太阳系探测：不断改写教科书

2012-12-07□易林

太空探索 2012年2期

□ 易林

2011年是太阳系探测的“红火”年，无论是探测对象，还是探测内涵都上了一个台阶。尤其是美国树立了典范：探测任务变得很快、很稳、很超前；技术上从极致到规模，从单一到通用；载人火星计划不仅仅是口号，美国已经有实实在在的行动。

“圣杯”号开启月球重力场研究

美国东部时间2011年9月10日9时08分，美国德尔它2型运载火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角的SLC-17B工位发射升空，将“圣杯”（GRAIL）号双胞胎月球探测器送上前往月球之旅，这是美国航宇局首个专门研究月球重力项目，“发现”计划中的第11个项目，总投资近5亿美元。

卫星从地球飞至月球只需要不到3天时间，不过“圣杯”号刻意不采取直线通路飞行，而用较慢的速度飞行以节省燃料，不仅如此，慢速飞行还能确保卫星精准地进入月球的自转轨道。“圣杯”号月球探测器首先前往距地球约150万千米的第一拉格朗日点作为中转站，通过回旋路线花费3个半月。“圣杯”A和“圣杯”B分别于美国东部时间2011年12月31日和2012年1月1日到达预定位置。

从今年3月开始两个“圣杯”号探测器将在距月球表面约55千米的轨道上以60千米～225千米的间距运行。受月球重力的影响，二者的距离将不断发生变化。科学家通过测量月球重力场对探测器间距的细微影响，绘制出月球重力场详细分布图，将其与月球山区、撞击坑以及盆地等地貌特征结合起来，可以推算出月球从外壳到内核之间的情况，帮助重建月球的演化过程，确认月球内部构成，进而推进关于地球等太阳系内岩石类行星形成原因的科学研究。探测器的任务期约90天，任务完成40天后，两个探测器将撞向月球表面。

点评：“圣杯”号任务会让人联想到“GRACE”任务。2002年，美国发射了两颗专门用来监测地球引力场的“GRACE”卫星。的确，“圣杯”任务就是“GRACE”任务的继承和发展，不但部分工作团队转到了“圣杯”任务，探测仪器也大同小异，个别进行了升级改造。由于月球没有大气干扰，“圣杯”的飞行轨道更低，图像分辨率会更高。从中可看出，美国太空探测计划有很好的连续性。

“好奇”号火星车体验新式降落

2011年11月25日，美国用“宇宙神”5火箭成功向火星发射价值25亿美元的“火星科学实验室”。以核动力驱动的“好奇”号火星车是该任务的核心，被誉为“梦幻探测车”。

“好奇”号携带的探测设备比以往任何火星漫游车更多、更先进，在火星表面的连续行驶能力更强。它将在直径155千米的火星盖尔陨石坑内着陆，展开为期一个火星年（约687个地球日）的探测，其主要任务是查明火星过去或现在是否存在适宜生命存在的环境。

如果一切按计划进行，“火星科学实验室”探测器将于2012年8月到达火星，开始其艰难的6分钟穿越火星大气的降落过程，尝试用一种全新的技术在火星表面降落。进入火星大气过程中，着陆器重心先会短暂改变以获得升力，然后降落伞展开以便精确接近着陆点。在着陆区上空，着陆器将采用“空中起重机”着陆技术由火箭提供动力在空中盘旋，并借助尼龙绳索将漫游车降至火星表面。采用这种着陆技术的原因是，“好奇”号6轮漫游车的大小相当于一辆汽车，重850千克，这么重、这么大的漫游车不宜用降落伞/安全气囊组合体方案，降落伞/安全气囊组合体在勇气号和机遇号中曾用得非常成功。

点评：从1964年起，美国向火星发射了19枚探测器，成功14次。创新是美国保持太空探索领先地位的不竭动力。从“勇气”号和“机遇”号火星车采取气囊软着陆方式，到“凤凰”号火星车反推力软着陆方式，再看“好奇”号“空中起重机”着陆技术，美国航宇局在火星着陆技术上坚持不懈的技术创新和严谨的科学态度。

“好奇”号搭载了梦幻般的有效载荷：1）桅杆相机；2）火星手持透镜成像仪；3）火星降落成像仪；4）火星样品分析仪；5）化学与矿物分析仪；6）化学与摄像仪（带摄像功能的显微镜）；7）阿尔法粒子X射线分光计；8）中子反照率动态探测器；9）辐射评估探测器；10）火星车环境监测站；11）气象监测组件等

“福布斯－土壤”火星探测任务失败

在电影《火星宝贝之火星没事》的结尾，火星人飞碟渐渐远去，却远远传出来火星人的声音：明白，再给地球派送21个孩子。火星人怎么登陆地球就那么容易，连小孩都能来当卧底。可地球人登陆火星却很费劲，连无人探测器轻易都近不了火星的身。从1960年起，苏联/俄罗斯向火星发射的记录是19次，成功率为零。

