美國輝煌的深空探測

美國NASA成立後取得過很多輝煌的成就，載人登月、太空梭、國際空間站和哈勃天文望遠鏡至今都是高科技的象徵。在深空探測領域，NASA同樣業績傲人，尤其是對外太陽系探測更將所有其它國家拋在身後。嫦娥三號專題入口登月動畫演示訪登月先驅月球紀錄片輯揭秘月球車我來發射嫦娥月球車征名嫦娥三號官微嫦娥微動態最複雜航天器美深空探測展望火星探測超俄趕美？

美國國家航空航天局主導了載人登月、太空梭等一系列宏大工程，太空研究成就無人能出其右。NASA，美國航空航天局，或許是除五角大樓外，全球知名度最高的美國聯邦政府部門。這得益於其成立以後有著諸多光彩奪目的航天業績——它贏得了載人登月競賽的最終勝利，實施的太空梭和哈勃天文望遠鏡在很長時間內都是美國高科技的象徵，今天它主導的國際空間站計劃同樣是航天技術和合作的成功典範。在深空探測領域，美國航空航天局同樣取得了空前偉大的成就，尤其是對外太陽系的探測，將所有其它國家遠遠地拋在身後。最近的一個里程碑是，1977年發射的旅行者1號探測器已於今年8月底飛出太陽系，成為人類首個進入星際空間的航天器。最早進軍深空的先驅者們美國航空航天局最早實施的深空探測項目是先驅者計劃，先驅者計劃在完成登月的前期探測任務後將重點轉向太陽系的其它行星。1965年到1968年先驅者號6到先驅者9號探測器先後發射成功，它們主要用於在行星際空間探測太陽風、磁場和宇宙射線。雖然設計壽命僅有6個月，但長壽的先驅者6號一直到2000年還能聯繫上，以35歲的壽命創下了探測器里空前的記錄，直到2012年才被旅行者2號超越，這充分體現了美國高超的工業技術水平。

先驅者10號和11號姊妹探測器攜帶的著名鍍金板子，上面刻錄了人類的問候信息，以備未來某一天探測器可能被外星文明發現。先驅者10號和先驅者11號屬於外太陽系探測器，1972年和1973年兩顆探測器先後發射，首次對木星和土星進行抵近觀測，先驅者10號近距離拍攝了首批木星照片，它除了發現由於磁場影響，木星附近的太陽風速度大減外，還意外的發現木衛一擁有濃密的雲層。先驅者11號獲取了木星大紅斑照片，並首次拍攝到木星極區照片，還測量了木衛四的質量。先驅者11號借力木星飛向土星，近距離飛過土星光環，還探測到土星的一顆新衛星，並發現土星極光和電離層。先驅者10號和11號此後飛向星際空間，雖然它們比旅行者號距離地球更近，但目前都已經失去聯繫和控制。水手計劃將目光聚焦於火星而在與蘇聯進行載人登月競賽的同時，美國航空航天局還發射了「水手」系列金星探測器。1962年7月22日，水手1號發射失敗，但僅一個月後美國航空航天局又發射了水手2號並獲得成功。水手2號在次年2月14日成功飛掠金星，測定了金星大氣的溫度，成為人類首個飛掠太陽系其它行星的航天器。1964年，美國又發射了水手3號和水手4號星際探測器，它們都將執行火星飛掠任務，水手3號發射失敗，水手4號則順利完成了火星飛掠，並留下了人類歷史上第一組近距離拍攝的火星照片。美國航空航天局此後繼續發射了水手系列探測器，其中1967年6月14日發射的水手5號再次執行了金星飛掠任務，對金星大氣層及周邊磁場進行了探測。接下來的水手6號和水手7號探測器並沒有什麼突出的成績，水手8號發射失敗，1971年5月30日發射的水手9號探測器最終成功進入了火星軌道，這也是人類第一個火星軌道器。1973年11月3日發射的水手10號是人類第一個使用引力加速設計的航天器，它利用金星引力成功減少了軌道機動所需的速度增量，最後成功抵達水星附近，成為首顆水星探測器。在此後的33年時間裡，水手十號是唯一一顆在近距離對水星拍攝影像的探測器。水手計劃還曾出現水手11號和水手12號探測器的編號，它們最初由水手9號放大升級而來，計劃用於探索外太陽系，由於預算削減它們的目標減少到飛掠木星和土星，項目名稱也改為「水手木星土星探測器」，隨著項目的推進它們最終設計面目全非，從而誕生了直到今天仍如雷貫耳的旅行者號(Voyager)探測器。

