曲径通幽

9.1 行星际轨道与引力助推

9.1.1 怎样选择行星际飞行轨道

在行星际空间飞行的人造天体称为行星际飞行器，包括飞向、绕过或击中行星(硬着陆和软着陆)的飞船等。行星际飞行器的运动基本上可以认为是在地球、太阳和其它行星的引力作用下的性多体问题，利用作用范围可以把它简化为受摄二体问题。

行星际飞行器的运动大致可分为三个阶段：一是从地球表面发射到脱离地球作用范围。主要是飞行器相对于地心的运动。它除了受地球引力和大气阻力作用外，还受月球和太阳的引力作用。它相对于地球的运动接近于双曲线.这一阶段的飞行时间很短.二是从离开地球作用范围到进入目标行星运动.飞行器在太阳(有时还要考虑某些行星)的引力作用下，相对于太阳的运动基本上是一个椭圆.这一阶段飞行时间最长，是飞行器运动的主要阶段.三是进入目标行星和太阳的引力作用下运动，它相对于目标行星的运动轨道接近于一条双曲线.如果要使飞行器成为行星的人造卫星或者在行星表面上软着陆，则需利用制动火箭使飞行器减速.

有些飞行器是同时飞往几个行星的，这些飞行器的运动除了上述三个阶段外，当进入“过路”行星的作用范围时必须考虑这些行星的引力作用，直到完全脱离它们的作用范围为止.对于需要回收的行星际飞行器，它的返回轨道也经历上述几个阶段，只是过程相反，即把目标行星当作出发行星，把地球当作目标行星.

一、霍曼轨道

行星际飞行器的轨道主要是在轨道的过渡阶段，这个阶段的轨道设计十分重要.最节省能量的过渡轨道是日心椭圆轨道，它在近日点和远日点上分别与相应的两个行星的运动轨道相切，故又称双切轨道，如图9-1所示.这种过渡轨道是霍曼在1925年首先提出的，也称霍曼轨道.

飞近日点外圈行星的轨向道远日点r2太阳r1返回地球的轨道

行星轨道

图9-1 双切轨道

沿着双切轨道运动的飞行器，从地球到目标行星的飞行时间，是这个椭圆运动周期的一半.根据各个行星的平均轨道半径，可求出从地球沿双切轨道向行星发射飞行器的速度vp和飞行时间t1，见表9-1.从表中可以看出，采用双切轨道固然可以节省燃料，但飞行时间却很长，对于象天王星等较远行星，采用上述轨道，需要16年才能到达，显然是不现实的.另外，双切轨道对于发射时的精度要求较高.若过渡轨道采用抛物线轨道，相应的发射速度将大于双切轨道所要求的发射速度.设相应的发射速度和飞行时间分别为v'p和't2，则二者的值有很大变化.可以看出，对于较远的外行星，只要增加一些发射速度，就能大大缩短飞行时间。

表9-1 发射速度与飞行时间

双切轨道 抛物线轨道 vp(公里/秒) t1 (年) v'p(公里/秒) 't2 (年) 行星 13.39 0.2888 16.66 水 星 11.47 0.3999 16.66 金 星 11.57 0.7087 16.66 0.1913 火 星 14.23 2.731 16.66 1.108 木 星 15.20 6.048 16.66 2.530 土 星 15. 16.03 16.66 6.776 天王星 16.15 30.60 16.66 12.965 海王星 16.27 45.46 16.66 19.276 冥王星 这里还要指出，飞船插入行星轨道的时间是精心选择的，即必需在飞船飞近远日点时，目标行星也刚好运行到该点。因此，飞船在进入双切轨道时必需掌握时机，这样的机会对火星来说，每26个月一次。

9.1.2 探测外行星的飞船为什么不直接奔向目标

从地球到外行星去旅行可不是一件易事，不仅要克服地球引力，还要经过长途旅行，才能进入目标行星的轨道。根据计算，从地球发射的飞船如果进入木星轨道，其速度需39km/s。要直接获得这样高的速度，要求运载火箭具有强大的发射能量。从经济和技术两方面考虑，一般探测外行星的飞船都不直接奔向目标，而是借助于邻近行星的“引力助推”作用，使其不断增能加速。

当轨道在主天体的飞船靠近飞越第二个天体(其轨道也在主天体)时，第二个天体对飞船的引力将影响其对主天体的轨道。对行星际轨道情况，主天体是太阳，第二个天体是行星。对行星轨道，主天体是行星，次天体是行星的卫星之一。引力助推飞越主要用于改变能量和(或)飞船轨道相对于主体的倾角。