11月9日，俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器从拜科努尔发射场由俄罗斯/乌克兰“天顶”号运载火箭发射升空，其主要目的是从火卫一上采集土壤样本并运回地球。该火星探测器上同时搭载有中国首颗火星探测器——“萤火一号”。中俄联合探测火星计划，是根据2007年中俄双方共同签署的《中国国家航天局与俄罗斯联邦航天局关于联合探测火星-火卫一合作协议》开展的政府间航天合作项目。

发射后688秒，“福布斯-土壤”探测器与“天顶”火箭分离，进入约206千米×348千米的近地轨道。按照原计划，探测器上的主发动机将启动，并通过多次点火将2个探测器送入飞往火星的轨道。然而，探测器主发动机一直没有启动，未能按照计划实施变轨。在发射现场的俄罗斯联邦航天局局长波波夫金称，导致意外情况出现的原因可能是探测器控制系统发生故障。

俄罗斯地面控制中心希望是由软件引起控制系统故障，并尝试重新启动探测器，但是几经尝试均未成功。俄罗斯国防部空天防御兵发言人阿列克谢·佐洛图欣对媒体说：“北京时间1月16日1时45分，‘福布斯-土壤’探测器，已经再入大气层，其未燃尽的碎片坠落在智利南部惠灵顿岛以西1250千米的太平洋海域。探测器所含钴57质量不超过10微克，不会造成放射性污染。”

点评：目前人类还只能利用火箭进行航天活动，深空探测依然存在巨大的风险，火星更是曾被称为探测器的坟场。风险客观存在，所不同的是畏难而退，还是积极总结经验，改进技术和管理手段，继续前进，这态度某种程度上也决定了一个国家的航天成就。就这点来看，美国在深空探测上的科学严谨和俄罗斯的愈挫愈勇，都值得我们来学习借鉴。

火星沙丘为何每年都移动

美国科学家利用2005年发射的火星勘测轨道器(MRO) 上搭载的高分辨率成像设备(HiRISE)的长期持续监视研究发现：火星上十几处沙丘每年都移动数米。这一发现将改变以前关于火星沙丘活动性的科学认识。过去普遍认为，火星地表的黑色沙丘基本是不移动的。

当火星上发生大风暴时，红色的尘土漫天飞扬，甚至将整个行星表面染成了红色，但是那些黑色的沙丘由于沙粒更大更重，难以被风力搬运。就在不到10年之前，科学家们还认为这些黑色沙丘可能并不能移动，或者它们的移动速度将极为缓慢以至于无法被探测出来。

火星表面的空气密度比地球低得多，因此它需要更强的风力才能移动沙粒。风洞试验显示，在火星上要移动一粒一定质量的沙粒需要每小时130千米的风速(约相当于地球上的12级台风)，而移动同样的沙粒，在地球上只需大约每小时16千米的风速(约相当于3级微风)。上世纪70年代～80年代两艘“海盗”号探测器在火星表面着陆并进行了长达数年的气象学监测，结合火星气候模型计算显示，火星上出现如此强风的几率很小。

首先发现火星表面沙丘存在移动现象的是美国宇航局的“火星全球勘测者”轨道器，它于1997年至2006年期间执行火星轨道考察任务。但是它携带的相机设备分辨率有限，无法提供确凿的证据。

2004年，“勇气号”和“机遇号”在登陆火星之后同样也探测到沙丘移动的线索。科学家们惊讶地发现一些火星沙粒撞击了火星车的太阳能电池板。他们还注意到火星车驶过之后留下的印痕被移动的沙粒填埋。

但是，并非所有地区的沙粒都会在火星上随风飘动。此次研究中科学家们也发现了一些地区的沙丘观察不到移动现象。可能是因为这里的沙丘沙粒粒径较粗大，或者这里的沙丘已经出现相互胶结。不过科学家们怀疑，这些目前看不出存在沙丘移动现象的地区可能在更长的时间尺度上同样存在移动现象，如火星上可能存在和地球类似的以数十万年为周期的循环。届时火星的黄赤交角角度将出现大的变化，这些因素，再加上火星轨道本身较高的偏心率，将可能极大地改变火星气候，其变化幅度将远超过地球上的类似变化。

点评：这些研究显示了使用高分辨率相机对火星表面进行长期持续监测的重要性。

火星赫歇尔陨石坑内的一座条形沙丘，火星勘测轨道器（左）观测显示在2007年3月3日至2010年12月1日期间它移动了大约2米

“信使”号改写水星“历史”

