太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.3  探索太阳系（1）

太阳系探索的对象包括行星及其卫星、小行星、彗星以及行星际介质。对于确定的飞船，探测对象是有限的，一般只探测其中的一个或几个天体。根据飞船探测的主要目标和轨道特征，太阳系探索主要有以下几种方式：

(1) 飞越或掠过。飞船没有将靠近的对象作为主要探测目标，而是在探测其他天体时“顺访”。当飞船经过这个天体附近时，远距离地对其进行遥感探测。

(2) 环绕。飞船首先进入目标天体饶太阳运行的轨道，并在适当时机切入围绕该天体运行的轨道，成为被探测天体的卫星。这种方式是基本探测方式，与地球空间探测类似。以这种方式进行探测的飞船称为轨道舱。

(3) 着陆。航天器在目标天体上硬着陆或软着陆，对天体的表面进行探测。这种航天器称为着陆器。

(4) 漫游。轨道舱在环目标天体飞行时，释放出漫游器，对目标天体的大气及表面环境进行实地探测。此时轨道舱既对目标天体进行探测，同时又是漫游器与地球的通信中继站。

(5) 载人登陆。将航天员带到目标天体，进而在天体上建立永久观测站。目前载人登陆只对月球实现了，人类的下一个目标将是火星。由于目标远离地球，且大气层和表面情况与地球有很大差别，因此，与地球空间探测相比，太阳系探索具有许多特点。这些特点除了上述探测方式外，还反映在轨道、方法、技术等多方面。

8.3.2 类地行星探测

1. 火星探测

前苏联在第一颗人造地球卫星上天5年以后，就开始了火星探测。1962年11月，前苏联发射了火星1号探测器，1963年6月19日飞越火星，获得了太阳风、行星际磁场和流星体的探测资料，这是人类首次成功的火星探测飞行，揭开了人类探测火星的序幕。

1971年12月，前苏联的火星3号飞船的登陆舱在火星上软着陆。1976年7月20日和8月7日，美国的海盗1号和海盗2号飞船的登陆舱分别在火星着陆成功。登陆舱主要进行了生物探测试验，两个登陆舱的着陆点都选择在估计水分较多、生命存在可能性较大的地方。两个登陆舱上的仪器从火星表面取土样，用C14作示踪原子，并用气相分析分光仪来寻找有机化合物的痕迹。试验结果表明，土样在试验期间发生了某种变化，无法完全肯定这种变化是土壤中微生物的新陈代谢造成的。因此火星上存在生命的可能性是非常微小的。

美国的火星探路者飞船代表了火星探测的重要阶段。火星车在地面工作人员的遥控下在火星上行驶，实现了对火星较大范围的移动考察。火星探路者飞船于1997年7月4日在火星上名为“战神谷”的地区着陆，7月6日凌晨1时59分，漫游者号探测车驶下飞船的坡道，踏上火星表面。这是人类的车辆首次在火星大地上行驶。数小时后开始传回火星表面的彩色图像。1997年11月4日，火星探路者飞船正式结束使命，它总共传回有关火星地貌、日出和日落的9669幅照片，取得了许多重要科学成果。

1999年3月，美国发射的火星全球勘探者(Mars Global Surveyor，简称MGS)飞船开始对火星绘图，并收集火星形态、地貌、重力、天气和气候、表面和大气层以及行星际磁场的数据，每7天完成一次对火星全球的绘图。至2001年4月，MGS飞船围绕火星运行了一万多个轨道周期，发回的探测数据已经超过了此前历次火星探测成果的总和，仅NASA在网上公布的MGS飞船拍摄的照片就已超过6.7万张。

2001年4月7日，美国发射了火星奥德塞飞船，于2001年10月24日到达火星，绘制了火星表面化学元素和矿物的分布图形，寻找火星的水源。发射过程如图8-12所示。

2003年6月2日，欧洲空间局发射了火星特快飞船，同样将探测火星是否有水作为重要目标。2003年6月10日和7月7日，美国发射了两个2003火星漫游者飞船，预计2004年1月到达火星。它们比1997年发射的火星探路者飞船具有更大的灵活性。在一个火星日内，这两个火星漫游者飞船能行进100 m。携带的仪器有全景相机、矿物热发射谱仪、α粒子和X射线谱仪等。这些仪器能寻找火星现在和过去存在水的证据。

