第三章　人類的航天史

火箭實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)始者

羅伯特·戈達(dá)德是美國最早的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明家,是“火箭實(shí)驗(yàn)創(chuàng)始者”,被公認(rèn)為現(xiàn)代火箭技術(shù)之父。

戈達(dá)德出生于美國馬薩諸塞州,在他17歲的時(shí)候就向往火星之旅了。十年以后戈達(dá)德認(rèn)識(shí)到,唯一能達(dá)到這個(gè)目的的運(yùn)載工具就是火箭。從那時(shí)起,他就決定將自己獻(xiàn)身于火箭事業(yè)。24歲從渥切斯特技術(shù)學(xué)院畢業(yè)后進(jìn)入克拉克大學(xué)攻讀博士學(xué)位。1911年他取得博士學(xué)位后留校任教。1914年他開始用火藥制成許多小型固體火箭,對(duì)火箭理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性研究。他發(fā)現(xiàn)要使火箭達(dá)到宇宙航行所需的能量和速度,只有采用液氧、液氫為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)才能取得成功。

1919年,戈達(dá)德在經(jīng)典名著《到達(dá)極高空的方法》中,透徹地闡述了火箭運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)原理,同時(shí)詳盡論證了火箭把人和儀器送上月球的可行性,開創(chuàng)了航天飛行和人類飛向其他行星的時(shí)代。1922年3月,戈達(dá)德向克拉克大學(xué)提交了液體火箭的總體設(shè)計(jì)方案,研制出用液氧和煤油來推進(jìn)的液體火箭。1925年在他的實(shí)驗(yàn)室旁的小屋里,一臺(tái)液體推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了靜力試驗(yàn),1926年成功地進(jìn)行了世界第一次液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行。在馬薩諸塞州的奧本,冰雪覆蓋的草原上,戈達(dá)德發(fā)射了人類歷史上第一枚液體火箭?；鸺L(zhǎng)約3.4米,發(fā)射時(shí)重量為4.6千克,空重為2.6千克。飛行延續(xù)了約2.5秒,最大高度為12.5米,飛行距離為56米。這是一次了不起的成功,它的意義正如戈達(dá)德所說:“昨日的夢(mèng)的確是今天的希望,也將是明天的現(xiàn)實(shí)?！?/p>

戈達(dá)德于1929年又發(fā)射了一枚較大的火箭,這枚火箭比第一枚飛得又快又高,更重要的是它帶有一只氣壓計(jì)、一只溫度計(jì)和一架來拍攝飛行全過程的照相機(jī),這是第一枚載有儀器的火箭。1931年,戈達(dá)德采用與現(xiàn)代火箭相仿的程序發(fā)射方法,他首先采用陀螺儀控制火箭的飛行方向,火箭的飛行時(shí)速猛增至885千米,飛行高度達(dá)到了2500米。1935年,戈達(dá)德的火箭沖破了20千米,時(shí)速超過1193千米,首次實(shí)現(xiàn)了人造飛行器的超音速飛行。

此外,他還獲得火箭飛行器變軌裝置和用多級(jí)火箭增大發(fā)射高度的專利,并研制了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵、自冷式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和其他部件。他設(shè)計(jì)的小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代登月小火箭的原型,曾成功地升空到約2千米的高度。他一共獲得過214項(xiàng)專利。

戈達(dá)德的研究極端缺少經(jīng)費(fèi),而且挑剔的輿論界也不放過這位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕淌??！都~約時(shí)報(bào)》的記者們嘲笑他甚至連高中的基本物理常識(shí)都不懂,而整天幻想著去月球旅行。他們稱戈達(dá)德為“月亮人”。為新聞界左右的公眾也對(duì)這位科學(xué)家的工作表示懷疑和不理解,但這都不能撼動(dòng)頑強(qiáng)的戈達(dá)德。最好的辦法是走自己的路,繼續(xù)自己的研究,而對(duì)公眾的反應(yīng)保持沉默,因?yàn)樗芮宄@種譏諷是不會(huì)持久的。

意想不到的是報(bào)界的報(bào)道引起了美國航空界先驅(qū)人物之一林白的注意。在親自考察了戈達(dá)德的試驗(yàn)和計(jì)劃之后,他立即設(shè)法從格根海姆基金會(huì)為戈達(dá)德籌得5萬美元。這對(duì)于極端缺少資金而又迫切需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的戈達(dá)德真是雪中送炭。這時(shí)馬薩諸塞州對(duì)于戈達(dá)德的計(jì)劃就顯得太擁擠了,于是在1930年他的全家和四個(gè)助手遷到新墨西哥州的羅斯威爾建立他的發(fā)射場(chǎng)。到1941年,除了短暫的中斷之外,他在這里從事了在科技史上最令人矚目的個(gè)人研究計(jì)劃。

戈達(dá)德雖然成功地發(fā)射了世界上第一枚液體火箭,但最初并沒有引起美國政府的重視和支持,所以到他逝世時(shí)美國的火箭技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于德國。直到1961年蘇聯(lián)宇航員加加林上天后,美國才發(fā)表了戈達(dá)德30年來研究液體火箭的全部報(bào)告。后來,他被譽(yù)為美國的“火箭之父”,被追授了第一枚劉易斯·希爾航天勛章,美國宇航局的一座空間飛行中心被命名為“戈達(dá)德空間研究中心”。

戈達(dá)德的坎坷而英勇的一生,所留下的報(bào)告、文章和大量筆記是一筆巨大的財(cái)富。這些財(cái)富不僅對(duì)后人的研究起到了重要的作用;而且對(duì)各國航天的歷史起到了不可替代的作用。對(duì)于他的工作,馮·布勞恩曾這樣評(píng)價(jià)過:“在火箭發(fā)展史上,戈達(dá)德博士是無所匹敵的,在液體火箭的設(shè)計(jì)、建造和發(fā)射上,他走在了每一個(gè)人的前面,而正是液體火箭鋪平了探索空間的道路。當(dāng)戈達(dá)德在完成他那些最偉大的工作的時(shí)候,我們這些火箭和空間事業(yè)上的后來者,才僅僅開始蹣跚學(xué)步?！?/p>

運(yùn)載能力最大的商用運(yùn)載火箭

阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭是目前世界上運(yùn)載能力最大的商用運(yùn)載火箭。當(dāng)進(jìn)行單星發(fā)射任務(wù)時(shí),它可以把6500千克的有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道,而進(jìn)行雙星發(fā)射任務(wù)時(shí),可以把6000千克的有效載荷送入相同的軌道。

人類歷史上的第一枚現(xiàn)代運(yùn)載火箭是在1957年10月由蘇聯(lián)發(fā)射成功的,它把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星送入了太空,從此為人類發(fā)展航天運(yùn)輸和空間應(yīng)用技術(shù)開創(chuàng)了先河,并奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而即使歐洲在“二戰(zhàn)”期間,由德國研制了著名的V-2火箭,它被公認(rèn)是后來人類現(xiàn)代運(yùn)載火箭和洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)展的雛形。但“二戰(zhàn)”結(jié)束后,德國作為戰(zhàn)敗國,這項(xiàng)技術(shù)不僅被迫擱置,而且美國還從德國掠走了大量的火箭部件和技術(shù)設(shè)計(jì)人員,從而壯大了本國的火箭開發(fā)實(shí)力。由于歷史政治原因,歐洲一直沒有大規(guī)模發(fā)展航天運(yùn)輸技術(shù),直到1973年7月31日歐洲空間局成立時(shí)才結(jié)束了這種局面。

1973年12月,歐洲空間局開始聯(lián)合投資研制阿麗亞娜型運(yùn)載火箭,這是一種液體三子運(yùn)載火箭,研制工作歷時(shí)6年,投資費(fèi)用約10億美元(1988年幣值)。1979年12月,第一枚阿麗亞娜1型火箭首次亮相,并圓滿完成了第一次飛行任務(wù),1981年正式投入商用。自此,歐洲的運(yùn)載火箭技術(shù)獲得了快速發(fā)展。特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后,由于商業(yè)通信衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展及其大量應(yīng)用,推動(dòng)了運(yùn)載火箭的不斷發(fā)展。歐空局又在阿麗亞娜1型運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上陸續(xù)研制了阿麗亞娜2型、阿麗亞娜3型、阿麗亞娜4型和阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭,從而使阿麗亞娜系列運(yùn)載火箭的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力從最初的1850千克增加到6500千克。

