深空探测与行星科学
月球火星等深空任务、着陆巡视与采样返回。
- 采样返回
采样返回是指探测器从地外天体采集样品并安全送回地球的航天活动，核心科学价值在于将原始地外物质带回地面实验室进行精细分析。嫦娥五号于 2020 年带回约 1731 克月球正面样品，嫦娥六号于 2024 年完成人类首次月球背面采样返回，带回 1935.3 克样品。隼鸟2号和 OSIRIS-REx 分别从小行星龙宫和贝努带回样品，检测到氨基酸和核碱基。
- 地外生命探索
地外生命探索是指通过航天探测和天文观测寻找地球以外生命迹象的科学活动，核心是判断目标天体是否具备液态水、能量来源和生命必需化学元素。宜居带是恒星周围可维持行星表面液态水的轨道区域，太阳系宜居带大致覆盖火星轨道附近。嗜极微生物的研究拓展了生命可存活条件的边界，最高耐受温度达 121°C，最低 pH 值达 0。
- 彗星探测
彗星探测是指人类以彗星为科学目标开展的航天活动，包括飞越、环绕、撞击和采样返回。彗星是太阳系形成时遗留的冰尘混合物，保存着早期物质信息。乔托号于 1986 年以约 596 千米距离飞越哈雷彗星，罗塞塔号于 2014 年成为首个环绕彗星的探测器，其携带的菲莱着陆器实现了人类首次彗星表面软着陆。星尘号于 2006 年带回彗星尘埃样本，深度撞击号于 2005 年撞击坦普尔 1 号彗星。
- 火星探测
火星探测是指人类以火星为目标开展的航天活动，包括飞越、环绕、着陆巡视与采样返回。无线电单程传播延迟在约 3 分钟到 22 分钟之间变化。地火转移采用霍曼转移轨道，发射窗口约每 26 个月出现一次，单程飞行约 6–9 个月。火星着陆需在约 7 分钟内将速度从约 2.1 万公里/时降至零，是任务失败率最高的环节。
- 金星探测
金星探测是指人类以金星为目标开展的航天活动，包括飞越、环绕、着陆和大气气球探测。金星表面温度约 467°C，大气压约为地球海平面的 92 倍，浓密的二氧化碳大气和硫酸云层造成极端温室效应。金星被硫酸云完全遮蔽，可见光无法观测表面，合成孔径雷达是测绘金星地形的主要工具。
- 木星探测
木星探测是指人类以木星及其卫星系统为科学目标开展的航天活动，包括飞越、环绕和卫星专项探测。木星是太阳系中最大的行星，质量约为太阳的千分之一、其他七大行星质量总和的 2.5 倍。木星周围的辐射强度约为地球周围的 10000 倍，探测器必须配备厚重的钛屏蔽罩。
- 深空导航
深空导航是指确定深空探测器在空间中的位置和速度、并规划其飞行路径的技术。地面无线电测轨通过测量信号往返时间和多普勒频移确定轨道，是中国深空测控网的核心手段。光学自主导航利用导航相机拍摄目标天体与背景恒星的相对位置，通过三角测量法定位，在深空1号任务中首次验证。X射线脉冲星导航利用毫秒脉冲星的稳定脉冲到达时间，当前精度约 5 km。
- 深空轨道设计
深空轨道设计是指为深空探测器规划从地球出发到目标天体飞行路径的工程学科，核心目标是在消耗最少推进剂的前提下实现精确到达。霍曼转移轨道是能量最优的两圆轨道间转移方案，飞往火星的发射窗口约每 26 个月出现一次。引力借力利用行星引力改变探测器轨道和速度，可大幅降低发射能量需求。
- 深空能源
深空能源是指为深空探测器提供电力和热能的电源系统，核心类型包括太阳能、放射性同位素温差发电机（RTG）和空间核反应堆。太阳辐射强度随距离平方衰减，火星轨道约为地球附近的 43%，木星轨道仅约 4%，天王星轨道已无法使用太阳能。RTG 利用钚-238 衰变热和塞贝克效应发电，多任务型号 MMRTG 功率约 110 瓦，热电转换效率 4%–8%，设计寿命最长 14 年。
