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【航天甲子年50講】 13 深空探測史


- 2018年7月16日13時53分
- 科學文摘 / 知乎專欄

知乎專欄

前言

宇宙如此浩瀚,當我們人類開啟了太空探索大門,自然不會停留在距離地球表面幾百、幾千、幾萬公里的範圍之內。我們總是嚮往走得更遠,去探索那些利用巨大的望遠鏡也看不清的太陽系深處,甚至離開太陽系進入銀河系,探索更遙遠的地方。

探索之後,人類還有一個夢想就是踏足那遙遠的世界,讓人類不受到到星球的限制,成為跨星球,甚至跨星系的物種。


那我們就來看看從1957年開始的這60年太空探索歷程中,已經取得的深空探索的成績。

成績

60年的太空探索歷程中,我們人類離開地球30多萬公里,踏上了月球的表面,我們人類的飛行器已經探索了太陽系中的所有行星,也包括一些重要的彗星和小行星。我們的巡遊車在火星的表面行駛,旅行者1號已經飛出了太陽系。

【航天甲子年50講】 13 深空探測史圖片

在開始回顧深空探測的歷史之前,我們先大概看看深空探測任務的主要軌道類型。深空探測根據任務不同,分為飛掠軌道、環繞軌道和著陸(登陸)。

飛掠軌道一般是短期的探測任務,任務的窗口有限。環繞任務一般是完全進入天體的重力範圍,形成軌道進行長期觀測。著陸任務,需要進行入軌,之後開展天體表面的探測,如果需要採樣返回還需要重入軌道和返回,這就是採樣返回任務了。


深空探測的第一站:月球

月球是距離地球最近的天體,地球的衛星,所以對於深空探測的起步就是從月球開始的。

人類對於月球的探索非常充分,上百個太空飛行器對月球開展過探測。人類的探測器多次登陸過月球。阿波羅計劃讓人類首次登上月球後,又去了5次。人類在月球的表面駕車馳騁。

【航天甲子年50講】 13 深空探測史圖片

中國也通過嫦娥計劃開展了對月球的環繞與著陸,並利用玉兔號月球車開展了月球表面的探測。針對月球的探測積累了大量的技術基礎,成了深空探測的訓練場和中繼站,早期很多探測器在進行月球探測後就進行其他星球的探測了。

內太陽系探測的熱點:金星

金星由於異常明亮,在人類的歷史中一直被人們所熟知。在深空探測的歷史裡也是最早被探測的行星。

【航天甲子年50講】 13 深空探測史圖片

1961年2月12日經由閃電號運載火箭射了金星1號開展金星的探索,結果在飛往金星的途中探測器失連,任務失敗。而成功探測金星的是美國的水手2號,該探測器成功地掠過金星從而成為人類第一個成功接近其他行星的空間探測器。

水手系列衛星一直都著力於探測金星,也曾開展水星探測。蘇聯經歷了多次失敗,其金星7號1970年12月15日在金星實現軟著陸, 傳回金星表面溫度等數據。此後大量的飛行器開展了飛掠、環繞、著陸探測,是行星探測早期的明星。

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蘇聯開展了大量的金星觀測觀測任務,多次在金星表面軟著陸,並發射多個軌道器獲取了資料,並開展了雷達成像。

很少被光顧的水星

水星是被探測最少的類地行星。由於水星離太陽太近溫度很高,又由於到達水星所需要的速度增量太大,所以至今只有兩個太空飛行器就是水手10號和信使號到達過水星。

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馬上還有一個專門針對水星開展探測的就是貝皮可倫坡BepiColombo,將專門開展對水星的探測,獲得完整的水星信息。具體可見:探索美麗水星的BepiColombo衛星已經完成測試整裝待發。

新近的大熱門:火星

由於火星可以說是太陽系裡最有可能成為第二個適宜人類居住的行星,在第二次的深空探測浪潮之中,火星成了探測的熱點。

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美國的水手4號最早到達火星,之後還有維京探測計劃,包含一個軌道器和一個著陸器,維京1號成為最早登陸火星的探測器。

針對火星的探測到今天依然火熱,從軌道器到著名的好奇號火星表面巡遊車,越來越豐富的數據資料使得人類登陸火星的目標越來越接近。

關於火星的文學與影視作品也非常豐富,其中不乏像《火星救援》這樣靠譜的科幻片,看過就會對火星有更加具體的印象。

追逐那些小東西:小天體探測

【航天甲子年50講】 13 深空探測史圖片

除了行星之外,太陽系中還有大量的小天體,這些小天體雖然個頭小,卻包含了從生命起源到宇宙歷史,甚至地球未來命運的信息,所以針對彗星、小行星的探測任務也很多。

羅塞塔

包括了了日本的不死鳥「隼鳥號」,中間認定失敗,卻又死而復生。攜帶登陸器菲萊的羅塞塔號,和前往Benu的OSIRIS_REx,請見:一言不合就到小行星採礦!| 關於OSIRIS-REx你需要知道的十件事,看心機Boy如何追到白富美! | NASA探測器OSIRIS-REx是如何與小行星Bennu交會的。

飛得更快:引力助推

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深空探測的最大限制就是距離,要去往更遠的地方速度不足就要飛很久,而太空飛行器的壽命一般是有限的,人的壽命也是有限的,所以我們需要讓飛行器飛得更快。

然而人類製造的火箭再大所提供的速度增量也不夠。直到人類發現了引力彈弓效應,也就是在能量守恆的情況下小小的飛行器在與行星相遇的過程中,可以利用行星的引力獲得加速,從而就像彈弓一樣把飛行加速甩出去。這個發現我們要感謝麥可.米諾維奇。

最早利用重力助推的是水手10號,之後的深空探測衛星幾乎都是用了這一手段來大大縮短飛行時間,甚至進行多次的助推。旅行者更是利用這種助推抓住了176年一次的窗口實現了對木星、土星、天王星、海王星和冥王星的接連探測。

木星探測:發現壯觀的風暴和火山

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從先驅10,11號到旅行者的飛掠觀測,伽利略號,Juno的環繞觀測,發現了木星壯觀而長久的風暴,和木星衛星上高達300km的火山噴發。

【航天甲子年50講】 13 深空探測史圖片

外太陽系任務

美麗的土星

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旅行者1號和2號在這裡分道揚鑣,旅行者1號前往泰坦結果沒有任何發現,旅行者2號繼續前往天王星和海王星。

旅行者1號雖然失去了探索行星的機會,卻有機會從遠處的上方回望太陽系,給了太陽系一個全家福,並告知我們的渺小。

探索土星最著名的就是去年結束任務的卡西尼號了。卡西尼號取得了非常多突破性的進展,加深了我們對土星的認識。最終燃料耗盡,科學家讓它墜入土星大氣,完成了它的歷史使命。

邊緣的星球

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旅行者2號抓住的時間窗口,使得我們人類得以第一次如此近距離的觀察到天王星和海王星。

如今新視野號也在飛向冥王星的路途中。

未來

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未來我們不但要建立更強大的觀測設備,還將探索飛往更遠處的飛行器和人類生存措施,來實現我們人類的行星際移民。

下一次我們來重點看看幾個重要的深空探測器。

<航天甲子年五十講> 往期回顧

張晟宇:航天甲子年50講 01 飛天

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