[科普中国]-空间探测

历史发展

人类虽然一直向往广漠的宇宙空间，但真正有意义的行动始于1783年施放的第一个升空气球，限于当时的技术条件，不可能上升很高，探测的局限性很大。第二次世界大战后发射的V-2探空火箭，最高也只达到约160千米的高度。20世纪50年代，由大量的地面台站、气球和火箭等组成全球协同的观测体系，但并未取得突破性成果。1957年10月4日第一颗人造地球卫星发射成功，从此人类跨进了宇宙空间的大门，开始了空间探测的新时代。在随后的30多年间，对月球、行星和行星际空间进行了有成效的探测，探测领域不断扩大。

太空探测器是能飞向太阳系其他天体的行星探测器，空间探测的范围集中在地球环境、空间环境、天体物理、材料科学和生命科学等方面。自1957年10月4日第一颗人造卫星发射上天，到2000年全世界已发射了100多个空间探测器。 从1958年开始，人类用人造卫星、宇宙飞船、空间站和航天飞机等作为探测手段，对近地空间的环境进行了探测。1959年之后，人类已经跨过近地空间到月球以至月球以外的深空进行探测活动。其中对月球的考察最详细。我国的空间环境探测也是伴随航天事业的发展而发展起来的。从1971年的“实践一号”开始，我国已有30余年的卫星空间环境探测历史。

目前载人航天、月球探测、气象卫星、资源卫星等许多正在研制的航天型号均安排了空间环境探测，夸父计划等专业探测卫星正在论证，包括苏联、美国、日本、欧洲空间局等在内的许多国家或组织都相继发射了空间探测器，获取了大量前所未有的、丰富的有关日地空间、月球和行星的探测数据，为人类认识、开发和利用宇宙提供了科学的依据。现今我国的天基空间环境探测已发展成一个重要的学科领域。空间环境探测器已成为航天器广泛应用的载荷之一。 随着人类社会的发展和空间技术水平的不断提高，空间探测的广度和深度也在不断扩大。

探测的主要目的了解太阳系的起源、演变和现状；通过对太阳系内的各主要行星的比较研究进一步认识地球环境的形成和演变；了解太阳系的变化历史；探索生命的起源和演变。

空间探测器实现了对月球和行星的逼近观测和直接取样探测，开创了人类探索太阳系内天体的新阶段。1

探索对象中性粒子

地球、某些行星以及少数卫星具有大气层，大气主要由中性原子和分子组成，在行星际空间也存在少数的中性粒子。探测主要由质谱仪直接取样并分析中性粒子成分和密度。

高能带电粒子

宇宙空间存在大量的电子 、质子和重离子等高能粒子。使用的探测仪器主要有利用 气体电离作传感器的盖革-缪勒计数器、正比计数器和电离室；闪烁计数器；半导体计数器；切连科夫探测器。

等离子体

宇宙空间的绝大部分物质以等离子体形式存在 ，电离层 、太阳风等都由等离子体组成，磁层中也有几个等离子体密集区，探测仪器主要有法拉第筒、减速势分析器、离子捕集器以及探针。

微流星体

在太阳系内，除大量较大的星体外，还存在大量颗粒状的微小物质，质量一般都在10-3毫克以下。但它们速度一般都很高 ，最大的可达70千米/秒，有很大的贯穿本领。因此，对它的测量具有实际意义。

低频电磁波和等离子体波

空间等离子体的不稳定过程和电磁场的变化，将会激发各种频率的电磁波和等离子体波。它们既是空间物理过程的产物，也是探测空间环境状态的手段。对于变化频率在几赫以下的波动，一般用磁强计测量，对于较高频率的波动，用接收机测量。

磁场

是重要的物理场。空间各个区域磁场强度相差很大，如地球表面的磁场强度比行星际空间强几个数量级。探测磁场的仪器，主要有线圈式磁强计、磁通门磁强计、质子旋进磁强计和光泵磁强计。

电场

电荷的积累和磁场的变化都能产生电场。但由于空间等离子体有很高的电导率，空间电场一般都比较小。

特点作用中国空间技术研究院《国际太空》杂志副主编庞之浩回顾了2004年全球空间探测活动的特点并分析了未来发展趋势。2004年的世界空间探测呈现出欣欣向荣、蒸蒸日上的喜人景象，各种新成果无论对航天技术进步，还是对其他科学研究，人类社会发展，都具有积极的促进作用。空间探测已进入全面发展的新时代，并具有一些与以往不同的显著特点。 首先，空间探测已趋向多元化，而不再是美苏等一两个国家独霸空间探测领域。欧洲正迅速崛起，不仅连续发射成功火星探测器、月球探测器和彗星探测器，而且还将发射金星和水星探测器，并在2004年初宣布了其庞大的“曙光”空间探测计划，即向美国“叫板”，在2030年左右把人送上火星。中国和印度也将在空间探测方面占有一席之地。中国于2004年初正式开始实施“嫦蛾”探月工程，2006-2007年发射首颗探月卫星。印度则在2004年决定，把原计划于2008年发射“月球初航”探测器的时间提前到2007年或更早。