由于目前世界上最大的商業(yè)通信衛(wèi)星質(zhì)量不超過5.5噸,而大部分商業(yè)通信衛(wèi)星的質(zhì)量介于2.5～4噸之間,因而阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭不僅具有發(fā)射世界上最大的高軌道商業(yè)通信衛(wèi)星的能力,還具有一箭發(fā)射兩顆較大高軌道衛(wèi)星的能力,這樣可以大大降低用戶費(fèi)用。

阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭由4種型號(hào)組成,它除使用了改進(jìn)的一子級(jí)外,還使用了在阿麗亞娜4型運(yùn)載火箭三子級(jí)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的新型低溫上面級(jí),經(jīng)過改進(jìn)后,它的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提高到8噸(單星)。而運(yùn)載能力最大的阿麗亞娜5型改進(jìn)型改進(jìn)后,地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力將提高到12噸(單星)。2002年第一種改進(jìn)型阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭投入使用后,歐洲空間局停止生產(chǎn)舊的阿麗亞娜4型運(yùn)載火箭。

在過去十幾年里,阿麗亞娜系列運(yùn)載火箭不僅在激烈的國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得了巨大的成功,并且推動(dòng)了人類現(xiàn)代運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展。同時(shí),也帶動(dòng)其他航天大國開發(fā)研制了新一代運(yùn)載火箭。如20世紀(jì)90年代中期,美國、俄羅斯和日本分別研制了“德爾它4”“宇宙神5”“安加拉”和“H-2A”系列運(yùn)載火箭,由于這些運(yùn)載火箭全部采用了“系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化”的設(shè)計(jì)方案,并且由于引入了高性能發(fā)動(dòng)機(jī)等,不僅使其具有了與阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭相當(dāng)?shù)倪\(yùn)載能力,還使生產(chǎn)成本大幅降低。這些運(yùn)載火箭在本世紀(jì)初陸續(xù)發(fā)射成功,并在未來形成一定的生產(chǎn)規(guī)模。大批新型運(yùn)載火箭涌入國際航天發(fā)射市場(chǎng)后,必將對(duì)未來的市場(chǎng)格局產(chǎn)生重大影響,阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也必將受到影響。

第一顆人造衛(wèi)星

世界上第一顆人造地球衛(wèi)星——人造地球衛(wèi)星1號(hào)是蘇聯(lián)在1957年10月4日發(fā)射的。

1957年10月4日蘇聯(lián)拜科努爾航天中心天氣晴朗。人造衛(wèi)星發(fā)射塔上豎立著一枚大型火箭。火箭頭部裝著一顆圓球形的有4根折疊桿式天線的人造衛(wèi)星“斯普特尼克”1號(hào)。隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一聲巨響,火箭升騰,在不到兩分鐘的時(shí)間里消失得無影無蹤。世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功了。

消息迅速傳遍全球,各國為之震驚,世界各大報(bào)刊都在顯要位置用大字標(biāo)題報(bào)道:《轟動(dòng)20世紀(jì)的新聞》《科技新紀(jì)元》《蘇聯(lián)又領(lǐng)先了》《俄國人又打開了通往宇宙的道路》等。

這顆衛(wèi)星的本體是一只用鋁合金做成的圓球,直徑58厘米,重83.6千克。圓球外面附著4根彈簧鞭狀天線,其中一對(duì)長(zhǎng)240厘米,另一對(duì)長(zhǎng)290厘米。衛(wèi)星內(nèi)部裝有兩臺(tái)無線電發(fā)射機(jī)——頻率分別為20.005兆赫及40.002兆赫,無線電發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào),采用一般電報(bào)訊號(hào)的形式,每個(gè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間約0.3S,間歇時(shí)間與此相同。此外還安裝有一臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)、一臺(tái)輻射計(jì)數(shù)器,一些測(cè)量衛(wèi)星內(nèi)部溫度和壓力的感應(yīng)元件及作為電源的化學(xué)電池。盡管這顆“小星”在天空不過逗留了92天,但它卻“推動(dòng)”了整個(gè)地球,加快了各國發(fā)展空間技術(shù)的步伐。

它在拜克努爾發(fā)射場(chǎng)由一支三級(jí)運(yùn)載火箭發(fā)射。起飛以后幾分鐘,衛(wèi)星從第三級(jí)火箭中彈出,達(dá)到第一宇宙速度(7.9千米/秒),進(jìn)入環(huán)繞地球飛行的軌道。它距離地面最遠(yuǎn)時(shí)為964.1千米,最近時(shí)為228.5千米,軌道與地球赤道平面的夾角為65°,以96.2分鐘時(shí)間繞地球1周,比原來預(yù)計(jì)的所需時(shí)間多1分20秒。在秋夜的晴空中,有時(shí)它像一顆星星在群星中移動(dòng),肉眼可以看到它。這顆衛(wèi)星的運(yùn)載火箭于1957年12月1日進(jìn)入稠密大氣層隕毀。衛(wèi)星在天空中運(yùn)行了92天,繞地球約1400圈,行程6000萬千米,于1958年1月4日隕落。為了紀(jì)念人類進(jìn)入宇宙空間的偉大時(shí)刻,蘇聯(lián)在莫斯科列寧山上建立了一座紀(jì)念碑,碑頂安置著這個(gè)人造天體的復(fù)制品。

歷史總不乏戲劇性,據(jù)當(dāng)年擔(dān)任蘇聯(lián)航天泰斗科羅廖夫第一助手的切爾托克院士近來在莫斯科透露,在那次震驚世界的航天發(fā)射中,蘇聯(lián)航天設(shè)計(jì)師的主要目的是進(jìn)行洲際導(dǎo)彈發(fā)射實(shí)驗(yàn),送人造衛(wèi)星上天只是順便的搭載實(shí)驗(yàn)而已!

原來,蘇聯(lián)航天設(shè)計(jì)師們只想盡快打造一枚能攜帶核彈頭并能達(dá)到美國本土的洲際彈道導(dǎo)彈,那時(shí),面臨這項(xiàng)主要任務(wù)的蘇聯(lián)航天設(shè)計(jì)師們根本瞧不上實(shí)驗(yàn)攜帶的人造衛(wèi)星,認(rèn)為它不過是顆圓鐵球、“小玩具”,不會(huì)有太大的用途。因此,衛(wèi)星發(fā)射上天的消息會(huì)在全世界引起巨大反響是蘇聯(lián)航天設(shè)計(jì)師們根本沒想到的。這真是“有心栽花花不活,無心插柳柳成蔭”,洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)失敗了,但人類第一顆人造衛(wèi)星卻上天了!蘇聯(lián)也因此戴上了“把第一顆人造衛(wèi)星送上天”的桂冠。

不久,為了給載人航天預(yù)做試驗(yàn),蘇聯(lián)又發(fā)射了第一顆載有名叫“萊依卡”的小狗乘坐的“衛(wèi)星”2號(hào)人造地球衛(wèi)星。據(jù)有關(guān)報(bào)道,當(dāng)年美國總統(tǒng)肯尼迪被蘇聯(lián)這個(gè)強(qiáng)勁的對(duì)手的驚人之舉驚呆了,整個(gè)美國航天界為此整整反省了一周。

第一艘航天飛機(jī)

1976年9月17日,人類歷史上第一架航天飛機(jī)被拖出了羅克威爾的帕瑪戴爾總裝大樓。這架編號(hào)為101,取名“企業(yè)號(hào)”的航天飛機(jī)是美國航天飛機(jī)計(jì)劃中第一架原型機(jī)?！捌髽I(yè)號(hào)”航天飛機(jī)長(zhǎng)37.2 米,寬23.8米,高17.4米,空重72.6噸,載荷艙長(zhǎng)18.2米, 寬4.6米,能將29.5噸重載荷送上370～1110千米高的空間軌道,并可從空中帶回1.45噸重載荷。在具有輔助電源的前提下,可在太空停留30天,并可執(zhí)行各種太空使命?！捌髽I(yè)”號(hào)航天飛機(jī)如今已經(jīng)退役,在完成了它的測(cè)試使命并進(jìn)行過一系列遍及海外多國的展示之旅后,美國政府將其捐給史密森尼學(xué)會(huì)作為館藏。

