[科普中国]-空间探测器

概念

空间探测器（space probe）：又称深空探测器或宇宙探测器。对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器，空间探测的主要工具。空间探测器装载科学探测仪器，由运载火箭送入太空，飞近月球或行星进行近距离观测，做人造卫星进行长期观测，着陆进行实地考察，或采集样品进行研究分析。

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。

空间探测器离开地球时必须获得足够大的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；增大速度以改变飞行轨道，可以缩短飞抵目标行星的时间。

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。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。

空间探测器的显著特点是，在空间进行长期飞行，地面不能进行实时遥控，所以必须具备自主导航能力；向太阳系外行星飞行，远离太阳，不能采用太阳能电池阵，而必须采用核能源系统；承受十分严酷的空间环境条件，需要采用特殊防护结构；在月球或行星表面着陆或行走，需要一些特殊形式的结构。2

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。

通信系统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。

电源系统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。

结构状况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。

任务空间探测既包括对地球空间范围的探测，也包括对月球，行星和行星际空间进行探测。对地球以外的空间探测的主要目的是：研究月球和太阳系的起源和现状，通过对太阳系各大行星及其卫星的考察研究，进一步揭示地球环境的形成和演变情况；认识太阳系的演化，探寻生命的起源和演变历史，利用宇宙空间的特殊环境进行各种科学实验，直接为国民经济服务。

空间探测器装有科学探测仪器，执行空间探测任务。空间探测的主要方式有：（1）在近地空间轨道上进行远距离空间探测。（2）从月球或行星近旁飞过，进行近距离探测。（3）成为月球或行星的人造卫星，进行长期的反复观测。（4）在月球或行星及其卫星表面硬着陆，利用着陆之前的短暂时间进行探测。（5）在月球或行星及其卫星表面软着陆，进行实地考察，也可将获取的样品送回地球进行研究。（6）在深空飞行，进行长期考察。

成果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。它们对宇宙空间的探测取得了丰硕成果，所获得的知识超过了人类数千年所获知识总和的千百万倍。

1958年1月31日美国发射成功第一颗卫星探险者1号，它首次探测到地球周围存在一个高能电子、粒子聚集的辐射带，这就是著名的范·艾伦辐射带。1958年末美国发射的先驱者3号探测器，在飞离地球10万千米的地方又发现了第二条辐射带。这是利用人造卫星和空间探测器最初探测的典型成果。

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，如地球辐射带、地球磁层、太阳辐射、极光、宇宙线等进行了探测。美国的“探险者”、“轨道地球物理观测站”、“轨道太阳观测站”系列，苏联的宇宙号、预报号、质子号系列中的一部分，中国的“实践”系列等，借助携带的科学仪器，测量了地球大气层、电离层、磁层的基本结构，测量了太阳光辐射谱、空间粒子成分、高能电子、高能质子和太阳磁场等参量及其变化，探测了各类现象之间的相互关系等。通过对空间环境的探测和研究，为各类航天器的发射和飞行，航天员较长时间在太空生活，并实现太空行走和其他太空活动，提供了重要数据和安全条件。

从1959年开始，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。各种空间探测器相继考察了月球，拜访了太阳系的水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及“哈雷”彗星等。其中对月球的考察最详细，甚至派遣了航天员赴月球实地考察；对金星、火星不仅拍摄绘制了地形图，而且还多次发射无人探测器在金星和火星表面着陆进行科学考察。科学家由此初步揭开了月球和太阳系各大行星的不少奥秘，回答了过去天文学家们争议不休的许多不解之谜。

从1960年美国发射第一颗天文卫星“太阳辐射监测卫星”开始，人类陆续发射了分别对X射线、V射线、紫外线和红外线等进行观测的天文卫星，它们突破了地球大气层对天体辐射的阻挡，获取了来自宇宙空间整个波段的电磁辐射，实现了高灵敏度和高分辨率的观测，使对天体的观测波段扩大到紫外线、X射线、V射线等地面无法观测的波段，从而不断揭示出宇宙的真实面貌。

20世纪60年代，苏美两国冷战激烈。为了和美国进行竞争，苏联也发射了自己研制的空间探测器。这就是1959年1月发射升空的“月球1号”——顾名思义，它的探测目标是月球。此后，苏联又接连发射了“月球2号”和“月球3号”。但因为种种原因，这3个探测器只有3号达到了绕月飞行的目标，并且第一次拍摄到月球背面的照片并传回地球。为了与苏联的探月行动相抗衡，美国也接连发射了“徘徊者号”探测器、“月球轨道环行器”、“勘测者号”探测器等多部太空探测器。探月高潮就此掀开。

除了对月球进行探测之外，早期的空间探测器也把目标指向了太阳系的其他几大行星。比如，1970年苏联的“金星7号”空间探测器在金星表面软着陆．并接连向地球传送了23分钟的数据——这开创了人类从其他行星表面直接获取信息的先河。不甘示弱的美国随后也在1978年派遣“先驱者-金星2号”在金星表面软着陆。

除了向金星发射探测器以外，20世纪60—70年代初，美苏还发射了13个探测器飞向火星——这些探测器也功勋卓著，它们证明了这个曾经被认为有智慧生命的星球根本不存在“火星人”。1972年和1973年，美国的“先驱者”10号、11号又先后抵达木星．发现了木星有5颗卫星……可以说，正是空间探测器的不断努力，使我们对于宇宙有了更为深人的了解。

人类的寿命是有限的，空间探测器也是如此。经过多少年的“风吹日晒”。人类射向太空的探测器大多已经不能再次使用。它们有的被召回了地球，而有的则在茫茫的宇宙中永久地损毁了。现在，大量新的探测器被不断地射入太空，继续着它们先辈的事业。1

各国的空间探测器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。60年代以后 ，美国和苏联先后发射了100多颗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（美）、金星（苏）、水手（美）、火星（苏）、太阳神（美、德合作）等探测器。美国在1972年3月发射的先驱者10号探测器 ，已在1986 年飞越冥王星的平均轨道，成为第一个飞出太阳系的航天器。美国1989年5月发射的麦哲伦号探测器 ，于1990年8月后一直绕金星飞行，1991年发现金星仍存在地质活动。日本于1991年8月发射太阳-A探测器，用于观测太阳活动。

目前，行星和行星际探测系列中有美国的“水手”号、“旅行者”号、“先驱者”号和苏联的“火星”号。其中“旅行者2号”除完成观测木星、木星卫星、土星、土星卫星和土星环的任务外，飞近天王星、海王星，在接近海王星的同时又探测了有关冥王星的情况，获得一些鲜为人知的宝贵资料。“旅行者”号携带了镀金铜板声像片和金刚石唱针，希望将地球人类的信息带给地外智慧生命。

此外，还有苏联的“金星”号、美国的“海盗”号和“太阳神”号等空间探测器。

上述各类空间探测器为人类获得了大量有关各行星表面、大气和周围空间及行星际空间的资料，扩展了人类对行星地质、地貌、磁场、辐射带和大气成分以及行星际空间的研究和认识。2