空間探測

人類雖然一直嚮往廣漠的宇宙空間，但真正有意義的行動始於1783年施放的第一個升空氣球，限於當時的技術條件，不可能上升很高，探測的侷限性很大。第二次世界大戰後發射的V-2探空火箭，最高也只達到約160千米的高度。20世紀50年代，由大量的地面台站、氣球和火箭等組成全球協同的觀測體系，但並未取得突破性成果。1957年10月4日第一顆人造地球衞星發射成功，從此人類跨進了宇宙空間的大門，開始了空間探測的新時代。在隨後的30多年間，對月球、行星和行星際空間進行了有成效的探測，探測領域不斷擴大。

太空探測器是能飛向太陽系其他天體的行星探測器，空間探測的範圍集中在地球環境、空間環境、天體物理、材料科學和生命科學等方面。自1957年10月4日第一顆人造衞星發射上天，到2000年全世界已發射了100多個空間探測器。 從1958年開始，人類用人造衞星、宇宙飛船、空間站和航天飛機等作為探測手段，對近地空間的環境進行了探測。1959年之後，人類已經跨過近地空間到月球以至月球以外的深空進行探測活動。其中對月球的考察最詳細。我國的空間環境探測也是伴隨航天事業的發展而發展起來的。從1971年的“實踐一號”開始，我國已有30餘年的衞星空間環境探測歷史。

載人航天、月球探測、氣象衞星、資源衞星等許多正在研製的航天型號均安排了空間環境探測，夸父計劃等專業探測衞星正在論證，包括蘇聯、美國、日本、歐洲空間局等在內的許多國家或組織都相繼發射了空間探測器，獲取了大量前所未有的、豐富的有關日地空間、月球和行星的探測數據，為人類認識、開發和利用宇宙提供了科學的依據。現今我國的天基空間環境探測已發展成一個重要的學科領域。空間環境探測器已成為航天器廣泛應用的載荷之一。 隨着人類社會的發展和空間技術水平的不斷提高，空間探測的廣度和深度也在不斷擴大。

瞭解太陽系的起源、演變和現狀；通過對太陽系內的各主要行星的比較研究進一步認識地球環境的形成和演變；瞭解太陽系的變化歷史；探索生命的起源和演變。

空間探測器實現了對月球和行星的逼近觀測和直接取樣探測，開創了人類探索太陽系內天體的新階段。 ^[1] 

地球、某些行星以及少數衞星具有大氣層，大氣主要由中性原子和分子組成，在行星際空間也存在少數的中性粒子。探測主要由質譜儀直接取樣並分析中性粒子成分和密度。

空間探測(2張)

宇宙空間存在大量的電子 、質子和重離子等高能粒子。使用的探測儀器主要有利用 氣體電離作傳感器的蓋革-繆勒計數器、正比計數器和電離室；閃爍計數器；半導體計數器；切連科夫探測器。

宇宙空間的絕大部分物質以等離子體形式存在 ，電離層 、太陽風等都由等離子體組成，磁層中也有幾個等離子體密集區，探測儀器主要有法拉第筒、減速勢分析器、離子捕集器以及探針。

在太陽系內，除大量較大的星體外，還存在大量顆粒狀的微小物質，質量一般都在10-3毫克以下。但它們速度一般都很高 ，最大的可達70千米/秒，有很大的貫穿本領。因此，對它的測量具有實際意義。

空間等離子體的不穩定過程和電磁場的變化，將會激發各種頻率的電磁波和等離子體波。它們既是空間物理過程的產物，也是探測空間環境狀態的手段。對於變化頻率在幾赫以下的波動，一般用磁強計測量，對於較高頻率的波動，用接收機測量。

是重要的物理場。空間各個區域磁場強度相差很大，如地球表面的磁場強度比行星際空間強幾個數量級。探測磁場的儀器，主要有線圈式磁強計、磁通門磁強計、質子旋進磁強計和光泵磁強計。

