圖解深空探測史

文/葉楠

太陽探測

太陽是我們賴以生存的，也是對(duì)我們影響最大的一顆恒星。太陽活動(dòng)對(duì)地球的空間天氣、全球氣候以及航天活動(dòng)都有著巨大的影響。1962年，美國宇航局基于“先驅(qū)者5號(hào)”的空間探測數(shù)據(jù)，認(rèn)識(shí)到未來執(zhí)行阿波羅任務(wù)中的航天員有可能會(huì)遭受過量太陽輻射的危險(xiǎn)，因此批準(zhǔn)了對(duì)太陽風(fēng)、磁場、等離子體等為目標(biāo)的空間探測任務(wù)，人類對(duì)太陽進(jìn)行空間探測的歷程也由此展開。

先驅(qū)者6號(hào)：首次探日

“先驅(qū)者6號(hào)”是第一個(gè)對(duì)太陽進(jìn)行探測的探測器，于1965年12月16日發(fā)射，軌道距離太陽1.47億至1.21億公里，位于地球軌道內(nèi)側(cè)?！跋闰?qū)者6號(hào)”采用圓柱體結(jié)構(gòu)，高89厘米，直徑94厘米，側(cè)面覆蓋有太陽能電池片，頂端為152厘米高的管狀高增益天線，側(cè)面伸出三個(gè)165厘米長的懸臂，分別掛載磁強(qiáng)計(jì)、氮?dú)庾丝赝七M(jìn)器和配重。攜帶的科學(xué)載荷為一個(gè)三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)、兩個(gè)宇宙線檢測器和一對(duì)太陽風(fēng)離子敏感器。最開始，“先驅(qū)者6號(hào)”持續(xù)監(jiān)測太陽風(fēng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)、磁場的變化以及等離子體不連續(xù)性等，半年后改為間斷性測量。在“先驅(qū)者6號(hào)”之后，還陸續(xù)成功發(fā)射了先驅(qū)者7、8、9號(hào)，但這些探測器都只是位于地球軌道附近，并沒有更接近太陽。

值得一提的是，2000年12月8日，“先驅(qū)者6號(hào)”在其發(fā)射后的第35年成功與地面取得聯(lián)系，聯(lián)系時(shí)間超過2小時(shí)。

太陽神號(hào)：近距離探日

1967年，美國和西德成立聯(lián)合小組，開始太陽神任務(wù)的研究和實(shí)施，發(fā)射了兩個(gè)姊妹探測器對(duì)太陽活動(dòng)及太陽所處的空間環(huán)境進(jìn)行探測，為太陽風(fēng)的產(chǎn)生和加速機(jī)制、行星際介質(zhì)和宇宙線研究提供了大量的數(shù)據(jù)。

“太陽神1號(hào)”的主體結(jié)構(gòu)高2米，最大直徑2.7米。與其他探測器最大的不同是，它的表面由50%的太陽能電池片和50%的玻璃鏡片構(gòu)成，玻璃有較高的反照率，可降低探測器的溫度。1974年12月10日，半人馬座火箭將“太陽神1號(hào)”發(fā)射至近日點(diǎn)4600萬公里、遠(yuǎn)日點(diǎn)1.48億公里的軌道。1976年1月15日發(fā)射的“太陽神2號(hào)”軌道更加接近太陽，近日點(diǎn)只有4200萬公里。1976年4月17日，“太陽神2號(hào)”以每秒70公里的相對(duì)太陽的速度通過近日點(diǎn)，創(chuàng)造了人類航天器飛行速度的新記錄。

尤利西斯號(hào)：探測太陽南北極區(qū)

尤利西斯號(hào)太陽探測器由美國宇航局與歐空局合作研制，以希臘神話中智勇雙全的奧德修斯的拉丁文名字命名。目的是研究太陽的性質(zhì)，加深對(duì)太陽風(fēng)、太陽極區(qū)以及行星際磁場等方面的了解。