第一艘載人飛船

“水星號(hào)”飛船(Mercury spacecraft)美國第一個(gè)載人飛船系列。飛船由圓臺(tái)形座艙和圓柱形傘艙組成,在發(fā)射時(shí),水星號(hào)飛船的頂端還有一個(gè)高約5米的救生塔。在座艙外面大鈍頭處覆蓋一層很厚的防熱材料。飛船返回前點(diǎn)燃制動(dòng)火箭,然后拋棄制動(dòng)火箭組合件,再入大氣層,下降到低空時(shí)打開降落傘,航天員與飛船一起濺落在海上,由直升機(jī)和打撈船只回收。1961年5 月5日“水星號(hào)”飛船進(jìn)行了首次亞軌道載人飛行,運(yùn)行中航天員曾試驗(yàn)使用手控裝置保持飛行路線,進(jìn)行滾動(dòng)和偏航飛行,拍攝了地球陸地構(gòu)造、氣象云圖和天體等照片。美國第一個(gè)載人飛船系列從1961年5月至1963 年5月共發(fā)射6艘。前兩次是繞地球不到一圈的亞軌道飛行,后4次是載人軌道飛行。主要目的是試驗(yàn)飛船各種工程系統(tǒng)的性能,考察失重環(huán)境對(duì)人體的影響、人在失重環(huán)境中的工作能力以及對(duì)發(fā)射和返回過程中遇到超重的忍耐力等。“水星”飛船是美國的第一代載人飛船,總共進(jìn)行了25次飛行試驗(yàn),其中6次是載人飛行試驗(yàn)。“水星”飛船計(jì)劃始于1958年10月,結(jié)束于1963年5月,歷時(shí)4年8個(gè)月。“水星”計(jì)劃共耗資3.926億美元,其中飛船為1.353億美元,占總費(fèi)用的34.5%;運(yùn)載火箭為0.829億美元,占總費(fèi)用的21.1%;地面跟蹤網(wǎng)為0.719億美元,占18.34%;運(yùn)行和回收操作費(fèi)用為0.493億美元,占 12.6%;其他設(shè)施為0.532億美元,占13.46%?！八恰庇?jì)劃的主要目的是實(shí)現(xiàn)載人空間飛行的突破,把載一名航天員的飛船送入地球軌道,飛行幾圈后安全返回地面,并考察失重環(huán)境對(duì)人體的影響、人在失重環(huán)境中的工作能力。重點(diǎn)是解決飛船的再入氣動(dòng)力學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)和人為差錯(cuò)對(duì)以往從未遇到過的高加速度和零重力的影響等問題。

“水星”飛船總長(zhǎng)約2.9米,底部最大直徑1.86米,重1.3～1.8噸,由圓臺(tái)形座艙和圓柱形傘艙組成。座艙內(nèi)只能坐一名航天員,設(shè)計(jì)最長(zhǎng)飛行時(shí)間為2天,飛行時(shí)間最長(zhǎng)的一次為34小時(shí)20分,繞地球22周。“水星”計(jì)劃的6次載人飛行共歷時(shí)54小時(shí)25分鐘。

“水星”飛船的姿態(tài)控制系統(tǒng)以自控為主,另有兩種手控方式作為備份。航天員僅在必要時(shí)使用手控裝置控制飛船的飛行姿態(tài),在飛船操縱方面僅起到輔助作用,基本上是一名供地面研究人員了解人對(duì)空間飛行環(huán)境適應(yīng)能力的受試驗(yàn)者。但在飛行中也表現(xiàn)出了人的主觀能動(dòng)性。

最長(zhǎng)壽的太空探測(cè)器

“先驅(qū)者10號(hào)”在茫茫太空中遨游了41年,向地面發(fā)回有關(guān)木星的大量科學(xué)數(shù)據(jù),它是迄今為止人類發(fā)射的空間考察器中飛行時(shí)間最長(zhǎng)和距離地球最遙遠(yuǎn)的星際探測(cè)器。

“先驅(qū)者10號(hào)”于1972年3月2日踏上征途,經(jīng)過1年零9個(gè)月的長(zhǎng)途跋涉后,穿過危險(xiǎn)的小行星帶,闖過木星周圍的強(qiáng)輻射區(qū),與1973年12月3日與木星相會(huì)。它飛臨木星時(shí),沿木星赤道平面從木星右側(cè)繞過,在距木星13萬千米的地方穿過木星云層,拍攝了第一張木星照片,并進(jìn)行了十多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量,向地球發(fā)回第一批木星資料,為揭開木星的奧秘立下頭功。在木星巨大的引力加速下,直向太陽系邊疆飛去。于1989年5月24日飛越過冥王星軌道,帶著給外星人的“禮品”——“地球名片”,向銀河系漫游而去。

“先驅(qū)者10號(hào)”重量為260千克。它配有太陽能電池和11臺(tái)由放射性同位素238钚作燃料的衰變溫度差發(fā)電機(jī)。該探測(cè)器上裝有2.7米直徑的拋物面天線,對(duì)地球定向,發(fā)射機(jī)用8瓦功率向地面深空跟蹤網(wǎng)傳輸信號(hào)。它的原設(shè)計(jì)壽命只有21個(gè)月,其主要使命是實(shí)現(xiàn)人類首次對(duì)木星的探測(cè)。但實(shí)際上它的“探測(cè)生命”之長(zhǎng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的預(yù)期。“先驅(qū)者10號(hào)”的最后一次信號(hào)是1997年1 月22日接收到的,其中已無任何遙測(cè)數(shù)據(jù)。2月7日,宇航局位于加利福尼亞州、澳大利亞和西班牙的巨型天線“深空網(wǎng)絡(luò)”與該探測(cè)器的聯(lián)絡(luò)都沒有取得任何結(jié)果。專家們認(rèn)為,由于放射性同位素動(dòng)力源已衰變殆盡,探測(cè)器估計(jì)已無力再向地球發(fā)送信號(hào)。美宇航局于是決定放棄與探測(cè)器繼續(xù)聯(lián)系的努力。

在四十二年的漫漫星際旅行途中,“先驅(qū)者10號(hào)”創(chuàng)下了諸多的航行紀(jì)錄。它實(shí)現(xiàn)了人造天體對(duì)木星的探測(cè)。人們知道,無論從體積還是質(zhì)量,木星都超過其他七大行星的總和,素有太陽系“老大哥”之稱。它自轉(zhuǎn)一周僅需9小時(shí)50分鐘,因而自轉(zhuǎn)速度也居九大行星之首。木星的外表具有美麗的云團(tuán)大紅斑和高于地球20～40倍的強(qiáng)磁場(chǎng)。所有這些都令科學(xué)家著迷。然而在此之前,美國和蘇聯(lián)兩個(gè)航天大國的太空探測(cè)器都不曾飛近木星,其原因是環(huán)繞木星的有一個(gè)小行星帶。小行星帶區(qū)有許多從地面上難以看到的小天體。專家們擔(dān)心,進(jìn)入小行星帶的探測(cè)器很可能遭到碰撞而毀掉。慶幸的是“先驅(qū)者10號(hào)”安然地進(jìn)入并穿過火星和木星之間的小行星帶,沒有受到任何擦傷。1983年,它又第一個(gè)飛出太陽系向金牛座飛去,但據(jù)估計(jì),它至少還得再飛200萬年,才能掠過與金牛座距離最近的恒星。在這之后,科學(xué)家仍不定期地與“先驅(qū)者”10號(hào)聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)了一些尖端通信技術(shù)。“先驅(qū)者10”號(hào)還發(fā)現(xiàn):太陽風(fēng)隨距離的增加并不減弱,碰撞加熱幾乎不損失動(dòng)能;太陽風(fēng)暴增長(zhǎng)時(shí),日球可以沿磁赤道向外膨脹,其形狀極像卵形;當(dāng)激波和擾動(dòng)接近日球邊界時(shí),它們可以同日球外面的星際介質(zhì)堆積在一起;在太陽極大時(shí),能探測(cè)到一種神秘的高能氦離子成分,它是滲入日球邊界的星風(fēng)中的中性氦在太陽附近被太陽紫外線輻射電離而成的。此外,該探測(cè)器還嘗試找尋太陽系內(nèi)存在第九顆行星的證據(jù),探測(cè)能夠證明愛因斯坦相對(duì)論的引力波。