電場

電荷的積累和磁場的變化都能產生電場。但由於空間等離子體有很高的電導率，空間電場一般都比較小。

中國空間技術研究院《國際太空》雜誌副主編龐之浩回顧了2004年全球空間探測活動的特點並分析了未來發展趨勢。2004年的世界空間探測呈現出欣欣向榮、蒸蒸日上的喜人景象，各種新成果無論對航天技術進步，還是對其他科學研究，人類社會發展，都具有積極的促進作用。空間探測已進入全面發展的新時代，並具有一些與以往不同的顯著特點。 首先，空間探測已趨向多元化，而不再是美蘇等一兩個國家獨霸空間探測領域。歐洲正迅速崛起，不僅連續發射成功火星探測器、月球探測器和彗星探測器，而且還將發射金星和水星探測器，並在2004年初宣佈了其龐大的“曙光”空間探測計劃，即向美國“叫板”，在2030年左右把人送上火星。中國和印度也將在空間探測方面佔有一席之地。中國於2004年初正式開始實施“嫦蛾”探月工程，2006-2007年發射首顆探月衞星。印度則在2004年決定，把原計劃於2008年發射“月球初航”探測器的時間提前到2007年或更早。

探測技術水平大幅度提高是特點之二。例如，“勇氣”號和“機遇”號的性能遠高於1997年首次在火星上行駛的“旅居者”號火星車，實現了對火星較大範圍的移動考察，代表了火星探測的重要階段。經過13個月的飛行，歐洲“智慧”1號月球探測器於2004年11月15日進入繞月軌道，從而表明，這個世界第1個聯合使用太陽能電推進系統和月球引力的空間探測器達到了預期的效果，此舉對未來航天技術的發展產生重要作用。在經過長達約7年、航行35億千米的星際歷程之後，價值連城的世界首個土星專用探測器“卡西尼”，終於在2004年7月1日進入土星軌道，它已發回不少很寶貴的圖像，並將在2004年12月25日向土衞六表面釋放“惠更斯”着陸器。

第3個特點是彗星探測成為“新寵”。2004年1月，飛行已久的美國“星塵”號彗星探測器與懷爾德2號彗星交會，並在離彗核很近的距離用密度極低的氧化硅氣溶膠首次獲取彗核物質，現正飛行在返回地球的途中。這將是人類首次把除地球的衞星——月球以外的樣本送回地球，也是“阿波羅”計劃後的首次樣品回送任務。這些樣品可為宇宙形成和地球生命起源的研究提供重要線索。歐洲空間局則2004年3月2日發射了其第1個彗星探測器“羅塞塔”。它將經過10年的長途跋涉進入“楚留莫夫-格拉西門克”彗星軌道，並向該彗星着陸器，這在人類航天史上也是前所未有。 2004年所取得的空間探測它可使人類進一步瞭解太陽系和宇宙(包括生命)的起源和演化，為開發和利用空間資源及擴展人類的生存空間做準備。例如，科學家們認為彗星事實上就是宇宙產生時期剩下的原始物質，所以探測彗星有助於人類搞清地球上生命的起源。而歐航局“火星快車”號探測器在火星表面直接發現水，對人類同樣意義重大，因為水不僅能用於人類未來在火星上生存，開闢第2個家園，水中的氫元素還作為未來人類星際旅行的燃料。

總的來説，空間探測將為人類大規模開發空間資源奠定技術基礎，解決地球上存在的能源問題、人口問題和環境問題等。例如，地球能容納的人口是有限的，大約80億-110億，因此有些人已經開始研究向外空移民的方案了；地球上的能源也日益緊張，開發太空礦藏也是空間探測的一大目標。

龐之浩在展望未來空間探測的發展趨勢時認為，冷戰結束後，空間探測的科學意義和經濟效益等被越來越多的國家所認可。因此，隨着各國經濟和技術的長足進步，參與空間探測的國家正逐漸增多，空間探測的深度和廣度也不斷擴大。空間探測的計劃越來越長遠，投資也日趨龐大。2004年1月14日，美國總統布什在航宇局總部宣佈了一項旨在探索太空和將人類足跡擴展到整個太陽系的新太空計劃，即美國將製造新一代宇宙飛船，使美國航天員最早於2015年重返月球建立基地，並以此為跳板，在2030年以後把人類送上火星乃至更遙遠的宇宙空間。歐洲2004年出台的“曙光”計劃與美國類似，也是史無前例的“一攬子”計劃。

