人类的航天史

第三章　人类的航天史

火箭实验的创始者

罗伯特·戈达德是美国最早的火箭发动机发明家,是“火箭实验创始者”,被公认为现代火箭技术之父。

戈达德出生于美国马萨诸塞州,在他17岁的时候就向往火星之旅了。十年以后戈达德认识到,唯一能达到这个目的的运载工具就是火箭。从那时起,他就决定将自己献身于火箭事业。24岁从渥切斯特技术学院毕业后进入克拉克大学攻读博士学位。1911年他取得博士学位后留校任教。1914年他开始用火药制成许多小型固体火箭,对火箭理论进行实验性研究。他发现要使火箭达到宇宙航行所需的能量和速度,只有采用液氧、液氢为燃料的火箭发动机才能取得成功。

1919年,戈达德在经典名著《到达极高空的方法》中,透彻地阐述了火箭运动的基本数学原理,同时详尽论证了火箭把人和仪器送上月球的可行性,开创了航天飞行和人类飞向其他行星的时代。1922年3月,戈达德向克拉克大学提交了液体火箭的总体设计方案,研制出用液氧和煤油来推进的液体火箭。1925年在他的实验室旁的小屋里,一台液体推进剂的火箭发动机进行了静力试验,1926年成功地进行了世界第一次液体火箭发动机的飞行。在马萨诸塞州的奥本,冰雪覆盖的草原上,戈达德发射了人类历史上第一枚液体火箭。火箭长约3.4米,发射时重量为4.6千克,空重为2.6千克。飞行延续了约2.5秒,最大高度为12.5米,飞行距离为56米。这是一次了不起的成功,它的意义正如戈达德所说:“昨日的梦的确是今天的希望,也将是明天的现实。”

戈达德于1929年又发射了一枚较大的火箭,这枚火箭比第一枚飞得又快又高,更重要的是它带有一只气压计、一只温度计和一架来拍摄飞行全过程的照相机,这是第一枚载有仪器的火箭。1931年,戈达德采用与现代火箭相仿的程序发射方法,他首先采用陀螺仪控制火箭的飞行方向,火箭的飞行时速猛增至885千米,飞行高度达到了2500米。1935年,戈达德的火箭冲破了20千米,时速超过1193千米,首次实现了人造飞行器的超音速飞行。

此外,他还获得火箭飞行器变轨装置和用多级火箭增大发射高度的专利,并研制了火箭发动机燃料泵、自冷式火箭发动机和其他部件。他设计的小推力火箭发动机是现代登月小火箭的原型,曾成功地升空到约2千米的高度。他一共获得过214项专利。

戈达德的研究极端缺少经费,而且挑剔的舆论界也不放过这位严谨的教授。《纽约时报》的记者们嘲笑他甚至连高中的基本物理常识都不懂,而整天幻想着去月球旅行。他们称戈达德为“月亮人”。为新闻界左右的公众也对这位科学家的工作表示怀疑和不理解,但这都不能撼动顽强的戈达德。最好的办法是走自己的路,继续自己的研究,而对公众的反应保持沉默,因为他很清楚这种讥讽是不会持久的。

意想不到的是报界的报道引起了美国航空界先驱人物之一林白的注意。在亲自考察了戈达德的试验和计划之后,他立即设法从格根海姆基金会为戈达德筹得5万美元。这对于极端缺少资金而又迫切需要进行实验设计的戈达德真是雪中送炭。这时马萨诸塞州对于戈达德的计划就显得太拥挤了,于是在1930年他的全家和四个助手迁到新墨西哥州的罗斯威尔建立他的发射场。到1941年,除了短暂的中断之外,他在这里从事了在科技史上最令人瞩目的个人研究计划。

戈达德虽然成功地发射了世界上第一枚液体火箭,但最初并没有引起美国政府的重视和支持,所以到他逝世时美国的火箭技术还远远落后于德国。直到1961年苏联宇航员加加林上天后,美国才发表了戈达德30年来研究液体火箭的全部报告。后来,他被誉为美国的“火箭之父”,被追授了第一枚刘易斯·希尔航天勋章,美国宇航局的一座空间飞行中心被命名为“戈达德空间研究中心”。

