行星际探测器

除了探测月球，人类对太阳系其他行星也进行了探索。与月球相比，对太阳系其他行星的探索则要困难得多。火星是地球的近邻，在许多方面都与地球形似，因此也最能激发起地球人的探测热情。迄今为止，发往火星的探测器数量最多，探测成果也最为丰富。20世纪60年代以来，苏联、美国、欧空局和日本等国实施了40次发射计划，其中真正成功的只有18次，成功率不足50%。向火星发射的自动探测器，包括围绕火星的轨道器、在火星表面软着陆的着陆器和在火星表面移动探测的漫游车等。这些探测任务的目的是为了收集火星气候、土壤等信息，了解火星的演化历史，也为将来可能的载人火星任务做准备。同时，对火星的研究，也有助于了解我们居住的行星的过去和未来。

表12.3　火星探测计划实施情况一览

（续表）

（续表）

向火星发射探测器，为了节省能源，有一个发射窗口问题。火星和地球每过780天左右会合一次，发射窗口的间隔也与此差不多。从上表中可以看到在某些时间段内有比较密集的发射。有时为了保证不错失探测良机，常采取双发射计划，譬如美国的海盗1号和2号、勇气号和机遇号等。

20世纪60年代实施的早期火星探测计划主要目标是飞掠火星，以达到近距离观察火星的目的，但也往往失败。美国1964年11月28日发射的水手4号成为第一个成功飞掠火星进行近距离观察的探测器，最近时距火星表面9 846千米，首次传回了另一颗行星的图像。

飞掠之后，接着尝试发射围绕火星运行的轨道器，并向火星表面施放着陆器。美国发射的水手9号于1971年11月31日入轨成功，成为首个绕火星运行的人造轨道器。苏联火星3号携带的着陆器于1971年12月2日在火星软着陆成功，但着陆后15秒便失去了联系。1975年美国海盗1号和2号在火星表面软着陆成功，共发回几万张火星表面的照片，以及大量的分析测试数据。

“海盗号”之后成功登陆火星的是1996年12月4日美国发射的“探路者”着陆器。“探路者”携带了一辆28厘米高、63厘米长、48厘米宽、10.5千克重的6轮漫游车“索杰纳”，着陆器安全着陆后释放“索杰纳”，由地面人员控制“索杰纳”在火星表面漫游探索。这是NASA首次尝试这种漫游车的探索方式，并获得很大的成功。在1998和1999年经历了2次发射失败之后，NASA在2001年成功发射了“奥德塞”火星轨道器。然后就迎来了2003年的发射高潮，这年火星到了5.7万年来距离地球最近的大冲位置上。2003年6月2日欧洲空间局发射了“火星快车”轨道器和着陆器，轨道器成功地进入了绕火星飞行的轨道，但着陆器着陆后失去了联系。2003年6月10日和7月7日美国发射了孪生的“勇气号”和“机遇号”火星漫游车，两辆漫游车成功着陆火星并释放，探测工作顺利展开，获得了丰富的资料，特别是找到了火星曾经是一个水世界的证据。到目前为止这两辆漫游车虽然远远超出了设计的使用寿命，但仍然成功地延续着在火星表面的探测任务。2008年5月25日美国的凤凰号着陆器又成功降落到火星表面，它的探测目标是寻找火星适宜微生物生存的环境，检测到了火星浅层土壤中有固态水存在。

图12.13　机遇号走出一个陨石坑留下的车辙

在向火星发射探测器的同时，美苏两国也开始向地球的另一个近邻金星发射探测器。早期的探测器也是尝试飞掠金星，进行近距离观测。1961年2月12日，苏联发射的金星1号，在相距金星10万千米的地方掠过。虽然在到达金星之前，由于定向传感器因过热而失效，致使接下去的探测任务无法执行，但这是第一架真正意义上的行星际探测器，并成功飞掠了另一颗行星。1962年8月27日美国发射的“水手”2号于该年12月14日在距离金星3.5万千米处飞掠金星，并测量到金星表面温度在490°K到590°K之间。1967年水手5号在飞掠金星时测到了金星的磁场强度。1974年水手10号在飞往水星的路上飞掠金星，拍摄了金星云层的紫外线照片，揭示了金星大气中极高的风速。

1966年3月1日苏联的金星3号进入金星大气层，成为坠落在金星表面的第一个人造物体。1967年10月18日，金星4号释放的密闭舱进入金星大气层，首次从另一颗行星的大气层中传回探测数据。金星4号密闭舱测量了金星大气的温度、压强和密度，并实施了11次自动化学实验来分析金星的大气组成。结果表明金星大气中95%以上都是二氧化碳，它的大气压强远远超过原先的预计，达到75到100个大气压。这些数据得到1969年发射的金星5号和6号的证实。这些探测器都没有能够到达金星表面，金星5号和6号在离开金星表面18千米的高度就被金星大气压碎了。