由於空間探測投資較大，所以國際合作將是未來空間探測的特點之一。就印度來説，它已收到20個國家參與其探月計劃的申請。美國、以色列、加拿大、德國以及歐洲空間局都遞交了合作申請，他們都希望將科學儀器放置在預計於2007年發射的印度月球探測器上。美國、俄羅斯和歐洲也在積極探討有關載人火星探測的國際合作途徑。 從人類的科學認識、技術水平和經濟條件等方面綜合考慮，在可以預測的將來，空間探測重點仍將是月球和火星。月球探測的戰略目標是建設月球基地，開發和利用月球的資源和能源與特殊環境，為人類社會的可持續發展服務。

歐洲的“智慧”1號計劃、中國的“嫦蛾”1號計劃和印度的月球探測計劃等，均以月球資源探測為主要目標。本世紀前20年將掀起人類探測火星的新熱潮。它是人類開展深空探測的關鍵性步驟。人類可望於2011年在地球上獲得火星返回樣品，最終實現載人登上火星。

主要是探查行星際空間的磁場、電場、帶電粒子和行星際介質的分佈及隨時間的變化。探測證實了太陽風的存在，發現了行星際磁場的扇形結構。探測行星際空間的飛行器可以有4種軌道類型 ：一是地心軌道 ，圍繞地球運行的衞星，只要以遠地點超出磁層，就能進入行星際空間進行探測。二是日心軌道，利用圍繞太陽運行的飛行器來探測行星際空間十分理想，並且常與行星探測結合起來。三是飛離太陽系的軌道，當飛行器達到第三宇宙速度時，就能克服太陽的引力作用，沿拋物線軌道飛往星際空間，就能夠直接探測太陽系在地球軌道以外的部分。四是平衡點軌道，在太陽和地球的聯線上有一個平衡點，太陽和地球的引力在這裏恰好相等，飛船可以在通過這一點和日地聯線相垂直的平面上沿橢圓軌道運動。對於定點監視行星際的物理狀態十分理想。

月球是離地球最近的天體，人們對月球的探測比較早，也比較詳盡 。1969 年7月16日發射的阿波羅11號第一次載人登上月球，進行實地考察並採集月岩、月壤樣品 400多千克。行星際探測器系列對行星進行了探測 ，並由對內行星發展到外行星的探測。 ^[2] 

主要指對地球高層大氣 、電離層、磁層等區域所進行的探測。探空火箭是近地空間探測的重要手段，它能把探測儀器帶到幾十至幾千千米的高空進行直接測量。人造地球衞星的成功發射，使得對地球磁層可進行詳盡的探查，地球輻射帶的發現就是人造地球衞星的第一個重大發現，並證實地球磁層的存在。人造地球衞星圍繞地球以圓形或橢圓形軌道運行，根據不同的探測目的可選擇不同的軌道類型：一是極地圓軌道，對赤道面的傾角約為90°。在高層大氣、電離層和高空磁場測量中，常採用這種軌道。二是大扁度軌道，它的遠地點高度要比近地點高度高得多，這種軌道容易獲得磁層的完整的剖面資料。三是同步軌道，當衞星在赤道面上高度為 3.6萬千米的圓軌道運行時，衞星繞地球一週恰好與地球自轉一週的時間相等，相對於地球是靜止的。這種衞星的測量結果容易與地面觀測結果配合起來分析。但實際中對近地空間的探測，多采用衞星系列進行。

空間探測器是通過裝載的科學探測儀器來執行空間探測任務。空間探測器按探測的對象劃分為月球探測器、行星和行星際探測器、小天體探測器等。已發射的空間探測器主要採用以下幾種方式：