所有探测外行星的飞船都利用了引力助推效应。如在Galileo飞船的行星际轨道中，飞越金星(一次)和地球(二次)都用于使飞船增加能量(即速度)，因而离开地球投射的能量可比直接地球-木星输送所需的能量大大减少。在接近木星时，靠近飞越(1000公里高度)Io(木星的一个卫星)用于减缓飞船速度以降低进入木星轨道所要求的速度变化。靠近飞越伽利略卫星时，用于增加能量，减小相对于木星的倾角以完成飞船的使命。

不管是低的靠近速度还是更靠近的飞越，都将引起矢量较大的旋转，因此在主体中心坐标中产生大的速度变化。

表9-2 给出飞越9大行星可能获得的最大速度增量。

表9-2 飞越9大行星可能获得的最大速度增量(km/s) 水星 3.01 金星 7.33 地球 7.91 火星 3.55 木星 42.73 土星 25.62 天王星 15.18 海王星 16.75 冥王星 1.10 引力助推作用不仅可使飞船的速度发生变化，还可以改变轨道倾角。 如果探测外行星，需多次利用引力助推作用。在飞船获得到达目标行星所需要的速度和方向之前，往往要多次飞越地球、火星等内行星。这样，到达目标行星所需要的时间也大大增加。

9.2 行星际探测器的主要类型

9.2.1 轨道器 9.2.2 大气层探测器 9.2.3 着陆器 9.2.4 通讯中继

9.3 行星探测概况

9.3.1 类地行星与月球探测 1．火星探测

前苏联在第一颗人造地球卫星上天5年以后，就开始了火星探测。1962年11月，苏联发射了“火星1号”探测器，1963年6月19日飞越火星，获得了太阳风、行星际磁场和流星等的探测资料，这是人类首次成功的火星探测飞行，揭开了人类探测火星的序幕。

1971年12月，前苏联的“火星”3号飞船的登陆舱在火星上软着陆。1976年7月20日和8月7日，美国“海盗”1号和“海盗”2号飞船的着陆舱分别在火星着陆成功。登陆舱主要进行了生物探测试验，两个登陆舱着陆点都选择在估计水分较多，生命存在性较大的地方。两个登陆舱上的仪器从火星表面取土样，用C1`4作示踪原子，并用气相分析分光仪来寻找有机化合物的痕迹。实验结果表明，土样在实验期间发生了某种变化，但无法完全肯定这种变化是土壤中微生物的新陈代谢造成的。因此火星上存在生命的可能性是非常微小的。

美国的“火星探路者”代表了火星探测的重要阶段，主要目的是让有轮子的火星车在地面工作人员的遥控下在火星上行驶，以实现对火星较大范围的移动考察。“火星探路者”飞船于1997年7月4日在火星上名为“战神谷”的地区着陆，7月6日凌晨1时59分，漫游者号探测车驶下飞船的坡道，踏上火星表面。这是人类的车辆首次在火星大地上行驶。数小时后开始传回火星表面彩色图像。1997年11月4日，“火星探路者”正式结束使命，它总共传回有关火星地貌、日出和日落的9669幅照片，取得了许多重要科学成果。

1999年3月，美国发射的“火星全球勘探者”（MGS）飞船开始对火星绘图，并收集火星形态、地貌、重力、天气和气候、表面和大气层以及行星际磁场的数据，每7天完成一次对火星全球的绘图。至2001年4月，MGS围绕火星运行了一万多个轨道周期，发回的探测数据，已经超过了此前历次火星探测成果的总和。仅NASA在网上公布的MGS拍摄的照片，就已超过6.7万张。图9-1是MGS绘制的火星地形图。

图9-1 “海盗”号飞船与MGS拍摄的“火星脸”（右图为MGS拍摄）

2001年4月7日，美国发射了“火星漫游者”飞船，于2001年10月24日到达火星，绘制火星表面化学元素和矿物的分布图形，寻找火星的水源。

2003年，欧洲空间局将发射“火星特快”，同样将探测火星是否有水作为重要目标。 计划中的探测火星活动包括：

二、金星探测

美国1962年8月26日发射“水手”2号，它于1962年12月14日到达金星附近。星载微波辐射计测量了大气深处的温度，红外辐射计测量了云层顶部的温度。磁强计的测量结果表明金星磁场很弱，在它的周围不存在辐射带。1967年6月12日，前苏联发射的“金星4号”飞行舱于同年10月18日利用降落伞首次进入金星大气层，取得了金星表面25公里以上的大气特性数据。1975年6月，前苏联发射的“金星”9号和10号抵达金星，它们都由一个环绕金星的轨道舱和一个降落在金星表面的登陆舱组成，从发回的第一张金星表面照片可以看到，在着陆点附近是有棱角的石头。