首次成功着陆金星表面的是金星7号，时间是1970年12月15日。金星7号与地球保持了23分钟联系，传回了金星表面455℃到475℃的高温。金星8号于1972年7月22日着陆，所携带的光度计测量显示金星云层的厚度超过35千米。

苏联的金星9号于1975年10月22日进入绕金星的轨道，成为首颗金星的人造卫星。金星9号释放的重660千克的着陆器首次传回了金星表面的照片，在降落过程中连续测量了金星大气的温度、压强、云层密度和光度学资料，发现金星云层分为明显的三层。10月25日抵达的金星10号也进行了类似的测量。

1978年美国NASA发射了两个先锋号探测器到金星。先在5月20日发射了一个金星轨道器，于12月4日到达金星，进入绕金星的椭圆轨道。在8月8日发射了一个综合探测器，有一个运载箱装载一大三小4个探测器飞往金星。大探测器于1978年11月16日释放，三个小探测器在11月20日释放，所有四个探测器都于12月9日进入金星大气层。大探测器直径1.5米，装有降落伞，在坠落过程中实施了7个关于金星大气的实验。每个小探测器直径都是0.8米，没有降落伞，分别在金星北极附近（北纬60°）、白昼半球和夜晚半球坠落，坠落过程中测量金星大气的温度、压强等。四个探测器的无线信号还被用来测量金星大气中的风速、气流等。先锋号金星轨道器实施了17项科学实验，一直运行到能源耗尽，于1992年8月进入金星大气被销毁。

1978年苏联也发射了两个金星探测器：金星11号和12号。它们飞掠金星时分别在12月21日和25日释放了着陆器。两个着陆器都装配了彩色照相机和土壤钻头及分析仪，可惜都失灵了。但两台着陆器在降落过程中都意外地测出了金星大气中除了硫之外还含有大量的氯。另外还测到了强烈的大气放电活动。第一张金星表面彩色照片是在1981年由金星13号的着陆器拍摄的，金星13号在金星表面工作了127分钟之久，挖掘了土壤样品，进行了X射线荧光光谱分析。1981年的金星14号着陆器还测到了金星壳层的地震活动。

1983年苏联金星15号和16号进入金星的极轨道，传回的照片达到1—2千米的分辨率。两个探测器从11月11日到次年7月10日绘制了金星北半球三分之一的地形，首次获得了详细的金星表面地形资料。结果显示金星没有板块运动的迹象，除非金星北半球的三分之一是一个板块。

1984年12月，为了探测正在回归中的哈雷彗星，苏联发射了两个织女星（Vega）号探测器，它们在1985年6月经过金星的时候各自释放了一个着陆器和一个携带仪器的氦气球。两个氦气球漂浮在金星表面53千米左右的高度，对金星大气的温度、压强、风速等进行测量，工作时间延续达46小时，飘流的距离达三分之一金星周长。结果表明金星大气的湍流和对流活动强度超过预期，有时会出现1到3千米尺度的疾速下降气流。两个着陆器主要进行大气结构和悬浮粒组成的实验和分析。结果表明，金星大气上面两层充满硫酸雾，下层可能由磷酸组成。着陆器也对金星土壤进行了采样分析，获得了样品的γ－射线谱。

1990年8月10日美国的麦哲伦探测器泊入金星轨道，开始对金星表面进行精确的雷达回波图的绘制。最后麦哲伦号绘制了98%的金星表面，分辨率达到100米。这一探测结果大大推进了对金星地质学的了解：金星确实无板块运动的迹象，但表面撞击陨石坑的稀缺意味着金星表面相对年轻，金星表面还有数千千米长的熔岩渠。

2005年11月9日欧空局发射了金星快车号探测器，于2006年4月11日进入绕金星的极地轨道，主要探测目的是对金星大气进行长时间尺度的观测，并希望有助于了解地球大气和气候。金星快车还计划绘制金星全球的表面温度，并尝试从远处观察地球上的生命活动迹象。该探测计划原本延续两个金星年（约500地球天），但现在获得的资助可延续到2012年年底。

2010年5月20日，日本宇航勘探局（JAXA）发射了黎明号（Akatsuki）金星探测器，将于2010年12月泊入金星轨道。黎明号将在紫外、红外、微波、射电等波段绘制金星表面图，并将探寻金星大气的闪电和金星表面火山活动的证据。^[2]

表12.4　金星探测计划实施情况一览

（续表）

（续表）

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除了火星和金星之外，其他行星也成为人类的探测目标。1972年3月3日和1973年4月5日美国先后发射了先驱者10号和11号。先驱者10号于1973年12月3日飞掠木星之后，继续对太阳系外围和恒星际介质进行探测。2003年1月23日接收到先驱者10号的最后一个信号。现在先驱者10号正以每年2.6个天文单位的速度飞向金牛座α（毕宿五，Aldebaran），将在2百万年之后到达那里。