“先驅(qū)者10號(hào)”還攜帶了一張鍍金盤,它不僅能反映出太陽系在銀河系的位置和太陽系的主要成員,還畫有“先驅(qū)者10號(hào)”探測(cè)器的外形、飛行軌跡以及男女地球人的簡(jiǎn)圖。按照科學(xué)家的建議,名片上還畫有氫元素的譜線,因?yàn)闅涫怯钪嬷凶钇胀ㄗ钬S富的元素,只要外太空存在智慧生物,就一定能看懂氫元素的資料。如果外星人獲得這張“名片”,破譯了“名片”上的內(nèi)容,就有可能與地球人取得聯(lián)系。這是一個(gè)多么美好的理想啊!但事實(shí)上,宇宙太大了,僅“先驅(qū)者10號(hào)”飛出太陽系就用了20多年,即使它能到達(dá)離地球最近的恒星,恐怕也要幾百萬年以后了。

月球不再神秘

自1969年7月16日,美國“阿波羅11號(hào)”飛船首次實(shí)現(xiàn)載人登月以來,根據(jù)對(duì)月球的多次實(shí)地勘探和對(duì)從月球帶回的巖石、土壤進(jìn)行分析研究的結(jié)果,人類對(duì)月球的面貌已有了較多的了解。科學(xué)家認(rèn)為,月球上的巖石比地球上的還要古老,月球和地球幾乎是由同樣的化學(xué)元素構(gòu)成的,只是組成的成分有所不同。例如,月巖所含的鈣和鋁比地球上的巖石含量要高,月球沒有磁場(chǎng),其外殼比較穩(wěn)定,近30億年以來幾乎沒什么變化。盡管天文學(xué)家早就認(rèn)為,月球體態(tài)嬌小,引力柔弱(為地球的1/6),根本不具備縛住大氣的能力,在向陽面的高溫下,任何氣體分子都會(huì)輕而易舉地達(dá)到脫離速度而逃之夭夭。但對(duì)月球的實(shí)測(cè)表明,月球表面并不是沒有任何大氣的,只是大氣層太稀薄,而且大氣成分比較復(fù)雜,隨時(shí)空多變,通常在黑夜時(shí)的大氣成分主要由40%的氬、40%的氖和20%的氦組成,到日出時(shí)還會(huì)加入極少量的甲烷和氨等,有些地區(qū)的大氣中還會(huì)發(fā)現(xiàn)極微量的氫、氡、鈉、釙和鉀原子等。美國科學(xué)家日前宣稱,月球上有冰存在,這就可能為探索月球奧秘的人們提供飲用水,也可將冰分解為氫和氧,從而為火箭提供燃料。

從實(shí)地勘探中發(fā)現(xiàn),月球上總共有30多萬座環(huán)形山,星羅棋布,彼此環(huán)抱,最大的環(huán)形山,直徑近300千米、海拔高達(dá)6000米以上,十分壯觀。遺憾的是,由于月球上沒有水源,這些山都是光禿禿的,寸草不生,十分荒涼。顯然,要想使如此荒漠的月球世界成為適合于生物生存的天堂,最終變成一個(gè)生機(jī)勃勃、萬物競(jìng)存、鳥語花香的天上人間,當(dāng)務(wù)之急是解決月球上的供水問題。多年來,科學(xué)家們已提出過多種設(shè)想。有一個(gè)解決辦法是:采掘月球上儲(chǔ)存量極為豐富的氧化鐵,用太陽能熔化爐進(jìn)行熔煉,使其放出大量的氧,與運(yùn)輸飛船從太空中收集制取的液態(tài)氫相結(jié)合,來生成供月球開發(fā)需要的水。這種在月球和太空就地取材,合成制水的方案,從原理上是可行的,但要實(shí)施這一巨大的工程,絕不是輕而易舉的,涉及能源、采掘、運(yùn)輸、生活等一系列問題需要配套解決。

對(duì)人類最富吸引力的,是月球土壤中含有大量的氣體狀“3氦”,這是一種比目前地球上核電站所用的氘原料的放射性要低得多的核材料?！?span title="pagenumber_ebook=133,pagenumber_book=123" class="superscript">3氦”原本大 量存在于太陽噴射出來的高能粒子流(太陽風(fēng))中,在幾乎沒有大氣的月球上,“太陽風(fēng)”直接降落下來,久而久之,在月面的沙粒、巖石中,大約集聚有100萬噸這種材料,若能進(jìn)行大量開采,不但可供月球開發(fā)所需能源,還可為21世紀(jì)地球核聚變提供用之不竭的核能原材料。

月球的白天和夜間持續(xù)時(shí)間都長(zhǎng)達(dá)半月之久,白天氣溫最高達(dá)127℃,夜間溫度又低達(dá)零下183℃,如此酷熱嚴(yán)寒而又溫差劇變的氣候,是月球上沒有人煙和生命的另一個(gè)重要原因。俄羅斯科學(xué)家已對(duì)如何利用月球上的土壤和巖石制造水泥等建筑材料,然后利用這些材料建筑一座可以調(diào)節(jié)室溫,使其適合于人類居住的生活基地做過長(zhǎng)期研究。有一個(gè)方案是,他們通過對(duì)月球的一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,認(rèn)為月球很可能是一個(gè)空心球體?；谶@一認(rèn)識(shí),有朝一日,就可在月球表面打一條通道,進(jìn)入月球地殼深處的“地下月宮”,在那里建造一座適于人類居住的“地下城”。這樣,乘坐飛船奔月的旅游者,可在這座“地下城”找到過夜的旅館?？萍脊ぷ髡呔涂梢砸赃@座“地下城”為基地從事月球資源勘探、太空產(chǎn)品生產(chǎn)、天文觀測(cè)等活動(dòng)。在“地下月宮”這個(gè)永久基地未建成之前,科學(xué)家建議可以先在地球上制成一些預(yù)制塑模構(gòu)件,形成一個(gè)自動(dòng)豎升的巨型圓筒。事先裝配好后,用宇宙運(yùn)輸船送到月球表面,圓筒在月球表面一登陸即自動(dòng)分成兩半打開,并自動(dòng)形成一座多層結(jié)構(gòu)的建筑物,作為初登月球“志愿者”的臨時(shí)居所。

人類探索金星的進(jìn)程

蘇聯(lián)和美國從20世紀(jì)60年代起,對(duì)揭開金星的秘密傾注了極大的熱情和探測(cè)競(jìng)爭(zhēng)。迄今為止,發(fā)往金星或路過金星的各種探測(cè)器已經(jīng)超過40個(gè),獲得了大量的有關(guān)金星的科學(xué)資料。

1.前蘇聯(lián)金星探測(cè)開先河

在太空探測(cè)器探測(cè)金星以前,有的天文學(xué)家認(rèn)為金星的化學(xué)和物理狀況和地球類似,在金星上發(fā)現(xiàn)生命的可能性比火星還大。20世紀(jì)50年代后期,天文學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡第一次觀測(cè)了金星的表面。

蘇聯(lián)于1961年1月24日發(fā)射“巨人號(hào)”金星探測(cè)器,在空間啟動(dòng)時(shí)因運(yùn)載火箭故障而墜毀。

1961年2月12日試驗(yàn)發(fā)射“金星1號(hào)”,這個(gè)成功飛往金星的探測(cè)器重643千克,在距金星9.6萬千米處飛過,進(jìn)入繞太陽軌道后失去聯(lián)絡(luò),結(jié)果一無所獲。

