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| 宇宙探測器 |
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中文名: 空間探測器 外文名: space probe 別 名: 深空探測器 用 途: 空間探測的主要工具 型號舉例: 先驅者、金星、水手 所屬領域: 航天 |
空間探測器，又名「深空探測器」或「宇宙探測器」，它是人類研製的用於對遠方天體和空間進行探測的無人航天器，在現階段。它是人類空間探測的主要工具。[1]
概念
空間探測器（space probe）：又稱深空探測器或宇宙探測器。對月球和月球以遠的天體和空間進行探測的無人航天器，空間探測的主要工具。空間探測器裝載科學探測儀器，由運載火箭送入太空，飛近月球或行星進行近距離觀測，做人造衛星進行長期觀測，着陸進行實地考察，或採集樣品進行研究分析。
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。
空間探測器離開地球時必須獲得足夠大的速度才能克服或擺脫地球引力，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；增大速度以改變飛行軌道，可以縮短飛抵目標行星的時間。
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。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。
空間探測器的顯著特點是，在空間進行長期飛行，地面不能進行實時遙控，所以必須具備自主導航能力；向太陽系外行星飛行，遠離太陽，不能採用太陽能電池陣，而必須採用核能源系統；承受十分嚴酷的空間環境條件，需要採用特殊防護結構；在月球或行星表面着陸或行走，需要一些特殊形式的結構。
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）才能克服或擺脫地球引力，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衛星技術基礎上發展起來的，但是與人造地球衛星比較，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。
通信系統
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。
電源系統
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，那裡的太陽光強度很弱，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。
結構狀況
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衛星高一個數量級。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。
任務
空間探測既包括對地球空間範圍的探測，也包括對月球，行星和行星際空間進行探測。對地球以外的空間探測的主要目的是：研究月球和太陽系的起源和現狀，通過對太陽系各大行星及其衛星的考察研究，進一步揭示地球環境的形成和演變情況；認識太陽系的演化，探尋生命的起源和演變歷史，利用宇宙空間的特殊環境進行各種科學實驗，直接為國民經濟服務。
空間探測器裝有科學探測儀器，執行空間探測任務。空間探測的主要方式有：（1）在近地空間軌道上進行遠距離空間探測。（2）從月球或行星近旁飛過，進行近距離探測。（3）成為月球或行星的人造衛星，進行長期的反覆觀測。（4）在月球或行星及其衛星表面硬着陸，利用着陸之前的短暫時間進行探測。（5）在月球或行星及其衛星表面軟着陸，進行實地考察，也可將獲取的樣品送回地球進行研究。（6）在深空飛行，進行長期考察。
成果
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日第一顆人造衛星發射上天，到2000年全世界已發射了100多個空間探測器。它們對宇宙空間的探測取得了豐碩成果，所獲得的知識超過了人類數千年所獲知識總和的千百萬倍。
1958年1月31日美國發射成功第一顆衛星探險者1號，它首次探測到地球周圍存在一個高能電子、粒子聚集的輻射帶，這就是着名的范·艾倫輻射帶。1958年末美國發射的先驅者3號探測器，在飛離地球10萬千米的地方又發現了第二條輻射帶。這是利用人造衛星和空間探測器 最初探測的典型成果。