戈达德的坎坷而英勇的一生,所留下的报告、文章和大量笔记是一笔巨大的财富。这些财富不仅对后人的研究起到了重要的作用;而且对各国航天的历史起到了不可替代的作用。对于他的工作,冯·布劳恩曾这样评价过:“在火箭发展史上,戈达德博士是无所匹敌的,在液体火箭的设计、建造和发射上,他走在了每一个人的前面,而正是液体火箭铺平了探索空间的道路。当戈达德在完成他那些最伟大的工作的时候,我们这些火箭和空间事业上的后来者,才仅仅开始蹒跚学步。”

运载能力最大的商用运载火箭

阿丽亚娜5型运载火箭是目前世界上运载能力最大的商用运载火箭。当进行单星发射任务时,它可以把6500千克的有效载荷送入地球同步转移轨道,而进行双星发射任务时,可以把6000千克的有效载荷送入相同的轨道。

人类历史上的第一枚现代运载火箭是在1957年10月由苏联发射成功的,它把世界上第一颗人造地球卫星送入了太空,从此为人类发展航天运输和空间应用技术开创了先河,并奠定了坚实的基础。而即使欧洲在“二战”期间,由德国研制了著名的V-2火箭,它被公认是后来人类现代运载火箭和洲际弹道导弹发展的雏形。但“二战”结束后,德国作为战败国,这项技术不仅被迫搁置,而且美国还从德国掠走了大量的火箭部件和技术设计人员,从而壮大了本国的火箭开发实力。由于历史政治原因,欧洲一直没有大规模发展航天运输技术,直到1973年7月31日欧洲空间局成立时才结束了这种局面。

1973年12月,欧洲空间局开始联合投资研制阿丽亚娜型运载火箭,这是一种液体三子运载火箭,研制工作历时6年,投资费用约10亿美元(1988年币值)。1979年12月,第一枚阿丽亚娜1型火箭首次亮相,并圆满完成了第一次飞行任务,1981年正式投入商用。自此,欧洲的运载火箭技术获得了快速发展。特别是进入20世纪80年代以后,由于商业通信卫星技术的迅猛发展及其大量应用,推动了运载火箭的不断发展。欧空局又在阿丽亚娜1型运载火箭基础上陆续研制了阿丽亚娜2型、阿丽亚娜3型、阿丽亚娜4型和阿丽亚娜5型运载火箭,从而使阿丽亚娜系列运载火箭的地球同步转移轨道运载能力从最初的1850千克增加到6500千克。

由于目前世界上最大的商业通信卫星质量不超过5.5吨,而大部分商业通信卫星的质量介于2.5～4吨之间,因而阿丽亚娜5型运载火箭不仅具有发射世界上最大的高轨道商业通信卫星的能力,还具有一箭发射两颗较大高轨道卫星的能力,这样可以大大降低用户费用。

阿丽亚娜5型运载火箭由4种型号组成,它除使用了改进的一子级外,还使用了在阿丽亚娜4型运载火箭三子级基础上改进而成的新型低温上面级,经过改进后,它的地球同步转移轨道运载能力提高到8吨(单星)。而运载能力最大的阿丽亚娜5型改进型改进后,地球同步转移轨道运载能力将提高到12吨(单星)。2002年第一种改进型阿丽亚娜5型运载火箭投入使用后,欧洲空间局停止生产旧的阿丽亚娜4型运载火箭。

在过去十几年里,阿丽亚娜系列运载火箭不仅在激烈的国际商业卫星发射市场竞争中获得了巨大的成功,并且推动了人类现代运载火箭技术的发展。同时,也带动其他航天大国开发研制了新一代运载火箭。如20世纪90年代中期,美国、俄罗斯和日本分别研制了“德尔它4”“宇宙神5”“安加拉”和“H-2A”系列运载火箭,由于这些运载火箭全部采用了“系列化、标准化、模块化”的设计方案,并且由于引入了高性能发动机等,不仅使其具有了与阿丽亚娜5型运载火箭相当的运载能力,还使生产成本大幅降低。这些运载火箭在本世纪初陆续发射成功,并在未来形成一定的生产规模。大批新型运载火箭涌入国际航天发射市场后,必将对未来的市场格局产生重大影响,阿丽亚娜5型运载火箭的竞争优势也必将受到影响。