探测技术水平大幅度提高是特点之二。例如，“勇气”号和“机遇”号的性能远高于1997年首次在火星上行驶的“旅居者”号火星车，实现了对火星较大范围的移动考察，代表了火星探测的重要阶段。经过13个月的飞行，欧洲“智慧”1号月球探测器于2004年11月15日进入绕月轨道，从而表明，这个世界第1个联合使用太阳能电推进系统和月球引力的空间探测器达到了预期的效果，此举对未来航天技术的发展产生重要作用。在经过长达约7年、航行35亿千米的星际历程之后，价值连城的世界首个土星专用探测器“卡西尼”，终于在2004年7月1日进入土星轨道，它已发回不少很宝贵的图像，并将在2004年12月25日向土卫六表面释放“惠更斯”着陆器。

第3个特点是彗星探测成为“新宠”。2004年1月，飞行已久的美国“星尘”号彗星探测器与怀尔德2号彗星交会，并在离彗核很近的距离用密度极低的氧化硅气溶胶首次获取彗核物质，现正飞行在返回地球的途中。这将是人类首次把除地球的卫星——月球以外的样本送回地球，也是“阿波罗”计划后的首次样品回送任务。这些样品可为宇宙形成和地球生命起源的研究提供重要线索。欧洲空间局则2004年3月2日发射了其第1个彗星探测器“罗塞塔”。它将经过10年的长途跋涉进入“楚留莫夫-格拉西门克”彗星轨道，并向该彗星着陆器，这在人类航天史上也是前所未有。 2004年所取得的空间探测它可使人类进一步了解太阳系和宇宙(包括生命)的起源和演化，为开发和利用空间资源及扩展人类的生存空间做准备。例如，科学家们认为彗星事实上就是宇宙产生时期剩下的原始物质，所以探测彗星有助于人类搞清地球上生命的起源。而欧航局“火星快车”号探测器在火星表面直接发现水，对人类同样意义重大，因为水不仅能用于人类未来在火星上生存，开辟第2个家园，水中的氢元素还作为未来人类星际旅行的燃料。

总的来说，空间探测将为人类大规模开发空间资源奠定技术基础，解决地球上存在的能源问题、人口问题和环境问题等。例如，地球能容纳的人口是有限的，大约80亿-110亿，因此有些人已经开始研究向外空移民的方案了；地球上的能源也日益紧张，开发太空矿藏也是空间探测的一大目标。

庞之浩在展望未来空间探测的发展趋势时认为，冷战结束后，空间探测的科学意义和经济效益等被越来越多的国家所认可。因此，随着各国经济和技术的长足进步，参与空间探测的国家正逐渐增多，空间探测的深度和广度也不断扩大。空间探测的计划越来越长远，投资也日趋庞大。2004年1月14日，美国总统布什在航宇局总部宣布了一项旨在探索太空和将人类足迹扩展到整个太阳系的新太空计划，即美国将制造新一代宇宙飞船，使美国航天员最早于2015年重返月球建立基地，并以此为跳板，在2030年以后把人类送上火星乃至更遥远的宇宙空间。欧洲2004年出台的“曙光”计划与美国类似，也是史无前例的“一揽子”计划。

由于空间探测投资较大，所以国际合作将是未来空间探测的特点之一。就印度来说，它已收到20个国家参与其探月计划的申请。目前美国、以色列、加拿大、德国以及欧洲空间局都递交了合作申请，他们都希望将科学仪器放置在预计于2007年发射的印度月球探测器上。美国、俄罗斯和欧洲也在积极探讨有关载人火星探测的国际合作途径。 从人类的科学认识、技术水平和经济条件等方面综合考虑，在可以预测的将来，空间探测重点仍将是月球和火星。月球探测的战略目标是建设月球基地，开发和利用月球的资源和能源与特殊环境，为人类社会的可持续发展服务。

欧洲的“智慧”1号计划、中国的“嫦蛾”1号计划和印度的月球探测计划等，均以月球资源探测为主要目标。本世纪前20年将掀起人类探测火星的新热潮。它是人类开展深空探测的关键性步骤。人类可望于2011年在地球上获得火星返回样品，最终实现载人登上火星。