●從地外星球近旁飛過或在其表面硬着陸，探測拍攝

●以月球或行星衞星的方式取得信息

●探測器在月球或行星及其衞星表面軟着陸，以固定或漫遊車的方式進行實地考察、拍攝探測和取樣分析等。

●用載人或不載人探測器在月面軟着陸後取得樣品返回地球，進行實驗室分析。

●在深空開展漫遊式飛行

●進行撞擊式探測，

●建立永久性載人基地

在未來5年內將發射多顆航天器開展空間環境探測。空間環境探測在不同空間位置的佈局、探測內容的豐富、探測時間的持續穩定，使空間環境探測有條件進入全面應用階段。 ^[3] 

空間探測系統包括空間探測器和深空網。空間探測器是系統的空間部分，裝載科學探測儀器，執行空間探測任務。為執行不同的探測任務和探測不同的目標，可構成不同的空間探測系統。空間探測的主要方式有：①從月球或行星近旁飛過，進行近距離觀測；②成為月球或行星的人造衞星，進行長期的反覆觀測；③在月球或行星表面硬着陸,利用墜毀之前的短暫時機進行探測;④在月球或行星表面軟着陸，進行實地考察，也可將取得的樣品送回地球研究。

1959年1月,蘇聯發射了第一個月球探測器──“月球”1號,此後美國發射了“徘徊者”號探測器、“月球軌道環行器”、“勘測者”號探測器和“阿波羅”號飛船。60年代初期，美國和蘇聯發射了多種行星和行星際探測器,分別探測了金星、火星、水星、木星和土星,以及行星際空間和彗星。其中有“先驅者”號探測器(美)、“金星”號探測器（蘇）、“水手”號探測器（美）、“火星”號探測器（蘇）、“探測器”（蘇）、“太陽神”號探測器（美國與聯邦德國合作）、“海盜”號探測器（美）、“旅行者”號探測器（美）。到1984年底，美國和蘇聯共發射了109個空間探測器，美國在1972年3月發射的“先驅者”10號行星探測器，大約到1986年10月可飛越過冥王星的平均軌道，成為第一個飛出太陽系的航天器。

飛行原理 　空間探測器離開地球時必須獲得足夠大的速度（見宇宙速度）才能克服或擺脱地球引力，實現深空飛行。探測器沿着與地球軌道和目標行星軌道都相切的日心橢圓軌道（雙切軌道）運行，就可能與目標行星相遇，或者增大速度以改變飛行軌道，可以縮短飛抵目標行星的時間。例如,美國“旅行者”2號探測器的速度比雙切軌道所要求的大0.2公里/秒，到達木星的時間縮短了將近四分之一。

為了保證探測器沿雙切軌道飛到與目標行星軌道相切處時目標行星恰好也運行到該處，必須選擇在地球和目標行星處於某一特定相對位置的時刻發射探測器。例如飛往木星約需1000天的時間，木星探測器發射時木星應離會合點83°(相當於木星在軌道上走1000天的路程)。根據一定的相對位置要求，可以從天文年曆中查到相應的日期，這個有利的發射日期一般每隔一、二年才出現一次。探測器可以在繞飛行星時，利用行星引力場加速，實現連續繞飛多個行星（見行星探測器軌道）。

技術特點 　空間探測器是在人造地球衞星技術基礎上發展起來的，但是與人造地球衞星比較，空間探測器在技術上有一些顯著特點。

控制和導航 　空間探測器飛離地球幾十萬到幾億公里，入軌時速度大小和方向稍有誤差，到達目標行星時就會出現很大偏差。例如，火星探測器入軌時，速度誤差1米/秒（大約是速度的萬分之一），到達火星時距離偏差約10萬公里。因此在漫長飛行中必須進行精確的控制和導航。飛向月球通常是靠地面測控網和空間探測器的軌道控制系統配合進行控制的(見航天器軌道控制)。行星際飛行距離遙遠，無線電信號傳輸時間長，地面不能進行實時遙控，所以行星和行星際探測器的軌道控制系統應有自主導航能力（見星際航行導航和控制）。例如，美國“海盜”號探測器在空間飛行八億多公里，歷時11個月，進行了2000餘次自主軌道調整，最後在火星表面實現軟着陸，落點精度達到50公里。此外，為了保證軌道控制發動機工作姿態準確，通信天線始終對準地球，並使其他系統正常工作，探測器還具有自主姿態控制能力。