第一颗人造卫星

世界上第一颗人造地球卫星——人造地球卫星1号是苏联在1957年10月4日发射的。

1957年10月4日苏联拜科努尔航天中心天气晴朗。人造卫星发射塔上竖立着一枚大型火箭。火箭头部装着一颗圆球形的有4根折叠杆式天线的人造卫星“斯普特尼克”1号。随着火箭发动机的一声巨响,火箭升腾,在不到两分钟的时间里消失得无影无踪。世界上第一颗人造卫星发射成功了。

消息迅速传遍全球,各国为之震惊,世界各大报刊都在显要位置用大字标题报道:《轰动20世纪的新闻》《科技新纪元》《苏联又领先了》《俄国人又打开了通往宇宙的道路》等。

这颗卫星的本体是一只用铝合金做成的圆球,直径58厘米,重83.6千克。圆球外面附着4根弹簧鞭状天线,其中一对长240厘米,另一对长290厘米。卫星内部装有两台无线电发射机——频率分别为20.005兆赫及40.002兆赫,无线电发射机发出的信号,采用一般电报讯号的形式,每个信号持续时间约0.3S,间歇时间与此相同。此外还安装有一台磁强计、一台辐射计数器,一些测量卫星内部温度和压力的感应元件及作为电源的化学电池。尽管这颗“小星”在天空不过逗留了92天,但它却“推动”了整个地球,加快了各国发展空间技术的步伐。

它在拜克努尔发射场由一支三级运载火箭发射。起飞以后几分钟,卫星从第三级火箭中弹出,达到第一宇宙速度(7.9千米/秒),进入环绕地球飞行的轨道。它距离地面最远时为964.1千米,最近时为228.5千米,轨道与地球赤道平面的夹角为65°,以96.2分钟时间绕地球1周,比原来预计的所需时间多1分20秒。在秋夜的晴空中,有时它像一颗星星在群星中移动,肉眼可以看到它。这颗卫星的运载火箭于1957年12月1日进入稠密大气层陨毁。卫星在天空中运行了92天,绕地球约1400圈,行程6000万千米,于1958年1月4日陨落。为了纪念人类进入宇宙空间的伟大时刻,苏联在莫斯科列宁山上建立了一座纪念碑,碑顶安置着这个人造天体的复制品。

历史总不乏戏剧性,据当年担任苏联航天泰斗科罗廖夫第一助手的切尔托克院士近来在莫斯科透露,在那次震惊世界的航天发射中,苏联航天设计师的主要目的是进行洲际导弹发射实验,送人造卫星上天只是顺便的搭载实验而已!

原来,苏联航天设计师们只想尽快打造一枚能携带核弹头并能达到美国本土的洲际弹道导弹,那时,面临这项主要任务的苏联航天设计师们根本瞧不上实验携带的人造卫星,认为它不过是颗圆铁球、“小玩具”,不会有太大的用途。因此,卫星发射上天的消息会在全世界引起巨大反响是苏联航天设计师们根本没想到的。这真是“有心栽花花不活,无心插柳柳成荫”,洲际弹道导弹发射试验失败了,但人类第一颗人造卫星却上天了!苏联也因此戴上了“把第一颗人造卫星送上天”的桂冠。

不久,为了给载人航天预做试验,苏联又发射了第一颗载有名叫“莱依卡”的小狗乘坐的“卫星”2号人造地球卫星。据有关报道,当年美国总统肯尼迪被苏联这个强劲的对手的惊人之举惊呆了,整个美国航天界为此整整反省了一周。

第一艘航天飞机

1976年9月17日,人类历史上第一架航天飞机被拖出了罗克威尔的帕玛戴尔总装大楼。这架编号为101,取名“企业号”的航天飞机是美国航天飞机计划中第一架原型机。“企业号”航天飞机长37.2 米,宽23.8米,高17.4米,空重72.6吨,载荷舱长18.2米, 宽4.6米,能将29.5吨重载荷送上370～1110千米高的空间轨道,并可从空中带回1.45吨重载荷。在具有辅助电源的前提下,可在太空停留30天,并可执行各种太空使命。“企业”号航天飞机如今已经退役,在完成了它的测试使命并进行过一系列遍及海外多国的展示之旅后,美国政府将其捐给史密森尼学会作为馆藏。