探测方式行星际空间主要是探查行星际空间的磁场、电场、带电粒子和行星际介质的分布及随时间的变化。探测证实了太阳风的存在，发现了行星际磁场的扇形结构。探测行星际空间的飞行器可以有4种轨道类型 ：一是地心轨道 ，围绕地球运行的卫星，只要以远地点超出磁层，就能进入行星际空间进行探测。二是日心轨道，利用围绕太阳运行的飞行器来探测行星际空间十分理想，并且常与行星探测结合起来。三是飞离太阳系的轨道，当飞行器达到第三宇宙速度时，就能克服太阳的引力作用，沿抛物线轨道飞往星际空间，就能够直接探测太阳系在地球轨道以外的部分。四是平衡点轨道，在太阳和地球的联线上有一个平衡点，太阳和地球的引力在这里恰好相等，飞船可以在通过这一点和日地联线相垂直的平面上沿椭圆轨道运动。对于定点监视行星际的物理状态十分理想。

月球和行星的探测

月球是离地球最近的天体，人们对月球的探测比较早，也比较详尽 。1969 年7月16日发射的阿波罗11号第一次载人登上月球，进行实地考察并采集月岩、月壤样品 400多千克。行星际探测器系列对行星进行了探测 ，并由对内行星发展到外行星的探测。2

近地空间主要指对地球高层大气 、电离层、磁层等区域所进行的探测。探空火箭是近地空间探测的重要手段，它能把探测仪器带到几十至几千千米的高空进行直接测量。人造地球卫星的成功发射，使得对地球磁层可进行详尽的探查，地球辐射带的发现就是人造地球卫星的第一个重大发现，并证实地球磁层的存在。人造地球卫星围绕地球以圆形或椭圆形轨道运行，根据不同的探测目的可选择不同的轨道类型：一是极地圆轨道，对赤道面的倾角约为90°。在高层大气、电离层和高空磁场测量中，常采用这种轨道。二是大扁度轨道，它的远地点高度要比近地点高度高得多，这种轨道容易获得磁层的完整的剖面资料。三是同步轨道，当卫星在赤道面上高度为 3.6万千米的圆轨道运行时，卫星绕地球一周恰好与地球自转一周的时间相等，相对于地球是静止的。这种卫星的测量结果容易与地面观测结果配合起来分析。但实际中对近地空间的探测，多采用卫星系列进行。

探测器探测主要方式空间探测器是通过装载的科学探测仪器来执行空间探测任务。空间探测器按探测的对象划分为月球探测器、行星和行星际探测器、小天体探测器等。已发射的空间探测器主要采用以下几种方式：

●从地外星球近旁飞过或在其表面硬着陆，探测拍摄

●以月球或行星卫星的方式取得信息

●探测器在月球或行星及其卫星表面软着陆，以固定或漫游车的方式进行实地考察、拍摄探测和取样分析等。

●用载人或不载人探测器在月面软着陆后取得样品返回地球，进行实验室分析。

●在深空开展漫游式飞行

●进行撞击式探测，

●建立永久性载人基地

在未来5年内将发射多颗航天器开展空间环境探测。空间环境探测在不同空间位置的布局、探测内容的丰富、探测时间的持续稳定，使空间环境探测有条件进入全面应用阶段。 3

执行者——空间探测器空间探测系统包括空间探测器和深空网。空间探测器是系统的空间部分，装载科学探测仪器，执行空间探测任务。为执行不同的探测任务和探测不同的目标，可构成不同的空间探测系统。空间探测的主要方式有：①从月球或行星近旁飞过，进行近距离观测；②成为月球或行星的人造卫星，进行长期的反复观测；③在月球或行星表面硬着陆,利用坠毁之前的短暂时机进行探测;④在月球或行星表面软着陆，进行实地考察，也可将取得的样品送回地球研究。

1959年1月,苏联发射了第一个月球探测器──“月球”1号,此后美国发射了“徘徊者”号探测器、“月球轨道环行器”、“勘测者”号探测器和“阿波罗”号飞船。60年代初期，美国和苏联发射了多种行星和行星际探测器,分别探测了金星、火星、水星、木星和土星,以及行星际空间和彗星。其中有“先驱者”号探测器(美)、“金星”号探测器（苏）、“水手”号探测器（美）、“火星”号探测器（苏）、“探测器”（苏）、“太阳神”号探测器（美国与联邦德国合作）、“海盗”号探测器（美）、“旅行者”号探测器（美）。到1984年底，美国和苏联共发射了109个空间探测器，美国在1972年3月发射的“先驱者”10号行星探测器，大约到1986年10月可飞越过冥王星的平均轨道，成为第一个飞出太阳系的航天器。

飞行原理 空间探测器离开地球时必须获得足够大的速度（见宇宙速度）才能克服或摆脱地球引力，实现深空飞行。探测器沿着与地球轨道和目标行星轨道都相切的日心椭圆轨道（双切轨道）运行，就可能与目标行星相遇，或者增大速度以改变飞行轨道，可以缩短飞抵目标行星的时间。例如,美国“旅行者”2号探测器的速度比双切轨道所要求的大0.2公里/秒，到达木星的时间缩短了将近四分之一。

