图解深空探测史

文/叶楠

太阳探测

太阳是我们赖以生存的，也是对我们影响最大的一颗恒星。太阳活动对地球的空间天气、全球气候以及航天活动都有着巨大的影响。1962年，美国宇航局基于“先驱者5号”的空间探测数据，认识到未来执行阿波罗任务中的航天员有可能会遭受过量太阳辐射的危险，因此批准了对太阳风、磁场、等离子体等为目标的空间探测任务，人类对太阳进行空间探测的历程也由此展开。

先驱者6号：首次探日

“先驱者6号”是第一个对太阳进行探测的探测器，于1965年12月16日发射，轨道距离太阳1.47亿至1.21亿公里，位于地球轨道内侧。“先驱者6号”采用圆柱体结构，高89厘米，直径94厘米，侧面覆盖有太阳能电池片，顶端为152厘米高的管状高增益天线，侧面伸出三个165厘米长的悬臂，分别挂载磁强计、氮气姿控推进器和配重。携带的科学载荷为一个三轴磁通门磁强计、两个宇宙线检测器和一对太阳风离子敏感器。最开始，“先驱者6号”持续监测太阳风的细微结构、磁场的变化以及等离子体不连续性等，半年后改为间断性测量。在“先驱者6号”之后，还陆续成功发射了先驱者7、8、9号，但这些探测器都只是位于地球轨道附近，并没有更接近太阳。

值得一提的是，2000年12月8日，“先驱者6号”在其发射后的第35年成功与地面取得联系，联系时间超过2小时。

太阳神号：近距离探日

1967年，美国和西德成立联合小组，开始太阳神任务的研究和实施，发射了两个姊妹探测器对太阳活动及太阳所处的空间环境进行探测，为太阳风的产生和加速机制、行星际介质和宇宙线研究提供了大量的数据。

“太阳神1号”的主体结构高2米，最大直径2.7米。与其他探测器最大的不同是，它的表面由50%的太阳能电池片和50%的玻璃镜片构成，玻璃有较高的反照率，可降低探测器的温度。1974年12月10日，半人马座火箭将“太阳神1号”发射至近日点4600万公里、远日点1.48亿公里的轨道。1976年1月15日发射的“太阳神2号”轨道更加接近太阳，近日点只有4200万公里。1976年4月17日，“太阳神2号”以每秒70公里的相对太阳的速度通过近日点，创造了人类航天器飞行速度的新记录。

尤利西斯号：探测太阳南北极区

尤利西斯号太阳探测器由美国宇航局与欧空局合作研制，以希腊神话中智勇双全的奥德修斯的拉丁文名字命名。目的是研究太阳的性质，加深对太阳风、太阳极区以及行星际磁场等方面的了解。

“尤利西斯号”重366.7千克，长宽高分别为3.2米、3.3米和2.1米，于1990年10月6日从卡纳维拉尔角空军基地升空，由发现号航天飞机送入轨道。由于“尤利西斯号”的轨道几乎与黄道面垂直，探测器并没有直接飞向太阳，而是飞向了木星，1992年2月借助木星的引力加速调整到太阳极轨道上，近日点2.025亿公里，远日点8.1亿公里，分别位于地球轨道及木星轨道以外，轨道周期为6.2年。“尤利西斯号”按计划分别于1994年、2000年和2007年三次通过太阳南极地区；1995年和2001年两次通过太阳北极地区，这是人类历史上第一个对太阳南北极区进行观测的探测器，通过观测数据，科学家们得到了关于太阳活动、磁场及星际尘埃的更多信息。

风：探测太阳风

风太阳探测器又称为星际物理实验室，是美国宇航局全球地球空间科学项目的首个探测器，它重1250千克，直径2.4米，高1.8米，是一颗自旋稳定卫星。“风”于1994年11月1日发射升空，安置于日地拉格朗日L1点处，其科学目标是对黄道面太阳风等离子体现象做出详尽的探测。太阳风是太阳发出的高速带电粒子流，会对地球产生影响甚至危害，比如极光、磁暴等，有可能对人造卫星和电力系统等造成损害。截至2019年5月，依据风太阳探测器数据发表的科学论文超过5000篇。“风”携带的燃料充足，可使它平稳运行至少50年。