1978年美国发射了“先躯者金星”1号和2号，1号于1978年12月4日进入了围绕金星运行的轨道，距金星的高度最近为150公里，最远为66900公里。它上面共安装了12台探测仪器，分别测量金星的表面形状、大气、云层和电磁等物理特性。2号由一个公用舱和降落在金星表面的4个探测器组成，主要任务是探测大气的垂直结构、低层大气特性和大气环流模式。它们携带的主要仪器是用于测量大气成分、温度和压力。 到目前为止，探测金星的飞船已达27艘。

计划中的金星探测飞船有：

三、水星探测

水星是太阳系中最靠近太阳的一颗行星，离太阳的平均距离只有0.387AU，从地面上观测水星时，它相距太阳最远时角度只有28，它常常湮没在强烈的太阳光背景下而无法对它进行观测。

1973年11月3日美国发射的“水手”10号飞船，是唯一对水星进行直接探测的飞船。它也是第一艘连续探测两颗行星的飞船。1974年2月5日飞越金星上空后，利用金星的引力改变飞行轨道，进入近日点在水星轨道上的日心轨道，成为人造行星，公转周期为176天，正好是水星公转周期的2倍，因此在1974年3月29日与水星第一次相遇(距水星表面703公里)后，1974年9月21日第二次在离水星48069公里处飞过，1975年3月16日又第三次飞过水星，距水星327公里。

计划发射的飞船有欧洲空间局（ESA）的Bepi Colombo水星探测器，其目的是解决下列基本问题：

1．为什么水星的密度是那样高？

水星的密度高可能有以下因素： 在行星增殖的供应区，铁的集中比较大；由于靠近太阳，氧化物被还原成金属形式；太阳的加热蒸发了大量外岩石物质；多次巨大撞击排除了幔的相当多物质。

2．水星磁场的源在哪？

水星的磁场大约是地球的百分之一（在赤道是几百nT），除地球以外，它的磁场是比较强的。然而，，对这个场的特征人类了解得很少，只是由水手10号的两次飞越获得的，不能由此确定水星的磁场来自内核，还是来自磁化的幔。 3．水星的地质是怎样演化的？

水星的表面是由各种外源和内在的过程形成的。在历史上发生过大的撞击，表面年龄一般超过35亿年。由于缺乏大气，撞击的速度也比较大。 水星现在可能仍是构造活动的，赤道凸起的减弱，由于幔冷却的收缩和由高偏心轨道引起的潮汐压力，导致了悬崖、断层和地貌的生成，这些是上述过程的证据。全面地研究水星的地质演变，需要在可见光、红外波段对其表面进行全球成象。 4．水星的极区有水冰吗？

1992年，在地面用雷达观测发现，在极区的陨坑中可能含有水冰。这需要用中子谱仪加以证实。

5．水星的外层有哪些挥发性成分？

水星没有稳定的大气层，行星的气态环境可描述为外层。水手10号以及地面观测已经证实了5种元素的存在，即O、H、Ne、Na和K。其它元素需要用UV谱仪进行探测。研究外层也提供了表面化学组成的线索。

6．在没有电离层的情况下，行星际磁场怎样与太阳风相互作用？

水星磁层平均来说仅是地球磁层的5%，且所经受的太阳风密度和IMF是在1AU时的4~9倍。没有电离层和在白天强大的光电发射，引入了关于磁层电流闭合的有趣问题，其形态可能完全不同于地球上所观测到的。如：如果亚暴发生，它们是由IMF反转还是由于某种不稳定性？

21世纪初计划探测水星的飞船还包括 “水星磁层多卫星”(Mercury magnetospheric Muti-Sats)。多卫星可同时和以多种方式观测太阳风、磁层和水星本身。对水星磁层快速变化的研究，可使人类更好地了解和预报地球和其它行星的磁扰动。

四、月球探测 1．月球探测概况

月球探测始于1958年，到目前为止，已发射66个探测器（包括失败的），大部分探测集中60至70年代。在80年代，探月活动基本停止，一直到90年代处，人类才重新开始新的月球探索。

月球的探测形式包括飞越（flyby）、硬着月或软着月、环月、由登月舱取样返回、载人登月和建立永久性的基地。前苏联于1959年1月2日发射的Luna 1，是第一个飞越月球的探测器。前苏联于1959年9月14日发射的Luna 2是第一个硬着月的探测器，而于1966年1月31日发射的Luna 9首次在月球表面成功软着月。第一个环月探测器是前苏联的Luna 10，于1966年3月31日发射，现仍在月球轨道。美国于1968年12月发射的Apollo 8，是第一艘载人的环月飞船。前苏联发射的Luna 16是第一艘从月球取样返回的飞艇式探测器，于1970年9月20日在月球着陆，并将100g月球物质带回地球。1970年7月20日，美国Apollo 11号载人飞船成功登月，并从月球带回21.7kg的土壤和岩石样品，这是人类首次踏上月球。