水手2號在1963年2月14日成功飛掠金星，成為人類首個飛掠太陽系其它行星的航天器。

水手10號1973年11月3日發射，成功對離太陽最近的水星進行近距離探測，並將這個紀錄保持了33年之久。

旅行者1號探測器成為人類有史以來第一個衝出太陽系的人造物體。首次進入星際空間的旅行者號旅行者號計劃是美國深空探測的豐碑， 旅行者號計劃包括旅行者1號和旅行者2號探測器，它們是美國噴氣動力實驗室20世紀60年代「外太陽系大旅行」計劃的縮水版。這個計劃原定利用176年一遇的行星排列機會，通過行星引力加速方式實現連續造訪外太陽系大行星。旅行者項目原定發射4個探測器，前兩個1977年左右發射，飛掠造訪木星土星和冥王星，後兩個1979年發射，飛掠造訪木星、天王星和海王星，在行星引力加速的作用下，它們可以在約12年時間裡完成任務。如果不利用寶貴的行星排列機會，單靠探測器自身的動力，即便採用當今最先進的技術也是不可能的。旅行者號探測器使用三軸穩定方式控制，探測器最明顯的標誌是直徑3.7米的大型高增益拋物面天線，這使得它們在距離地球很遠的外太陽系還能和地球保持有效聯繫。為了在光照不足的外太陽系長期工作，旅行者號探測器還都裝備了總功率約420瓦、使用Pu238的放射性同位素溫差電源(RTG)，可以長期穩定提供充足的電力滿足旅行者號探測器各種儀器工作的需求，可以支持旅行者號部分儀器正常工作到2020甚至2025年。旅行者號攜帶的探測儀器包括相機、紅外干涉光譜儀、雷達設備、紫外光譜儀、等離子光譜儀、宇宙射線探測儀、低能帶電粒子探測儀、等離子波等多種設備，對外太陽系的多個大行星和星際空間進行了探測，獲得了豐碩的成果。1977年8月20日和1977年9月5日，美國使用泰坦三號E-半人馬座火箭先後發射了旅行者2號和旅行者1號。由於軌道設計不同，旅行者1號的飛行軌道較短，它們1977年12月10日幾乎同時進入主帶小行星區域，12月19日旅行者1號就超過了旅行者2號。1978年9月8日旅行者1號飛出主帶小行星區域，並在1979年1月6日開始木星觀測任務，1980年8月22日開始土星觀測任務，而旅行者2號分別於1979年4月25日和1981年6月5日才先後進入木星和土星觀測階段。

旅行者1號給木星拍攝的照片，照片上還出現了木星的兩顆衛星，還發現木星著名的「大紅斑」是個巨型風暴。

在木衛一表面拍攝到的火山噴發圖像，這是人類歷史上第一次發現並觀測地球外的火山活動。

兩艘旅行者號飛船的軌跡，旅行者2號是一次性探測星球最多的探測器。旅行者1號於1979年3月5日從距離木星349萬千米的距離飛過，旅行者二號於1979年7月9日在距離木星570萬千米的距離上飛過。雖然兩顆旅行者號探測器只是飛掠，但它們抵近木星系統獲得了木星衛星、光環、輻射帶和磁場的大量第一手數據，拍攝了木星及其衛星的大量照片，發現著名的木星大紅斑其實是木星大氣層的巨大風暴，還發現了木星新的光環並在木衛一上發現了火山活動的痕迹。藉助木星的引力加速，旅行者一號探測器飛向土星，它不僅抵近觀測到土星光環的複雜結構，而且探明了土星高層大氣氦的含量約為7%，比木星的11%略低，這或許可以解釋土星放出的熱量要高於接收的太陽輻射的問題。由於更早的先驅者11號探測器發現土衛六泰坦擁有濃密的大氣，旅行者1號在地面控制下，抵近土衛六進行探測，這導致它在引力作用下離開黃道，提前終止了外太陽系行星探測任務，但它的速度也因此進一步提高，轉向星際探測任務。在2013年北京舉行的國際宇航大會上，旅行者一號首席科學家愛德華斯通(Edward Stone)在報告中提到，根據測量到的太陽粒子、等離子體密度和宇宙射線的變化，目前確認旅行者1號已經進入星際空間。目前旅行者一號距離地球已經高達188億千米，它突破太陽風頂層進入星際空間，是人類航天史上空前的成就，也是美國航空航天局不朽的豐碑。旅行者2號探測器雖然速度較慢，不過倒是完成了最早「外太陽系大旅行」計劃的目標，成功連續訪問了木星、土星、天王星、海王星。旅行者2號使用雷達探測了土星大氣的密度和溫度，發現土星內層大氣溫度反而較高。旅行者2號還在距離天王星81.5萬千米的距離上飛過，發現了天王星的11顆新衛星，觀測了天王星的光環，還對天王星獨特的大氣層進行了探測，旅行者2號發現天王星獨特的磁場和輻射帶，找到了天王星衛星呈現灰色的原因。旅行者2號探測的最後一顆行星是海王星，它獲取了海王星附近的帶電粒子、磁場等信息，對海王星拍照還發現了一個大黑斑，但多年以後哈勃望遠鏡卻沒有觀測到，其中奧秘或許就永遠不得而知了。1989年的海王星探測任務結束後，旅行者2號探測器也開始為星際任務做準備，不過它目前距離地球152億千米，尚沒有突破太陽風層的可信證據。

