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（3）

8.3.4 类木行星探测

1. 概况

由于类木行星离地球十分遥远，利用太阳能作动力已不可能，一般采用同位素热电池作能源；为了不中断与地面的通信，都装有一个极大的抛物面天线。

最早探测木星的是先驱者10号飞船，于1972年3月2日发射，1973年12月3日，它从132 250 km高度的木星云顶通过，返回了木星及其卫星的500多幅图像。1973年4月6日发射的先驱者11号飞船，在1974年12月3日飞越木星时，利用木星的引力改变轨道飞往土星，1979年9月飞越土星，向太阳系以外飞去。

1977年8月和9月，美国先后发射了旅行者2号和旅行者1号两艘完全相同的飞船，旅行者1号对木星和土星进行了联测，旅行者2号则对木星、土星和天王星进行了联测。

1989年10月18日，美国和欧空局联合发射了伽利略飞船，用于探测木星和它的4个卫星。伽利略飞船由轨道器和大气层探测器组成。1995年7月12日，探测器从伽利略轨道器上释放，测量了木星大气层的结构。目前，轨道器仍在木星轨道对木星及邻近的卫星进行探测。2000年12月，伽利略飞船与探测土星的卡西尼(Cassini)飞船会师在木星附近，对木星进行首次联合探测。此时一个飞船在木星磁层里面，另一个位于磁层外面，观测扑向木星的强烈太阳风。利用这次难得的机会，深入研究了太阳风对木星周围磁场的影响。

在21世纪初，对类木行星的研究重点集中在生命的起源和演化。因此要寻找在类木行星的卫星上原始生物活动的证据。木星的卫星欧罗巴和土星的卫星泰坦最像是有生命存在的地方，它们可作为了解什么样的行星环境可产生生命的天然生物学实验室。

类木行星大气层因它们强大的引力场和相对低的温度而成为原始物质的丰富源。在这些大气层中发现的复杂的有机化合物、同位素成分表明，在太阳系形成前后这里发生过复杂的过程。

2. 旅行者飞船

旅行者2号和旅行者1号分别于1977年8月20日和1977年9月5日发射升空。它们先后探测了木星、土星、天王星、海王星，发现或证实、修订了木星的16颗卫星、土星的24颗卫星、天王星的15颗卫星和海王星的８颗卫星的数量和各种数据，还发现了许多前所未知的新情况，顺利地完成了探测太阳系的“超级旅行”任务，为人们提供了５万亿比特的科学数据，并发回了10万张精致逼真、绚丽多姿的照片。这些数据相当于6000套《英国大不列颠百科全书》的信息容量，等于为地球上每人提供1000比特的信息。人们通过旅行者飞船在这样短时间内对外行星进行考察所获得的科学知识，比过去数百年里所获得的有关这些行星的知识还要多得多。

旅行者系列飞船的探测活动是精心设计的。它利用20世纪70年代后期和80年代外行星排列的几何位形，使得对4颗行星的联测可用最少的推进剂和最短的时间完成，这样的机会对木星、土星、天王星和海王星来说，每175年才有一次。在这期间，飞船以特殊的轨道从一个行星转向飞到另一个行星，不需要飞船携带大的推进系统。每个行星的飞越都使得飞船改变方向、增加速度并足以到达另一个目标行星。