1994年，美国发射了Clementine环月飞船。从1994年2月6日到5月5日，在月球轨道上飞行了71天。1998年1月7日，美国发射了“月球勘探者”（Lunar Prospector）飞船。

在各种探测方式中，环月探测是必不可少的基本方式，不管是在初始探测，还是在深入探测时都有非常重要的意义。环月探测器类似地球的遥感卫星，可有效地对月貌进行观测，绘制月球的三维图象；环月方式可探测近月空间及月表的宇宙线和太阳风的成分、通量与能谱，月球的磁场和重力场，月球大气的成分与特征，月表的物理与化学环境等，这对于了解月球的起源和演变是非常重要的，同时，也为载人登月做了必要准备。正因如此，美国和前苏联都进行了多次环月探测。表9-2概述了九十年代以前环月探测的情况。

表9-2 美国和前苏联成功的环月探测飞船

飞船名称 Luna 10 国别 USSR 发射时间 966.3.31 Lunar orbiter1 Luna 11 USA USSR 1966.8.10 1966.8.24 Luna 12 USSR 1966.10.2 Lunar orbiter2 Lunar orbiter3 Lunar orbiter4 Explorer 35 Lunar orbiter5 Luna 14 USA USA USA USA USA USSR 1966.11.6 1967.2.5 1967.5.4 1967.7.19 1967.8.1 1968.4.7 Apollo 8 USA 1968.12.2 Apollo 10 Luna 19 USA USSR 1969.5.18 1971.9.28 Luna 22 USSR 1974.5.29 目的与成果 测量近月空间环境，携带了射线谱仪、三轴磁强计、流星探测器、太阳等离子体测量仪、月球红外辐射计、月球环境辐射状态测量仪、重力测量仪。Luna 10飞行了460个月球轨道。 为Apollo飞船选择和验证安全的着陆点。收集了辐射强度和微流星撞击数据。 研究目的包括月球的射线和X射线发射以确定月球的化学成分；月球的重力异常；近月的流星浓度和近月的硬微粒强度。共飞行了277个月球轨道。 携带了电视系统，获得并向地球发回了月球表面的图片，图片的分辨率为14.9~19.8m，共飞行了602个月球轨道。 同Lunar orbiter1 同Lunar orbiter1 同Lunar orbiter1 获得了月球场和粒子数据。 同Lunar orbiter1 携带的仪器类似于Luna 10，研究了地球与月球物质的相互作用，月球重力场，在不同轨道位置无线电通讯的传播与稳定性，测量了太阳带电粒子和宇宙线，测量了月球的运动。 载人月球轨道器。宇航员经历了首次环月飞行，并成功返回地球。宇航员获得了许多质量优异的70-mm照片。 载人月球轨道器。 系统地研究了月球重力场，质量集中位置，也研究了月球辐射环境和太阳风，电视系统获得了月球的图象。 携带了成像照相机，测量了月球表面磁场，表面射线和表面岩石的成分，重力场以及微流星和宇宙线。在18个月的环月飞行期间，为了使各项实验获得最佳效果，飞船进行了多次轨道调整，最低点降到距月球表面25km。 2．Clementine飞船

Clementine飞船于1994年1月25日发射，2月19日进入月球轨道，2月26日开始对月球绘图。5月5日退出月球轨道，原定计划观测近地小行星1620 Geographos, 但因飞船出现故障没有实现，于6月结束使命。

Clementine携带了4个照相机和一个激光测距系统(LIDAR)。照相机包括紫外-可见光照相机(UV-VIS)、长波红外照相机(LWIR)、高分辨率照相机(HiRes)和近红外照相机(NIR)。另外还有两个恒星跟踪照相机，主要用于确定高度。照相机的分辨率是每个像素125-250m。Clementine的轨道是倾角为90的极轨轨道，因此成像范围覆盖整个月面。近月点距离月心2162km，远月点为4594 km (月球半径为1738km)。轨道周期大约5小时。在这个轨道周期内，月球在飞船下面大约旋转了2.7。在71天的轨道飞行中，在可见和近红外谱段对月球的成像面积达三千八百万平方公里（约一百万幅像）。此外，还获得了六十二万张高分辨率照片和三十二万幅中红外热成像，激光测距系统绘制了月球的形态，丰富了人类关于月球引力场的知识，加深了对太阳和磁层高能粒子环境的了解。

