。推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层，只有当火山活动时才有可能释放出来。

    此外，火星上的绿黏土和火山灰，有利于植物生长；火星大气中有足够的二氧化碳气体，可提高植物光合作用的效能，使农作物获得比地球上更大的丰收。火星上到处都是氧化铁等氧化物质，可还原出氧气来。火星上有丰富的能源。如风能比地球上要丰富得多；火星上有地热能；还可利用二氧化碳和氢制造甲烷燃料；也可用重氢进行核发电等等。火星上有火山活动和水流冲击形成的各种金属富矿，比分布在月壤中的金属元素优越得多。通过探测火星土壤的成分、结构与分布，分析火星土壤中的水冰与气体组分，研究火星土壤的成因、表面气液流体与固体物质的相互作用和地质改造历史。

    三、研究火星大气及气候特征

    大约40亿年以前，火星与地球气候相似，也有河流、湖泊甚至可能还有海洋，未知的原因使得火星变成今天这个模样。探索使火星气候变化的原因，对保护地球的气候条件具有重大意义。火星有一个巨大的臭氧洞，太阳紫外线没遮拦地照射到火星上。可能这就是海盗1号、海盗2号未能找到有机分子的原因。火星研究有助于了解地球臭氧层一旦消失对地球的极端后果。现在的火星上只有稀薄的大气，但在30亿年前，火星的表面包围着厚厚的二氧化碳大气层。由于火星变冷，大部分二氧化碳都被土壤吸收起来。当人类完成改造火星第一步后，温暖的气候将使这些二氧化碳释放出来。通过对火星电离层、中性大气、磁层探测，以及火星表面的气象观测，研究火星的大气组成与结构、太阳辐射与火星大气和物理场的相互作用、火星表面的气候特征，探讨火星大气圈的演化历史。

    四、研究火星地质特征、演化与比较行星学

    比较行星学主要奠基于：大气外观测和一系列宇宙探测器获得的月球地质、构造、磁场以及自月球取回样品的分析资料；“水手”号、“金星”号、“火星”号、“海盗”号、“旅行者”号等行星际飞船获得的大量行星探测的科学资料；地球的研究成果；各种类型的研究结果。研究火星的地质概况可以了解火星的变化过程和地球与火星之间的区别与共性。作为火星探测计划的一部分，科学家希望理解风、水、火山作用、构造地质学、撞击坑等过程在形成和改变火星表面中的相关角色。比如，火星上有令人难以置信的巨大火山，其规模是地球上火山的10倍甚至100倍以上。这个不同点的解释就是火星地壳不像地球地壳一样运动，这意味着所有的岩浆汇集即成为一个非常巨大的火山。行星表面特征反映行星的内力成因和外力成因的地质活动，以及行星的地质演化历史。

    类地行星（包括月球和木卫一）的主要地质活动可分为两组：内力过程，包括火山和构造作用；外力过程，包含大气和水的侵蚀及小天体的撞击成坑作用。火星环球监测者探测器最近发现了在火星上分布着大面积的岩石剩磁，这表明火星曾经有一个像地球一样的全球性的内禀磁场，当前火星具有多极子磁场。由于磁场通常表现为保护行星不受各种宇宙射线的伤害，这一发现暗示很可能发现火星表面曾经存在生命的猜想。对于远古磁场的研究对火星过去的内部结构、温度和组成也将提供重要信息。磁场的存在还表明火星曾经像地球一样充满生机。

    火星上各种岩石的组成以及年龄测定。根据火星岩石类型与分布的探测，表明火星表面广泛分布玄武岩与安山岩，通过火星陨石的年龄确定，大致可以厘清火星历史事件的顺序。

    行星的演化与其热历史密切相关。行星热历史主要是研究行星热能的现状、演化历史及其起源等问题。行星的分异、火山活动、构造活动和岩浆活动是行星热历史的反映。火星的质量介于地球和月球之间，具有过渡型的特征。早期急剧加热熔融，分异形成壳、幔和核，内部物质的分异程度高于水星，低于地球。热量的积累和失散以及演化程度也介于水星和地球之间，火星形成后的20亿年，构造岩浆活动最激烈，通过连续的构造、岩浆活动和火山喷发，逐渐形成火星上的各种火山地形、断岩和峡谷。火星现今没有明显的构造岩浆活动和火山喷发，接近于地质上的宁静期。内部物质除气过程产生的气体仅部分被火星捕获，构成稀薄的大气层。火星表面有明显的风蚀和堆积作用，火星地形受到一定程度的改造，古老地形和环形坑地形的保存程度比地球好。

