【航天甲子年50讲】 13 深空探测史



文:晟宇(视频讲解)

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前言


宇宙如此浩瀚,当我们人类开启了太空探索大门,自然不会停留在距离地球表面几百、几千、几万公里的范围之内。我们总是向往走得更远,去探索那些利用巨大的望远镜也看不清的太阳系深处,甚至离开太阳系进入银河系,探索更遥远的地方。


探索之后,人类还有一个梦想就是踏足那遥远的世界,让人类不受到到星球的限制,成为跨星球,甚至跨星系的物种。


那我们就来看看从1957年开始的这60年太空探索历程中,已经取得的深空探索的成绩。

成绩


60年的太空探索历程中,我们人类离开地球30多万公里,踏上了月球的表面,我们人类的飞行器已经探索了太阳系中的所有行星,也包括一些重要的彗星和小行星。我们的巡游车在火星的表面行驶,旅行者1号已经飞出了太阳系。







在开始回顾深空探测的历史之前,我们先大概看看深空探测任务的主要轨道类型。深空探测根据任务不同,分为飞掠轨道、环绕轨道和着陆(登陆)。


飞掠轨道一般是短期的探测任务,任务的窗口有限。环绕任务一般是完全进入天体的重力范围,形成轨道进行长期观测。着陆任务,需要进行入轨,之后开展天体表面的探测,如果需要采样返回还需要重入轨道和返回,这就是采样返回任务了。



深空探测的第一站:月球


月球是距离地球最近的天体,地球的卫星,所以对于深空探测的起步就是从月球开始的。



(苏联的月球2号是首个到达月球的人造飞行器1959)




人类对于月球的探索非常充分,上百个航天器对月球开展过探测。人类的探测器多次登陆过月球。阿波罗计划让人类首次登上月球后,又去了5次。人类在月球的表面驾车驰骋。



(尤金·安德鲁·塞尔南驾驶阿波罗17号的月球车在月球行驶)







中国也通过嫦娥计划开展了对月球的环绕与着陆,并利用玉兔号月球车开展了月球表面的探测。针对月球的探测积累了大量的技术基础,成了深空探测的训练场和中继站,早期很多探测器在进行月球探测后就进行其他星球的探测了。


内太阳系探测的热点:金星


金星由于异常明亮,在人类的历史中一直被人们所熟知。在深空探测的历史里也是最早被探测的行星。



(金星1号)




1961年2月12日经由闪电号运载火箭射了金星1号开展金星的探索,结果在飞往金星的途中探测器失连,任务失败。而成功探测金星的是美国的水手2号,该探测器成功地掠过金星从而成为人类第一个成功接近其他行星的空间探测器。




(水手2号)



水手系列卫星一直都着力于探测金星,也曾开展水星探测。苏联经历了多次失败,其金星7号1970年12月15日在金星实现软着陆, 传回金星表面温度等数据。此后大量的飞行器开展了飞掠、环绕、着陆探测,是行星探测早期的明星。





苏联开展了大量的金星观测观测任务,多次在金星表面软着陆,并发射多个轨道器获取了资料,并开展了雷达成像。


很少被光顾的水星


水星是被探测最少的类地行星。由于水星离太阳太近温度很高,又由于到达水星所需要的速度增量太大,所以至今只有两个航天器就是水手10号和信使号到达过水星。




马上还有一个专门针对水星开展探测的就是贝皮可伦坡BepiColombo,将专门开展对水星的探测,获得完整的水星信息。具体可见:探索美丽水星的BepiColombo卫星已经完成测试整装待发


新近的大热门:火星


由于火星可以说是太阳系里最有可能成为第二个适宜人类居住的行星,在第二次的深空探测浪潮之中,火星成了探测的热点。





美国的水手4号最早到达火星,之后还有维京探测计划,包含一个轨道器和一个着陆器,维京1号成为最早登陆火星的探测器。






针对火星的探测到今天依然火热,从轨道器到著名的好奇号火星表面巡游车,越来越丰富的数据资料使得人类登陆火星的目标越来越接近。






关于火星的文学与影视作品也非常丰富,其中不乏像《火星救援》这样靠谱的科幻片,看过就会对火星有更加具体的印象。


追逐那些小东西:小天体探测






除了行星之外,太阳系中还有大量的小天体,这些小天体虽然个头小,却包含了从生命起源到宇宙历史,甚至地球未来命运的信息,所以针对彗星、小行星的探测任务也很多。



罗塞塔



包括了了日本的不死鸟“隼鸟号”,中间认定失败,却又死而复生。携带登陆器菲莱的罗塞塔号,和前往Benu的OSIRIS_REx,请见:一言不合就到小行星采矿!| 关于OSIRIS-REx你需要知道的十件事看心机Boy如何追到白富美! | NASA探测器OSIRIS-REx是如何与小行星Bennu交会的


飞得更快:引力助推




深空探测的最大限制就是距离,要去往更远的地方速度不足就要飞很久,而航天器的寿命一般是有限的,人的寿命也是有限的,所以我们需要让飞行器飞得更快。


然而人类制造的火箭再大所提供的速度增量也不够。直到人类发现了引力弹弓效应,也就是在能量守恒的情况下小小的飞行器在与行星相遇的过程中,可以利用行星的引力获得加速,从而就像弹弓一样把飞行加速甩出去。这个发现我们要感谢迈克尔.米诺维奇。


最早利用重力助推的是水手10号,之后的深空探测卫星几乎都是用了这一手段来大大缩短飞行时间,甚至进行多次的助推。旅行者更是利用这种助推抓住了176年一次的窗口实现了对木星、土星、天王星、海王星和冥王星的接连探测。


木星探测:发现壮观的风暴和火山







从先驱10,11号到旅行者的飞掠观测,伽利略号,Juno的环绕观测,发现了木星壮观而长久的风暴,和木星卫星上高达300km的火山喷发。






外太阳系任务



美丽的土星



旅行者1号和2号在这里分道扬镳,旅行者1号前往泰坦结果没有任何发现,旅行者2号继续前往天王星和海王星。



旅行者1号虽然失去了探索行星的机会,却有机会从远处的上方回望太阳系,给了太阳系一个全家福,并告知我们的渺小。





探索土星最著名的就是去年结束任务的卡西尼号了。卡西尼号取得了非常多突破性的进展,加深了我们对土星的认识。最终燃料耗尽,科学家让它坠入土星大气,完成了它的历史使命。


边缘的星球



旅行者2号抓住的时间窗口,使得我们人类得以第一次如此近距离的观察到天王星和海王星。


哈勃拍摄的冥王星

冥王星由新视野号完成探测。

新视野号
https://www.zhihu.com/video/932279934064287744
冥王星


未来




未来我们不但要建立更强大的观测设备,还将探索飞往更远处的飞行器和人类生存措施,来实现我们人类的行星际移民。


下一次我们来重点看看几个重要的深空探测器。



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参考文献


  1. wiki百科
  2. 百度百科
  3. Exploring the Planets:An Introduction to Planetary Spacecraft
  4. Space Exploration Timeline
  5. 深空探测:未完成的图景




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