3．Lunar Prospector

Lunar Prospector的轨道是距离月面10020km接近圆形的低极轨，因为其主要科学目的是测量月球表面成分，特别是寻找极冰，进一步确定月球的磁场和引力场，确定气体释放事件的频率和位置，这些对了解月球的状态和起源是非常重要的。基本的测量项目包括表面成分测绘、引力测绘、磁场测绘和外流气体位置测绘等四个方面。

9.3.2 类木行星探测 一、概况

类木行星包括木星、土星、天王星和海王星，它们与类地行星有许多不同之处，除了具有体积大、自转快、大气层厚和卫星多的共同特点之外，象木星的大红斑、土星的光环、天王星奇特的自转方向等，都吸引人们去探测它们。

由于类木行星离地球十分遥远，使得对它们的探测非常困难，包括动力和通讯。由于他们离太阳太远，利用太阳能作动力已不可能，一般采用同位素热电池作能源；为了保证与地面通讯不致中断，都装有一个极大的抛物面天线。

最早探测木星的是“先躯者”10号，于1972年3月2日发射，1973年12月3日，在距130000公里高处飞越木星。1973年4月6日发射的“先躯者”11号，在1974年12月3日飞越木星时，利用木星的引力改变轨道飞往土星，1979年9月飞越土星，向太阳系以外飞去。

1973年12月1日，美国“先驱者10(Pioneer 10)”号飞船飞越木星。它从132250km高度的木星云顶通过，返回了木星及其卫星的500多幅图像。“先驱者10号”最大的成就是收集了木星磁场、捕获带电粒子和太阳风相互作用的数据。1974年12月1日，“先驱者11”号从42900 km高度的木星云顶通过，获得了比“先驱者10”号更好的图像。

1977年8月和9月，美国先后发射了“旅行者2号”和“旅行者1号”两艘完全相同的飞船组成，“旅行者”1号对木星和土星进行了联测，2号则对木星、土星和天王星进行了联测。

19年10月18日，美国和欧空局联合发射了Galileo飞船，用于探测木星和它的4个卫星。Galileo飞船由轨道器和大气层探测器组成。1995年7月12日，探测器从Galileo轨道器上释放，测量了木星大气层的结构。目前，轨道器仍在木星轨道对木星及邻近的卫星进行探测。2000年12月，Galileo飞船与探测土星的“卡西尼”飞船会师在木星附近，对木星进行首次联合探测。那时一个飞船在木星磁层里面，另一个位于磁层外面，观测扑向木星的强烈太阳风。利用这次难得的机会，深入研究了太阳风对木星周围磁性的影响。

在21世纪初，对类木行星的研究重点集中在生命的起源和演化。因此要寻找在类木行星的卫星上生物前或原始生物活动的证据。木星的卫星Europa和土星的卫星Titan最象是有生命存在的地方，它们可作为了解什么样的行星环境可产生生命的天然生物学实验室。

Europa 是木星四个主要卫星之一，大小与月亮接近。它的高反照率和谱特征表明表面水冰或霜冻。Galileo飞船的观测指出，液体水海洋可能存在于这个冰壳之下。液体水似乎是生命发展和维持的关键成分。Europa由木星引力产生的的内部加热可能产生水热排气，类似于地球上所知道的隐藏的非光合作用生命形式。于是，对任何Europa海洋的检测和表征是在地球外寻找生命证据的必要部分。

Titan是土星最大的卫星，有厚的氮-甲烷大气层，表面压力是地球的1.5倍。实验室模拟和Voyaager的数据强烈地表明，巨大的大气层有机化学是由太阳光供能的。Casini 飞船将提供对其表面特征和表面与大气层相互作用的初始观测。然后，更高级的探测将提供Titan表面和大气层的详细特征。这些数据可能提供关于早期地球导致生命出现条件的线索。

类木行星大气层因它们强大的引力场和相对低的温度而成为原始物质的丰富源。在这些大气层中发现的复杂的有机化合物、同位素成分表明，在太阳系形成前后这里发生复杂的过程。

太阳现在含有几乎所有原始太阳星云质量；因此，太阳成分预计限定了行星物质演化的平均星云成分。然而，当前对太阳元素成分的知识是相当贫乏的(范围从10%的精度到根本没有数据)，几乎没有任何所知的同位素丰度的精度能满足研究太阳系演化的需要。

