一、各类深空探测关键技术
(一)新型轨道设计技术
近年来，由于深空探测任务的进展，采用了一些新的飞行轨道设计技术。
1.借力飞行轨道设计技术
借力飞行技术是指借助大天体如行星的引力调整或改变探测器飞行轨道的轨道设计技术。很多探测器都采用了借力飞行技术，从而节省了大量推进剂。例如，日本于2003年发射的隼鸟号小行星探测器采用了这种借力飞行技术：再如，美国于2004年发射的信使号水星探测器在6年多的飞行过程中，要1次飞越地球、2次飞越金星、3次飞越水星。最后将于2011年进入环绕水星的轨道。它在2005年8月返回地球时，曾借助地球引力加速：而在2006年10月和2007年10月飞越金星时，则借助金星引力调整飞行轨道向水星靠近。
2.气动减速轨道设计技术
气动减速技术是指利用行星大气特性实现气动减速的轨道设计技术。近年来，美国在火星探测中利用了气动减速技术，先通过主推进系统制动实现火星轨道捕获，进入环绕火星的大椭圆轨道，再通过火星大气减速降低轨道高度，最终进入近圆工作轨道。此外，火星着陆器的软着陆过程也利用这种气动减速技术来降低轨道高度。
3.小推力过渡轨道设计技术
小推力过渡轨道设计技术是新型轨道设计技术与新型推进技术相结合的产物，它可以利用新型推进器的推力实现轨道加速。由于探测器接近探测目标、环绕目标飞行或软着陆都要提供很大的速度增量，若采用传统化学推进剂则必须携带大量推进剂，从而会增加探测器的质量，相对减少有效载荷的质量。而新型轨道设计方法与这些先进推进技术(如电推进、核推进、太阳帆和微波推进等)相结合，将会大大促进深空探测任务的进展。
(二)新型结构与机构技术
这里主要介绍月球与行星着陆器、表面巡视探测器的结构与机构技术。
1.着陆器结构技术
着陆器结构按照组成构件类型可分为桁架框架式结构、板式结构和筒壳式结构。其中框架式结构材料利用率和整体结构强度高，又可实现发射状态折叠。因此是首选方案，已发射成功的大型探测任务着陆器均采用框架式结构。
欧洲月球2000着陆器的主体框架由上下支撑板、中间圆柱形月球车舱和4个着陆腿组成。中间圆柱形月球车舱为铝合金蜂窝或波纹板夹层结构，它通过铝合金蜂窝夹层上支撑板与一个电子设备锥形段连接，上面为与轨道器连接的铝环，下支撑板为与阿里安4火箭连接的铝环。整个结构由4个缓冲腿支撑，每个着陆缓冲腿由三支杆状结构组成，通过缓冲腿内部的多级可压缩蜂窝结构实现着陆冲击的衰减。该着陆器能将加速度峰值衰减到7.5g，可在坡度不超过15°的月球表面着陆。美国航空航天局(NASA)研制的2007凤凰号火星着陆器如图1所示。该探测器携带机械臂，可挖掘到表面冰层下0.5m的深度。21世纪美国重返月球的新一代月球着陆器将运送4名宇航员和20t货物着陆，并具有到达全月球能力和任何时候返回地球的能力，具有用于表面活动的增压舱，如图2所示。
2.表面巡视探测器结构与机构技术
行星(及其卫星)表面巡视探测器又称漫游车，如月面巡视探测器又称月球车。它携带科学仪器在行星表面移动，完成探测、采样、运输等任务。在着陆前它是着陆器的有效载荷，着陆后则是独立完整的移动探测器，其结构与机构技术涉及构型设计、总体布局和一体化集成设计技术。由于科学仪器种类多、操作复杂。其展开与伸展机构重复展开与收拢，对轮子的驱动与转向、机械臂的关节等要进行模块化设计。
2004年着陆火星的美国机遇号和勇气号火星表面巡视探测器质量为185kg，外形尺寸为150cm>230cm>260cm，车轮直径25cm，宽度20cm。它装有带6轮的摇臂悬挂系统，能跨越25cm的岩石，在沙地和不规则岩石上爬坡，最大允许倾角30°，可以在45°斜面上保持不倾覆。前后两轮带有转向装置，可以使车体原地转向260°，也能使车体突然转向和作曲线运动。最大移动速度可达0.5cm／s(实为0.1m／s)。机遇号和勇气号火星表面巡视探测器如图3所示。此外。NASA还为其2009火星科学实验室(MSL)任务研制了火星探测漫游车(MER)，如图4所示。
(三)热控技术
深空探测器在轨运行和在行星表面运行的过程中需要经受复杂、恶劣的热环境，热控系统保证其仪器设备能在适宜的温度范围内正常工作。如表面巡视探测器的热控系统，需要解决在外热流环境、复杂工作模式下的温度控制问题，有些仪器工作时需要散热，关机时又需要保温：而且外露部件较多。需要采用合理的放热方法保证其处于可以工作的工作条件，采用使用温度更宽的材料和器件。热控系统一般由散热涂层与隔热结构、加热器与热源以及控制加热器的控制器等构成。热控技术分为被动热控和主动热控，被动热控包括表面处理技术、隔热技术、热管技术等，主动热控包括无源主动热控(如百叶窗与旋转盘和导热通道热开关)、有源主动热控(如加热和冷却回路或液体循环换热装置)等。一种探测器通常采用多种热控技术的组合。