    通过从整体、全局性的探测，到局部详细特征的分析，再到内部组成的研究，解析火星的表面过程、构造特征、地质单元和内部结构，研究火星的地质演化历史，并通过与地球、月球和金星等的对比分析，为地球尤其是地球环境的演化提供重要启示。

    结合国际火星探测历程、现状与发展趋势，我国火星探测的主要任务是环绕遥感探测、软着陆巡视探测和取样返回，实现对火星从全球普查到局部详查、再到样品试验室分析的科学递进。其中，环绕遥感探测科学目标着眼于火星全球、全局的探测，建立火星科学总体、全局的科学概念；软着陆巡视探测科学目标着眼于火星局部地区重点探测（火星试验室和巡视探测器），开展火星科学试验；取样返回科学目标着眼于着陆点的现场调查与分析和火星样品的分析研究，开展比较行星学研究。

    环绕遥感探测科学目标包括：探测火星地下水冰和极地冰盖中水冰存在的深度、范围和含量，绘制火星水冰分布图；开展火星土壤层特性的探测，研究火星表面土壤分类、分布和结构特征；开展火星全球形貌探测和重点地区详查，绘制火星表面影像图和地形图，研究火星表面水流地貌、火山地貌、风蚀地貌、撞击坑地貌和极地冰川地貌特征及其变化，以及未来火星着陆区形貌特征；开展火星表面物质成分探测，研究火星表面元素、矿物组成和岩石类型的基本分布规律；开展火星大气电离层及行星际环境探测，通过测量不同能量水平的各类粒子（电子、离子、中性粒子）的谱分布及宏观物理性质，分析火星电离层的电导特性、电流分布、等离子体波和粒子辐射环境特性，研究火星的水逃逸过程、火星电离层与太阳风的相互作用。

    软着陆火星的巡视探测科学目标包括：开展着陆区地貌与地质调查，研究着陆区构造特征和地质演化过程；开展着陆区土壤成分探测，研究火星表面的土壤元素丰度、矿物组成、岩石类型；开展火星地下水（冰）探测，分析火星表面水（冰）层位和含量；开展火星表面气象观测与环境分析，监测火星表面大气、尘暴等变化特征，分析中性大气和电离层结构与成分；开展火星生命信息探测与科学试验。

    取样返回科学目标：着陆点的现场调查和分析包括：开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与火星样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与试验室分析数据之间的联系；火星样品的分析研究：对火星样品进行系统、长期的试验室研究，分析火星土壤的结构、物理特性、物质组成，深化火星成因和演化历史的研究，开展比较行星学研究。

    通过火星环绕、巡视探测及取样返回，实现从全球普查到局部详查、着陆就位分析、再到样品试验室分析的科学递进。1. 获得火星土壤分布图、结构层位信息、非露头层序的结构特征；2. 探测火星电离层的导电性及电流分布和火星电离层中的等离子体波特性；3. 研究火星大气中高能粒子辐射能谱和成分的三维空间分布；4. 利用火星表面特殊环境，进行生物学和物理学试验。同时，获得火星返回样品，并对这些样品进行系统、综合研究，进一步深化对火星起源、演化的认识。火星探测的其他亮点工作还有：奔火过程中甚低频射电测量；分辨率100米左右的火星影像图和分米级局部图像；火星中性大气成分垂直结构；更加精确地探测火星大气中的水逃逸过程；火星中高纬度地下水冰的确认与分布、极地水冰分布；等等。

    $太阳探测的科学畅想

    太阳既是离人类最近的一颗典型的恒星，对太阳的探索和研究将为我们提供宇宙中其他恒星上所发生的基本的天体物理过程和规律；同时，太阳也是对人类生存环境和地球附近空间作用和影响最大的天体，研究和探索太阳演化和活动的基本规律，增强我国对太阳风暴的监测、预报和警报能力，满足国民经济建设，社会发展和国家安全的需求。