为了保证探测器沿双切轨道飞到与目标行星轨道相切处时目标行星恰好也运行到该处，必须选择在地球和目标行星处于某一特定相对位置的时刻发射探测器。例如飞往木星约需1000天的时间，木星探测器发射时木星应离会合点83°(相当于木星在轨道上走1000天的路程)。根据一定的相对位置要求，可以从天文年历中查到相应的日期，这个有利的发射日期一般每隔一、二年才出现一次。探测器可以在绕飞行星时，利用行星引力场加速，实现连续绕飞多个行星（见行星探测器轨道）。

技术特点 空间探测器是在人造地球卫星技术基础上发展起来的，但是与人造地球卫星比较，空间探测器在技术上有一些显著特点。

控制和导航 空间探测器飞离地球几十万到几亿公里，入轨时速度大小和方向稍有误差，到达目标行星时就会出现很大偏差。例如，火星探测器入轨时，速度误差1米/秒（大约是速度的万分之一），到达火星时距离偏差约10万公里。因此在漫长飞行中必须进行精确的控制和导航。飞向月球通常是靠地面测控网和空间探测器的轨道控制系统配合进行控制的(见航天器轨道控制)。行星际飞行距离遥远，无线电信号传输时间长，地面不能进行实时遥控，所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力（见星际航行导航和控制）。例如，美国“海盗”号探测器在空间飞行八亿多公里，历时11个月，进行了2000余次自主轨道调整，最后在火星表面实现软着陆，落点精度达到50公里。此外，为了保证轨道控制发动机工作姿态准确，通信天线始终对准地球，并使其他系统正常工作，探测器还具有自主姿态控制能力。

通信 为了将大量的探测数据和图像传送给地面,必须解决低数据率极远距离的传输问题。解决方法是在探测器上采用数据压缩、抗干扰和相干接收等技术，还须尽量增大无线电发射机的发射功率和天线口径，并在地球上多处设置配有巨型抛物面天线的测控站或测量船。空间探测器上还装有计算机，以完成信息的存贮和处理。

电源 太阳光的强度与到太阳距离的平方成反比,外行星远离太阳，那里的太阳光强度很弱，因此外行星探测器不能采用太阳电池电源而要使用空间核电源。

结构 空间探测器承受十分严酷的空间环境条件,有的需要采用特殊防护结构。例如“太阳神”号探测器运行在近日点为 0.309天文单位（约4600万公里）的日心轨道，所受的太阳辐射强度比人造地球卫星高一个数量级。有些空间探测器在月球或行星表面着陆或行走，需要一些特殊形式的结构，例如适用于在凹凸不平表面上行走的挠性轮等。

中国空间探测总体而言，现今的我国空间环境探测技术从90年度初开始起步，经过10多年的发展，在科研队伍培养、探测技术开发等方面已有长足的进步，已取得了相当丰富的成果。但由于基础薄弱，与国外先进探测技术相比，总体上差距明显，许多领域还是空白。发展时间短、投资较少，地面的开发、研制、测试和定标的设备缺乏，已成为制约探测技术发展的关键瓶颈。目前部分探测器的定标测试只能靠国际合作实现。人才相对缺乏，培养对空间物理、探测物理均十分懂的试验物理学家需要一个过程。

总之，中国探测发展成就瞩目，但同时也任重而道远。随着国际化的双星计划、夸父计划，以及气象卫星的空间环境探测，我国的空间环境探测发展前景将十分广阔。2016年09月21日中国FOSN光纤惯导助力临近空间探测飞艇放飞4

中国科学院对外公布了一项新的空间探测与研究引力波的计划——“空间太极计划”，并表示这项计划已经在预研过程中，有望2016年年底申报立项。

中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞透露，太极计划的设想之一是在2030年前后发射3颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测，目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其它的宇宙引力波辐射过程。

据介绍，太极计划是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案。方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划。方案二是发射3颗中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时遨游太空，独立进行引力波探测，两组卫星互相补充和检验测量结果。

这一计划缘何起名“太极”？胡文瑞解释：按照中国的宇宙观，万物开始是“太极”，探测原初引力波就是研究宇宙的起源，而太极的图形与双黑洞形象很相似。

胡文瑞表示，“空间太极计划”涉及学科领域和前端技术广泛，需要发展空间超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器，以及超高精度卫星无拖曳控制等下一代高端空间技术，这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义，对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用。

据介绍，空间引力波探测被列入中科院制订的空间2050年规划。2008年由中科院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，成立了中国科学院空间引力波探测论证组。经过几年的努力，目前已形成由胡文瑞、吴岳良为首席科学家的“空间太极计划”工作组，在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究上取得了诸多进展。5