1.加热器技术
加热器主要包括电阻加热器和核能源加热器与发电器。由于对远离太阳的行星进行探测时，阳光强度太低，探测器不能有效利用太阳电池，因而采用基于核能源(即放射性同位素热源)的温差发电器和加热器，主要有放射性同位素热电发生器(温差热源)(RTG)和放射性同位素热源单元装置(RHU)。在深空探测中广泛采用同位素热电发生器废热进行加热。近年来在一些深空探测器上还采用微型RHU加热，一般采用Pu－238作热源，热功率只有几瓦，质量约几十克，称为轻型RHU。
2.流体回路技术
流体回路技术传热效率和可靠性高，设计灵活，在深空探测中获得广泛应用。近年来闭环控制流体回路换热装置得到广泛应用。它通过强制流体在管路内循环流动而传输热量，可分为单向流体回路和两相流体回路。20世纪90年代发展了毛细泵驱动的两相流体回路(CPL)和环路热管(LHP)。在深空探测领域获得重视与应用。美国的火星探测漫游车(MER)采用了成熟的流体回路技术，其勇气号和机遇号表面巡视探测器的蓄电池组和电子模块的热控分别采用了6个和2个同位素加热器(RHU)。而2009火星科学实验室(MSL)是大型表面巡视探测器，它利用多用途同位素热电发生器产生的2000W废气对内部设备进行补偿加热，而采用蓄电池对外部设备进行热控。它包括两个单相流体回路，一个用于巡航阶段整个探测器的热控，传热能力2150W，另一个用于表面巡视探测器工作阶段的热控。火星科学实验室的流体回路结构示意图如图5所示。将于2010年左右执行任务的欧洲火星漫步车ExoMars表面巡视探测器则在箱体内部采用RHU加热器加热，多余热量通过热开关和LHP传递到外部的辐射器进行排散，箱体外部设备采用电阻加热器加热。
(四)自主导航与控制技术
1、探测器智能自主导航控制技术
NASA的“新盛世”计划把智能自主技术放在首位，使深空探测器能自主完成导航控制、数据处理、故障判断和部分重构与维修工作。作为该计划的先导，美国的深空l号探测器通过远程代理、自主导航、信标操作、自主软件测试和自动编码等技术途径充分实现了智能自主控制，这是21世纪开始单个航天器智能自主技术应用的最高水平。欧空局、俄罗斯、日本和印度在自主技术方面也都开展了研发工作。
2、表面巡视探测器自主导航控制技术
表面巡视探测器的导航与控制技术主要包括自主导航定位、路径选择和控制技术。(1)在月面和行星表面的复杂自然环境下定位难度很大，国外主要采用基于轨道图像、软着陆降落段图像和车载视觉系统图像的匹配定位、基于里程计的航位推算法、路标特征匹配法等实现局部定位。要在长距离导航中获得鲁棒性较好、精度较高的位置信息，应采用组合定位方法，并结合测角和测距技术。(2)路径规划的效率直接影响控制的复杂程度和探测效率，月面巡视探测器采用基于多种敏感器信息融合的路径规划，实现自主运动和完成科学仪器操作。(3)目前表面巡视探测器难以实现完全的自主控制，“基于人机交互的局部自主+遥操作”是实现探测器控制、科学仪器操作和提高探测效率的关键技术。此外，月面巡视探测器的驱动转向控制技术是实现能量优化控制的又一关键技术。由于月面巡视探测器在松软的月表环境下运动，存在严重的滑移和滑转，为适应地形，每个轮子的负载不同，因此需要最佳地协调轮子的驱动和转向，优化驱动效率。
行星表面巡视探测器的最困难问题之一就是在困难地形上的机动性和自主通过以前未被描述过的环境的能力。2006年加拿大麦克唐纳>德特威勒联营有限公司(MDA)开展了行星表面巡视探测器的自主导航研究，其关键领域包括目视运动估测、自主路线编程和车辆定位。MDA负责设计的欧洲火星漫游车(ExoMars)方案如图6所示，它能够在火星表面巡视数公里，由星上软件系统自动控制，采用光学敏感器导航，底盘的关键领域是运动和导航。
(五)新型推进技术
空间探测新型推进技术主要包括电推进、太阳热推进、太阳帆推进、核推进技术以及新兴气动捕获和先进化学推进技术。2002年NASA制定了空间推进技术(ISPT)计划，开发用于机器人深空探测的下一代空间推进技术，包括气动捕获、太阳电推进、太阳帆推进和先进化学推进。
