追星逐月的探測器

2013年09月22日 星期日 新京報

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　　人類一直對那片廣袤神秘的星空充滿好奇，幾乎每種文化中，都有飛天的神話傳說，但人類真正飛出地球、進入太空，卻只有半個世紀的歷史。除月球之外，人類對其他星球的探索也在不斷深入。迄今為止，人類已經向太陽系所有行星（除地球外）發射了探測器。探測器主要通過四種方式探測行星，即飛掠行星拍攝照片、在行星表面硬著陸、繞行星飛行以及在行星上軟著陸。

　　月球

　　群雄逐月鏖戰太空

　　月球是地球最近的鄰居，人類對其探索也開始得最早。1959年前蘇聯發射了「月球1號」探測器，成為月球最早的探路者。冷戰期間，登月是美俄角力的另一競技場，儘管在探測器上落後一步，但阿姆斯特朗登月令美國扳回了一局。

　　從上世紀60年代到70年代，人類六次登上月球，三次通過無人登月探測器抵達月球，採集了大量月球岩石和土壤，通過對這些樣品的分析和研究，人類對這個鄰居的認識越來越豐富了。

　　此後人們對月球的探索沉寂了一段時期，90年代人們的目光又轉向了月球，這時有更多的國家加入了探月的隊伍。1990年，日本發射了一枚航天器，並將一個小探測器放入月球軌道。美國也發射了「克萊門汀」號無人駕駛飛船和「月球勘探者」探測器。到了2003年，歐洲首個月球探測器「智能1號」成功升空，並於2004年底抵達月球上空的近月軌道。此後，它按計劃完成了撞擊月球的任務，撞擊產生的塵埃將有助於科學家解開月球起源之謎。

　　2007年，中日兩國均發射了本國的月球探測器，分別是「嫦娥一號」和「月亮女神」。印度隨後也加入探月行列，2008年首個月球探測器「月船1號」發射升空。德國也打算在2013年實施自己的第一個探月項目「月球探索軌道器」。

　　金星

　　美蘇探測器多次失敗

　　人類對其他行星的探索始於地球近鄰——金星。早在1960年，美國就向金星發射「先驅者5號」探測器，但這次任務因電池故障而失敗。前蘇聯也從1961年起連續向金星發射探測器，直到1966年發射的「金星3號」才成功著陸金星表面。由於金星環境比預想得更惡劣，「金星3號」的通訊系統失效未能發回探測結果。

　　首次向地球傳回金星表面溫度等數據的探測器是1970年發射的「金星7號」，它在同年實現在金星軟著陸。迄今為止，人類已經向金星發了46枚探測器，其中成功飛掠11次，成功環繞1次，成功著陸7次。

　　天王星、海王星

　　美探測器一枝獨秀

　　天王星的很多表面資料是經由望遠鏡觀測而得到，有關它的衛星、行星環數量則由唯一飛掠天王星的旅行者2號所得到。這艘由美國國家宇航局（NASA）1977年發射的無人星際航天器在1986年經過天王星，於1989年飛越海王星，成為唯一一枚造訪這兩個行星的航天器，該探測器發現海王星的6顆新衛星，以及海王星有5條光環。

　　木星

　　探測器給木星「體檢」

　　木星是太陽系體積最大的行星，美國「先驅者10號」和「先驅者11號」探測器是人類探索木星最早的使者。1972年發射的「先驅者10號」於次年與木星相會，飛掠木星並拍攝了第1張木星照片。人類一共向木星發射了10枚探測器，這些探測器多以飛掠和環繞為主，其中最著名的是「伽利略」號。

　　從1995年到2003年，在圍繞木星系統運行期間，「伽利略」號木星探測器為木星做了一次「身體檢查」，獲取大量珍貴資料。2010年8月，NASA又發射「朱諾」號探測器，將在2016年到達軌道，在穿越木星兩極的極軌道間運行，以獲得更多有價值的圖像。

　　水星

　　鮮有探測器光臨

　　與火星和木星相比，人類對水星稍顯冷落。迄今為止，人類只向這顆太陽系最小的行星派出兩枚探測器——1974年的「水手10號」和2004年的「信使」號，均由NASA發射。

