20 世纪 60—70 年代:那些深空探索的先驱者们

Space Exploration - - 深空探测专题 - □杨宇光

上世纪 60年代初,在美国与苏联展开激烈登月竞赛的同时,也开始在月球以远的深空探测领域进行同样的竞争。虽然这些竞争带有强烈的政治目的,但客观上的确使人类对我们生存的太阳系家园有了深刻的认识。过去我们只有通过天文望远镜对太阳、金星、火星等目标观察获取数据,通过发射行星际探测器,获取了传统手段完全无法得到的认知,使人类的行星科学和对太阳的研究迈进了一大步。

深空探测的巨大挑战

从航天技术的角度来说,发射深空探测器是相当大的挑战。进入环绕地球的轨道需要将航天器加速到每秒7.8千米,而要逃逸地球则需要加速到每秒11.2千米。通常需要三级以上的火箭才能完成这样的任务,同样的火箭能够发射的深空探测器要比能够发射的低地球轨道卫星小很多。由于地球环绕太阳的运行速度是每秒30千米,要到达太 阳系的其他天体,深空探测器在很大程度上就要依赖于这一速度,在此基础上再增加或减少数千米,进入前往目标天体的椭圆轨道,由于最节约能量的霍曼转移轨道需要地球和目标天体保持特定的相位关系,因此这样的机会一般都很窄,例如前往火星的发射窗口每隔26个月才会出现一次。

不仅如此,深空探测器的飞行距离动辄数千万千米,甚至数亿千米,需要在地面配置几十米口径的巨大天

线来接收数据和发送指令,探测器本身也需要大口径的天线。一般来说,天线的口径越大,其无线电波束也就越窄,这就对精确的对准和姿态控制提出了严格的要求,即便采取这样的措施,数据传输的码速率也远达不到近地轨道的水平。此外,由于行星际空间的磁场比近地轨道附近的磁场要弱,所以无法使用磁力矩器来进行姿态控制,意味着用于姿态保持的推进剂消耗更加严重。而远离地磁场的保护,深空环境的辐射水平也是制约深空探测器设计和可靠性的重要因素。

苏、美瞄准不同探测目标

人类的深空探索始于苏联的“金星”系列探测器和美国的“先驱者”系列、“水手”系列探测器。苏联/俄罗斯的科学家有一个说法:“金星是我们的,火星是美国的。”这的确与实际情况比较吻合。苏联从 1961年到 1984年持续发射“金星”系列 探测器,其中“金星4号”实现了人类探测器第一次进入其他天体的大气层,“金星7号”于 1970 年第一次实现了人类探测器在其他行星软着陆。“金星15号”获得了金星表面的高分辨率雷达图像。

与之对照,美国在人类探测火星的进程中可谓一枝独秀,迄今为止仍然是唯一能够在火星表面实施软着陆并进行探测的国家。特别是上世纪70年代发射的海盗1号和海盗2号探测器,实现了人类在火星表面的第一次软着陆,可以说是在当时有限的技术 条件下实现的技术奇迹。

对外太阳系的探索

除了对金星和火星的探测,对外太阳系的探索也是人类深空探测历史早期的一大亮点。先驱者 10 号、11号和旅行者1 号、2号探测器在造访木星和土星后都进入离开太阳系的逃逸轨道。由于这些天体过于遥远,探测器通常都需要借助木星巨大的引力实施加速,以缩短前往土星以远天体的进程。上世纪太阳系各大行星出现了罕见的“九星连珠”现象,均出现在太阳的一侧,这就为同一探测器连续造访这些行星创造了可能,“旅行者 2号”成为唯一连续探测木星、土星、天王星和海王星的探测器,取得了极为丰硕的成果,还发现了这些巨行星的多颗卫星。而“旅行者1号”虽然只造访了木星和土星,却成为目前人类飞得最远的探测器,按照美国宇航局的说法,它已经进入了“恒星际”空间,尽管是否已经飞离太阳系还存在争论,但“旅行者1号”的确发现了所处区域在磁场、太阳风等方面与太阳系内部的差别。由于远离太阳,这些探测器的共同特点都是使用放射性同位素热电源提供能源,虽然安全性方面有一定风险,但带来了几十年稳定可靠的供热供电,为后来深空探测器的发展奠定了良好的基础。

由于深空探测器长时间、远距离飞行的特点,始于太空竞赛时期的深空探测项目,到80年代中期才告一段落。这些项目可看作是人类深空探索的初始阶段,虽然都取得了重大的科学探索成果,但在航天工程方面的意义更加重大,因为在此之前,我们甚至连目标天体的详细引力参数都没有,通过这些项目获得的太阳系各大天体的基本数据,直到今天都是深空探测任务设计的重要数据依据。可以说,它们是人类深空探索的先驱。★

编者按:1977年9月5日,“旅行者 1 号”成功发射升空。2014 年 9月,美国宇航局宣布,“旅行者1号”成为人类首个进入星际空间的探测器。几十年来,人类探测深空的渴望从未止息,越来越多的国家加入深空探测的行列,深空探测的脚步越迈越远,深空探测事业呈现出愈加光明的前景。值此“旅行者1号”成功发射40 周年之际,本刊特编辑“深空探测”专题,以飨读者。 先驱者10号探测器

▲金星4号探测器 ▲海盗号探测器着陆器模型

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