通信 為了將大量的探測數據和圖像傳送給地面,必須解決低數據率極遠距離的傳輸問題。解決方法是在探測器上採用數據壓縮、抗干擾和相干接收等技術，還須儘量增大無線電發射機的發射功率和天線口徑，並在地球上多處設置配有巨型拋物面天線的測控站或測量船。空間探測器上還裝有計算機，以完成信息的存貯和處理。

電源 太陽光的強度與到太陽距離的平方成反比,外行星遠離太陽，那裏的太陽光強度很弱，因此外行星探測器不能採用太陽電池電源而要使用空間核電源。

結構 空間探測器承受十分嚴酷的空間環境條件,有的需要採用特殊防護結構。例如“太陽神”號探測器運行在近日點為 0.309天文單位（約4600萬公里）的日心軌道，所受的太陽輻射強度比人造地球衞星高一個數量級。有些空間探測器在月球或行星表面着陸或行走，需要一些特殊形式的結構，例如適用於在凹凸不平表面上行走的撓性輪等。

總體而言，現今的我國空間環境探測技術從90年度初開始起步，經過10多年的發展，在科研隊伍培養、探測技術開發等方面已有長足的進步，已取得了相當豐富的成果。但由於基礎薄弱，與國外先進探測技術相比，總體上差距明顯，許多領域還是空白。發展時間短、投資較少，地面的開發、研製、測試和定標的設備缺乏，已成為制約探測技術發展的關鍵瓶頸。部分探測器的定標測試只能靠國際合作實現。人才相對缺乏，培養對空間物理、探測物理均十分懂的試驗物理學家需要一個過程。

總之，中國探測發展成就矚目，但同時也任重而道遠。隨着國際化的雙星計劃、夸父計劃，以及氣象衞星的空間環境探測，我國的空間環境探測發展前景將十分廣闊。2016年09月21日中國FOSN光纖慣導助力臨近空間探測飛艇放飛 ^[4] 

中國科學院對外公佈了一項新的空間探測與研究引力波的計劃——“空間太極計劃”，並表示這項計劃已經在預研過程中，有望2016年年底申報立項。

中國科學院院士、太極計劃首席科學家胡文瑞透露，太極計劃的設想之一是在2030年前後發射3顆衞星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測，目標是觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時產生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

據介紹，太極計劃是一箇中歐合作的國際合作計劃，有兩個方案。方案一是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃。方案二是發射3顆中國的引力波探測衞星組，與2035年左右發射的eLISA衞星組同時遨遊太空，獨立進行引力波探測，兩組衞星互相補充和檢驗測量結果。

這一計劃緣何起名“太極”？胡文瑞解釋：按照中國的宇宙觀，萬物開始是“太極”，探測原初引力波就是研究宇宙的起源，而太極的圖形與雙黑洞形象很相似。

胡文瑞表示，“空間太極計劃”涉及學科領域和前端技術廣泛，需要發展空間超遠距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衞星無拖曳控制等下一代高端空間技術，這些技術對於提升我國空間科學和深空探測的技術水平具有重要意義，對慣性導航、地球科學、高精度衞星平台建設等應用領域也將發揮積極的作用。

據介紹，空間引力波探測被列入中科院制訂的空間2050年規劃。2008年由中科院發起，中科院多個研究所及院外高校科研單位共同參與，成立了中國科學院空間引力波探測論證組。經過幾年的努力，已形成由胡文瑞、吳嶽良為首席科學家的“空間太極計劃”工作組，在引力波源的理論及探測研究和衞星技術研究上取得了諸多進展。 ^[5]