□ 楊宇光

20世紀(jì)60—70年代：那些深空探索的先驅(qū)者們

□ 楊宇光

▲先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)器

編者按：1977年9月5日，“旅行者1號(hào)”成功發(fā)射升空。2014年9月，美國(guó)宇航局宣布，“旅行者1號(hào)”成為人類首個(gè)進(jìn)入星際空間的探測(cè)器。幾十年來，人類探測(cè)深空的渴望從未止息，越來越多的國(guó)家加入深空探測(cè)的行列，深空探測(cè)的腳步越邁越遠(yuǎn)，深空探測(cè)事業(yè)呈現(xiàn)出愈加光明的前景。值此“旅行者1號(hào)”成功發(fā)射40周年之際，本刊特編輯“深空探測(cè)”專題，以饗讀者。

上世紀(jì)60年代初，在美國(guó)與蘇聯(lián)展開激烈登月競(jìng)賽的同時(shí)，也開始在月球以遠(yuǎn)的深空探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行同樣的競(jìng)爭(zhēng)。雖然這些競(jìng)爭(zhēng)帶有強(qiáng)烈的政治目的，但客觀上的確使人類對(duì)我們生存的太陽系家園有了深刻的認(rèn)識(shí)。過去我們只有通過天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽、金星、火星等目標(biāo)觀察獲取數(shù)據(jù)，通過發(fā)射行星際探測(cè)器，獲取了傳統(tǒng)手段完全無法得到的認(rèn)知，使人類的行星科學(xué)和對(duì)太陽的研究邁進(jìn)了一大步。

深空探測(cè)的巨大挑戰(zhàn)

從航天技術(shù)的角度來說，發(fā)射深空探測(cè)器是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。進(jìn)入環(huán)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(jí)以上的火箭才能完成這樣的任務(wù)，同樣的火箭能夠發(fā)射的深空探測(cè)器要比能夠發(fā)射的低地球軌道衛(wèi)星小很多。由于地球環(huán)繞太陽的運(yùn)行速度是每秒30千米，要到達(dá)太陽系的其他天體，深空探測(cè)器在很大程度上就要依賴于這一速度，在此基礎(chǔ)上再增加或減少數(shù)千米，進(jìn)入前往目標(biāo)天體的橢圓軌道，由于最節(jié)約能量的霍曼轉(zhuǎn)移軌道需要地球和目標(biāo)天體保持特定的相位關(guān)系，因此這樣的機(jī)會(huì)一般都很窄，例如前往火星的發(fā)射窗口每隔26個(gè)月才會(huì)出現(xiàn)一次。

不僅如此，深空探測(cè)器的飛行距離動(dòng)輒數(shù)千萬千米，甚至數(shù)億千米，需要在地面配置幾十米口徑的巨大天線來接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，探測(cè)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(duì)精確的對(duì)準(zhǔn)和姿態(tài)控制提出了嚴(yán)格的要求，即便采取這樣的措施，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率也遠(yuǎn)達(dá)不到近地軌道的水平。此外，由于行星際空間的磁場(chǎng)比近地軌道附近的磁場(chǎng)要弱，所以無法使用磁力矩器來進(jìn)行姿態(tài)控制，意味著用于姿態(tài)保持的推進(jìn)劑消耗更加嚴(yán)重。而遠(yuǎn)離地磁場(chǎng)的保護(hù)，深空環(huán)境的輻射水平也是制約深空探測(cè)器設(shè)計(jì)和可靠性的重要因素。

▲ 海盜號(hào)探測(cè)器著陸器模型

▲ 金星4號(hào)探測(cè)器

蘇、美瞄準(zhǔn)不同探測(cè)目標(biāo)

人類的深空探索始于蘇聯(lián)的“金星”系列探測(cè)器和美國(guó)的“先驅(qū)者”系列、“水手”系列探測(cè)器。蘇聯(lián)/俄羅斯的科學(xué)家有一個(gè)說法：“金星是我們的，火星是美國(guó)的。”這的確與實(shí)際情況比較吻合。蘇聯(lián)從1961年到1984年持續(xù)發(fā)射“金星”系列探測(cè)器，其中“金星4號(hào)”實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器第一次進(jìn)入其他天體的大氣層，“金星7號(hào)”于1970年第一次實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器在其他行星軟著陸。“金星15號(hào)”獲得了金星表面的高分辨率雷達(dá)圖像。

與之對(duì)照，美國(guó)在人類探測(cè)火星的進(jìn)程中可謂一枝獨(dú)秀，迄今為止仍然是唯一能夠在火星表面實(shí)施軟著陸并進(jìn)行探測(cè)的國(guó)家。特別是上世紀(jì)70年代發(fā)射的海盜1號(hào)和海盜2號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了人類在火星表面的第一次軟著陸，可以說是在當(dāng)時(shí)有限的技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)的技術(shù)奇跡。

對(duì)外太陽系的探索

除了對(duì)金星和火星的探測(cè)，對(duì)外太陽系的探索也是人類深空探測(cè)歷史早期的一大亮點(diǎn)。先驅(qū)者10號(hào)、11號(hào)和旅行者1號(hào)、2號(hào)探測(cè)器在造訪木星和土星后都進(jìn)入離開太陽系的逃逸軌道。由于這些天體過于遙遠(yuǎn)，探測(cè)器通常都需要借助木星巨大的引力實(shí)施加速，以縮短前往土星以遠(yuǎn)天體的進(jìn)程。上世紀(jì)太陽系各大行星出現(xiàn)了罕見的“九星連珠”現(xiàn)象，均出現(xiàn)在太陽的一側(cè)，這就為同一探測(cè)器連續(xù)造訪這些行星創(chuàng)造了可能，“旅行者2號(hào)”成為唯一連續(xù)探測(cè)木星、土星、天王星和海王星的探測(cè)器，取得了極為豐碩的成果，還發(fā)現(xiàn)了這些巨行星的多顆衛(wèi)星。而“旅行者1號(hào)”雖然只造訪了木星和土星，卻成為目前人類飛得最遠(yuǎn)的探測(cè)器，按照美國(guó)宇航局的說法，它已經(jīng)進(jìn)入了“恒星際”空間，盡管是否已經(jīng)飛離太陽系還存在爭(zhēng)論，但“旅行者1號(hào)”的確發(fā)現(xiàn)了所處區(qū)域在磁場(chǎng)、太陽風(fēng)等方面與太陽系內(nèi)部的差別。由于遠(yuǎn)離太陽，這些探測(cè)器的共同特點(diǎn)都是使用放射性同位素?zé)犭娫刺峁┠茉?，雖然安全性方面有一定風(fēng)險(xiǎn)，但帶來了幾十年穩(wěn)定可靠的供熱供電，為后來深空探測(cè)器的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

由于深空探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離飛行的特點(diǎn)，始于太空競(jìng)賽時(shí)期的深空探測(cè)項(xiàng)目，到80年代中期才告一段落。這些項(xiàng)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(xué)探索成果，但在航天工程方面的意義更加重大，因?yàn)樵诖酥?，我們甚至連目標(biāo)天體的詳細(xì)引力參數(shù)都沒有，通過這些項(xiàng)目獲得的太陽系各大天體的基本數(shù)據(jù)，直到今天都是深空探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)依據(jù)。可以說，它們是人類深空探索的先驅(qū)?！?/p>