　　由於表現出色，「信使」號探測器原定於2012年結束的使命將延長到2013年。肩負著探索水星表面和內部情況的「信使」號已經成為第一枚圍繞水星軌道運行的人造太空器。

　　火星

　　明星探測器的搖籃

　　就在人類剛有能力掙脫地球引力飛向太空時，首枚火星探測器也上路了。1960年，前蘇聯向火星發射第一枚探測器。四天後，第二枚火星探測器升空，然而它們卻連繞地球軌道都沒能到達。上世紀60年代，前蘇聯共發射7枚火星探測器，全以失敗告終。

　　上世紀60年代，美國也加緊探索火星，發射了「水手3號」和「水手4號」探測器，後者是首枚成功到達火星並發回數據的探測器。迄今為止，全球共進行46次火星探測計劃，僅10次成功登陸，包括美國的「機遇號」和「勇氣號」，雖然如此，一個有趣的現象是，火星探測器中出了很多明星，最當紅的當屬「好奇號」。

　　2012年「好奇號」是人類對火星最「沉重」一吻，因為「好奇號」重達900多公斤，有SVU汽車大小，這樣體型龐大的火星車登陸火星在人類史上還是頭一次。

　　「好奇號」將在火星上工作兩年，探尋火星上維持生命的可能性。「好奇號」要克服的難題之多，連美國國家宇航局（NASA）官員都感嘆，「這是NASA有史以來所有的機器人行星探測計劃中最艱難的一次。」

　　為了讓「好奇號」安全降落火星，NASA工程師藉助西門子的產品生命周期管理軟體對火星探測器進行數字化設計、模擬和虛擬組裝，有助於確保探測器能經受火星任何環境的考驗。

　　哪些技術助力探測器

　　模塊化讓發射更簡單

　　NASA的月球大氣與塵埃環境探測器（LADEE）今年9月升空，主要目標是在月球環境未被探月活動進一步擾動前探索月球大氣的整體密和變化狀況等，以及月球塵埃對探測器的影響程度。

　　LADEE探測器的設計進行巨大創新，採用模塊化設計，有效降低預算和飛行器的體積，並成功縮短了從設計到發射的時間。LADEE大小與小轎車差不多，所需動力相當於5個60瓦燈泡。或許此後，若要發射不同功能的探測器只需將不同功能模塊組合即可發射，將大大推動人類探索太空能力。

　　核聚變動力推進火箭

　　目前執行行星探索任務的飛行器大都使用大氣制動，即利用其他行星大氣的摩擦力節省推進劑,研究人員正試圖對此進行突破。NASA正在研發核聚變推進火箭（FDR）。

　　FDR為一台150噸級火箭，利用磁場擠壓由鋰或鋁製成的金屬內圈來包裹氘和氚製成的核聚變燃料小丸，從而點燃核聚變反應。聚變反應在幾微秒內發生並將推進物質以30公里/秒的速度噴射出去，並可以達到約每分鐘點火一次以產生均勻的推力，避免突然的加速度對宇航員造成傷害。

　　運用FDR的飛行器幾乎不需要依賴大氣制動。NASA預計2020年在飛行器上進行使用。

　　軟體模擬外星環境

　　藉助精進的電腦技術，科學家可以在設計環節即考慮到探測器面臨的各種問題，從而進行設計、分析與製造之間的無縫銜接，「好奇號」就是這樣製作出來的。價值25億美元的「好奇號」要是在著陸時撞上火星後果不堪設想，讓「好奇號」順利著陸的幕後英雄便是西門子公司的軟體設計平台。

　　西門子公司公關部門人員對新京報記者介紹稱，NASA在設計「好奇號」火星車時，採用了該公司提供的NX軟體設計平台，模擬好奇號可能在火星上碰到的各種問題，特別是著陸時的驚險7分鐘，要從2.1萬公里/小時的高速減至2公里/小時以下的著陸速度，西門子的軟體平台成功模擬了探測器進入火星大氣層時可能會遇到的多種物理影響，進行8000次模擬著陸，確保著陸時不會碰撞損傷「好奇號」攜帶的精密儀器。

　　B04-B05版采寫、資料整理/新京報記者高美韓旭陽

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