1967年6月12日,蘇聯(lián)發(fā)射了“金星4號(hào)”飛船,同年10月18日進(jìn)入金星大氣層?！敖鹦?號(hào)”的著陸艙直徑1米,重383千克,外表包著一層很厚的耐高溫殼體,設(shè)計(jì)極限壓強(qiáng)為25個(gè)大氣壓。著陸艙進(jìn)入大氣層后展開降落傘,在降落傘的作用下緩慢下落,探測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到軌道艙,然后返回地球。當(dāng)著陸艙下降到距離金星表面為24.96千米時(shí),信號(hào)停止發(fā)射,估計(jì)是著陸艙被金星的高氣壓壓癟了。

“金星5號(hào)”的發(fā)射時(shí)間為1969年1月5日,它的設(shè)計(jì)同“金星4號(hào)”非常接近,只是更結(jié)實(shí)一些。在著陸艙下落過程中,獲得了53分鐘的探測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)著陸艙下落到距離金星表面24～26千米時(shí)被大氣壓壞,此時(shí)的壓力為26.1個(gè)大氣壓。

“金星6號(hào)”于1969年1月10日發(fā)射,同年5月17日到達(dá)金星。著陸艙一直下降到距離金星表面10～12千米。

1970年8月17日,蘇聯(lián)發(fā)射了“金星7號(hào)”,并于1970年12月15日到達(dá)金星。該飛船的著陸艙能承受180個(gè)大氣壓,因此成功地到達(dá)了金星表面,成為第一個(gè)到達(dá)金星實(shí)地考察的人類使者。傳回的數(shù)據(jù)表明,溫度高達(dá)470℃。大氣成分主要是二氧化碳,還有少量的氧、氮等氣體。至此,人類撩開了金星神秘的面紗。

1972年到達(dá)金星表面的“金星8號(hào)”化驗(yàn)了金星土壤,還對(duì)金星表面的太陽光強(qiáng)度和金星云層進(jìn)行了電視攝像轉(zhuǎn)播,金星上空顯得極其明亮,天空是橙黃色,大氣中有猛烈的雷電現(xiàn)象,還有激烈的湍流。

1975年至1984年是金星探測(cè)的高潮期。1975年6月8日和14日先后發(fā)射了“金星9號(hào)”和“金星10號(hào)”,于同年10月22日和25日分別進(jìn)入不同的金星軌道,并成為環(huán)繞金星的第一對(duì)人造金星衛(wèi)星。兩者探測(cè)了金星大氣結(jié)構(gòu)和特性,首次發(fā)回了電視攝像機(jī)拍攝的金星全景表面圖像。

1978年9月9日和9月14日,蘇聯(lián)又發(fā)射了“金星11號(hào)”和“金星12號(hào)”,兩者均在金星成功實(shí)現(xiàn)軟著陸,分別工作了110分鐘。特別是“金星12號(hào)”于12月21日向金星下降的過程中,探測(cè)到金星上空閃電頻繁、雷聲隆隆,僅在距離金星表面11千米下降到5千米的這段時(shí)間就記錄到1000次閃電,有一次閃電竟然持續(xù)了15分鐘。

1981年10月30日和11月4日先后上天的“金星13號(hào)”和“金星14號(hào)”,其著陸艙攜帶的自動(dòng)鉆探裝置深入到金星地表,采集了巖石標(biāo)本。

研究表明,金星上的地質(zhì)構(gòu)造仍然很活躍,金星的巖漿里含有水分。從二者發(fā)回的照片知道,金星的天空是橙黃色,地表的物體也是橙黃色的?！敖鹦?3號(hào)”著陸區(qū)的溫度是457℃,“金星14號(hào)”的著陸地點(diǎn)比較平坦,是一片棕紅色的高原,地面覆蓋著褐色的沙礫,巖石層比較堅(jiān)硬,各層輪廓分明?！敖鹦?3號(hào)”下降著陸區(qū)的氣壓是89個(gè)大氣壓;“金星14號(hào)”下降著陸區(qū)為94個(gè)大氣壓,這樣大的壓力相當(dāng)于地球海洋900米深處所具有的壓力。

在距離地面30～45千米的地方有一層像霧一樣的硫酸氣體,這種硫酸霧厚度大約25千米,具有很強(qiáng)的腐蝕性。探測(cè)表明,金星赤道帶有從東到西的急流,最大風(fēng)速達(dá)110米/秒,金星大氣有97%是二氧化碳,還有少量的氮、氬及一氧化碳和水蒸氣。主要由二氧化碳組成的金星大氣,好似溫室的保護(hù)罩一樣,它只讓太陽光的熱量進(jìn)來,不讓其熱量跑出去,因此形成金星表面的高溫和高壓環(huán)境。

1983年6月2日和6月7日,“金星15號(hào)”和“金星16號(hào)”相繼發(fā)射成功,二者分別于10月10日和14日到達(dá)金星附近,成為其人造衛(wèi)星,它們每24小時(shí)環(huán)繞金星一周,探測(cè)了金星表面以及大氣層的情況。探測(cè)器上的雷達(dá)高度計(jì)在圍繞金星的軌道上對(duì)金星表面進(jìn)行掃描觀測(cè),雷達(dá)的表面分辨率達(dá)1～2千米,可看清金星表面的地形結(jié)構(gòu),成功繪制了北緯30°以北約25%金星表面地形圖。

1984年12月蘇聯(lián)發(fā)射了“金星—哈雷”探測(cè)器,1985年6月9日和13日與金星相會(huì),向金星釋放了浮升探測(cè)器——充氦氣球和登陸艙,它們攜帶的電視攝像機(jī)對(duì)金星云層進(jìn)行了探測(cè),發(fā)現(xiàn)金星大氣層頂有與自轉(zhuǎn)同向的大氣環(huán)流,速度高達(dá)320千米/小時(shí),登陸設(shè)備還鉆探和分析了金星土壤?！敖鹦恰住碧綔y(cè)器在完成任務(wù)后利用金星引力變軌,飛向哈雷彗星。綜觀蘇聯(lián)金星探測(cè)的特點(diǎn),主要是投放降落裝置考察,以特殊的T藝戰(zhàn)勝金星上高溫高壓,取得了金星表面寶貴的第一手資料。

2.美國的金星探測(cè)后來居上

蘇聯(lián)航天技術(shù)的輝煌成就,極大地刺激了美國人。20世紀(jì)60年代初,美國宇航局根據(jù)肯尼迪總統(tǒng)提出的登月計(jì)劃,全力開展探月活動(dòng);但又看到蘇聯(lián)對(duì)金星的探測(cè)活動(dòng),格外著急。美國當(dāng)局立即決定分兵兩路,在實(shí)施登月的同時(shí),拿出一部分力量來探測(cè)金星。

美國于1961年7月22日發(fā)射“水手1號(hào)”金星探測(cè)器,升空不久因偏離航向,只好自行引爆。1962年8月27日發(fā)射“水手2號(hào)”金星探測(cè)器,飛行2.8億千米后,于同年12月14日從距離金星3500千米處飛過時(shí),首次測(cè)量了金星大氣溫度,拍攝了金星全景照片,但由于設(shè)計(jì)上的缺陷,在探測(cè)過程中,光學(xué)跟蹤儀、太陽能電池板、蓄電池組和遙控系統(tǒng)都先后出了故障,未能圓滿執(zhí)行計(jì)劃。

1967年6月14日發(fā)射“水手5號(hào)”金星探測(cè)器,同年10月19日從距離金星3970千米處通過,做了大氣測(cè)量。1973年11月3日發(fā)射“水手10號(hào)”水星探測(cè)器,1974年2月5日路過金星,從距離金星5760千米處通過,對(duì)金星及其大氣做了電視攝影,發(fā)回上千張金星照片。

從1978年起,美國把行星探測(cè)活動(dòng)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到金星。1978年5月20日和8月8日,分別發(fā)射了“先驅(qū)者—金星1號(hào)和2號(hào)”,其中1號(hào)在同年12月4日順利到達(dá)金星軌道,并成為其人造衛(wèi)星,對(duì)金星大氣進(jìn)行了244天的觀測(cè),考察了金星的云層、大氣和電離層,研究了金星表面的磁場(chǎng),探測(cè)了金星大氣和太陽風(fēng)之間的相互作用;還使用船載雷達(dá)測(cè)繪了金星表面地形圖。