1979年3月5日，旅行者1号从距离木星278 000 km处飞过，在4月初离开木星，获得19 000张照片，并对木星进行了许多方面的探测。

旅行者2号最靠近木星(距离木星643 km)发生在1979年7月9日，直到8月才离开木星，对木星和它的5颗卫星拍摄了33 000张照片。

旅行者1号和旅行者2号的土星相遇发生在1980年11月和1981年8月，它们探测了土星大气，发现了土星环更多的结构，发现了6颗新卫星，并研究了磁层。

旅行者2号在1986年1月24飞近天王星，拍摄了几千张照片，辨别了天王星环的特点，测量了大气层的成分，发现了辐射带。

旅行者2号在1989年8月飞近海王星，探测了大气成分、磁场，发现了6颗新卫星。

旅行者1号在完成对木星、土星的探测后，美国NASA的科学家们不放过175年才遇到一次的难得机会，要让旅行者1号再进行一次“回头看”的“六星联视”活动，拍一张“全家福”照片。1990年2月14日，旅行者1号在4个小时内成功地拍摄了64张精美的彩色照片，把太阳系的６大行星(海王星、天王星、土星、金星、地球和木星)又都拍了下来。经科学家们仔细镶嵌拼成一幅壮观的“六星联视”太阳系图形。当时因冥王星离太阳太远，水星离太阳太近，火星被太阳光淹没而均未拍到。

为了在最短的行程、最便利的时间里能探测在不同轨道上的行星，就必须精心计算，选择好探测器的航行路线和发射时机，或 “发射窗口”，并能巧妙地利用各行星的强大引力，使探测器不但不被行星“捕获”掉下去，反而得到加速力，更快地航行。这种被称为引力助推的技术应用得当，也是选择航行路线的一个重要因素。这些客观条件都列入“发射窗口”之中，经过精心计算，要使一颗探测器在探测木星之后再飞向土星的机会是２０年才有一次；要连续探测木星、土星、天王星的平均间隔时间是４５年才有一次；要想多星联访，“阖家合影”，是175年才有一次。在２０世纪下半叶的这个航行路线的发射时机，只是1977年８月２０日以后的一个月之内发射探测器，才能正巧赶上“六星合影”的最佳日期，也就是说在这期间，太阳系行星间出现近似直线的罕见排列机会。

旅行者1号和旅行者2号在完成了对木星、土星、天王星和海王星的“四星联游”探测任务后，于1989年８月开始继续向外飞行，执行星际探测任务，现正在太阳系的边缘区域继续向银河系航行。

在执行星际探测任务初期，旅行者1号和旅行者2号距太阳分别是40 AU和31 AU，逃出太阳系的速度分别是3.5 AU/a和3.1 AU/a。

为了探索地外文明，旅行者还带上了一份“地球之音”的唱片，其中有一份由美国当时的总统卡特于1977年８月签发给“宇宙人”的人类第一份电文。这份电文以及其他许多信息，都录制在一个镀金铜唱片上。这个唱片的直径为30.5 cm，还有一套播放器，它们装在一个特制的铝盒中，铝盒子用钛制螺栓固定在飞船的壁上。在铝盒的表面还用电笔蚀刻着用科学语言写的唱片用法说明文字。这张唱片可以保证１０亿年仍能正常播放。这张唱片可以连续播放两小时。记录的是地球上各种有典型代表意义的信息，包括用图像编码信号形式录制的用以表现人类起源和文明发展的116张图片，35种地球自然界的声音，包括风雨雷电、山崩地裂、鸟鸣兽吼、人笑婴啼等，还有22首世界名曲，55种不同的语言，等等。这些信息，具有很高的信息密度和非常丰富的“地球之声音”，它存储的精心选择的许多图片，能比较充分地反映地球和地球人类的各种情况。

旅行者飞船1989年掠过太阳系边缘的冥王星，然后以17.2 km/s的速度向银河系其他恒星飞去，大约要过14.7万年和55.5万年，才能分别到达另一个恒星世界。在2003年5月，飞船的状态如下：

由于旅行者飞船携带的核电源有限，只能工作几十年，加之距离越来越远，发射、接收电信号越来越微弱，预计将在2020年左右与地球失去联系。

3. 伽利略飞船

伽利略飞船的探测目标包括木星及其部分卫星。伽利略飞船的轨道命名为VEEGA(Venus-Earth-Earth Gravity Assist)轨道，因为它在飞往木星的途中，要经过金星和地球的引力助推作用。

1989年10月18日伽利略飞船由亚特兰蒂斯号航天飞机发射成功，将飞船推出地球轨道。接着是地球-金星轨道、金星-地球轨道、地球1到地球2 轨道、地球2 到木星轨道和接近木星的初始轨道, VEEGA轨道如图8-20所示。