1、气动捕获技术
气动捕获技术利用航天器与大气之间的动量交换而获得减速推力导致轨道捕获。这一技术非常具有吸引力，因为它允许航天器以较高的速度从地球发射，从而可以缩短总旅行时间。在目的地(目标星)则通过大气中的气动阻力降低速度。如果没有气动捕获，就需要航天器上的大量推进系统来执行同样的减速，这将使得运载的科学有效载荷减少，运载火箭尺寸增大。图7表示由于在太阳系目的地采用气动捕获而可能引起的任务级质量减轻。
美国认为在两年内能够达到采用非推进方式而使航天器减速的要求。另一种可选方案是使飞行器展开一个“降落伞气球”——一种由薄的耐久性材料制成的降落伞与气球相结合的产品。目前正在为气动捕获研发4种不同的方案：(1)钝头体刚性气动壳体(软着陆降落伞)；(2)细长体刚性气动壳体(软着陆降落伞)；(3)拖尾形降落伞气球；(4)附加降落伞气球。目前已经研制出一些先进的轻质刚性壳体结构，如洛马公司制造了直径为2m的碳／碳气动壳体，未来计划还包括制造1m的先进烧蚀气动壳体。可膨胀气动壳体技术的研发已开始进行。
2、电推进技术
电推进技术是利用电能加速工质形成高速射流而产生推力的技术，是迄今发展最快最为成熟的非化学火箭推进技术。电推进的能源和工质是分开的，电能通过太阳能或核能经转换装置获得，因而电推进技术可以分为太阳电推进技术和核电推进技术两大类：工质常用氢、氮、氩或碱金属的蒸汽。电火箭推进的比冲高，可达250kN>s/kg；寿命长，累计工作时间可达上万小时，重复启动次数可达上万次：而且，电推进器的推力一般小于100N，因而适用于深空探测。近10年来，世界航天国家或地区都在深空探测领域积极开发与利用电推进技术，美国正在研制下一代太阳电推进系统以及为未来太阳系和星际探测的核能电推进提供10-30kW级、比冲大于98 kN>s/kg的离子发动机，2003年日本发射的隼鸟号小行星探测器采用微波离子推进器，欧空局发射的SMART 1月球探测器于2006年验证了稳态等离子体推进器(即霍尔推进器)。日本正在考虑的金星探测器和欧空局计划中的贝皮，科伦布水星探测器、SOLO太阳轨道器、火星及其卫星取样返回轨道器等，都将以太阳能电推进作为主推进。
(1)太阳电推进技术
太阳电推进(SEP)系统包括太阳电池阵、电源处理装置、万向节系统、推进器以及推进剂输送系统。ISPT将通过提高它们的能量、比冲和总生产量使SEP系统成熟化，从而降低成本。正在研制的静电推进器可以达到非常高的比冲(29.4-117.6 kN>s/kg或更高)，这对于深空探测任务是十分理想的。ISPT计划的重点在于离子推进器。离子发动机已经在空间得到验证，作为主推进的首次应用是1998年的深空1号任务，并成为2007年发射的黎明号任务的主推进系统。深空1号上的离子发动机NSTAR在其最大功率水平25kW下可工作一年之久，共使用约83kg的氙推进剂。2003年6月NSTAR飞行备用发动机工作超过30352小时，处理了235.1kg的氙推进剂，这是迄今为止火箭发动机所曾工作的最长时间，并达到其原始设计寿命的283％。目前ISPT计划正在利用研制“革新的氙推进器”(NEXT)来推进SEP技术，将在超过7.0kW的功率水平下验证系统级特性，曾使NEXT 40cm推进器工作超过200小时。霍尔推进器的技术研发包括高压霍尔加速器(HiVHAC)推进器，预期寿命超过30000小时。
(2)核电推进技术
2003年开始的普罗米修斯计划使电推进技术与空间核反应堆产生的电源相结合形成混合电源，第一个建议的应用任务即木星冰月轨道器(JIMO)，其重点是一个利用电推进的100kW级航天器。相关技术包括高功率／高比冲栅格离子推进系统方案与中子反应堆(NRA)、长寿命部件与建模、高压隔离器／绝缘体、高功率电源处理器装置(PPU)选择和辐射加固推进器部件与材料。顶层推进系统特性包括：(1)高功率：每个推进器20-50kW；(2)高比冲：19.6-88.2kN>s/kg；(3)长寿命：推进系统能工作6>10年；(4)抗辐射：木星环境要求抗辐射性很强的材料；(5)技术成熟度：初步设计评审(PDR)。JIMO项目正在开发一个离子推进系统。图8表示离子系统的分系统和功能。离子推进器通过提供高速排气来提供推力(其排气速度高达20000-100000m/s，而化学系统的最大速度仅为4500m/s)：同时可使质量流量减至最小(仅为5-10mg/s，而化学发动机则超过100mg/s)。