第一艘载人飞船

“水星号”飞船(Mercury spacecraft)美国第一个载人飞船系列。飞船由圆台形座舱和圆柱形伞舱组成,在发射时,水星号飞船的顶端还有一个高约5米的救生塔。在座舱外面大钝头处覆盖一层很厚的防热材料。飞船返回前点燃制动火箭,然后抛弃制动火箭组合件,再入大气层,下降到低空时打开降落伞,航天员与飞船一起溅落在海上,由直升机和打捞船只回收。1961年5 月5日“水星号”飞船进行了首次亚轨道载人飞行,运行中航天员曾试验使用手控装置保持飞行路线,进行滚动和偏航飞行,拍摄了地球陆地构造、气象云图和天体等照片。美国第一个载人飞船系列从1961年5月至1963 年5月共发射6艘。前两次是绕地球不到一圈的亚轨道飞行,后4次是载人轨道飞行。主要目的是试验飞船各种工程系统的性能,考察失重环境对人体的影响、人在失重环境中的工作能力以及对发射和返回过程中遇到超重的忍耐力等。“水星”飞船是美国的第一代载人飞船,总共进行了25次飞行试验,其中6次是载人飞行试验。“水星”飞船计划始于1958年10月,结束于1963年5月,历时4年8个月。“水星”计划共耗资3.926亿美元,其中飞船为1.353亿美元,占总费用的34.5%;运载火箭为0.829亿美元,占总费用的21.1%;地面跟踪网为0.719亿美元,占18.34%;运行和回收操作费用为0.493亿美元,占 12.6%;其他设施为0.532亿美元,占13.46%。“水星”计划的主要目的是实现载人空间飞行的突破,把载一名航天员的飞船送入地球轨道,飞行几圈后安全返回地面,并考察失重环境对人体的影响、人在失重环境中的工作能力。重点是解决飞船的再入气动力学、热动力学和人为差错对以往从未遇到过的高加速度和零重力的影响等问题。

“水星”飞船总长约2.9米,底部最大直径1.86米,重1.3～1.8吨,由圆台形座舱和圆柱形伞舱组成。座舱内只能坐一名航天员,设计最长飞行时间为2天,飞行时间最长的一次为34小时20分,绕地球22周。“水星”计划的6次载人飞行共历时54小时25分钟。

“水星”飞船的姿态控制系统以自控为主,另有两种手控方式作为备份。航天员仅在必要时使用手控装置控制飞船的飞行姿态,在飞船操纵方面仅起到辅助作用,基本上是一名供地面研究人员了解人对空间飞行环境适应能力的受试验者。但在飞行中也表现出了人的主观能动性。

最长寿的太空探测器

“先驱者10号”在茫茫太空中遨游了41年,向地面发回有关木星的大量科学数据,它是迄今为止人类发射的空间考察器中飞行时间最长和距离地球最遥远的星际探测器。

“先驱者10号”于1972年3月2日踏上征途,经过1年零9个月的长途跋涉后,穿过危险的小行星带,闯过木星周围的强辐射区,与1973年12月3日与木星相会。它飞临木星时,沿木星赤道平面从木星右侧绕过,在距木星13万千米的地方穿过木星云层,拍摄了第一张木星照片,并进行了十多项实验和测量,向地球发回第一批木星资料,为揭开木星的奥秘立下头功。在木星巨大的引力加速下,直向太阳系边疆飞去。于1989年5月24日飞越过冥王星轨道,带着给外星人的“礼品”——“地球名片”,向银河系漫游而去。

“先驱者10号”重量为260千克。它配有太阳能电池和11台由放射性同位素238钚作燃料的衰变温度差发电机。该探测器上装有2.7米直径的抛物面天线,对地球定向,发射机用8瓦功率向地面深空跟踪网传输信号。它的原设计寿命只有21个月,其主要使命是实现人类首次对木星的探测。但实际上它的“探测生命”之长,远远超出了人们的预期。“先驱者10号”的最后一次信号是1997年1 月22日接收到的,其中已无任何遥测数据。2月7日,宇航局位于加利福尼亚州、澳大利亚和西班牙的巨型天线“深空网络”与该探测器的联络都没有取得任何结果。专家们认为,由于放射性同位素动力源已衰变殆尽,探测器估计已无力再向地球发送信号。美宇航局于是决定放弃与探测器继续联系的努力。