“尤利西斯號(hào)”重366.7千克，長寬高分別為3.2米、3.3米和2.1米，于1990年10月6日從卡納維拉爾角空軍基地升空，由發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)送入軌道。由于“尤利西斯號(hào)”的軌道幾乎與黃道面垂直，探測器并沒有直接飛向太陽，而是飛向了木星，1992年2月借助木星的引力加速調(diào)整到太陽極軌道上，近日點(diǎn)2.025億公里，遠(yuǎn)日點(diǎn)8.1億公里，分別位于地球軌道及木星軌道以外，軌道周期為6.2年?！坝壤魉固?hào)”按計(jì)劃分別于1994年、2000年和2007年三次通過太陽南極地區(qū)；1995年和2001年兩次通過太陽北極地區(qū)，這是人類歷史上第一個(gè)對(duì)太陽南北極區(qū)進(jìn)行觀測的探測器，通過觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得到了關(guān)于太陽活動(dòng)、磁場及星際塵埃的更多信息。

風(fēng)：探測太陽風(fēng)

風(fēng)太陽探測器又稱為星際物理實(shí)驗(yàn)室，是美國宇航局全球地球空間科學(xué)項(xiàng)目的首個(gè)探測器，它重1250千克，直徑2.4米，高1.8米，是一顆自旋穩(wěn)定衛(wèi)星?！帮L(fēng)”于1994年11月1日發(fā)射升空，安置于日地拉格朗日L1點(diǎn)處，其科學(xué)目標(biāo)是對(duì)黃道面太陽風(fēng)等離子體現(xiàn)象做出詳盡的探測。太陽風(fēng)是太陽發(fā)出的高速帶電粒子流，會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生影響甚至危害，比如極光、磁暴等，有可能對(duì)人造衛(wèi)星和電力系統(tǒng)等造成損害。截至2019年5月，依據(jù)風(fēng)太陽探測器數(shù)據(jù)發(fā)表的科學(xué)論文超過5000篇。“風(fēng)”攜帶的燃料充足，可使它平穩(wěn)運(yùn)行至少50年。

太陽和日球?qū)犹綔y器：發(fā)現(xiàn)眾多彗星

太陽和日球?qū)犹綔y器（SOHO，左圖）由美國宇航局與歐空局聯(lián)合研制，于1995年12月2日發(fā)射，發(fā)射質(zhì)量1850千克，長寬高分別為4.3米、2.7米和3.7米。SOHO位于日地拉格朗日L1點(diǎn)，但并非穩(wěn)定在L1點(diǎn)，而是在垂直于日地連線的平面上圍繞L1點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，也稱為暈軌道，周期為半年。通過其攜帶的科學(xué)儀器能夠?qū)μ柹驅(qū)印⑦^渡區(qū)和日冕、太陽風(fēng)及相關(guān)現(xiàn)象，甚至太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。SOHO的設(shè)計(jì)壽命只有2年，但至今仍在服役，預(yù)計(jì)可以繼續(xù)運(yùn)行至2022年。令人驚訝的是，SOHO還發(fā)展出一個(gè)“副業(yè)”，人們根據(jù)SOHO的觀測數(shù)據(jù)至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3000多顆彗星。右圖為兩顆掠日彗星，同時(shí)有一個(gè)螺旋狀日珥從太陽表面噴薄而出。

高新化學(xué)組成探測器：探測高能粒子

高新化學(xué)組成探測器（ACE）是美國宇航局研究太陽風(fēng)子、星際介質(zhì)及其他來源的高能粒子的空間探測任務(wù)。1997年8月25日，ACE從卡納維拉爾角空軍基地由德爾塔Ⅱ型火箭發(fā)射升空，于12月12日進(jìn)入日地拉格朗日L1點(diǎn)附近的暈軌道。ACE對(duì)日冕形成及太陽風(fēng)加速機(jī)制、粒子加速及傳輸?shù)葐栴}進(jìn)行了觀測。美國國家海洋和大氣管理局空間天氣預(yù)報(bào)中心也依靠ACE的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來改進(jìn)太陽風(fēng)暴的預(yù)報(bào)。至今ACE的狀況依舊良好，預(yù)計(jì)其推進(jìn)劑足夠維持其軌道至2024年。