先驱者11号的设计路线为先飞掠木星，再飞掠土星。1974年12月2日先驱者11号在34 000千米处飞掠木星，利用木星的强大引力场助推，飞向土星。于1979年9月1日在距离21 000千米处飞掠土星。先驱者11号传回了清晰的木星大红斑、木星极地区域和土星光环等照片。先驱者11号的最后一个信号接收于1995年9月30日。它正以每年2.4天文单位的速度飞向天鹰座，约在4百万年后遇到天鹰座λ星。

1977年8月20日美国发射了旅行者2号，9月5日又发射了旅行者1号。旅行者2号于1979年7月9日飞掠木星、1981年8月26日飞掠土星、1986年1月24日飞掠天王星、1989年8月25日飞掠海王星，对所有的气态巨行星进行探测之后飞向太空深处。旅行者2号飞离太阳系的速度为每年3.264天文单位，它将以微弱的信号与地球保持联络至2025年。

旅行者1号于1979年3月5日飞掠木星最近处，于1980年11月12日飞掠土星最近处。由于先前的先驱者11号发现土星的最大卫星泰坦（Titan）覆盖有厚厚的大气层，美国NASA喷气推进实验室的飞行控制中心决定临时改道，对泰坦进行近距离观察。泰坦的引力偏转使得旅行者1号的飞行路线离开黄道面，不再对计划中的冥王星进行探访。1998年11月7日旅行者1号超越了先驱者10号成为飞离地球最远的人造物体，当时的距离是64.419天文单位。在2010年7月27日，旅行者1号离开太阳的距离为113.478天文单位或169.76亿千米。预计在2025年旅行者1号上的所有仪器将停止工作，届时将失去与它的联系。

图12.14　先驱者10号和11号上携带的地球人名片

先驱者号和旅行者号对气态行星和太阳系外围的探测，大大增加和丰富了对这些天体的知识，发现了更多的木卫和土卫，天王星也有光环，泰坦有浓厚大气，木卫一（IO）上有火山活动等等。另外，为了与可能存在的外星文明进行交流，在两个先驱者号上各自携带了一张介绍人类自己的名片，以宇宙间最通用的数学和物理语言交代了地球在宇宙中的位置。在两个旅行者号上，各带有一套唱片装置。唱片的开始是用编码解释的116幅代表地球景色和事物的画面，包括地球在银河系中的位置，脱氧核糖核酸，染色体和人体，太阳，地球和大气成分，山河海洋，花草树木，动物植物，万里长城、泰姬陵、金门桥等。唱片中还有地球上的各种声音、古典音乐、美国总统和联合国秘书长的问候及60多种语言的问候词。这种交流愿望的出发点是基于外星人是善良的这一假定，对此当然也不是没有争议的。有人担心，如果存在外星文明，它们的道德标准与我们的可能不一样，我们对于它们而言也许就是丰富的蛋白质资源。

图12.15　来自地球的问候：旅行者号上的唱盘

为了对木星及其卫星系统进行更深入的探测，美国NASA在1989年10月18日发射了伽利略号探测器。伽利略号由亚特兰蒂斯号航天飞机在地球低空轨道上释放，于1995年12月7日抵达木星，飞行过程中利用了金星和地球的引力助推。伽利略号是第一颗木星的人造卫星，并向木星释放了第一个探测器，它还首次发现了小行星也有卫星。2003年9月21日，在环绕木星8年之久后，伽利略号的任务被终结，它被以50千米/秒的速度引入到木星大气层烧毁。这是为了避免它万一携带的地球病毒污染木星的卫星，特别是木卫欧罗巴，伽利略号发现它的冰冻表面下藏着一个海洋。

为了对土星及其卫星系统进行更详细的探测，美国NASA、欧空局和意大利航天局于1997年10月15日联合发射了“卡西尼－惠更斯”号。探测由两个部分组成，卡西尼号由NASA设计制造，惠更斯号由欧空局设计制造。经过长途跋涉，探测器于2004年7月1日抵达土星。惠更斯号于2004年12月25日从轨道器分离，并于2005年1月14日进入土卫泰坦的大气层。经过两个半小时的下降，惠更斯号跌落在一个固态的地面上。卡西尼号转发了350幅惠更斯号在降落过程和降落地点附近拍摄的照片。现在该项目已经经过了两次延期资助，估计到2017年探测任务将终止。卡西尼号是第四个抵达土星的探测器，是第一个围绕土星的轨道器。

除了对大行星进行探测外，人类也向太阳系内其他行星、小行星、彗星甚至太阳发射了不少探测器，以求对日地空间环境、彗星的化学组成、生命的起源等问题进行探索，同时也对近地小行星的潜在威胁进行监测。