在四十二年的漫漫星际旅行途中,“先驱者10号”创下了诸多的航行纪录。它实现了人造天体对木星的探测。人们知道,无论从体积还是质量,木星都超过其他七大行星的总和,素有太阳系“老大哥”之称。它自转一周仅需9小时50分钟,因而自转速度也居九大行星之首。木星的外表具有美丽的云团大红斑和高于地球20～40倍的强磁场。所有这些都令科学家着迷。然而在此之前,美国和苏联两个航天大国的太空探测器都不曾飞近木星,其原因是环绕木星的有一个小行星带。小行星带区有许多从地面上难以看到的小天体。专家们担心,进入小行星带的探测器很可能遭到碰撞而毁掉。庆幸的是“先驱者10号”安然地进入并穿过火星和木星之间的小行星带,没有受到任何擦伤。1983年,它又第一个飞出太阳系向金牛座飞去,但据估计,它至少还得再飞200万年,才能掠过与金牛座距离最近的恒星。在这之后,科学家仍不定期地与“先驱者”10号联系,并在此基础上试验了一些尖端通信技术。“先驱者10”号还发现:太阳风随距离的增加并不减弱,碰撞加热几乎不损失动能;太阳风暴增长时,日球可以沿磁赤道向外膨胀,其形状极像卵形;当激波和扰动接近日球边界时,它们可以同日球外面的星际介质堆积在一起;在太阳极大时,能探测到一种神秘的高能氦离子成分,它是渗入日球边界的星风中的中性氦在太阳附近被太阳紫外线辐射电离而成的。此外,该探测器还尝试找寻太阳系内存在第九颗行星的证据,探测能够证明爱因斯坦相对论的引力波。

“先驱者10号”还携带了一张镀金盘,它不仅能反映出太阳系在银河系的位置和太阳系的主要成员,还画有“先驱者10号”探测器的外形、飞行轨迹以及男女地球人的简图。按照科学家的建议,名片上还画有氢元素的谱线,因为氢是宇宙中最普通最丰富的元素,只要外太空存在智慧生物,就一定能看懂氢元素的资料。如果外星人获得这张“名片”,破译了“名片”上的内容,就有可能与地球人取得联系。这是一个多么美好的理想啊!但事实上,宇宙太大了,仅“先驱者10号”飞出太阳系就用了20多年,即使它能到达离地球最近的恒星,恐怕也要几百万年以后了。

月球不再神秘

自1969年7月16日,美国“阿波罗11号”飞船首次实现载人登月以来,根据对月球的多次实地勘探和对从月球带回的岩石、土壤进行分析研究的结果,人类对月球的面貌已有了较多的了解。科学家认为,月球上的岩石比地球上的还要古老,月球和地球几乎是由同样的化学元素构成的,只是组成的成分有所不同。例如,月岩所含的钙和铝比地球上的岩石含量要高,月球没有磁场,其外壳比较稳定,近30亿年以来几乎没什么变化。尽管天文学家早就认为,月球体态娇小,引力柔弱(为地球的1/6),根本不具备缚住大气的能力,在向阳面的高温下,任何气体分子都会轻而易举地达到脱离速度而逃之夭夭。但对月球的实测表明,月球表面并不是没有任何大气的,只是大气层太稀薄,而且大气成分比较复杂,随时空多变,通常在黑夜时的大气成分主要由40%的氩、40%的氖和20%的氦组成,到日出时还会加入极少量的甲烷和氨等,有些地区的大气中还会发现极微量的氢、氡、钠、钋和钾原子等。美国科学家日前宣称,月球上有冰存在,这就可能为探索月球奥秘的人们提供饮用水,也可将冰分解为氢和氧,从而为火箭提供燃料。