核电推进系统(NEP)还可用于在2020-2030年期间向金星发送一系列机器人表面巡视探测器和大气科学飞机。NASA格伦研究中心特别重视NEP转移级(见图9)。NEP具有发射重型有效载荷的能力。NEP级的EP推进器系统采用6个HIPEP模型离子推进器，每个推进器功率为25kW，质量30kg。液体金属布雷顿循环反应堆为转移级上的科学仪器提供电源。NEP级的干重为9096kg。
3、太阳帆推进技术
太阳帆是通过反射太阳光子实现推进的大型轻质结构。近期的大多数应用是在地球邻近地区(例如地球一太阳L1平衡点)的以太阳为中心的任务，也是目前NASA投资的重点。第一代太阳帆的尺寸范围为100-200m。它被压缩装载以便发射：展开时将中超轻桁架支撑。太阳帆由平滑材料制成，外面涂敷反射涂层，由连接到中心毂上的超轻结构支撑。近期的太阳帆可能将采用镀铝聚酯薄膜(Mylar)或CP-1。NASA“新盛世计划”的研制工作集中在三轴稳定的方形太阳帆上，两种不同的20m太阳帆分别由ATK航天公司和拉加德(L>Garde)公司设计与研制。这些帆十分坚固。可以在大气、重力环境下展开，并可加大比例制成大得多的太阳帆，每侧长达150m。拉加德公司研制了采用可膨胀桁架杆的太阳帆，这种桁架杆在室温下是柔性的，而在低温下则是刚性的，如图10(a)所示。它们的方案采用位于方形帆4角的铰枢接叶片来控制太阳帆的高度和推进方向。2005年，两种不同的20m太阳帆系统在格伦研究中心的空间能源设施(SPF)中成功地完成展开与功能真空试验。目前，拉加德公司和喷气推进实验室正在研发100m基本型太阳帆方案，其示意图如图10(b)所示。它采用聚酯薄膜以及低于玻璃转变温度的可膨胀／可刚性化半硬壳梁和延展系统，并由此组成膨胀展开的太阳帆支撑梁，太阳帆在支撑梁端部上装有翼片，为太阳帆提供三轴控制。
4、核热推进技术
月球任务对推进要求十分苛刻，短的转变时间和高速度增量(AV)最好由核推进的高比冲(Isp)来提供。为了降低飞离地球期间的重力损失所需的高推力可以由液氧(LOX)增加推力的核热火箭(LANTR)来提供。原位资源利用(ISRU)能够大大降低运送质量至低地轨道(LEO)的重现成本，允许实现一个重复使用月球转移飞行器(LTV)体系，它比化学动力飞行器成本降低75％。LANTR是一种通过喉部下游的气氧(GOX)喷注能使来自热核火箭的推力增为两倍甚至四倍的方案。LANTR方案如图11所示。已经证明采用核动力(特别是LOX增加推力改型)对月球任务的巨大价值并可为火星任务提供飞行经验。
5、先进化学推进技术
ISPT计划正在两个关键领域开展进一步提高现有化学推进系统性能的工作。在轻质部件领域，目标是减轻推进剂与增压储箱的质量，并且促进防护热与微流星体的可能替代品而降低对多层隔热(MLI)的依赖：在先进推进剂领域，正在开展提高可贮存双元推进剂系统和确定其在深空探测任务中的全部应用的工作。化学推进剂的温度一直受到传统推进器化学材料铌的限制，在革新设计中引入高温抗氧化燃烧室材料如铱／铼(IrRe)，允许达到较高的燃烧室温度，从而提高发动机的性能。未来计划包括研制压力更高的燃烧室与空间可贮存的推进剂，均将增大比冲：其他发展包括添加铝的高比冲凝胶推进剂和泡沫芯屏蔽微流星体防护系统。
(六)新型能源技术
用于空间探测的能源技术包括太阳能源、核能源、新型能源和能量储存技术等。就应用而言，太阳能应用较广，然而在一些距离太阳较远的深空探测任务中只能依靠核能源，新型能源的应用潜力型大，近年来美国在深空探测中研究利用了大量太阳能源和核能源，水平先进：欧洲在依靠光电能源系统推动空间任务方面也已具有优势。罗塞塔木星探测器是最远的只靠太阳能源的航天器。猎兔犬是第一个仅靠太阳能源的火星着陆器。但是，某些类型的任务仅通过采用核能系统来启动，ESA与NASA合作的两项任务尤利塞斯和卡西尼／惠更斯中采用了放射比同位素加热器装置。
1、太阳能源技术
2005年美国Auburn空间研究所提出一种新的轻质太阳能系统方案。它采用最新的25kW转换器、可膨胀菲涅耳透镜太阳聚光器、先进斯特林转换器技术和液膜辐射器，将带来一种新型月球电力系统。在月球极点位置的太阳斯特林系统概念如图12所示。这种液膜辐射器被包在一个透明包套里，流入包套内的液体仅300μm，在373K温度下发光率为0.85，该系统比功率可达100W/kg，也能夜间应用。