2011年3月18日，美国“信使”号水星探测器经过长达6年半、飞行78.86亿千米顺利进入环绕水星轨道，对其展开为期一年的观测，任务包括确定水星表面成分、探测水星的神秘磁场及勘察水星极地区域是否存在冰。这是自1975年以来，美国航宇局首次对这颗离太阳最近的行星进行探测，也是人类发射的第一个绕水星运行的探测器。

美国航宇局“水手”10号探测器曾于1974年~1975年从水星旁飞过，拍到过一些照片，几十年来，天文学家们一直根据这些照片进行研究。但是，“水手”10号并没有拍到水星全貌，现在，这些空白将由“信使号”来填补。

“信使”号初步观测结果显示，水星不同于太阳系内其它行星，表面分布着火山平原、巨大的陨坑和大量的硫磺。水星表面陨坑中富含硫磺沉积物，丰度是在地球或月球表层的岩石中发现的10倍。科学家推测，在塑造水星地貌的过程中，火山很可能扮演了重要作用。水星具有两极不均匀的磁场，北部磁场稍强，并且水星表面有一个由远古喷发的熔岩形成的大平原，跨越400多万平方千米，相当于美国面积的一半。

点评：“信使”号的探测揭示了许多与众不同的水星特征，事实证明水星远比我们想像得更加复杂。正如NASA博尔顿局长所说的那样：“NASA的探测计划正在不断改写着我们的教科书。而信使号计划正是我们不断努力扩展人类知识边疆的最好例证。”

美国航宇局“信使”号航天器最新拍摄的水星德加陨坑，使科学家不得不重新思考40亿年前这颗距离太阳最近的行星是如何形成的

“朱诺”奔赴“朱庇特”

2011年8月6日，重达4吨朱诺号被“宇宙神”5运载火箭送上天空并飞往木星的旅途中。

“朱诺”是迄今人类发射的依靠太阳能驱动飞行距离最远的深空探测器。“朱诺”号探测器将依靠三块巨大的太阳能电池板驱动，在太阳系内飞行32亿千米，于2016年7月抵达木星轨道。木星离太阳有8亿千米之遥，上面照射到的太阳光只有地球的1/25，所以探测器的3块太阳能电池板每块有8.8米长、2.7米宽。这些折叠的太阳能电池板打开后，就像风车的叶片一样。

木星是太阳系内体积和质量最大、自转最快的行星。木星成分和太阳极其相似，科学家认为它是太阳系最古老的行星，在太阳形成后就已诞生，通过研究木星可以对太阳系的起源有更加深入的了解。

木星拉丁文名字叫朱庇特。古罗马神话中，隐藏在云层之中的朱庇特是众神之王，生性顽劣不羁，只有他的妻子朱诺女神能够看破云层，揭示他的真正面目。美国航宇局寄希望 “朱诺”借助最新的仪器，揭开木星云层覆盖下的秘密，进一步研究木星的起源和进化。“朱诺”号木星探测器耗资11亿美元，装有9台探测设备，配备了最新的向量磁力仪、等离子能量探测器、红外成像光谱仪等精密设备，这位“朱庇特”的新伴侣届时将会深入检测木星大气的成分、温度、水含量等信息，分析木星的磁场和重力场，探寻这一星体的深层结构。

如果顺利抵达木星，“朱诺”号还必须面对木星辐射带的威胁。木星附近有非常强烈的高能粒子辐射带，辐射强度大约是牙科X射线剂量的一亿倍。科学家希望它在被木星巨大的辐射摧毁之前能坚持工作1年，要绕木星飞行32圈。

基于单片机的多功能视力保护器设计 ……………………………………………………… 梁东丽，刘颖（21）

点评：“朱诺”号木星探测器是美国航宇局“新疆界”计划实施的第二个探测项目。从上世纪70年代开始，美国航宇局已有8颗探测器从木星飞过或进入木星轨道，但是，一手资料非常有限，主要是1989年发射的“伽利略”号木星探测器所获得。随着“朱诺”木星探测器发射升空，科学家对木星的探索之旅进一步延续。与“伽利略”号环绕木星赤道工作不同的是，“朱诺”号将进入木星的极地轨道，这更有利于获得木星全球性的探测成果。

2011年8月6日“朱诺”号探测器踏上木星之旅

“卡西尼”号拍摄土星电闪雷鸣

2011年，科学家根据“卡西尼”号在2010年12月至2011年2月间的图像数据，并结合来自“卡西尼”号的无线电和等离子体波探测器等科学仪器的监测数据，发现，土星巨型风暴区中发生闪电的频率比以往的土星风暴要高出10倍以上，据此推测，这也是自2004年卡西尼号开始探测土星以来所观测到的最大风暴。这次土星风暴扫过的面积相当于地球表面积的8倍，也比卡西尼号在2009年～2010年间发现的土星风暴大500倍以上。