1988年1月兩位美國地質(zhì)學(xué)家報(bào)告說,金星表面的阿芙洛狄忒高原地區(qū)具有與地球上洋脊十分相似的特征,他們分析了美國“先驅(qū)者—金星1號(hào)”宇宙飛船環(huán)繞金星時(shí)用雷達(dá)信號(hào)測(cè)量金星表面的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)金星阿芙洛狄忒高原的巖層斷裂模式與地球上洋中脊附近的情況很相似,其主脊兩側(cè)的特征近似呈鏡像對(duì)稱,這也正是洋中脊的重要特征。那里的高山、峽谷以及斷層諸方面的分布特征表明金星的地殼在擴(kuò)張,其每年幾厘米的擴(kuò)張速度與地球的海(洋)底擴(kuò)張相仿。

“先驅(qū)者—金星2號(hào)”帶有4個(gè)著陸艙一起進(jìn)入金星大氣層,其中一個(gè)著陸艙著陸后連續(xù)工作了67分鐘,發(fā)回了一些圖片和數(shù)據(jù)。在金星的云層中不同層次具有明顯的物理和化學(xué)特征,金星上降雨時(shí),落下的是硫酸而不是水,探測(cè)還表明,金星上有極其頻繁的閃電;金星地形和地球相類似,也有山脈一樣的地勢(shì)和遼闊的平原;存在著火山和一個(gè)巨大的峽谷,其深約6千米、寬200多千米、長(zhǎng)達(dá)1000千米;金星表面有一個(gè)巨大的直徑達(dá)120千米的凹坑,其四周陡峭,深達(dá)3千米。

為了在探測(cè)金星方面取得更大的成就,美國宇航局決定要利用其在雷達(dá)探測(cè)技術(shù)方面的先進(jìn)設(shè)備,透過金星濃密的云層,詳細(xì)勘察金星的全貌和地質(zhì)構(gòu)造。

1989年5月4日,“亞特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)將“麥哲倫號(hào)”金星探測(cè)器帶上太空,并于第二天把它送入金星的航程?！胞溦軅愄?hào)”金星探測(cè)器重量達(dá)3365千克,造價(jià)達(dá)4.13億美元。后來的事實(shí)說明,“麥哲倫號(hào)”是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)最為成功的金星探測(cè)器。

“麥哲倫號(hào)”裝有一套先進(jìn)的電視攝像雷達(dá)系統(tǒng),可透過厚厚的云層測(cè)繪出金星表面上小如足球場(chǎng)的物體圖像,其清晰度勝過當(dāng)時(shí)所獲金星圖像的10 倍!它裝載的高分辨率綜合孔徑雷達(dá),其發(fā)射、接收天線與著名的“旅行者”號(hào)探測(cè)器定向天線相似,也是3.65米直徑的拋物面形天線,但其性能比前者提高了許多,它在金星赤道附近250千米高空時(shí),分辨率也可達(dá)到270米。

“麥哲倫”的中心任務(wù)是對(duì)金星作地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)探測(cè)研究,通過先進(jìn)的雷達(dá)探測(cè)技術(shù),研究金星是否具有與河床和海洋構(gòu)造,因蘇聯(lián)有科學(xué)家推測(cè),大約40億年前金星上有過汪洋大海。

“麥哲倫”經(jīng)過15個(gè)月的航行,于1990年8月10日點(diǎn)燃反向制動(dòng)火箭,使其速度由每小時(shí)3.96萬千米減至2.79萬千米,進(jìn)入圍繞金星的軌道?！胞溦軅悺碧綔y(cè)器運(yùn)行中沿金星子午線繞一圈約需要189分鐘,掃描寬度為20～25千米;從北極區(qū)域到南緯60°計(jì)劃進(jìn)行37分鐘的觀測(cè),行程約1.5萬千米。8月16日“麥哲倫”發(fā)回第一批照片。

“麥哲倫”拍攝到金星上一個(gè)40千米×80千米大的熔巖平原,雷達(dá)的測(cè)繪圖像非常清晰,可以清楚地辨認(rèn)出火山熔巖流、火山口、高山、活火山、地殼斷層、峽谷和巖石坑。金星火山數(shù)以千計(jì),火山周圍常有因隕石撞擊而形成的沉積物,像白色花朵?！胞溦軅悺卑l(fā)現(xiàn)金星上的塵土細(xì)微而輕盈,較易于被吹動(dòng),探測(cè)表明金星表面確實(shí)是有風(fēng)的,很可能像“季風(fēng)”那樣,時(shí)刮時(shí)停,有時(shí)還會(huì)發(fā)生大風(fēng)暴。金星表面溫度高達(dá)280～540℃。它沒有天然衛(wèi)星,沒有水滴,其磁場(chǎng)強(qiáng)度也很小,大氣主要以二氧化碳為主,一句話,它不適宜生命存活。它的表面70%左右是極為古老的玄武巖平原,20%是低洼地,高原大約占了金星表面的10%,金星上最高的山是麥克斯韋火山,高達(dá)12000米。在金星赤道附近面積達(dá)2.5萬平方千米的平原上,有3個(gè)直徑為37～48千米的火山口。金星上環(huán)繞山極不規(guī)則,總共約有900個(gè),而且痕跡都非常年輕。

“麥哲倫”拍攝了金星絕大部分地區(qū)的雷達(dá)圖像,它的許多圖像與蘇聯(lián)“金星15號(hào)”和“金星16號(hào)”探測(cè)器所攝雷達(dá)照片經(jīng)?？梢灾睾掀唇悠饋?使判讀專家得以相互印證,從而使得人們對(duì)金星有進(jìn)一步的了解。

“麥哲倫號(hào)”從1990年8月10日至1994年12月12日一直圍繞金星進(jìn)行探測(cè),最后在金星大氣中焚毀。

1990年2月飛往木星的“伽利略號(hào)”探測(cè)器途徑金星,成功地拍攝金星的紫外和紅外波段的圖像,照片上顯示金星大氣頂部的硫酸云霧透過紫外光非常突出。

雖說金星空間探測(cè)碩果累累,但仍然有許多待解之謎。譬如說,金星上確曾有過海嗎?金星上的溫室效應(yīng)是在什么時(shí)候、怎樣發(fā)生的?目前金星表面是經(jīng)過大規(guī)模的火山活動(dòng)而重新形成的嗎?金星大氣的精確化學(xué)成分是什么……

據(jù)報(bào)道,2001年日本文部科學(xué)省宇宙科學(xué)研究所制訂出一個(gè)金星探測(cè)計(jì)劃,在2007年用M-5火箭發(fā)射金星探測(cè)器,它在2009年進(jìn)入圍繞金星的大橢圓軌道,其近地點(diǎn)約300千米,遠(yuǎn)地點(diǎn)約60000千米;它通過攜帶的5臺(tái)可穿透金星大氣的特殊紅外攝像機(jī)、紫外攝像機(jī)探測(cè)金星大氣和地質(zhì)構(gòu)造。未來的金星探測(cè)需要長(zhǎng)壽命的登陸艙、專門的下降探測(cè)裝置、遙控探測(cè)氣球以及監(jiān)視金星大氣的軌道器等。

人類探索木星的進(jìn)程

迄今為止,人類共發(fā)射了4艘宇宙飛船,即“先驅(qū)者”10號(hào)、11號(hào),“旅行者”1號(hào)和2號(hào)前往木星探測(cè)。

“先驅(qū)者10號(hào)”于1972年3月2日上午發(fā)射升空,一路上考察了行星際物質(zhì);1973年12月3日與木星會(huì)合,在離木星13萬千米處飛掠而過,探測(cè)到木星規(guī)模宏大的磁層,研究了木星大氣,送回300多幅木星云層和木星衛(wèi)星的彩色電視圖像。