二、Voyager 飞船

Voyager-2和Voyager-1分别于1977年8月20日和1977年9月5日发射升空；它们先后探测了木星、土星、天王星、海王星，发现了或证实、修订了木星的16颗卫星、土星的24颗卫星、天王星的15颗卫星和海三星的８颗卫星的比较精确的数量和各种数据，还发现了许多前所未知的新情况，顺利地完成了探测太阳系的“超级旅行”任务，为人们提供了５万亿比特科学数据和发回了10万张精致逼真、绚丽多姿的照片。这些数据相当于6000套《英国大不列颠百科全书》的信息容量，等于为地球上的每人提供1000比特的信息。人们通过“旅行者”号在这样短时间内对外行星进行考察所获得的科学知识，比过去数百年里所获得的有关这些行星的知识还要多得多。

Voyager系列飞船的探测活动是精心设计的。它利用20世纪70年代后期和80年代外行星排列的几何位形，使得对4颗行星的联测可用最小的推进剂和最短的时间完成，这样的机会对木星、土星、天王星和海王星来说，每175年才有一次。在这期间，飞船以特殊的轨道从一个行星附近转向飞到另一个行星，不需要飞船携带大的推进系统。在每个行星的飞越都使得飞船改变方向、增加速度并足以到达另一个目标行星。

1979年3月5日，Voyager-1从距离木星278000公里处飞过，在4月初离开木星，获得19000张照片，并对木星进行了许多方面的探测；

Voyager-2最靠近木星（距离木星3公里）发生在1979年7月9日，直到8月才离开木星，对木星和它的5个卫星拍摄了33000张照片；

Voyager-1/2号的土星相遇发生在1980年11月和1981年8月，它们探测了土星的大气，发现了土星环更多的结构，发现了6个新卫星，并研究了磁层。

Voyager-2号在1986年1月24飞近天王星，拍摄了几千张照片，辨别了天王星环的特点，测量了大气层的成分，发现了辐射带。

Voyager-2号在19年8月飞近海王星，探测了大气成分、磁场，发现了6个新卫星。 “Voyager-1”号在完成对木星、土星的探测后，美国NASA的科学家们不放过每过175年才遇到一次的难得机会，要让“Voyager-1”号再进行一次“回头看”的“六星联视”活动，拍一张“全家福”照片。 1990年2月14日，“Voyager-1”号在４个小时内成功地拍摄了张精美的彩色照片，把太阳系的６大行星（海王星、天王星、土星、金星、地球和木星）又都拍摄回来。经科学家们仔细镶嵌拼成一幅壮观的“六星联视”太阳系图形。当时因冥王星离太阳太远，水星因离太阳太近。而火星又因被太阳光淹没而均未拍到。 为了在最短的行程里，最便利的时间里能探测在不同轨道上的行星，就必须经过精心计算，选择好探测器的航行路线和发射时机，或 “发射窗口”，并能计算好巧妙地利用各行星的强大引力，使探测器不但不被行星“捕获”掉下去，反而得到加速力，更快地航行，这种被称为“引力助推”技术应用得当，也是选择航行路线的一个重要因素。这些客观条件都列入“发射窗口”之中，经过精心计算，要使一颗探测器能连续探测木星然后再飞向土星的机会是２０年才有一次；要连续探测木星、土星、天王星三颗行星的平均间隔时间是４５年才遇一次，要想多星联访，“阖家合影”，是175年才有一次的机会。在２０世纪下半叶的这个航行路线的发射时机，只是1977年８月２０日以后的一个月之内发射探测器，才能正巧赶

上“六星合影”的最佳日期，也就是说在这期间，太阳系行星间出现近似直线的罕见排列机会。

“Voyager-1”号和“Voyager-2”号宇宙飞船，在完成了对木星、土星、天王星和海王星的“四星联游”探测任务后，于19年８月开始继续向外飞行，执行星际探测（VIM）任务，现正在太阳系的边缘区域继续向银河系航行。

在VIM的开始，Voyager-1和Voyager-2距太阳分别是40AU和31AU，逃出太阳系的速度分别是3.5AU/年和3.1AU/年。 为了探索地外文明，“Voyager”还带上了一份“地球之音”的唱片，其中有一份由美国当时的总统卡特于1977年８月签发给“宇宙人”的人类第一份电文。这份电文以及其他许多信息，都录制在一个镀金铜唱片上。这个唱片的直径为30.5厘米，还有一套播放器件，包括一个磁唱针等一起装在一个特制的铝盒中，铝盒子用钛制螺栓固定在飞船的壁上。在铝盒的表面还用电笔蚀刻着用科学语言写的唱片用法说明文字。这张唱片可以保证１０亿年仍能正常播放。这张唱片可以连续播放两小时。记录的是地球上各种有典型代表意义的信息，包括用图像编码信号形式录制的用以表现人类起源和文明发展的116张图片，35种地球自然界的音响，包括风雨雷电、山崩地裂、鸟鸣兽吼、人笑婴啼等，还有22首世界名曲，55种不同的语言等等。这些信息，具有很高的信息密度和非常丰富的“地球之声音”，它存储的精心选择的许多图片，能比较充分地反映地球和地球人类的各种情况。