2、核能源技术
放射性同位素电源系统(RPS)具有如下优点：寿命长；可适应各种工作条件，不受辐射影响：结构紧凑，姿态控制简单；可靠性高；动力可调；不产生噪音、振动和扭矩，因而非常适合在外层空间和行星表面的极端环境中执行任务。如月面巡视探测器的能源受到太阳电池阵面积的限制，采用同位素温差电池是解决度过月夜所需能源的优选技术途径。又如2007年9月NASA在“探测体系”中提出了利用核能替代太阳能用作火星表面能源。RPS一般可按所提供电功率大小分为较大型RPS(功率大于40 We)和小型RPS(功率由几十We到40We)。
大型RPS已获得大量应用，通常采用放射性同位素热电源(RTG)。实际应用的RTG几乎都是“静态热电型”电源，而近年“动态热电型”同位素电源也已进入工程设计与论证阶段，研究最多的是斯特林和布雷顿两种循环电源系统。未来将开发具有更高热电转换效率的热一光电转换器和碱金属热电转换器等，前者采用镓-锑(GaSb)红外光电电池直接将同位素辐射热转换成电能，后者则借助液体金属离子将红外辐射转换成电能，从而使转换效率比现在提高2-3倍。目前美国拥有的较大型RPS的功率都高于285We，并正在研制新一代功率高于110We的标准RPS，即多用途RTG和斯特林放射性同位素电源，预计将于2009-2010年应用。现在美国RTG的热电转换效率已由早期的4％提高到8％，电功率由开始时的2.7We提高到近千瓦级，比功率也由1.48We/kg增大到5We/kg。
小型RPS成为开发热点，它比大型RPS能更好地执行一些空间科学与探测任务，如小型自动着陆器、飞行器和附属卫星等。目前世界各国开展了毫瓦级、十几瓦级RPS的概念研究。对于毫瓦级RPS而言，美国的RPS输出功率为20We和40We，转换效率为2％-4％，重量为0.12-1.26kg；俄罗斯的RPS输出功率为25We，转换效率为2.5％，重量为0.27kg。对于十几瓦级的RPS而言，目前设计最大输出功率为12.5We，转换效率为5％，最大重量为5kg；而近期和未来的最大输出功率为18We，转换效率为7％，最大重量分别为5kg和3kg。小型RPS的关键技术主要是：(1)通用放射性同位素热源(GPHS)技术，如美国喷气推进实验室为下一十年火星着陆任务，根据25-50We目标设计了以单个GPHS模块为基础的RPS，如图13所示；(2)能量转换(热电能量转换与斯特林动能转换)技术，如美国正在设计一种新型能量转换系统，输出功率约为10We，转换效率达18.5％，计划于2010年使用。
今后小型RPS的应用将日益广泛，尤其是用于着陆器和表面巡视探测器。例如，探测月球地下冰冻层的月面巡视探测器既不能采用太阳能动力，又由于周期限制不能单独使用电池，因此RPS是目前唯一的选择，计划采用4台带有散热片的独立的GPHS，转换效率为5％，总功率为50We。还拟用于土卫二着陆器(转换功率为5％，功率为250We/12.5Wt)、火星表面巡视探测器(功率为23.4We)等。
4、能量储存技术
能量储存技术主要包括各种蓄电池和燃料电池技术，NASA“探测技术开发计划”(ETDP)的21项技术开发工作之一就是“能量储存项目”。该项目旨在提升锂离子蓄电池和质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术，来满足NASA探测任务包括猎户座CEV、CLV、月球先驱机器人计划(LPRP)、月面到达舱(LSAM)和月面巡视探测器与居住舱的特殊要求。PEMFC技术具有许多超过现有碱性燃料电池(AFC)的优点，NASA目前工作集中在具有纯氧的燃料电池系统操作和在多种重力环境中的水管理。
(七)测控通信技术
深空跟踪测量与通信技术是探测活动成败的关键。它包括：在整个飞行过程中进行高精度跟踪测量，以准确确定轨道并进行轨道机动控制和状态监视：在达到目标后进行制动和入轨等操作；在探测过程中通过深空通信系统将操作指令发送给科学仪器，以控制其进行科学探测，并将所获取的科学探测数据传回地球。
1、深空测控网站技术