    太阳物理中还存在着许多重要的问题悬而未决，例如太阳内部结构理论、太阳活动周的起源、太阳耀斑和日冕物质抛射的触发机制、色球和日冕的反常加热问题、太阳风的加速等。认识太阳活动对人类社会生存环境和地球附近空间环境的作用和灾害性的影响，必须寻求采用最新的探测手段、研究新的技术方法，在新的探测领域获得最新的科学发现。对于太阳来说，比如对太阳磁元的多波段同时探测、在全部甚低频波段的宽带动态频谱的连续探测等方向还存在巨大空间去获得有价值的科学新发现。

    我国深空太阳探测应立足优势基础，瞄准科学前沿，关注灾害性影响，突出重点方向，按照点、面、体系统布局，实现深空定点太阳观测、太阳极轨观测和太阳风暴的全景观测。探测太阳矢量磁场、速度场和辐射场，研究太阳磁场和太阳活动的起源和演化，揭示太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发现象的物理机制；探索太阳风的起源和太阳整体磁场的形成机制；追踪和诊断太阳风暴在日地空间的传播过程及其对近地空间环境的灾害性影响，提高对太阳风暴的预报和警报能力。

    定点太阳观测

    在距地球约150万千米的第一拉格朗日点（L1）为日地连线的引力平衡点进行太阳探测，与近地轨道相比，可减小多普勒偏离对磁场和光谱测量的影响（一个量级），提高测量精度；可提前0.5—2小时探测到太阳扰动和各种粒子，有利于太阳风暴的监测和预警；任何时候均不受地球遮挡，可连续获得实时数据；不受地球辐射带影响，有利于设备的长期运行；探测器的姿态容易实现稳定指向。因此，L1点是理想的深空太阳观测位置。

    因此，可以在日地第一拉格朗日点，通过大口径、高分辨的太阳磁场望远镜，观测太阳磁场、速度场，认识太阳磁场的基本结构和演化特征；通过与高分辨率的极紫外成像仪、Hα和白光成像仪、莱曼阿尔法成像仪、高能辐射谱仪和粒子探测包、太阳和行星际射电频谱仪的协同观测，研究色球和日冕加热、太阳耀斑和日冕物质抛射的源区特性、太阳耀斑的非热过程和粒子加速、太阳风暴在行星际空间的传播过程等，揭示太阳耀斑和日冕物质抛射中能量存储和释放的物理本质，为太阳活动预报提供重要的物理依据。

    太阳极轨观测

    到目前为止，太阳物理学仍存在几大科学问题：太阳活动周的运行机制、太阳磁场的起源、色球和日冕的加热机制、高速太阳风的加速过程等。这些科学问题在其他天体物理领域也普遍存在。要解决这些问题，必须对太阳极区的磁场结构和演化、等离子体动力学特征进行可靠探测。极区磁场很可能是太阳发电机的种子磁场，但是，从未被俯视观测过，太阳极区是否存在对流过程也从未被确切诊断。因而观测极区磁场的结构和演化，诊断极区对流等离子体动力学特征，就成为太阳物理中一个关键科学问题。另外，高速太阳风和太阳爆发活动是影响人类生存环境最主要的两类太阳物理过程。极区是高速太阳风的源区，迄今人类对太阳风加速的位置、初始高度、磁场和等离子体环境尚无清晰的认识。由此，进行极区太阳风初始加速的直接观测，对认识太阳风的起源有决定性的意义。

    通过太阳极轨探测器，首次对太阳极区的磁场、速度场和辐射场进行俯视成像和光谱观测，可揭示太阳极区物理场的基本特征及其变化，探索高速太阳风的起源和太阳整体磁场的形成机制。

    由于在黄道面无法对太阳极区进行观测，因此，开展太阳极轨探测是非常必要的。

    太阳风暴全景观测

    由于地球电离层影响，在地面无法对太阳电磁风暴从太阳表面到近地空间的传播过程进行甚低频射电连续全景成像观测。在偏离日地联线的引力平衡点第四拉格朗日点（L4）或第五拉格朗日点（L5），或者在地球绕日轨道偏离45°的深空位置，由多颗微小探测器编队组阵进行太阳甚低频成像观测，能够跟踪太阳活动现象在日地空间传播过程，获取太阳风暴前兆、初发及其日地空间环境响应的重要信息，结合其他载荷实现从太阳附近到近地空间对太阳风暴的全景观测，研究太阳风暴在日地空间传播的基本规律，为灾害性空间天气事件的预报警报提供可靠依据，并填补国际空白。