從1958年開始，人類用人造衛星、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，如地球輻射帶、地球磁層、太陽輻射、極光、宇宙線等進行了探測。美國的「探險者」、「軌道地球物理觀測站」、「軌道太陽觀測站」系列，蘇聯的宇宙號、預報號、質子號系列中的一部分，中國的「實踐」系列等，藉助攜帶的科學儀器，測量了地球大氣層、電離層、磁層的基本結構，測量了太陽光輻射譜、空間粒子成分、高能電子、高能質子和太陽磁場等參量及其變化，探測了各類現象之間的相互關係等。通過對空間環境的探測和研究，為各類航天器的發射和飛行，航天員較長時間在太空生活，並實現太空行走和其他太空活動，提供了重要數據和安全條件。
從1959年開始，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。各種空間探測器相繼考察了月球，拜訪了太陽系的水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及「哈雷」彗星等。其中對月球的考察最詳細，甚至派遣了航天員赴月球實地考察；對金星、火星不僅拍攝繪製了地形圖，而且還多次發射無人探測器在金星和火星表面着陸進行科學考察。科學家由此初步揭開了月球和太陽系各大行星的不少奧秘，回答了過去天文學家們爭議不休的許多不解之謎。
從1960年美國發射第一顆天文衛星「太陽輻射監測衛星」開始，人類陸續發射了分別對X射線、V射線、紫外線和紅外線等進行觀測的天文衛星，它們突破了地球大氣層對天體輻射的阻擋，獲取了來自宇宙空間整個波段的電磁輻射，實現了高靈敏度和高分辨率的觀測，使對天體的觀測波段擴大到紫外線、X射線、V射線等地面無法觀測的波段，從而不斷揭示出宇宙的真實面貌。
20世紀60年代，蘇美兩國冷戰激烈。為了和美國進行競爭，蘇聯也發射了自己研製的空間探測器。這就是1959年1月發射升空的「月球1號」——顧名思義，它的探測目標是月球。此後，蘇聯又接連發射了「月球2號」和「月球3號」。但因為種種原因，這3個探測器只有3號達到了繞月飛行的目標，並且第一次拍攝到月球背面的照片並傳回地球。為了與蘇聯的探月行動相抗衡，美國也接連發射了「徘徊者號」探測器、「月球軌道環行器」、「勘測者號」探測器等多部太空探測器。探月高潮就此掀開。
除了對月球進行探測之外，早期的空間探測器也把目標指向了太陽系的其他幾大行星。比如，1970年蘇聯的「金星7號」空間探測器在金 星表面軟着陸．並接連向地球傳送了23分鐘的數據——這開創了人類從其他行星表面直接獲取信息的先河。不甘示弱的美國隨後也在1978年派遣「先驅者-金星2號」在金星表面軟着陸。
除了向金星發射探測器以外，20世紀60—70年代初，美蘇還發射了13個探測器飛向火星——這些探測器也功勳卓着，它們證明了這個曾經被認為有智慧生命的星球根本不存在「火星人」。1972年和1973年，美國的「先驅者」10號、11號又先後抵達木星．發現了木星有5顆衛 星……可以說，正是空間探測器的不斷努力，使我們對於宇宙有了更為深人的了解。
人類的壽命是有限的，空間探測器也是如此。經過多少年的「風吹日曬」。人類射向太空的探測器大多已經不能再次使用。它們有的被召回了地球，而有的則在茫茫的宇宙中永久地損毀了。現在，大量新的探測器被不斷地射入太空，繼續着它們先輩的事業。
各國的空間探測器
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。60年代以 後 ，美國和蘇聯先後發射了100多顆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（美）、金星（蘇）、水手（美）、火星（蘇）、太陽神（美、德合作）等探測器。美國在1972年3月發射的先驅者10號探測器 ，已在1986 年飛越冥王星的平均軌道，成為第一個飛出太陽系的航天器。美國1989年5月發射的麥哲倫號探測器 ，於1990年8月後一直繞金星飛行，1991年發現金星仍存在地質活動。日本於1991年8月發射太陽-A探測器，用於觀測太陽活動。
行星和行星際探測系列中有美國的「水手」號、「旅行者」號、「先驅者」號和蘇聯的「火星」號。其中「旅行者2號」除完成觀測木星 、木星衛星、土星、土星衛星和土星環的任務外，飛近天王星、海王星，在接近海王星的同時又探測了有關冥王星的情況，獲得一些鮮為人知的寶貴資料。「旅行者」號攜帶了鍍金銅板聲像片和金剛石唱針，希望將地球人類的信息帶給地外智慧生命。
此外，還有蘇聯的「金星」號、美國的「海盜」號和「太陽神」號等空間探測器。
上述各類空間探測器為人類獲得了大量有關各行星表面、大氣和周圍空間及行星際空間的資料，擴展了人類對行星地質、地貌、磁場、輻射帶和大氣成分以及行星際空間的研究和認識。