2005年，NASA计划发射一个功能强大的火星勘察轨道站。轨道站的主要目的是以新的尺度分析由火星全球观察者探测到的可能有水的表面地区，并在表面观测和轨道观测之间架起一座桥。它将绘制几千幅20～30 cm分辨率的火星地貌图。

2007年，NASA计划发射智能着陆器。这种着陆器能准确着陆，长距离、长时间在火星上漫游，还能躲开障碍。这将是火星表面探测技术的一个飞跃，同时为以后的取样返回探测铺平道路。这种智能着陆器如图8-13所示。

此外，NASA还计划在2014年后发射能从火星上取样返回的轨道舱、着陆器和漫游器。

2. 金星探测

美国1962年8月26日发射的水手2号飞船，于1962年12月14日到达金星附近。星载微波辐射计测量了大气深处的温度，红外辐射计测量了云层顶部的温度。磁强计的测量结果表明金星磁场很弱，在它的周围不存在辐射带。1967年6月12日，前苏联发射了金星4号轨道舱，并于同年10月18日利用降落伞首次进入金星大气层，取得了金星表面 25 km 高度以上的大气特性数据。1975年6月，前苏联发射的金星9号和金星10号抵达金星，它们都由一个环绕金星的轨道舱和一个降落在金星表面的登陆舱组成，从发回的第一张金星表面照片可以看到，在着陆点附近是有棱角的石头。

1978年美国发射了先驱者金星1号和先驱者金星2号，先驱者金星1号于1978年12月4日进入了围绕金星运行的轨道，距金星的高度最近为150 km，最远为66 900 km。它上面共安装了12台探测仪器，分别测量金星的表面形状、大气、云层和电磁等物理特性。先驱者金星2号由一个公用舱和降落在金星表面的4个探测器组成，主要任务是探测大气的垂直结构、低层大气特性和大气环流模式。它们携带的主要仪器是用于测量大气成分、温度和压力。1989年5月4日，美国发射了麦哲伦(Magallan)飞船，1990年8月10日到达金星，围绕金星运行的轨道是近星点为243 km的极轨椭圆形轨道。Magallan用合成孔径雷达对金星成像，分辨率为 300 m，到1994年10月12日结束工作时，绘制了金星表面98%的图像。到目前为止，探测金星的飞船已达27艘。

3. 水星探测

1973年11月3日美国发射的水手10号飞船，是惟一对水星进行直接探测的飞船，它也是第一艘连续探测两颗行星的飞船。1974年2月5日飞越金星上空后，利用金星的引力改变飞行轨道，进入近日点在水星轨道上的日心轨道，成为人造行星，公转周期为 176 d，正好是水星公转周期的2倍，因此在1974年3月29日与水星第一次相遇(距水星表面703 km)后，1974年9月21日第二次在离水星48 069 km处飞过，1975年3月16日又第三次飞过水星，距水星327 km。

计划发射的飞船有美国的水星表面、空间环境、水星化学和测距(Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging，简称MESSENGER)飞船和ESA的Bepi Colombo飞船。这两项探测计划的目的是： 弄清水星密度高的原因、确定水星磁场的源、研究水星地质的演化、观测水星极区是否有水冰、分析水星外层的挥发性成分和深入探测水星的磁层。

MESSENGER飞船计划于2004年3月10日发射，3个月后有一次金星飞越。水星飞越发生在2007年7月21日和2008年4月11日，这时可近距离观测水星。2009年4月进入水星轨道。科学负载有水星双成像系统、γ射线和中子谱仪、磁强计、水星激光高度计、水星大气层和表面成分谱仪、能量粒子和等离子体谱仪以及X射线谱仪。图8-14给出MESSENGER飞船的轨道。

Bepi Colombo飞船计划于2009年发射，整个飞船由水星行星轨道站(Mercury Planetary Orbiter，简称MPO)、水星磁层轨道站(Mercury Magnetospheric Orbiter，简称MMO)和水星表面探测部件(Mercury Surface Element，简称MSE)三个模块组成。在行星际飞行阶段，使用太阳电推进器，并利用月球和金星的引力助推。在进入水星轨道后，用化学火箭将MPO和MMO切入到极轨轨道，让MSE在水星上软着陆。MPO携带的仪器有成像仪(包括广角和窄角照相机)、光谱仪(包括红外、紫外、X射线、γ射线和中子)；MMO携带的仪器有磁强计、离子谱仪、电子能量分析器、冷和热等离子体探测器、等离子体波探测器。

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