“先驅(qū)者11號(hào)”飛船于1973年4月6日發(fā)射,1974年12月5日到達(dá)木星。它離木星表面最近時(shí)只有4.6萬千米,比“先驅(qū)者10號(hào)”近兩倍。送回有關(guān)木星磁場(chǎng)、輻射帶、重力、溫度、大氣結(jié)構(gòu)以及4個(gè)大衛(wèi)星的情況,并按地面指令調(diào)整航向,飛越在地面因視角不合適而難于觀測(cè)的木星南極地帶。“先驅(qū)者11號(hào)”在完成任務(wù)后,向著土星飛去。

1977年8月20日和9月5日,美國又相繼發(fā)射了“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”飛船。這兩艘飛船在儀器設(shè)備方面比“先驅(qū)者”10號(hào)和11號(hào)先進(jìn)?！奥眯姓?號(hào)”于1979年3月飛臨木星,在3天之內(nèi)探測(cè)了木星和4個(gè)伽利略衛(wèi)星,以及木衛(wèi)五,拍攝了數(shù)以千計(jì)的彩色照片,并進(jìn)行了一系列科學(xué)考察。

“旅行者2號(hào)”于1979年7月飛臨木星,對(duì)木星進(jìn)行了考察。兩艘飛船在離開木星后,還要繼續(xù)探測(cè)土星、天王星和海王星,然后飛出太陽系,到茫茫的宇宙中去尋找知音。

人類探測(cè)水星的進(jìn)程

盡管水星是地球的近鄰,但人類對(duì)于它的了解卻非常有限;對(duì)它的探索也僅在幾十年前進(jìn)行過唯一的一次。水星究竟是怎樣形成的?它的上面到底有沒有水?為什么它的密度如此之高?一系列的問題都有待解答。

1974年3月,“水手10號(hào)”實(shí)現(xiàn)了人類與水星的第一次近距離接觸。它3次飛過水星上空,拍攝下了數(shù)千張水星表面的圖片。然而,令人遺憾的是,“水手10號(hào)”只拍攝下了水星的遠(yuǎn)景和其表面45%的圖片,而這個(gè)星球另一半究竟是什么樣子,對(duì)人們來說,依然是個(gè)謎。

隨著航天器隔熱技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,時(shí)隔30年后,美國宇航局終于再次向水星發(fā)射了一架航天器——“信使號(hào)”,對(duì)這顆神秘星球展開探索。

因?yàn)樗桥c太陽的距離過于接近,地球上的觀測(cè)設(shè)備和太空中的哈勃望遠(yuǎn)鏡等面對(duì)強(qiáng)烈的陽光照射,都難以對(duì)它進(jìn)行直接觀測(cè),因此,這次發(fā)射“信使號(hào)”的探測(cè)行動(dòng)意義重大?？傊亓?100千克,體積相當(dāng)于一輛普通SUV汽車的“信使號(hào)”探測(cè)器,是由NASA投資開發(fā)、美國卡內(nèi)基學(xué)院和約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)負(fù)責(zé)研制;先后有6個(gè)國家的20多個(gè)研究機(jī)構(gòu)提供了重要的幫助。

“信使號(hào)”探測(cè)器總成本4.27億美元,總重量1100千克(探測(cè)器主體500千克+推進(jìn)器600千克),主體體積1.27米×1.85米×1.42米(長(zhǎng)×寬×高)。

為了讓探測(cè)器適應(yīng)水星特有的大氣環(huán)境和高溫,科學(xué)家作出了一系列的嘗試,并最終制造出了“全副武裝”的“信使號(hào)”。

2004年美國東部時(shí)間8月2號(hào)凌晨,北京時(shí)間2號(hào)下午,“信使號(hào)”探測(cè)器,搭乘“德爾塔2號(hào)”火箭,飛向水星。

在2006年10月年和2007年6 月,“信使號(hào)”兩次經(jīng)過距離水星最近的行星——金星,尤其是第二次到達(dá)距離金星表面300千米的上空。這一過程為科學(xué)家更好地調(diào)整“信使號(hào)”的飛行方式和傾斜角度打下基礎(chǔ),從而順利地進(jìn)入水星軌道。

據(jù)悉,2008年1月和10月以及2009年9月,“信使號(hào)”3次接近水星運(yùn)行軌道,拍攝下日光照射下的水星圖像;同時(shí)科學(xué)家借這幾次機(jī)會(huì)對(duì)“信使號(hào)”的工作方式做最后的測(cè)試和調(diào)整。最終在經(jīng)過近7年的漫長(zhǎng)飛行旅程之后,“信使號(hào)”在2011年3月正式進(jìn)入水星的運(yùn)行軌道,開始為期一年的觀測(cè)和記錄工作。

根據(jù)計(jì)劃,“信使號(hào)”的探索工作于2012年3月正式結(jié)束,而科學(xué)家對(duì)于“信使號(hào)”搜集的所有數(shù)據(jù)的分析和結(jié)論,將要等到2013年才能完成。

雖然人類至今對(duì)水星還知之甚少,但“信使號(hào)”的發(fā)射,以及其他正在進(jìn)行中的水星探索計(jì)劃讓我們相信,對(duì)水星的深入了解已經(jīng)指日可待。

人類探索火星的進(jìn)程

人類使用空間探測(cè)器進(jìn)行火星探測(cè)的歷史幾乎貫穿整個(gè)人類航天史。幾乎就在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時(shí)候,第一個(gè)火星探測(cè)器也開始了它的旅程。最早期的探測(cè)器幾乎都失敗了,而對(duì)火星的探測(cè)也就是在一次又一次的失敗中不斷前進(jìn)。

蘇聯(lián)在第一顆人造地球衛(wèi)星上天5年以后,就開始了火星探測(cè)。1962年11月,蘇聯(lián)發(fā)射了“火星1號(hào)”探測(cè)器, 1963年6月13日飛躍火星,獲得了太陽風(fēng)、行星際磁場(chǎng)和流星體的探測(cè)資料,這是人類首次成功的火星探測(cè)飛行,揭開了人類探測(cè)火星的序幕。但是當(dāng)1963年3月21日它飛行到距離地球1.06億千米的距離時(shí),卻與地面永遠(yuǎn)失去了通信聯(lián)系。3天以后,蘇聯(lián)的又一枚探測(cè)器升空,這枚探測(cè)器同樣面臨著失敗的命運(yùn),僅僅到達(dá)環(huán)繞地球軌道,此后火箭未能再次成功點(diǎn)火,兩個(gè)月后墜入地球大氣層燒毀。

1964年,美國也先后向火星發(fā)射了兩枚探測(cè)器“水手3號(hào)”和“水手4號(hào)”。“水手3號(hào)”于12月5日發(fā)射升空,是美國發(fā)射的第一枚火星探測(cè)器,然而探測(cè)器的保護(hù)外殼未能按預(yù)定計(jì)劃成功與探測(cè)器分離,導(dǎo)致探測(cè)器偏離軌道,最終導(dǎo)致失敗?！八?號(hào)”于12月28日發(fā)射升空,這是有史以來第一枚成功到達(dá)火星并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)的探測(cè)器。

“水手4號(hào)”是八角柱形,裝有四塊太陽能電池板和攝影裝置等,全重261千克?！八?號(hào)”從地球出發(fā)安全飛行了8.5億千米,于1965年7月14日從距離火星9650萬千米處飛過。它拍攝了22幅火星表面的照片,用無線電遙傳回地球?！八?號(hào)”拍攝的地帶是火星北半球的普羅彭蒂斯地區(qū),并在亞馬遜沙漠越過火星赤道,廣及南半球的錫倫海、奎登奇斯海等。在“水手4號(hào)”發(fā)回的照片中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了與月球表面類似的密布的大小環(huán)形山,發(fā)現(xiàn)的僅有300座。以后又進(jìn)行了更為詳盡的考察,火星上的環(huán)形山總數(shù)大概有數(shù)萬座。也就是說,火星的地形不及地球平坦,更近似月球。

此后,“水手4號(hào)”又在環(huán)繞太陽軌道上花費(fèi)3年時(shí)間對(duì)太陽風(fēng)進(jìn)行探測(cè)。“水手4號(hào)”發(fā)回的數(shù)據(jù)表明火星的大氣密度遠(yuǎn)比此前人們認(rèn)為的稀薄。