“旅行者”号飞船19年掠过太阳系边沿的冥王星，然后以每秒17.2公里的速度向银河系其他恒星飞去，大约要过14.7万年和55.5万年，才能分别到达另一个恒星世界。到2001年5月，飞船的状态如下：

Voyager-1 Voyager-2 到太阳的距离（百万公里） 12158 9597 到地球的距离（百万公里） 12033 5963 相对于太阳的速度（km/s） 17.249 15.751 相对于地球的速度（km/s） 31.747 26.054

由于“旅行者”号飞船携带的核电源有限，只能工作几十年，加之距离越来越远，发射、接收电信号越来越微弱，预计将在2015年左右与地球失去联系。

三、 Galilleo飞船

“Galileo”不是单一目标的“木星探测”，而是对木星系统探测的整体计划。它的主要目的是作为一个整体了解木星系统，也即包括木星及其卫星。

木星系统从许多方面来说都是有另人感兴趣的。首先，木星本身是太阳系最大的行星(它含有大约75%的太阳系非太阳物质)。这颗行星本质上是在类地行星和恒星间过渡的天体，基本上是由氢和氦组成的，成分比例近似于太阳，有来自古代累积加热和引力坍塌的内部热源。它的成分可能有点受到原始太阳星云的影响。木星大气的形态有许多在类地行星大气中不存在的奇怪现象。“Galileo”发射的目的是解决某些关键问题，包括氢与氦的精确比率，内部加热怎样影响行星的外区，什么机制驱动了大红斑的运动等等。

第二是卫星和环系统。从被伽利略发现之日起，木星系统就被认为是“小太阳系”，许多特征是与大系统共同的，包括卫星的组成随着到主体距离的变化。经计算，在木星演化的早期吸积阶段，它发射了比现在多一千万倍的能量，因此导致在其卫星上观测到的成分梯度。当前卫星与行星间的相互作用是重要的，并影响到卫星的观测特征，例如在Io上引起火山。 木星的磁层在行星磁层中是最大的。它的扩展可能包围了太阳和日冕的大部分。它的大小、快速旋转和Io的火山导致在日球中产生最丰富的磁层现象。在Io大气中稠密的火山气体受

木星辐射带稠密的粒子通量撞击。在这个过程中释放的离子包围了木星。“Galileo”是第一次对这个动力磁层系统进行广泛观测。

四、 Cassini飞船

1997年10月15日，美国航空航天局(NASA)与欧洲空间局(ESA)联合研制的土星探测飞船Cassini发射成功，开始了为期7年的漫长旅途。按照计划，Cassini的土星之旅将先后两次飞越金星，继而再与地球和木星檫肩而过，最后于2004年7月抵达土星，对土星的大气、光环、磁场和它的一个卫星泰坦展开长达4年的探测研究。卡西尼的名字来源于17世纪的意大利天文学家卡西尼，是它首次测定了土星周围光环间的最大距离。

Cassini飞船由轨道器和Huygens(惠更斯)探测器组成。“惠更斯”探测器将在泰坦上着陆，对泰坦的“大气层”和表面进行探测，特别是要探测泰坦上是否存在生物。在“惠更斯”探测器工作期间，轨道器将其探测的信息转发到地球。此外，轨道器本身还携带了12种科学仪器，对土星的大气层、环、磁层和土星最大的卫星泰坦进行详细的研究。

在Cassini于2004年飞临土星，进入土卫泰坦的轨道后，将随着泰坦绕土星飞行74圈。随后，惠更斯探测器将脱离卡西尼，在泰坦的引力作用下向泰坦表面降落。这时惠更斯开始执行它的第一项使命，对泰坦的大气层进行分析。它在进入大气时，将释放一个由降落伞携带的自动试验室到泰坦表面。惠更斯探测器系统由探测器本身和探测器支持设备(PSE)组成。PSE的任务是在探测器降落期间收集和传送数据到轨道器。

9.3.3 彗星与小行星探测

人类进入空间时代以来，主要关注九大行星、太阳以及恒星的探测。从20世纪70年代末开始，在一些探测项目中增加了探测彗星和小行星的内容，也就是在探测主要目标天体的同时，对顺路的彗星和小行星进行了拍照等有限的观测。1985年ESA发射的Giotto号，是人类第一个专门用于探测彗星的探测器。199 年美国NASA发射的NEAR飞船，是人类第一个专门探测小行星的探测器。近年来，人们越来越重视对彗星和小行星的探测，美国和欧洲空间局都制订和实施了彗星探测计划，彗星探测活动明显增多，探测的水平比以前有很大提高，不仅要收集彗核附近的样品，而且还计划在彗星上“着陆”。人类直接探测小天体的主要活动如下：