太空梭佔用太多資源導致八、九十年代的深空探索低谷，圖為太空梭發射伽利略號木星探測器。太空梭時代的深空探測自1977年的旅行者1號探測器發射後，20世紀70年代盛極一時的美國深空探測也落入低谷，20世紀80年代的主角屬於太空梭，而設計中的自由號空間站也佔用了太多的資源。直到1989年，美國才使用太空梭發射了麥哲倫號金星探測器，隨後又發射了伽利略號木星探測器。麥哲倫號探測器使用合成孔徑雷達獲取了100米解析度的金星地圖，大大豐富了人們對金星地理的認識。伽利略號探測器使用金星引力加速抵達木星，它獲取了大量木星的珍貴信息，如木星表面雲層的清晰照片，確認木衛一頻繁的火山活動、確認木衛二歐羅巴存在稀薄的大氣層同時冰層下存在液態的海洋、確認木衛三存在自身維繫的磁場等，並測量了木星磁場的結構和特徵。伽利略號探測器不僅以目前木星唯一的人造衛星獲得了一項榮譽，而且一系列重大發現幾乎永久性地改變了人們對木星系統的認識。20世紀90年代以後美國航空航天局將深空探測再次提上重要日程。美國的太空梭釋放發射了尤利西斯號太陽極軌探測器，通過木星引力變軌進入太陽極地軌道進行太陽天文觀測研究，並順帶對木星進行了一系列觀測。20世紀90年代美國的一個旗艦級項目是卡西尼-惠更斯土星探測項目，它是美國航空航天局與歐洲空間局的聯合項目，美國提供了卡西尼號土星軌道器，歐洲提供了惠更斯號土星著陸器。1997年10月15日美國使用大力神IVB火箭發射了卡西尼-惠更斯號探測器，通過借用金星、地球和木星的引力加速，探測器飛行將近7年後最終於2004年進入土星軌道，開始對土星的地表、大氣、磁場、光環和衛星進行近距離探測。卡西尼探測器先後發現了土星的7個新的衛星，發現了土星表面液態羥組成湖泊和海洋，以及土星大氣層的颶風，它還發現了土衛六表面的液態羥的河流和海洋。卡西尼號在多年的環繞土星飛行中，還詳細測量了土星重力場的數據。探測重點逐漸轉向火星火星作為地球外最適宜人類生存的星球，得到了美國航空航天局的青睞。雖然1992年火星觀測者任務失敗，但1997年美國發射了火星全球勘測者號軌道探測器，同年還發射了探路者號著陸探測器，進行了火星軟著陸並釋放了一輛僅僅10.6千克的火星車。此後2001年美國發射了火星奧德賽號軌道器，然後又成功進行了火星探測漫遊者號、機遇號和勇氣號火星車的任務，並發射了鳳凰號著陸器降落在火星北極勘察水的存在，並試圖尋找是否存在適合微生物生存的環境。美國也在繼續發射火星軌道器，2005年美國發射了火星偵查軌道器獲取了解析度超過0.3米的超高精度火星影像。美國2011年還發射了空前先進和複雜的好奇號火星車，在火星軟著陸和火星車探測領域將其他國家遠遠甩在身後。美國通過軌道器的高精度照片，著陸器和火星車的實地勘察，確認火星上過去存在河流，現在也存在一定的水資源，這對目前由於技術和預算問題困難重重的載人探測火星來說可謂雪中送炭。

美國在火星探測上佔有絕對優勢：全球參加過火星任務的探測器名單，近一半屬於美國，而火星表面的火星車全部屬於美國。

新視野號探測器將史上首次探測冥王星。深空探測的重點轉向火星的同時，美國也在開展一系列小行星探測任務，如近地小行星交會探測器(NEAR)、深空一號探測器、黎明號(Dawn)探測器。美國還發射了深度撞擊探測器以一個撞擊器對坦普爾一號彗星的彗核進行了撞擊，也發射過星塵號(Stardust)探測器對維爾特二號彗星的彗發的成分進行探測。不過美國現在最引人注目的一顆探測器，恐怕要數2006年1月19日發射的新視野號探測器，它使用Atlas V 551型火箭發射，是人類第一顆冥王星探測器，也是目前人類發射的速度最快的探測器。目前新視野號正在快速向冥王星飛近，預計2015年它將在距離冥王星10000千米外飛過，它將抓住百年難逢的機會對冥王星進行探測，獲取冥王星大氣和表面成分等珍貴信息，並為冥王星拍攝高解析度照片，同時對冥王星大氣逃逸原子、太陽風帶電粒子和冥王星附近的星際塵埃進行探測。新視野號是美國Discovery級別探測器的第一顆，第二顆就是2011年8月5日發射的朱諾號(Juno)探測器，朱諾號探測器採用了獨特的大型太陽翼設計，它計劃用於研究木星的組成、引力場和磁場，為了解木星的形成與構造添磚加瓦。結語，美國航空航天局依託美國強大的科研和工業實力，在巨額預算支持下，歷經數十年時間在深空探測領域取得了令人嘆為觀止的成就，其探測的深度、廣度和取得的科研成果都遠遠超過了世界上其他國家的總和。(文/張雪松)月亮漫步系列策劃專題

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