    因此，可发射多颗微小探测器，在深空进行编队组阵，通过综合孔径技术在0.3—30MHz甚低频频段进行射电干涉成像，结合主星上搭载的磁象仪、日冕仪和硬X射线成像仪等，实现从太阳表面以上4—5个太阳半径处到近地空间的日冕物质抛射、太阳风、高能粒子辐射等现象的连续全景成像跟踪，认识太阳风暴对近地空间环境的灾害性影响。

    按照深空太阳观测点、面、体的系统布局，首次任务主要探测太阳磁场的元结构；第二次任务探究太阳磁场的起源；第三次任务是观测和掌握太阳电磁风暴的全过程。对太阳活动的长期监测，则主要靠地面望远镜的系统观测来实现。

    $小行星探测的科学畅想

    小行星是围绕太阳运行的岩石或金属天体，它们的体积相当小，内部演化程度低，较完整地保留了太阳系早期形成和演化历史的遗迹，通过探测小行星可为探索太阳系早期形成和演化过程提供重要的线索，也为解开地球生命起源之谜提供重要的证据。此外，近地小行星运行轨道与地球相交，对地球上生命的安全造成了极大的威胁。迄今科学家已经在地球上发现了168个撞击坑，6500万年前以恐龙为代表的70%的地球生物物种的灭绝就是源于一次直径约10千米大小的小行星撞击地球。2004年发现了有史以来危险等级最高的一颗小行星“阿波菲斯”，很有可能在2029年和地球擦肩而过，在2036年撞击地球，释放的能量将比广岛原子弹爆炸高10万倍。因此，通过发射探测器对小行星进行系统的科学研究，不仅可了解小行星的形成和演化过程，对与探索防范其撞击地球而所采取有效的规避措施是非常必要和紧迫的。

    由于地面观测小行星具有一定的局限性，而深空探测则是对小行星和彗星特性的深入探索和全面认知。传统地面小行星观测可获得基本轨道参数和一些物理特性（但仅局限于千米级以上的目标），对小行星物质成分的分类和形状的解析度则是非常有限，而对体积大小、物质组成、内部结构、引力场，磁场等参数的测定几乎是空白。然而，空间探测是全波段探测，从早期的可见光探测，逐渐扩展到γ射线、X射线、紫外、可见光、红外、微波和无线电波的整个电磁波谱；无论是影像还是成分探测，时空分辨率越来越高；分析手段也从遥感分析、就位分析到返回样品的试验室分析。这些探测活动将对小行星和彗星的各方面特性进行深入的了解及对其运动规律进行全面的掌握，对小天体撞击地球的可能性和灾害程度进行系统的研究和评估，特别是为将来规避小行星的威胁而采取有效的防范或规避措施提供了重要的科学依据，从而最终保护地球和人类的安全。

    小行星的空间探测一般是经过飞越、伴飞、附着和采样返回等历程，如伽利略号、深空1号、星尘号和罗塞塔探测任务。其中伽利略号任务飞越的小行星Ida是人类第一次发现拥有自己天然卫星的小行星。尼尔号探测器是人类第一次针对近地小行星的探测任务，探测方式为伴飞和附着。隼鸟号探测器针对系川小行星已经成功附着并实施采样返回。目前国际上小行星深空探测主要是围绕采样返回任务开展，以及实现由无人探测到载人探测，如NASA已制订“移民石”计划拟登陆小行星。

    我国开展小行星探测的基本科学目标应该围绕太阳系起源、地球生命起源和水起源以及地外生命物质存在等重大科学问题。通过对碳质（和其他原始）小行星开展深空探测，直接取得太阳系原始成分来探索原始组成生命的有机化合物的存在形式和探索地球生命在外太空的适应能力，深化认识太阳系的形成过程和演化历史；探测小行星的轨道、大小、形态、成分与结构，分析小行星撞击地球的几率，研究规避小行星撞击地球的方式，保护地球和人类安全。