深空测控系统主要是深空探测网站，目前美国、欧洲、俄罗斯和日本等国或地区的航天机构都已经建立了深空测控系统或深空测控网(DSN)，法国、意大利和印度也在计划建立自己的深空站。如美国的DSN是为对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网，可以提供双向通信链路，用于对航天器进行指挥控制、跟踪测量、遥测、图像与科学数据的接收等。该DSN由分布在全球的三个深空通信测量综合设施(DSCC)组成。
(1)新型天线与组阵技术
新型天线与组阵技术主要包括：①Ka频段技术：Ka频段具有比x频段更高的信噪比，可以提高数据传输率。美国正在对34m和70m天线实施Ka频段升级改造计划，可使下行链路能力增加4倍，将在2010年前完成，Ka频段测量已在卡西尼探测器上得到应用。ESA新建深空站的35m天线也具有Ka频段能力。②大口径天线技术：各国或地区都在开发和利用大口径天线技术，目前世界上主要深空站的天线口径都在34m或35m，有的已达到60-70m。美国将对现有大口径天线进行改造，包括延长70m天线的寿命、实施多目标支持(MSPA)计划。③天线组阵技术：为了提高对远距离微弱信号的接收能力，利用大量小口径天线组阵的技术成为增加天线口径的经济有效的捷径，可以提高从探测器返回的数据量。NASA提出并采用了多种天线组阵技术方案，包括4x34m BWG天线组阵和甚大规模10m级天线组阵，后者可使DSN下行链路能力提高2>3个数量级。
(2)火星轨道器中继通信技术
相对于传统的直接与地球通信而言，通过在火星轨道运行的航天器的中继通信解决通信难题具有重要意义。NASA的火星环球勘测者(MGS)和火星奥德赛(ODY)轨道器以及ESA的火星快车(ME)轨道器构成初步的中继通信体系，这一体系已经成功地支持了勇气号和机遇号火星表面巡视探测器。由于2006年火星勘察轨道器(MRO)的到达，这一扩大的中继网将在今后10年支持2007凤凰号着陆器和2009火星科学实验室(MSL)任务。为了支持高速率仪器，MRO已经显著增加了其下行链路能力，达到火星轨道器深空通信的现代技术水平。MRO的优势特征是3m高增益天线(HGA)，它提供明显高于MGS和ODY的下行增益。
火星着陆器和表面巡视探测器可以大大受益于中继通信，包括提高数据传输速率与总数据容量、减少能量使用和在观察不到地球时获得通信机会。两个火星探测漫游车(MER)都装有与火星轨道器通信的特高频(UHF)链路。至2006年5月，已有超过200 Gbit的数据返回，其中97％通过ODY和MGS轨道中继返回，中继链路将使能量效率比深空链路提高一至两个数量级。
2、光通信技术
光学通信可以将深空探测数据的传输速率提高几个数量级，在光学通信中，信息通过激光和望远镜传输，性能更高，而且航天器上的通信设备更轻巧。(1)望远镜传输技术：在采用望远镜传输中，光学空间链路的地球端有地基和天基两种实现方案，目前倾向于地基方案。地基方案采用几个10m望远镜接收深空信号，成本较低。(2)激光通信技术：NASA于2003年中期开始执行火星激光通信验证(ML-CD)项目。该项目由NASA/GSFC管理，飞行终端将在火星通信轨道器(MTO)上进行飞行试验，原计划于2009年10月发射。该项目完成了从围绕火星轨道运行的航天器以1-30Mb/s的数据速率发送数据的初步系统设计，但由于NASA内部计划变更而中止。
(八)综合电子系统技术
综合电子系统将深空探测器的遥测、遥控、自主控制和管理等功能综合在一个以微处理机为主的系统中。达到信息共享。关键技术包括嵌入式计算机系统技术、数据总线技术、大容量存储技术和微型元器件技术。发展方向是小型化和集成化。
1 高性能、小型化嵌入式电子系统技术
深空探测综合电子系统多为嵌入式计算机系统，关键部件包括嵌入式微处理器(MCPU)和嵌入式系统软件。它要集成高速处理器、高速数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(FPGA／CPLD)、专用集成电路(ASIC)、芯片基系统(SOC)等新型器件以及高效、高可靠系统软件，如实时多任务操作系统(RTOS)。嵌入式电子系统的发展方向是高性能和小型化。
2 大容量存储技术
大容量存储器技术主要包括磁带存储技术、磁光存储技术和固态存储技术。其中固态存储技术芯片容量越来越大，使存储器容量增大，设备功耗与体积减小，工作速度提高，并可随机存储，远优于磁带存储。以计算机为基础的存储器，其数据存储能力大于150GB，特别适合于长寿命、高可靠的深空探测器应用，将取代磁带存储器。