太阳活动对地球有很大的影响，所以多个国家都发射了空间太阳天文台对太阳活动进行监测和研究。美国和欧空局合作，早在1977年就发射了国际日地探测器（ISEE），该探测计划包含三个探测器，首先发射的一对子母探测器，探测地球磁层和太阳风，1978发射的ISEE3号探测器利用日地L1点的引力平衡特性，让它运行在围绕L1点的“空心轨道”（Halo orbit）来观测日地环境，1982年6月任务完成后又被派遣前往观测包括哈雷彗星在内的两颗彗星。这中间需要复杂的轨道设计和变轨技术。后来美国1994年发射的WIND、美国和欧空局1995年发射的SOHO、美国1997年发射的ACE等探测器都发射到日地L1点附近对太阳进行探测。

图12.16　太阳被土星掩食之后，土星的多重光环系统清晰可见，2006年9月15日卡西尼号拍摄

美国和欧空局1990年发射的尤利西斯号（Ulysses）太阳探测器又是一个轨道设计和控制方面的经典范例。太阳的赤道与黄道面只有7°多的夹角，所以一般发射的沿着黄道面飞行的探测器和在地球上都很难观测到太阳的南北极区域，尤利西斯号为了探测太阳南极和北极等高纬度地区，先飞行到木星附近，利用木星的强大引力改变探测器的轨道，使它的轨道面与黄道面成很大角度，并且保持远日点不远于木星轨道，近日点不近于地球轨道。

此外，还有多个针对太阳和日地空间环境的探测计划。如日本、美国和英国于1991年8月30日合作发射的日光号（Yohkoh）空间太阳天文台在软X光和硬X光波段对太阳进行观测，发现了日冕活动的许多新细节。2001年8月8日美国发射的创世号（Genesis）是首个太阳风样品采集探测器，可惜于2004年9月 8日返回地球时坠毁，大部分样品被污染。日本、美国和英国在2006年9月22日发射的日出号（Hinode）太阳同步轨道卫星，主要探测太阳磁场，在光学、远紫外和X射线波段观测太阳磁场和日冕的相互作用。美国于2006年10月26日发射的日地关系天文台（Solar TErrestrial RElations Observatory），由一对探测器组成，对太阳进行三维观测。所有这些对太阳的探测计划，无疑会大大增强人类对太阳的了解，帮助人类自身更好地在地球上生存。

有科学家提出彗星很可能与地球生命的起源有关，所以近年来对彗星的探测兴趣有增无减。各国还发射探测器到小行星和彗星进行采样并返回，对小行星和彗星的组成进行详细研究。1986年哈雷彗星的回归在全球掀起一股对它的探测热潮，欧空局、美国、日本和苏联共发射了6个探测器前往与哈雷彗星汇合，进行近距离的观测。1998年美国发射的深空1号（Deep Space 1）以很近的距离飞掠彗星19P/Borrelly，传回高清晰度的彗核照片。1999年发射的美国星尘号（Stardust）探测器飞掠彗星81P/Wild并采集了彗发样品，并于2006年1月15日返回地球附近时释放样品盒到地面。对这些样品的分析显示，该彗星的彗发中含有大量有机物质，包括两种在生物学上有用的含氮有机物。脂肪烃的长度也超过在星际介质中所测到的。2004年欧空局的罗塞塔号（Rosetta）成功围绕一颗彗星并释放着陆器登陆该彗星。2005年美国发射的深撞号（Deep Impact）探测器释放了一个撞击器，2005年7月4日世界时5点52分成功撞击了彗星9P/Tempel的彗核，并溅起了大量挥发物质，使得彗星的亮度增加了6倍。

有不少小行星的轨道与地球轨道相交，这些近地小行星对地球上生命的安全构成潜在的威胁，所以一方面要对它们的运行轨迹进行监测，另一方面也要发射探测器去与它们会合。这种会合练习说不定有朝一日会被用来去小行星上面安置推进器改变其轨道以避免与地球相撞。1996美国发射的“近地小行星会合苏梅克号”（NEAR Shoemaker）于2000年2月14日成功泊入近地小行星爱神星（Eros）的轨道，并于2001年2月12日软着陆成功。2003年发射的日本隼鸟号（Hayabusa）探测器也成功泊入近地小行星25 143 Itokawa的轨道，并释放了着陆器，采集了样品。隼鸟经过多次故障、又多次起死回生，虽然推迟了3年，终于在2010年6月13日成功返回地球，样品密封舱到达地面。美国2007年9月27日发射的黎明号（Dawn）探测器是首个计划造访灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）的探测器，它将分别于2011年和2015年抵达这两颗小行星。

表12.5　太阳、彗星、小行星等探测器计划一览

（续表）