    根据太阳系中小行星的位置分布，大体上可分为主带小行星、特洛伊小行星、柯依伯带天体、半人马天体和近地小行星。从目前人类已获得成功的空间探测任务和研究成果来看，绝大多数威胁地球的小行星为近地小行星。因此，首先将开展对近地小行星的多目标多任务探测，在此基础上开展对主带小行星的探测。此外，随着技术的不断发展，柯依伯带天体将是继主带探测之后的目标。

    小行星的空间探测本身是一项多学科、高科技集成的系统工程，将推进航天工程系统集成、深空测控通信、新型运载火箭和航天发射等航天技术实现跨越式发展，从而保持中国进入空间能力的不断提高。同时，它也必将带动信息、材料、能源、微机电、遥感科学等其他新技术的提高，对于促进中国社会经济的发展具有重要意义。

    我国太阳系小天体的探测科学目标可主要围绕太阳系内原始天体进行探测，即开展对小行星、彗星、矮行星、柯伊伯带天体、火星卫星、巨行星不规则卫星和其样本——陨石和行星际尘埃等的探测研究。以飞越、伴飞、附着、取样返回等探测方式，对近地目标小行星进行整体性探测和局部区域的就位分析，对主带目标小行星实现取样返回。因为这些天体不仅记录了关于太阳系形成和早期历史的独特信息（太阳系形成的初始状态、条件和过程），而且对于理解太阳系原始有机物起源和地球组成生命的有机化合物的起源，对于保护地球的生物圈和环境气候等有着重要的科学价值和现实意义。

    关于近地小行星探测，通过精确测定目标小行星的运行轨道，探测其物理特性，评估其撞击地球的潜在威胁。通过飞越探测，获取小行星的整体形貌、大小、表面特征等科学数据；通过伴飞探测，测量小行星的形状、大小、表面形态、自转状态等基本性质，绘制小行星的地形地貌图，建立其形状结构模型，研究其自转状态动力学演化、约普效应和表面形态成因；通过长时间伴飞和附着探测，获取小行星整体和局部形貌、矿物含量、元素种类、次表层物质成分、空间风化层、内部结构等信息，研究小行星的形成和演化史。通过巡航段的空间环境探测，研究行星际太阳风的结构和能量特征；通过伴飞和附着探测，获取小行星临近空间环境参数，研究太阳风对小行星表面的空间风化作用。

    关于主带小行星探测，选择主带小行星中最重要的天体，进行环绕探测，测量其形状、大小、表面形态等基本性质，绘制高分辨率地形地貌图，研究表面相对年龄。通过着陆就位探测，研究着陆区的地形地貌、土壤层的小尺度精细结构和粒度分布；高精度就位分析着陆区的物质成分，如有机物和水的含量；探测小行星表面的矿物含量、元素丰度和有机组分等信息，绘制表面矿物与元素分布图，确定小行星的类型；研究宇宙射线、太阳高能粒子和太阳风对小行星表面的空间风化作用，稀薄大气层与太阳风的相互作用；测量小行星的磁场强度，探讨磁场的形成和演化过程；探测土壤层特性、内部结构和内核大小，研究小行星内部的早期熔融分异机制。通过取样返回，开展小行星样品的深入、系统和综合分析研究。系统测定样品的物性、物质组成、有机组分、同位素组成、结构构造、小行星各演化阶段的年龄，通过与类地行星、小行星的比较研究，探索太阳星云盘的物质分馏过程，为小行星的起源与演化、早期太阳系的形成与演化过程提供科学依据。