(九)有效载荷技术
深空探测器的有效载荷主要是各种探测仪器设备，根据探测目标(星)、科学任务、探测方式、探测飞行力式而各不相同。
1 探测仪器的类型和发展趋势
深空探测仪器基本上包括：(1)成像探测仪器：主要分为光学成像仪器(包括CCD立体相机、高分辨率电视摄像机、成像光谱仪等)、表面地形测绘和结构分析仪器(包括激光高度计等)。(2)土壤与矿物分析仪器：主要分为化学元素分析仪(包括x射线和γ射线光谱仪、中子谱仪等)、矿物分布分析仪(包括紫外一可见光一红外成像光谱仪(VIRTIS)等)。(3)环境探测仪器：分为表面(与空间)环境测量分析仪(包括磁力计、等离子体成像仪、带电粒子光谱仪、等离子体分析仪、高能粒子与等离子体谱仪(EPPS))、大气探测仪器(用于具有大气层的金星、水星探测。包括无线电科学实验仪(RS))、重力场试验仪器(包括多普勒重力场试验仪器等)。今后深空探测仪器的主要发展趋势是：高性能(如高分辨率)、小型轻质化、高集成度、高可靠、长寿命。
2 探测仪器在深空探测中的应用实例
(1)NASA“火星科学实验室”的阿尔法粒子x射线谱仪(APXS)(见图14)：APXS仪器具有来自“火星探路者”(MP)和“火星探测漫游车”(MER)二者的传统，用于确定土壤和岩石中的元素含量，这对于了解火星形成的地质过程至关重要。
(2)新型火星探测显微摄像仪：它可以表征水成岩。获得细小岩石特征以及碳酸盐一类物质的微小纹理的信息，还可以确定火星风化层中的微粒的形状和尺寸。
(十)外星工作站技术
1 选址布局技术
临时性和永久性外星工作站和基地的建设，首要任务当然是选址与布局。
(1)选址。其基本原则是：便于着陆和适于在一定范围内活动的平坦区域：适于建设和人员长期居住：便于与地球进行通信和运输；具有科学研究价值：刚近具有丰富资源。一般先通过多次无人探测选择载人着陆地点，并在此基础上选择建立工作站和基地的地点。美国月球前哨站的选址地点位于沙克尔顿月坑边缘上，在以前阿波罗飞船着陆的椭圆区域之内。
(2)布局与建设。工作站或基地应该包括居住地、制造厂(制造氧、水或推进剂以及相关部件)、研究实验室、仓库和其他保障设施，并进行合理布局配置。图15是美国月球前哨站的站点构型布局示意图。
2 外星表面运输与探测技术
外星工作站和基地的表面运输与探测至关重要，涉及人员、货物和推进剂的运输以及在一定范围内的探测活动。其设施主要包括运输工具或车辆、可移动居住系统和表面巡视探测器以及必要的环境控制与生命保障、后勤供应支持设备等。美国月球前哨站的设想涉及居住组件、可移动着陆器和增压月面巡视探测器以及它们的混合配置。
(1)居住组件
具有乘员／货物着陆器的多居住组件如图17所示。可以利用可移动性着陆器组装前哨站。可移动性着陆器及其居住系统如图16所示。
(2)月面巡视探测器(月球车)
扩大探测范围甚至到达全月球的需要使得表面可移动性成为月球前哨的关键决定因素。月面移动的新方式是采用增压月面巡视探测器。NASA研究了两种月面巡视探测器，一种是小型敏捷月面巡视探测器，另一种是大型月面巡视探测器。
小型增压月面巡视探测器如图18所示。它具有2人航天服装置，可进行快速到达(>15min)的舱外活动(EVA)；具有环境控制与生命保障系统(ECLSS)组件；采用防冰后舱室提供太阳粒子活动(SPE)防护。并通过冰水相变提供车辆热控；增压传至居室，大幅度降低EVA负担：行走距离200km。长距离探测需要两辆有驱动器的这种增压月面巡视探测器。
大型月面巡视探测器可以提供更远距离的月面探测。由于能很好地利用着陆器，并与增压月面巡视探测器结合，可以提供几千千米的探测距离，还可减少战神5火箭的数目。这种月面运送器带腿，腿上装轮，提供月面探测能力。
(3)混合配置方式和统一月面系统
混合配置方式是灵活的月球表面体系，尺寸小于单个居室，但大于微型居室方案的离散组件。它具有坚固耐久的货运着陆器：仅有2或3个组件的前哨站建设：由分散的月面移动系统提供便利的组装：骨架尺寸减至最小。月球前哨居住组件配置的混合方式如图19所示。
着陆器包装、居室模块和表面运送器必须作为一个系统。居住组件为模块化设计，自带太阳电源、通信和闭合环境生命保障系统等；仅利用着陆器，货物就能交付使用。月面运送方案利用腿／轮进行组件的卸载、运输和放置。
3 原位资源开发与利用技术
(1)原位资源利用技术