起源號(hào)探測器：將太陽風(fēng)粒子帶回地球

2001年8月8日，起源號(hào)探測器發(fā)射升空，目標(biāo)是收集太陽風(fēng)粒子并返回地球。11月16日，“起源號(hào)”抵達(dá)日地拉格朗日L1點(diǎn)，后變軌進(jìn)入利薩茹軌。12月3日，“起源號(hào)”開啟收集器陣列（左圖），整個(gè)收集過程持續(xù)850天，“起源號(hào)”繞L1點(diǎn)公轉(zhuǎn)5圈。2004年4月22日“起源號(hào)”開始返航，為了避免返回艙著陸時(shí)的震動(dòng)有可能會(huì)對(duì)封存的太陽風(fēng)粒子造成污染，原計(jì)劃是利用直升飛機(jī)在空中用吊鉤鉤住返回艙的降落傘，對(duì)返回艙進(jìn)行回收。但不幸的是，返回當(dāng)天由于返回艙重力開關(guān)裝置的電池故障，導(dǎo)致降落傘沒能按原計(jì)劃打開，返回艙以每小時(shí)320公里的速度墜落在猶他州的沙漠上，并且變形損壞，一半撞入地面并裂開（右圖），搜集到的太陽風(fēng)粒子受到污染，但幸運(yùn)的是還有一部分標(biāo)本保存完好。

日地關(guān)系觀測臺(tái)：拍攝太陽的三維圖像

“日地關(guān)系觀測臺(tái)”（STEREO，左圖）是美國宇航局和約翰霍普金斯大學(xué)聯(lián)合研制的兩個(gè)幾乎完全相同的太陽探測器，于2006年10月26日發(fā)射升空，分別位于地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的前后兩側(cè)，其中STEREO-A軌道在地球軌道內(nèi)側(cè)，公轉(zhuǎn)周期為347天，STEREO-B軌道在地球軌道外側(cè)，公轉(zhuǎn)周期為387天。兩個(gè)探測器分別以每年約22度的速度遠(yuǎn)離地球。這樣設(shè)計(jì)的目的是可以在同一時(shí)間從不同的角度對(duì)太陽進(jìn)行立體觀測，拍攝太陽的三維圖像（右圖是一幅太陽立體照片，可借助紅綠3D眼鏡觀看）。兩個(gè)探測器的設(shè)計(jì)壽命是2年，但直到2014年STEREO-B才失去聯(lián)系，而STEREO-A至今還能夠繼續(xù)正常工作。

深空氣候觀測臺(tái)：預(yù)警太陽風(fēng)暴

“深空氣候觀測臺(tái)”（DSCOVR）是美國國家海洋和大氣管理局的一個(gè)空間天氣、空間氣候及地球觀測探測器。早在上個(gè)世紀(jì)90年代末，DSCOVR就已經(jīng)制造完成，一直保存在戈達(dá)德空間飛行中心，直到2015年2月11日，太空探索技術(shù)公司的獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭終于將DSCOVR送入太空并最終進(jìn)入日地拉格朗日L1點(diǎn)的利薩茹軌道，每6個(gè)月繞L1點(diǎn)公轉(zhuǎn)一周。在這個(gè)位置它可以比地球早60分鐘探測到日冕物質(zhì)拋射并作出預(yù)警。

帕克號(hào)：最接近太陽的探測器

帕克號(hào)太陽探測器（左圖）由美國宇航局與約翰霍普金斯大學(xué)共同研制，其命名來自于天體物理學(xué)家尤金·帕克，他于1958年首次提出太陽風(fēng)的概念。2018年8月12日，“帕克號(hào)”在卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，時(shí)年91歲的尤金·帕克也來到控制中心現(xiàn)場（右圖）?！芭量颂?hào)”上攜帶了一塊記錄有110萬人名字的存儲(chǔ)卡及尤金·帕克的照片和論文。

10月29日，“帕克號(hào)”打破了“太陽神2號(hào)”于1976年創(chuàng)造的近日點(diǎn)4200萬公里的記錄，成為了有史以來最接近太陽的探測器，而且它還將繼續(xù)接近太陽，最終其軌道近日點(diǎn)只有690萬公里，不到太陽半徑的10倍。當(dāng)接近近日點(diǎn)時(shí)，“帕克號(hào)”的速度最快將達(dá)到每秒近200公里，它也將成為飛的最快的探測器。“帕克號(hào)”主要是對(duì)太陽的外層日冕進(jìn)行探測，試圖解開日冕加熱、太陽風(fēng)源磁場結(jié)構(gòu)、高能粒子傳輸加速機(jī)制等問題。