    结合其他探测任务的飞越探测包括：在木星等探测任务过程中实施对小行星（或彗星）的飞越探测，测量其形状、大小、表面形态、自转状态等基本性质。

    $金星探测的科学畅想

    金星犹如一颗耀眼的钻石，在天幕上是最亮的星星。金星在我国古代称为太白，早上出现在东方时又叫启明星、晓星、明星，傍晚出现在西方时也叫长庚星、黄昏星。在希腊与罗马神话中，金星是爱与美的化身。罗马人称金星为维纳斯（Venus），维纳斯是爱神、美神，同时又是执掌生育与航海的女神；在希腊神话中她叫阿佛洛狄忒（Aphrodite）——爱与美的女神，金星的图腾符号是维纳斯女神化妆台的镜子。金星一直都被稠密卷曲的云层笼罩在神秘的面纱中。金星是一个普通的、体积很小的行星，不是发光发热的恒星，但却是最亮的星星。太阳系的类地行星按照距离太阳由近而远的顺序，依次是水星、金星、地球与火星。金星的半径约为6073千米，只比地球半径小300千米，体积是地球的88%，质量为地球的87%，平均密度为地球的95%，在类地行星中，金星与地球的大小、质量最接近，是地球的姊妹星。金星比地球更靠近太阳，在金星上看太阳，太阳的大小比地球上看到的大1.5倍，金星的位置接受太阳的光和热的辐射常数比地球大1.9倍。由于金星被一层稠密的100多千米厚度的大气层所包裹，特别是距离金星表面47—70千米高度的白中透黄的反光云层，使到达金星的阳光大约70%被反射到太空，使金星在天穹中成为最亮的星星，甚至比最亮的恒星天狼星还要亮。

    望远镜看不到金星的真实面貌。金星周围有浓密的大气和云层，金星的大气压强非常大，为地球的90—99倍，相当于地球海洋中1千米深度时的压强。在100多千米厚的金星大气层中，夹有一层厚达20—30千米厚的浓硫酸组成的浓云，使金星的天空呈现橙黄色，经常下硫酸雨。这些云层挡住了各种光学望远镜对金星表面的观察，往往只能观察到金星表面的云层呈现的带状风系统，这种带状风是太阳照射所造成的对流。

    上世纪60年代初以来，美国和苏联分别发射了“水手号”和“金星号”等一系列探测器，迄今为止发往金星或路过金星的各种探测器已经超过40个，获得了大量的有关金星的科学资料，但是对金星面貌的了解仍然模糊不清。 1991年，美国发射的轨道飞行器“麦哲伦号”绕金星运行，成功应用合成孔径雷达对金星表面成像，首次获得分辨率为300m覆盖金星表面99%的图像，金星的面容才真实地显露出来。

    金星一天的时间比一年还长。金星绕太阳运行轨道接近于正圆，金星公转的轨道面与黄道面接近重合，公转周期为224.701个地球日。金星的自转速度很慢，自转周期为243.01个地球日。金星公转一周为金星的“一年”，自转一周为金星的“一天”，金星 “一天”的时间比金星 “一年”的时间还要长18.3个地球日。

    金星为反向自转。太阳系的行星（金星除外）自转的方向与公转的方向（反时针方向）一致，唯有金星是反向自转（顺时针方向），自转与公转的方向相反，因而在金星上太阳是西升东落，与地球上的太阳是东升西落完全相反。太阳系8大行星的自转轴与黄道面都不是垂直的，水星接近垂直，其他行星的自转轴与垂直黄道面法线都有大小不等的夹角。一般的解释是当太阳系各行星形成不久，受到不同大小、速度和入射角的小行星撞击，使受到撞击的各个行星的自转轴不同程度的倾斜，甚至像金星那样倒转。理论计算各个行星的自转轴不同程度的倾斜并不困难，但要找到撞击的科学证据还有待进一步研究。

    金星的大气主要由二氧化碳(96.5%)和氮（3.5%）组成，还有极痕量的H2O、SO2和H2S。地球的大气主要由N2(78.1%）和O2(21.0%)组成，CO2只占0.033%。为什么大小和质量相近的金星与地球，大气的成分差别极大？在太阳系形成初期，类地行星（水星、金星、地球、火星）的原始大气层中的气体都被强烈的太阳风驱赶殆尽，行星的大气层是通过初期行星大面积的火山爆发喷发出来的火山气体组成，类地行星的大气层是次生的。在类地行星中，地球和金星的质量最大，可以将更多的内部排出的气体“束缚”在它们表面，因此它们的大气有着复杂的组成和较大的密度。