1． 美国的ISEE-3飞船，1978年8月12日发射，其主要目的是行星际空间探测，1985年9月11日，它通过了Giacobini-Zinner彗星的等离子体尾。

2． 美国的Vega 1飞船，1984年12月15日发射，1985年6月11日飞越金星，1986年3月6日飞越哈雷彗星，现仍在太阳轨道；Vega 2，1984年12月21日发射，1985年6月15日飞越金星，1986年3月9日飞越哈雷彗星。

3． ESA的Giotto飞船，1985年7月2日发射，飞越哈雷彗星后，仪器暂停工作，1990年再恢复，利用靠近地球飞越的引力助推作用，将轨道变化到与Grigg-Skjellerup彗星，在1992年7月10日与之相遇。Giotto飞越哈雷时，与彗核相距约200公里。 4． Sakigake & Suisei，日本的深空发射，分别于1996年3月1日和6日飞越哈雷彗星。 5． Galileo飞船，1991年10月29日飞越Gaspra小行星；1993年8越8日飞越Ida小行星；1994年9月观测到了彗木相撞；

6． Ulysses，太阳极轨探测器，1992年在木星附近探测到了星际尘埃，这是人类第一次探测到星际尘埃。Ulysses本身也有彗星探测计划；

7． 哈勃空间望远镜(HST)，1994年观测到彗木相撞，以后又观测到许多彗星的情况。

8．NEAR飞船，1996年3月对彗星Hyakutatk成像；1997年1月27日在距小行星253Mathilde表面1200公里处飞越；1999年1月进入小行星433Eros轨道，对其进行了一年多的观测；

9．DS-1飞船，1999年7月飞越近地小行星99Braille；2001年9月飞越彗星Borrelly。 10．StarDust，1999年2月6日发射，2004年与Wild 2彗星相遇，2006年返回地球； Stardust的科学目的主要有两方面，一是在距Wild 2彗星150km以内的范围取样并返回地球；二是在飞行过程中收集星际尘埃。

所以选择Wild 2彗星为探测目标，首先因为它是一颗新到内太阳系的彗星。1974年以前，Wild 2不比木星更靠近太阳。但是，当Wild 2在1974年飞越木星时，由于木星的巨大引力，使其轨道发生变化，因而它在木星与地球之间围绕太阳飞行。到Stardust与Wild 2彗星相遇时，Wild 2只围绕太阳5次。与之对比，哈雷彗星已通过太阳100多次。第二个原因是，Wild 2还处于比较原始的状态。当彗星靠近太阳时，它将被加热，通过升华过程损失了许多物质。大约通过太阳1000次后，彗星将损失其大多数挥发性物质，不再产生彗发和长的尘埃尾。由于Wild 2现只通过太阳几次，它仍然有大多数尘埃和气体，即它的“原始物质”。对这种彗星的研究对了解太阳系的早期发展是很关键的。第三，现已发现了一个轨道，沿这个轨道，飞船飞越Wild 2时的相对速度低，比较容易对彗星取样。对彗星直接取样，可确定彗星在亚微米尺度的矿物、元素和化学成分；确定彗星中水的状态，全部是冰，还是有水化矿物；确定彗星中基本物质的含量。

尘埃是组成银河系中重元素的主要形式。由于其高的面积/质量比，尘埃在星际过程中起重要作用。它的最重要性质之一是吸收光，使得有可能形成冷的稠密的云，在尘埃云中可形成分子并屏蔽来自其它地方的有害紫外辐射。在某些云中尘埃的制冷效应有助于它们的崩塌以形成新一代的恒星和行星系统。目前观测星际尘埃主要通过观测消光、散射、偏振和红外辐射。仅用这些观测方法，关于SiC丰度、颗粒形态、硅化矿物颗粒年龄等信息是很不确定的。通过直接取样，那怕是只收集一点儿粒子，将提供直接检验在太阳系外形成的固体物质的历史性机会。

11．Muses-C，日本的小行星取样返回飞船，计划于2002年发射。 12．NEAP，美国的小行星飞船，计划于2002年发射。

13．CONTOUR(彗核旅行者)，2002年7月发射，2003年飞越Encke彗星，2006年飞越Schwassmann-Wachmann-3彗星，2008年飞越d'Arrest彗星。

14．Rosetta，ESA的彗星着陆者，2003年发射，2011年到达Wirtanen彗星。

15．Deep Space 4 (DS4)，彗星着陆/取样返回发射，2003发射，2005年到Tempel-1彗星取样，2010年返回。