- 深空热控
深空热控是指为深空探测器在极端温差环境下维持设备正常工作温度而设计的热管理系统，核心手段包括被动热控和主动热控。月面昼夜温差约 300°C，火星表面温度可在 -80°C 至 40°C 之间波动。多层隔热材料通过多次反射热辐射实现保温，同位素热源为月夜和深空低温环境提供持续热量。玉兔号月球车通过同位素热源和气液两相热控系统在 -180°C 月夜中生存。
- 深空探测器
深空探测器是指对月球及以远天体或空间环境实施探测的无人航天器，是人类开展深空探测的主要工具。与近地轨道卫星的核心区别在于通信延迟和自主性要求：地月往返延迟约 2.6 秒，地火往返延迟可达数十分钟。深空探测器依赖放射性同位素电源应对远离太阳的光照不足问题，依赖自主导航应对遥控失效风险，依赖抗辐射加固应对高能粒子环境。
- 深空探测任务概述
深空探测任务是指脱离地球引力场、以月球及更远天体为目标的航天探测活动，涵盖月球探测、行星探测、小天体探测和太阳系边际探测等方向。它与近地轨道卫星任务的区别是：近地轨道任务以地球为引力主星，深空任务的主引力场是地球以外的天体，通信距离从38万公里延伸到数亿公里，信号单程延迟从1.3秒到数十分钟不等。
- 深空通信链路
深空通信链路是指地面测控站与深空探测器之间建立无线电或光通信连接的系统，核心挑战是距离带来的信号衰减和传播延迟。信号强度随距离平方衰减，地火单程延迟在约 3 分钟到 22 分钟之间。X 频段是深空通信的主力频段，Ka 频段可提供更高数据速率但对天气更敏感。天线组阵通过多个中小口径天线合成等效大口径天线，深空光通信利用激光将数据速率提升数个量级。
- 深空网络
深空网络是指由地面大口径天线站组成的全球测控通信设施，用于对月球及以远天体探测器实施跟踪、导航和通信。NASA深空网由戈尔德斯通、马德里和堪培拉三站组成，经度间隔约 120°，确保连续覆盖。中国深空测控网由佳木斯 66 米站、喀什 35 米站及阿根廷 35 米站构成，测控覆盖率超过 90%。天线组阵通过多面天线信号合成提升接收增益，喀什站 4×35 米组阵作用距离超过 8 亿公里。
- 深空未来
深空未来是指深空探测活动在规划、技术和目标上的演进方向，核心趋势包括月球科研站建设、火星采样返回、载人登月和冰卫星专项探测。中国计划 2028 年前后发射天问三号实施火星采样返回，2031 年前后携带火星样品返回地球；2030 年前实现中国人首次登陆月球；2030 年前后发射天问四号探测木星及其卫星。国际月球科研站计划 2035 年前建成基本型，2045 年前建成拓展型。
- 水星探测
水星探测是指人类以水星为科学目标开展的航天活动，包括飞越、环绕和着陆。水星公转周期约88天，自转周期约59天，呈现3:2的自旋轨道共振。表面昼夜温差约600°C，无实质大气。水星轨道捕获需要消耗大量能量，引力借力是降低速度增量需求的核心手段。信使号于2011年成为首个环绕水星的探测器，贝皮科伦布由欧空局与日本联合实施，计划于2026年进入水星轨道。
- 太阳探测
太阳探测是指人类以太阳为科学目标开展的航天活动，包括抵近飞越、环绕遥感和极区成像。帕克太阳探测器于 2024 年 12 月以约 610 万公里距离飞越太阳表面，速度约 69 万公里/时，首次穿越日冕。太阳轨道器于 2025 年首次实现太阳极区直接成像，轨道倾角提升至 17°。羲和号运行于 517 公里太阳同步轨道，实现国际首次太阳 Hα 波段光谱成像。夸父一号以“一磁两暴”为目标，同时观测太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射。