    金星的表面高达450℃—480℃的高温。温室效应是指在透射阳光的密闭空间内，由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应。金星的大气密度是地球大气的90倍，且大气中97%以上的二氧化碳是“保温气体”。 二氧化碳只许太阳光通过，却不让热量散发到太阳系空间。被封闭起来的太阳辐射使金星表面变得越来越热，温室效应使金星表面温度高达450℃—480℃，并且基本上没有地区、季节和昼夜的差别。金星大气中还有一层厚达20—30千米由浓硫酸组成的浓云，浓云一方面阻止金星表面热量的散发，增强了温室效应；但是另一方面浓云把70%入射的阳光都反射回了太空，使金星表面接受到的太阳光比较少，大部分阳光都不能直接到达金星表面，因而大大减弱了金星的温室效应。如果金星没有这些浓云层，金星表面的温度还会更高。

    金星是太阳系中拥有火山数量最多的行星。“麦哲伦”号雷达的探测数据表明，至少85%的金星表面被火山喷发的熔岩流覆盖，显示金星在距今的8亿—10亿年以来，火山活动仍很活跃。在金星表面发现有几百个大型火山地貌，还零星分布着十多万座小型火山，金星是太阳系中拥有火山数量最多的行星。金星表面古老的地形地貌和地质构造特征绝大部分被后期的熔岩流覆盖，为分析研究金星的地质构造演化历史带来了更大的困难。

    在地球上，有些火山爆发时由于内部含有大量的气体和水，将促使火山熔岩剧烈喷发。金星的火山熔岩里缺乏水，且由于金星表面的大气压很高，金星的火山似乎没有剧烈爆发和喷射火山灰的迹象，只发现熔岩流的溢出和流淌。根据“麦哲伦”号雷达的探测，85%的金星表面覆盖着火山熔岩流，大量的火山熔岩流经几百千米，填满低地，形成了广阔的平原。

    金星没有板块运动。按照地球的板块构造理论，板块运动的发现是源于海底扩张，大陆漂移；板块运动的机制是刚性的岩石圈板块在软流圈对流的驱动下产生漂移。在板块交界处板块碰撞造山，岩石圈板块插入软流圈，火山—地震带的形成等。金星的内部结构，目前直接探测资料极少，只能参照地球内部结构推测金星内部有一个半径约3100千米的铁—镍核，中间一层是主要由硅﹑氧﹑铁﹑镁等化合物组成的幔，而外面一层是主要由硅、铝、氧化合物组成的很薄的壳。来自“麦哲伦号”探测金星的数据表明，金星的“地壳”比起原来所认为的更厚也更坚固。金星没有海洋，更没有发现海底扩张产生的对称磁条，没有线性的火山链，没有明显的板块消亡地带等。推测金星没有像地球那样产生过可移动的板块构造。

    金星自转速度很慢，自转一周的时间为243.01个地球日，金星赤道处的自转速度为每秒1.81米。金星表面大气的风速只有每秒1米或更小，随着高度的增加，金星大气旋转的速度增大。在16千米高度时，大气的旋转速度达到每秒20米，大大超过金星自转的速度。在70千米高度大气的旋转速度大约为每秒100米，绕金星一周旋转的周期只有4—5个地球日。如此快速转动的上层大气，被称为“超旋”，至今仍是个令人不解的谜团。

    金星是一颗神秘的行星。金星的天空呈橙黄色，高空云层浓密，雷鸣闪电，阴森恐怖；金星表面高温高压，火山熔岩流淌，强酸雨沉降，没有海洋，没有河流，没有一滴水；金星没有任何生命活动的迹象，是一个严酷的、死寂的世界。

    国际上已经开展了40次金星探测，但目前有关金星大气层的水逃逸机制、大气超旋的成因等仍是未解之谜。此外，对金星大气进行分层和特定层位的就位精细探测具有重要意义，然而由于金星具有极高的大气压、较厚的二氧化硫云层、很高的表面温度等环境特点，大大限制了光学探测手段的应用，必须采用雷达探测技术并结合浮空器探测，以获取金星地形地貌、局部大气特征、表面矿物组成等基本科学信息，填补金星浅层结构、区域物质成分等探测的国际空白。

    金星探测是一项巨大的系统工程，必须陆续实施而最终完成。我国金星探测仍然可以采用环绕和浮空探测，实现对金星大气层整体性的探测和局部区域的就位探测，以及金星表面地形地貌与次表层物质结构的全球性探测，获得金星大气的组成与结构、温度场、电离层与磁层、地形地貌与物质组成等的探测数据。开展金星大气层的闪电和气辉，温室效应，大气环流等的成因机制以及大气整体演化过程，大气层、电离层与太阳风的相互作用过程，水逃逸机制等研究；开展金星表面改造的地质营力和地质构造演化史的研究；开展金星内部结构的综合性研究。