1990年2月10日，伽利略飞船从反太阳方向接近金星，由金星的引力助推获得的日心速度增量是2.3 km/s。第一次与地球相遇发生在1990年12月8日，最靠近点高度是960 km。经过地球的引力助推作用，使飞船的日心速度从30.1 km/s增加到35.3 km/s，速度矢量旋转了48°，这个速度变化使轨道周期从1年增加到2年。在完成这个2年周期的轨道之后，飞船将返回到空间相同点与地球第二次相遇。1991年10月29日，飞船与直径为16 km的小行星951-Gaspra的最近距离为1600 km。由于Gaspra的质量太小，它的引力对飞船的轨道没有明显影响。飞船在5000 km高度上对小行星成像。1992年12月8日，飞船与地球第二次相遇。在最靠近点，高度为305 km，与地球的相对速度是14.1 km/s。第二次地球引力助推将飞船的速度矢量旋转51°，使其几乎与地球速度矢量平行。结果，日心速度由35.3 km/s增加到39.0 km/s，使飞船具有了到达木星所要求的速度。1993年8月28日，伽利略飞船与小行星Ida相遇，并对其成像。令人惊讶的是，这颗小行星还有一个小月亮，这个月亮被命名为Dacty1。在伽利略飞船发回Ida数据不久，紧接着观测了极端稀少的事件，即对Shoemarker-Levy 9彗星与木星相撞进行观测。

1995年12月7日，大气层探测器从伽利略轨道舱释放，进入木星大气层。轨道舱作为探测器的中继站将数据返回到地球，从探测器进入木星大气层3分钟后开始持续75分钟。此后，轨道舱依次与Ganymede、Gallistoh和Europa相遇，开始对木星的3个卫星进行探测。伽利略飞船最初的探测任务于1997年12月7日结束。经过测试，飞船仍保持正常的工作状态。于是，NASA又制订了两年的计划，伽利略飞船继续对木星系统进行探测，主要任务可形象地概括为观测冰、水和火。冰是指Europa表面的冰层，水是指Europa冰层下面可能存在液体水，火是指Io的火山。伽利略飞船在这些观测项目上都取得了丰硕成果。到2000年1月3日伽利略飞船飞越Europa时，飞船的运行状态仍很好，于是，NASA又制订了伽利略新盛世发射计划，继续进行木星系统探索。预计到2003年9月，伽利略将完成使命，坠毁在木星大气层上。

4. 卡西尼飞船

1997年10月15日，NASA与ESA联合研制的土星探测飞船卡西尼(见图8-21)发射成功，开始了为期7年的漫长旅途。按照计划，卡西尼飞船的土星之旅将先后两次飞越金星，继而再与地球和木星擦肩而过，最后于2004年7月抵达土星，对土星的大气、光环、磁场和它的一个卫星泰坦展开长达4年的探测研究。卡西尼飞船的轨道如图8-22所示。卡西尼的名字来源于17世纪的意大利天文学家卡西尼(Cassini)，是他首次测定了土星周围光环间的最大距离。

卡西尼飞船由轨道舱和惠更斯探测器组成。惠更斯探测器将在泰坦上着陆，对泰坦的大气层和表面进行探测，特别是要探测泰坦上是否存在生物。在惠更斯探测器工作期间，轨道舱将其探测的信息转发到地球。此外，轨道舱本身还携带了12种科学仪器，对土星的大气层、环、磁层和土星最大的卫星泰坦进行详细的研究。

在卡西尼飞船于2004年飞越土星，进入土卫泰坦的轨道后，将随着泰坦绕土星飞行74圈。随后，惠更斯探测器将脱离卡西尼，在泰坦的引力作用下向泰坦表面降落。这时惠更斯探测器开始执行它的第一项使命，对泰坦的大气层进行分析。它在进入大气时，将释放一个由降落伞携带的自动试验室到泰坦表面。惠更斯探测器由探测系统和探测器支持设备组成。探测器支持设备的任务是在探测器降落期间收集和传送数据到轨道舱。

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