“卡西尼”号探测器于1997年发射，2004年抵达土星上空，在研究这个环状行星和它的卫星时拍摄了一系列奇特的闪电暴现象，并于2006年记录了肆虐3480千米范围的大闪电暴。2007年12月6日“卡西尼”探测器的摄像仪首次拍摄到闪电暴的视频图像，图像显示闪电暴就像土星奶油色云带上的一个污点。科学家根据“卡西尼”号的监测数据和图像资料，首次制得有关土星闪电的视频。视频片段使得人们可以更逼真地看到土星闪电。据悉，这段视频的图像素材是在16分钟内拍摄的。科学家将这些图像素材压缩成时长10秒钟的视频。视频中的云团被土星光环反射的光照亮。每次闪电大约长达300千米，而释放的能量堪比地球上最强的闪电。实际上，每次闪电的时间约1秒钟。视频中的“劈啪声”是通过合成制得的，模拟了“卡西尼”无线电记录仪器接收到的真实声音，不过这些声音超出了人们的听力范围。

土星上的闪电暴与地球上的雷暴现象非常相似，但是其强度要更大。闪电暴跨越数千英里，并从闪电中生成电波脉冲，其强度是地球闪电的数千倍。研究人员希望通过跟踪土星气候这些异常现象，进一步获得该行星闪电现象较新的进程变化，以及随着季节的变迁，土星南半球上闪电暴的相应改变。

“卡西尼”机载仪器每10小时40分钟跟踪闪电暴，当土星旋转时观测南半球上的闪光暴现象。业余天文学爱好者也同时从地球上观测土星闪光暴。由于卡西尼摄像仪不能每天跟踪这个闪电暴现象，因而更加突显了业余天文学爱好者观测数据的重要价值。“卡西尼”任务团队一直与全球范围的天文学家保持沟通和联系。

点评：投资32.7亿美元的“卡西尼/惠更斯”号土星探测器是一个由美国航宇局、欧洲和意大利航天局等17个国家联合开展的国际探测计划，是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一。由于投资巨大，从立项一直到发射升空，美国科学家反对声甚嚣尘上，对任务提出各种质疑，有的人认为该项目周期太长，风险太大，是“把所有鸡蛋都放在一个篮子里”。自2004年抵达土星上空后，“卡西尼”对土星家族开始了一系列卓有成效的探测，并且，不断延长服役时间。该计划取得成功充分证明，太空探索是一个投资巨大、任务艰巨的历程，需要世界各国为了人类共同的利益，携手共进。

土星风暴

土星磁场

“隼鸟”号，让日本人笑傲小行星

2011年3月10日，日本宇宙探索局研究小组在国际月球与行星科学大会上公布了“隼鸟”号探测器带回的丝川小行星微粒的初步分析结果，这是首次对外公布隼鸟号采集回的小行星微粒的详细分析与研究成果。

多灾多难，百折不挠，“隼鸟”由此也博得“不死鸟”的尊称。

点评：“隼鸟”是继2006年美国“星尘”号彗星探测器后，第二个离开地球重力圈后重返地球的探测器，而且是人类首次直接获得月球以外天体岩石样本。目前，日本正在研制“隼鸟”2号，目标是C类小行星1999 JU3。届时，一个全新理念的以弹跳方式运动的微型漫游车即将诞生，更为重要的是其搭载的有效载荷将真正实现轻量化。

2010年6月13日，“隼鸟”号密封舱在澳大利亚伍麦拉降落

“黎明”号成为灶神星卫星

2011年7月16日，“黎明”号被灶神星捕获并进入其轨道，成为首个进入太阳系小行星带主要小行星轨道的探测器。

美国航宇局局长博尔登在一份声明中将“黎明”号入轨称作“不可思议的里程碑”。他说，奥巴马总统已指示航宇局到2025年将航天员送往小行星，“黎明”号将为今后登陆小行星搜集至关重要的数据。

“黎明”号从8月初距灶神星表面约2737千米时开始搜集数据，并在逐渐靠近灶神星的过程中拍摄多角度照片，以便科学家绘制灶神星地形图。它将在距离灶神星约193千米的轨道上运行一年，对灶神星某些方位拍摄近景，随后将于2012年7月启程赶往谷神星，预计在2015年抵达目的地。如果不辱使命，“黎明”号将成为第一个环绕两颗不同天体运行的无人探测器。太阳系小行星带位于火星和木星的轨道之间，其中存在大量种类各异的小行星，内侧小行星多是被炙烤过的岩石模样，而外侧多是大量富含水和有机分子的冰状天体。

点评：灶神星是与地球类似的岩状天体，谷神星则是典型的冰状天体，这两个极不相同的天体竟然可以位于同一个小行星带中，是“黎明”号光顾它们的主要原因。根据2006年8月国际天文学联合会提出的新定义，谷神星已从小行星升格为矮行星。