    $木星系统探测的科学畅想

    木星的质量是其他七大行星总和的2.5倍多，目前已发现有60余颗卫星，构成了木星系统。木星具有强大的磁场，影响着整个木星系统；木星大气、电离层与太阳风的相互作用对木星的演化起重要作用；木卫二、木卫三都有液态水，是可能存在地外生命的天体之一。探测和研究木星的磁层与太阳风的相互作用、木卫二的地下海洋及其可能支撑生命存在的环境，具有重要的科学价值，对探索生命起源具有重要启示。

    我国木星系统探测可以环绕探测方式重点对木星磁层结构、木卫二的大气和冰层、行星际空间环境等进行探测，并进行地球生命的地外生存演变特性的观测。通过木星系统环绕探测，获取木星的磁层结构、大气环流等探测数据，研究太阳风与木星磁场的相互作用、大气环流模式与动力学机制；探测木卫二空间环境和表面冰层形貌，研究冰层厚度分布特性、木星潮汐作用对木卫二地下海洋的加热效应。通过巡航段行星际太阳风结构探测，研究太阳风在行星际空间的传播特性。通过巡航段生物舱试验，研究地球生命在地外环境的生存特性。首次木星系统探测工程通过借力金星，对木星和木卫二进行环绕探测，开展多目标、多任务的科学探测任务，主要科学目标包括：研究木星磁层结构、木卫二大气密度、温度、风场、成分和磁场、等离子体、高能粒子辐射；探测木卫二表面地形起伏、冰层形貌及其厚度分布；探测木星和木卫二的电离层（电子流、密度等），以及电离层与太阳风相互作用所产生的感应磁场；探测金星—地球—地球—木星间的磁场、等离子体、电场及其随时空的分布特征；开展木星系统探测器飞行期间的微型遥测遥控生物科学试验，获取不同飞行段生物的生命特征现状、变化等信息。

    $让中国飞得更远

    对未知世界的探索，是人类文明和科学技术进步发展的永恒推动力；对茫茫宇宙的探测，则是人类认识宇宙、探索宇宙的起源、拓展生存空间的必由之路。深空探测可以进一步解答地球如何起源与演变、行星和太阳系的形成和演化、地球是不是宇宙中唯一有生命繁衍的天体等一系列问题，帮助人类研究太阳系的起源、演变和现状，进一步认识地球环境的形成和演变，认识空间现象和地球自然系统之间的关系，有利于人类积极开发和利用空间资源。

    深空探索的不断发展将为人类的共同发展提供更多的空间和机会，为人类了解地球和探索未来提供更多的机遇和挑战。同时，深空探测也是当今世界高新科技领域中极具挑战性和创新性的活动，推动着国家科技经济进步与社会可持续发展，将是21世纪人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径。

    尽管在深空探测的道路上充满挑战与风险，也曾遭遇失败，但这依然无法阻止人类迈向深空的脚步，人类对未来探索太空的奥秘充满了坚定的信心。

    纵观国际深空探测的历史和发展，未来深空探测活动将进入以科学引领为主、科学与技术协调发展、互相促进的新阶段——

    未来，将有更多的国家参与到深空探测活动中，国际合作将更加广泛。人类探索的空间对象将更加多元化，探测的距离将延伸向更遥远的空间；人类探索太阳系的探测方式将更加多样化，探测手段也将不断扩展。深空探测的内容将更为丰富，科学牵引作用将不断增强；太阳系与宇宙的探索将永无止境，人类的足迹终将探测整个太阳系，奔向更遥远的宇宙空间。浩瀚的宇宙蕴藏着人类永远探索不尽的未知奥秘，在未来的道路上，随着航天事业和科学技术的不断进步与发展，人类将更加着眼于地球长远的生存环境，充分开发利用地外资源与能源，建立月球与火星基地，拓展人类生存与发展的空间。届时，人类的探索终将奔向更遥远神秘的太阳系空间和宇宙空间。

    太阳系探测开拓、保障与丰富了人类的美好未来！中国应该飞得更远！应该为人类做出更大贡献！

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