“水手4號(hào)”拍攝了火星照片之后,就形成了圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星,它攜帶的太陽能電池能把陽光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?今后仍能與地球保持聯(lián)系。

1967年9月14日,美國宣布,在7分鐘里,“水手4號(hào)”至少被17顆隕石擊中,探測(cè)器機(jī)體上被撞開幾個(gè)洞,但并未發(fā)生嚴(yán)重故障。

1971年12月,蘇聯(lián)的“火星3號(hào)”飛船的登陸艙在火星上軟著陸。1976 年7月20日和8月7日,美國的“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”飛船的登陸艙分別在火星上著陸成功。登陸艙主要進(jìn)行了生物探測(cè)試驗(yàn),兩個(gè)登陸艙的著陸點(diǎn)都選擇在估計(jì)水分較多,生命存在可能性較大的地方。

美國的“火星探路者”飛船代表了火星探測(cè)的重要階段?；鹦窃诘孛婀ぷ魅藛T的遙控下在火星上行駛,實(shí)現(xiàn)了對(duì)火星較大范圍的移動(dòng)考察。

“火星探路者”于1997年7月4日在火星上名為“戰(zhàn)神谷”的地區(qū)著陸, 7月6日凌晨1時(shí)59分,“漫游者號(hào)”探測(cè)車駛下飛船的坡道,踏上火星表面。這是人類的車輛首次在火星大地上行駛。數(shù)小時(shí)后開始傳回火星表面的彩色圖像。1997年11月4日,“火星探路者”飛船正式結(jié)束使命,它總共傳回有關(guān)火星地貌、日出和日落的9669幅照片,取得了許多重要的科學(xué)成果。

1999年3月,美國發(fā)射的“火星全球勘探者”飛船開始對(duì)火星繪圖,并收集火星形態(tài)、地貌、重力、天氣和氣候、表面和大氣層以及行星際磁場(chǎng)的數(shù)據(jù), 每7天完成一次對(duì)火星全球的繪圖。至2001年4月,“火星全球勘探者”飛船圍繞火星運(yùn)行了1萬多個(gè)軌道周期,發(fā)回的探測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了此前歷次火星探測(cè)成果的總和,僅NASA在網(wǎng)上公布的火星全球勘探者飛船拍攝的照片就已超過6.7萬張。

2001年4月7日,美國發(fā)射了“火星奧德賽”飛船,于2001年10月24日到達(dá)火星,繪制了火星表面化學(xué)元素和礦物的分布圖形,尋找火星的水源。

2003年6月2日,歐洲空間局發(fā)射了“火星特快”飛船,同樣將探測(cè)火星是否有水作為重要目標(biāo)。

2003年,美國航空航天局先后發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)車“機(jī)遇號(hào)”和“勇氣號(hào)”,并在2004年1月在火星安全著陸后,就不斷地向地球發(fā)回前所未有的清晰的火星大地圖片。當(dāng)初預(yù)定這2臺(tái)探測(cè)車的工作時(shí)間為3個(gè)月。但是過了三年半,現(xiàn)在它們?nèi)匀豁樌卦诶^續(xù)執(zhí)行觀測(cè)使命(雖然也出現(xiàn)過一些問題,但最終還是頑強(qiáng)地“活”了下來)。

“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)車在火星探測(cè)中做出的最精彩的表現(xiàn)是分別發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)火星過去曾經(jīng)有液態(tài)水,而且可能是大洪水。

如“勇氣號(hào)”于2005年3月20日(第431個(gè)火星日)拍攝了被它碾壓過的沙地,沙地呈白色,是一種含硫酸鹽較多的物質(zhì),這是曾經(jīng)有過水的有力證據(jù)。“機(jī)遇號(hào)”同樣發(fā)現(xiàn)和拍攝了火星上曾經(jīng)有過液態(tài)水的圖片,如在2005年11月23日至12月5日拍攝的多幅圖片中,可以清楚地看到巖石表面具有明顯的沉積巖特性,屬于水成巖,因此,可確認(rèn)火星在過去有過液態(tài)水?！皺C(jī)遇號(hào)”發(fā)現(xiàn)火星上過去存在過水或大洪水的證據(jù)還有多處:如“機(jī)遇號(hào)”拍到的一些圖片顯示,其著陸地周圍的巖石上嵌有球形顆?！八{(lán)莓果”,經(jīng)過研究,科學(xué)家們認(rèn)為它們可能是被水浸泡過的多孔巖石中所溶解礦物的凝結(jié)物等。

精彩表現(xiàn)之二是“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)車在高低起伏的火星表面行走,在駛過一個(gè)又一個(gè)沙丘時(shí),曾一度被陷在兩個(gè)沙丘之間的洼坑里動(dòng)彈不得,困在那里長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月。但最終還是在美國航空航天局工程技術(shù)人員的幾度努力下,找到脫身的方法,終于被解救出來,一直工作到現(xiàn)在。據(jù)有關(guān)資料介紹,“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)車至今“筋骨”硬朗,仍在執(zhí)行觀測(cè)、拍片的使命。

精彩表現(xiàn)之三火星上多塵埃、沙土?！坝職馓?hào)”探測(cè)車在一處名為“丈夫山”的地方“抓拍”到火星上的龍卷風(fēng)。因此,作為火星探測(cè)車動(dòng)力源的太陽能電池板上必然會(huì)留存大量的沙塵而導(dǎo)致電池板失效,屆時(shí),探測(cè)車就“無能為力”了。但結(jié)果正相反,龍卷風(fēng)把太陽能電池板上的沙塵吹干凈了。這應(yīng)該是兩架探測(cè)車能夠如此超長(zhǎng)期服役的原因之一。

2007年,美國國家航空航天局的“鳳凰”號(hào)啟程前往火星,并在經(jīng)歷將近一年、6.75億千米的旅程之后,已在2008年5月25日成功登陸火星北極。主要任務(wù)是尋找火星土壤中可能存在的生命跡象。

美國國家航空航天局的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室于2011年11月25日啟程前往火星,它于2012年8月6日在火星表面著陸,有6個(gè)輪子,擁有前所未有的機(jī)動(dòng)性能,并且使用核能提供電力,至少在火星表面工作一個(gè)火星年的時(shí)間。同時(shí),火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室還攜帶各種先進(jìn)的儀器,它配有200萬像素的主照相機(jī),配合10倍光學(xué)變焦鏡頭和三色真彩色感光能力,將可以拍攝到超高清晰度的全景照片,同時(shí)這部相機(jī)還將內(nèi)置MPEG-2硬件影片壓縮能力,可以拍攝每秒10畫格的高清晰影片,相機(jī)本身將配有至少256MB內(nèi)存和8GB閃存以暫時(shí)保存拍攝的照片和影片,配合火星通信軌道器提供的基于激光通信的超高帶寬支持,火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室將會(huì)使現(xiàn)在正在火星上工作的雙胞胎火星車“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”相形見絀。

美國的火星樣本取回任務(wù)計(jì)劃將于2013年實(shí)施,計(jì)劃于2016年將半千克左右的火星土壤和巖芯樣本送回地球作進(jìn)一步研究。這個(gè)計(jì)劃包括一個(gè)環(huán)繞火星軌道運(yùn)行的返回裝置和一到兩個(gè)著陸裝置,著陸裝置可能配備有可以小范圍移動(dòng)的火星車,如果那時(shí)火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室仍然可以工作,可能也會(huì)利用火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在大范圍內(nèi)提前采集樣本,或者再發(fā)射一枚類似火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的火星探測(cè)車用于這個(gè)目的。采集樣本以后,樣本將會(huì)被一枚小型火箭發(fā)射到火星軌道,與返回裝置對(duì)接,這個(gè)對(duì)接也可能不只一次,然后由它將樣本一次性送回地球。

2018年的火星任務(wù)將是一個(gè)著陸器,用于尋找火星上可能存在生命的證據(jù)。

2020年將會(huì)有更多的樣本返回任務(wù)實(shí)施,用于將火星樣本送回地球。