- 土星探测
土星探测是指人类以土星及其卫星系统为科学目标开展的航天活动，包括飞越、环绕和卫星着陆。土星是太阳系第二大行星，距地球最远超过 16 亿公里，信号单程传输时间可达约 89 分钟。卡西尼-惠更斯任务是迄今最重要的土星探测项目，卡西尼号于 2004 年进入环土星轨道，惠更斯号于 2005 年在土卫六着陆。
- 系外行星探测
系外行星探测是指通过天文观测手段发现并研究太阳系外行星的科学活动，核心方法包括凌星法、视向速度法、微引力透镜法和直接成像法。截至 2025 年，NASA 确认的系外行星数量已超过 6000 颗，另有超过 8000 颗候选行星待确认。凌星法通过观测恒星光度的周期性微弱下降发现行星，是当前发现数量最多的方法。视向速度法通过测量恒星光谱的多普勒频移推算行星质量下限。
- 小行星探测
小行星探测是指人类以小行星为科学目标开展的航天活动，包括飞越、环绕、采样返回和动能撞击试验。小行星是太阳系形成时遗留的原始物质，碳质小行星含有水蚀变矿物和有机分子，可能保存了地球水和生命前体物质的来源线索。隼鸟2号和 OSIRIS-REx 分别从龙宫和贝努带回样品，检测到氨基酸、核碱基和糖类。嫦娥二号于 2012 年以 10.73 km/s 的相对速度飞越图塔蒂斯。
- 星际探测
星际探测是指探测器越过日球层顶、进入恒星际空间开展直接测量的航天活动。旅行者1号于 2012 年 8 月穿越日球层顶，成为首个进入星际空间的人造物体，当前距地球约 250 亿公里以上，信号单程传输需约 23 小时。星际空间并非绝对真空，星际介质平均密度约每立方厘米 0.1 至 1 个原子，主要由氢和氦组成，同时存在源自太阳系外的银河宇宙辐射。
- 行星保护
行星保护是指为防止航天活动对地球和地外天体造成有害生物污染而建立的一套国际准则和技术措施，核心目标是防止正向污染（地球微生物污染地外天体）和逆向污染（地外物质污染地球生物圈）。COSPAR 制定的行星保护政策将任务分为五类，从对无生命关切天体的飞越到从可能宜居天体返回样品。阿波罗 11 号宇航员返回后接受了 21 天隔离，样品和飞船被送入月球返回接待实验室。
- 行星着陆
行星着陆是指探测器从行星大气层外进入并安全抵达天体表面的过程，通常称为 EDL（进入、下降与着陆）。火星着陆需在约 7 分钟内将约 2 万公里/小时的速度降至零，依次经历气动减速、伞系减速和动力下降。月球着陆没有大气可利用，从约 1.7 公里/秒的速度全程依靠反推发动机减速至零。着陆缓冲系统包括气囊、着陆腿和空中吊车，选择取决于探测器质量和目标天体环境。
- 巡视器
巡视器是指搭载在着陆器上、抵达天体表面后可脱离着陆平台自主移动并开展探测的航天器，俗称月球车或火星车。与固定着陆器的核心区别是巡视器具备移动能力，可离开着陆点扩大探测范围，实现“着陆+巡视”双重任务。祝融号火星车重 240 千克，采用主动悬架，可蠕动脱困和抬轮，最大速度约 200 米/小时。玉兔二号配备钚-238 同位素温差发电机，功率约 2.5 瓦，用于月夜保温。
- 月球探测
月球探测是指人类以月球为目标所开展的无人与载人航天活动，涵盖飞越、环绕、着陆、巡视勘察与采样返回等任务形式。月球是地球唯一的天然卫星，平均距离约 38.4 万公里，无线电单程传播时间约 1.3 秒。月球探测的核心科学目标包括研究月球起源与演化、勘查资源分布、为载人深空飞行验证关键技术。自 1959 年苏联“月球 1 号”飞越月球以来，人类已实施百余次月球探测任务，成功率约 50%。