20世紀60—70年代：那些深空探索的先驅者們

□ 楊宇光

20世紀60—70年代：那些深空探索的先驅者們

□ 楊宇光

▲先驅者10號探測器

編者按：1977年9月5日，“旅行者1號”成功發射升空。2014年9月，美國宇航局宣布，“旅行者1號”成為人類首個進入星際空間的探測器。幾十年來，人類探測深空的渴望從未止息，越來越多的國家加入深空探測的行列，深空探測的腳步越邁越遠，深空探測事業呈現出愈加光明的前景。值此“旅行者1號”成功發射40周年之際，本刊特編輯“深空探測”專題，以饗讀者。

上世紀60年代初，在美國與蘇聯展開激烈登月競賽的同時，也開始在月球以遠的深空探測領域進行同樣的競爭。雖然這些競爭帶有強烈的政治目的，但客觀上的確使人類對我們生存的太陽系家園有了深刻的認識。過去我們只有通過天文望遠鏡對太陽、金星、火星等目標觀察獲取數據，通過發射行星際探測器，獲取了傳統手段完全無法得到的認知，使人類的行星科學和對太陽的研究邁進了一大步。

深空探測的巨大挑戰

從航天技術的角度來說，發射深空探測器是相當大的挑戰。進入環繞地球的軌道需要將航天器加速到每秒7.8千米，而要逃逸地球則需要加速到每秒11.2千米。通常需要三級以上的火箭才能完成這樣的任務，同樣的火箭能夠發射的深空探測器要比能夠發射的低地球軌道衛星小很多。由于地球環繞太陽的運行速度是每秒30千米，要到達太陽系的其他天體，深空探測器在很大程度上就要依賴于這一速度，在此基礎上再增加或減少數千米，進入前往目標天體的橢圓軌道，由于最節約能量的霍曼轉移軌道需要地球和目標天體保持特定的相位關系，因此這樣的機會一般都很窄，例如前往火星的發射窗口每隔26個月才會出現一次。

不僅如此，深空探測器的飛行距離動輒數千萬千米，甚至數億千米，需要在地面配置幾十米口徑的巨大天線來接收數據和發送指令，探測器本身也需要大口徑的天線。一般來說，天線的口徑越大，其無線電波束也就越窄，這就對精確的對準和姿態控制提出了嚴格的要求，即便采取這樣的措施，數據傳輸的碼速率也遠達不到近地軌道的水平。此外，由于行星際空間的磁場比近地軌道附近的磁場要弱，所以無法使用磁力矩器來進行姿態控制，意味著用于姿態保持的推進劑消耗更加嚴重。而遠離地磁場的保護，深空環境的輻射水平也是制約深空探測器設計和可靠性的重要因素。

▲ 海盜號探測器著陸器模型

▲ 金星4號探測器

蘇、美瞄準不同探測目標

人類的深空探索始于蘇聯的“金星”系列探測器和美國的“先驅者”系列、“水手”系列探測器。蘇聯/俄羅斯的科學家有一個說法：“金星是我們的，火星是美國的。”這的確與實際情況比較吻合。蘇聯從1961年到1984年持續發射“金星”系列探測器，其中“金星4號”實現了人類探測器第一次進入其他天體的大氣層，“金星7號”于1970年第一次實現了人類探測器在其他行星軟著陸。“金星15號”獲得了金星表面的高分辨率雷達圖像。

與之對照，美國在人類探測火星的進程中可謂一枝獨秀，迄今為止仍然是唯一能夠在火星表面實施軟著陸并進行探測的國家。特別是上世紀70年代發射的海盜1號和海盜2號探測器，實現了人類在火星表面的第一次軟著陸，可以說是在當時有限的技術條件下實現的技術奇跡。

對外太陽系的探索

除了對金星和火星的探測，對外太陽系的探索也是人類深空探測歷史早期的一大亮點。先驅者10號、11號和旅行者1號、2號探測器在造訪木星和土星后都進入離開太陽系的逃逸軌道。由于這些天體過于遙遠，探測器通常都需要借助木星巨大的引力實施加速，以縮短前往土星以遠天體的進程。上世紀太陽系各大行星出現了罕見的“九星連珠”現象，均出現在太陽的一側，這就為同一探測器連續造訪這些行星創造了可能，“旅行者2號”成為唯一連續探測木星、土星、天王星和海王星的探測器，取得了極為豐碩的成果，還發現了這些巨行星的多顆衛星。而“旅行者1號”雖然只造訪了木星和土星，卻成為目前人類飛得最遠的探測器，按照美國宇航局的說法，它已經進入了“恒星際”空間，盡管是否已經飛離太陽系還存在爭論，但“旅行者1號”的確發現了所處區域在磁場、太陽風等方面與太陽系內部的差別。由于遠離太陽，這些探測器的共同特點都是使用放射性同位素熱電源提供能源，雖然安全性方面有一定風險，但帶來了幾十年穩定可靠的供熱供電，為后來深空探測器的發展奠定了良好的基礎。

由于深空探測器長時間、遠距離飛行的特點，始于太空競賽時期的深空探測項目，到80年代中期才告一段落。這些項目可看作是人類深空探索的初始階段，雖然都取得了重大的科學探索成果，但在航天工程方面的意義更加重大，因為在此之前，我們甚至連目標天體的詳細引力參數都沒有，通過這些項目獲得的太陽系各大天體的基本數據，直到今天都是深空探測任務設計的重要數據依據。可以說，它們是人類深空探索的先驅。★