原位资源利用(ISRU)是采集、处理、储存与利用在载人与机器人探测期间所遇到的本地资源或原材料，从而降低成本与风险。2006年NASA首次制定了一项“ISRU技术开发计划”，使这种方式用于月球和火星的长期探测。该计划包括从2020年初期开始的扩大载人任务期间，发展对月球风化层(包括埋藏的挥发性物质)进行挖掘与采集的能力和生产氧来供应推进与生命保障耗材。原位资源利用技术主要包括下列3项：①用于推进剂和生命保障后援的氧的生产：包括月球土壤的搬运、拣选和粉碎；氧的化学、电化学或热萃取；萃取氧的分离、处理和储存；反应物的再循环；以及所还原的月球土壤的处置。根据月面到达舱的推进剂要求，支持每年两次任务的上升阶段将需要8>10t的氧。②挥发物的萃取和探矿：氢在月球两极(约1000ppm)远远多于赤道地区(约100ppm)。而1000ppm的氢约为1％的水，如可在月球上采集则是非常宝贵的资源。原位资源利用计划正在研究月面巡视传感器／取样器方案，来自含有水或分子氢的加热样品中的气体挥发物将进行进一步处理，以分离与采集这两种物质。③月球风化层挖掘技术：原位资源利用计划正在确定挖掘月球表面风化层(向下约10>15cm)的能力，每年要采集与处理多达1000t的风化层。
(2)原位制造与修理(IS－FR)技术
ISFR是一项用于空间探测的新兴关键技术，将提高现有的技术水平，来支持居住建筑结构的建造、工具和机械零件制造以及空间部件的修理与置换，目前，美国马歇尔航天飞行中心(MSFC)正在开发在月球与火星表面工作期间具有原位制造能力的技术，这些技术将利用所供应的材料和本地提取的材料。IS－FR技术包括制造技术、修理与无损评价(NDE)技术和居住建筑结构。2006年该中心决定集中研究金属部件的制造技术，最后集中评价了电子束熔化(EBM)和选择激光烧结(SLS)两种工艺技术。其中SLS明显具有更好的表面光洁度，而EBMI艺在真空中进行，非常适合月球表面的环境以及探测任务的非增压空间飞行环境。因此结论是EBM工艺最适合于未来空间环境要求，EBM金属制造系统将支持NASA的现有计划(如CEV、CLV和E－CLSS)。
(十一)运载与运输系统技术
主要包括新型运载火箭(或重复使用运载器)推进系统技术、发射及发射场技术、返回着陆及着陆场技术、空间运输技术。
(十二)载人系统技术
主要包括ECLSS技术、航天服技术和航天员安全技术。
二、深空探测关键技术的综合分析
综上所述，21世纪国外深空探测的先进关键技术如表所示。
表中共列出了21世纪国外深空探测领域12大类32子类的73项关键技术。今后随着各国(地区)深空探测计划的实施和新技术的开发，这些技术必将不断有所发展与变化。
(一)目前国外深空探测关键技术的发展重点
1 重视轨道设计，开发模块化空间轨道交会对接与组装技术。
2 优先发展着陆器与表面巡视探测器技术。进行多方案论证。
3 探索新型推进与能源技术。
4 开发更远距离、更可靠的测控通信技术。
5 发展新型自主智能技术。
6 继续研发微小型化、高集成化、多功能化技术。
7 积极探索外星工作站和基地建设技术。
(二)未来国外深空探测应用的各类关键技术
从应用的角度出发，深空探测关键技术可分为共性关键技术和用于各种探测目的地(目标星)以及特殊用途的专用技术两大类。
1 共性关键技术，主要包括飞行轨道设计技术，重要结构技术。深空热控技术。深空测控通信技术，自主导航与控制技术。新型推进与能源技术。微小型化综合电子设备技术，以及多目标与组合探测技术。
2 月球探测关键技术，主要包括月球轨道器、着陆器、月面巡视探测器及机器人技术，下降、着陆、巡视和上升导航与控制技术。
3 火星探测关键技术，主要包括核推进与能源技术，火星着陆选址技术。火星着陆器、表面巡视探测器技术，远距离测控通信技术与激光通信技术。
4 金星、水星等探测关键技术，主要包括行星借力飞行与气动减速技术。
5 小天体探测关键技术，主要包括电推进技术和行星借力飞行技术。
6 太阳与深空环境探测关键技术，主要包括太阳望远镜技术和天文探测器技术。
7 载人深空探测关键技术。主要包括：新型重复使用运载器技术，模块化轨道交会对接组装技术，环境控制与生命保障技术，舱外活动及航天服技术，人员安全技术。
8 月面与火星表面建站关键技术。主要包括：选址与布局技术。居住舱技术，表面运输技术，推进剂储存技术，原位资源利用技术。