太阳和日球层探测器：发现众多彗星

太阳和日球层探测器（SOHO，左图）由美国宇航局与欧空局联合研制，于1995年12月2日发射，发射质量1850千克，长宽高分别为4.3米、2.7米和3.7米。SOHO位于日地拉格朗日L1点，但并非稳定在L1点，而是在垂直于日地连线的平面上围绕L1点做圆周运动，也称为晕轨道，周期为半年。通过其携带的科学仪器能够对太阳色球层、过渡区和日冕、太阳风及相关现象，甚至太阳内部结构进行研究。SOHO的设计寿命只有2年，但至今仍在服役，预计可以继续运行至2022年。令人惊讶的是，SOHO还发展出一个“副业”，人们根据SOHO的观测数据至今已经发现了3000多颗彗星。右图为两颗掠日彗星，同时有一个螺旋状日珥从太阳表面喷薄而出。

高新化学组成探测器：探测高能粒子

高新化学组成探测器（ACE）是美国宇航局研究太阳风子、星际介质及其他来源的高能粒子的空间探测任务。1997年8月25日，ACE从卡纳维拉尔角空军基地由德尔塔Ⅱ型火箭发射升空，于12月12日进入日地拉格朗日L1点附近的晕轨道。ACE对日冕形成及太阳风加速机制、粒子加速及传输等问题进行了观测。美国国家海洋和大气管理局空间天气预报中心也依靠ACE的实时数据来改进太阳风暴的预报。至今ACE的状况依旧良好，预计其推进剂足够维持其轨道至2024年。

起源号探测器：将太阳风粒子带回地球

2001年8月8日，起源号探测器发射升空，目标是收集太阳风粒子并返回地球。11月16日，“起源号”抵达日地拉格朗日L1点，后变轨进入利萨茹轨。12月3日，“起源号”开启收集器阵列（左图），整个收集过程持续850天，“起源号”绕L1点公转5圈。2004年4月22日“起源号”开始返航，为了避免返回舱着陆时的震动有可能会对封存的太阳风粒子造成污染，原计划是利用直升飞机在空中用吊钩钩住返回舱的降落伞，对返回舱进行回收。但不幸的是，返回当天由于返回舱重力开关装置的电池故障，导致降落伞没能按原计划打开，返回舱以每小时320公里的速度坠落在犹他州的沙漠上，并且变形损坏，一半撞入地面并裂开（右图），搜集到的太阳风粒子受到污染，但幸运的是还有一部分标本保存完好。

日地关系观测台：拍摄太阳的三维图像

“日地关系观测台”（STEREO，左图）是美国宇航局和约翰霍普金斯大学联合研制的两个几乎完全相同的太阳探测器，于2006年10月26日发射升空，分别位于地球绕太阳公转轨道的前后两侧，其中STEREO-A轨道在地球轨道内侧，公转周期为347天，STEREO-B轨道在地球轨道外侧，公转周期为387天。两个探测器分别以每年约22度的速度远离地球。这样设计的目的是可以在同一时间从不同的角度对太阳进行立体观测，拍摄太阳的三维图像（右图是一幅太阳立体照片，可借助红绿3D眼镜观看）。两个探测器的设计寿命是2年，但直到2014年STEREO-B才失去联系，而STEREO-A至今还能够继续正常工作。

深空气候观测台：预警太阳风暴

“深空气候观测台”（DSCOVR）是美国国家海洋和大气管理局的一个空间天气、空间气候及地球观测探测器。早在上个世纪90年代末，DSCOVR就已经制造完成，一直保存在戈达德空间飞行中心，直到2015年2月11日，太空探索技术公司的猎鹰9号运载火箭终于将DSCOVR送入太空并最终进入日地拉格朗日L1点的利萨茹轨道，每6个月绕L1点公转一周。在这个位置它可以比地球早60分钟探测到日冕物质抛射并作出预警。

帕克号：最接近太阳的探测器

帕克号太阳探测器（左图）由美国宇航局与约翰霍普金斯大学共同研制，其命名来自于天体物理学家尤金·帕克，他于1958年首次提出太阳风的概念。2018年8月12日，“帕克号”在卡纳维拉尔角空军基地发射升空，时年91岁的尤金·帕克也来到控制中心现场（右图）。“帕克号”上携带了一块记录有110万人名字的存储卡及尤金·帕克的照片和论文。

10月29日，“帕克号”打破了“太阳神2号”于1976年创造的近日点4200万公里的记录，成为了有史以来最接近太阳的探测器，而且它还将继续接近太阳，最终其轨道近日点只有690万公里，不到太阳半径的10倍。当接近近日点时，“帕克号”的速度最快将达到每秒近200公里，它也将成为飞的最快的探测器。“帕克号”主要是对太阳的外层日冕进行探测，试图解开日冕加热、太阳风源磁场结构、高能粒子传输加速机制等问题。