从实地勘探中发现,月球上总共有30多万座环形山,星罗棋布,彼此环抱,最大的环形山,直径近300千米、海拔高达6000米以上,十分壮观。遗憾的是,由于月球上没有水源,这些山都是光秃秃的,寸草不生,十分荒凉。显然,要想使如此荒漠的月球世界成为适合于生物生存的天堂,最终变成一个生机勃勃、万物竞存、鸟语花香的天上人间,当务之急是解决月球上的供水问题。多年来,科学家们已提出过多种设想。有一个解决办法是:采掘月球上储存量极为丰富的氧化铁,用太阳能熔化炉进行熔炼,使其放出大量的氧,与运输飞船从太空中收集制取的液态氢相结合,来生成供月球开发需要的水。这种在月球和太空就地取材,合成制水的方案,从原理上是可行的,但要实施这一巨大的工程,绝不是轻而易举的,涉及能源、采掘、运输、生活等一系列问题需要配套解决。

对人类最富吸引力的,是月球土壤中含有大量的气体状“3氦”,这是一种比目前地球上核电站所用的氘原料的放射性要低得多的核材料。“3氦”原本大 量存在于太阳喷射出来的高能粒子流(太阳风)中,在几乎没有大气的月球上,“太阳风”直接降落下来,久而久之,在月面的沙粒、岩石中,大约集聚有100万吨这种材料,若能进行大量开采,不但可供月球开发所需能源,还可为21世纪地球核聚变提供用之不竭的核能原材料。

月球的白天和夜间持续时间都长达半月之久,白天气温最高达127℃,夜间温度又低达零下183℃,如此酷热严寒而又温差剧变的气候,是月球上没有人烟和生命的另一个重要原因。俄罗斯科学家已对如何利用月球上的土壤和岩石制造水泥等建筑材料,然后利用这些材料建筑一座可以调节室温,使其适合于人类居住的生活基地做过长期研究。有一个方案是,他们通过对月球的一些实测数据进行分析,认为月球很可能是一个空心球体。基于这一认识,有朝一日,就可在月球表面打一条通道,进入月球地壳深处的“地下月宫”,在那里建造一座适于人类居住的“地下城”。这样,乘坐飞船奔月的旅游者,可在这座“地下城”找到过夜的旅馆。科技工作者就可以以这座“地下城”为基地从事月球资源勘探、太空产品生产、天文观测等活动。在“地下月宫”这个永久基地未建成之前,科学家建议可以先在地球上制成一些预制塑模构件,形成一个自动竖升的巨型圆筒。事先装配好后,用宇宙运输船送到月球表面,圆筒在月球表面一登陆即自动分成两半打开,并自动形成一座多层结构的建筑物,作为初登月球“志愿者”的临时居所。

人类探索金星的进程

苏联和美国从20世纪60年代起,对揭开金星的秘密倾注了极大的热情和探测竞争。迄今为止,发往金星或路过金星的各种探测器已经超过40个,获得了大量的有关金星的科学资料。

1.前苏联金星探测开先河

在太空探测器探测金星以前,有的天文学家认为金星的化学和物理状况和地球类似,在金星上发现生命的可能性比火星还大。20世纪50年代后期,天文学家用射电望远镜第一次观测了金星的表面。

苏联于1961年1月24日发射“巨人号”金星探测器,在空间启动时因运载火箭故障而坠毁。

1961年2月12日试验发射“金星1号”,这个成功飞往金星的探测器重643千克,在距金星9.6万千米处飞过,进入绕太阳轨道后失去联络,结果一无所获。

1967年6月12日,苏联发射了“金星4号”飞船,同年10月18日进入金星大气层。“金星4号”的着陆舱直径1米,重383千克,外表包着一层很厚的耐高温壳体,设计极限压强为25个大气压。着陆舱进入大气层后展开降落伞,在降落伞的作用下缓慢下落,探测数据及时发送到轨道舱,然后返回地球。当着陆舱下降到距离金星表面为24.96千米时,信号停止发射,估计是着陆舱被金星的高气压压瘪了。

“金星5号”的发射时间为1969年1月5日,它的设计同“金星4号”非常接近,只是更结实一些。在着陆舱下落过程中,获得了53分钟的探测数据。当着陆舱下落到距离金星表面24～26千米时被大气压坏,此时的压力为26.1个大气压。

“金星6号”于1969年1月10日发射,同年5月17日到达金星。着陆舱一直下降到距离金星表面10～12千米。

1970年8月17日,苏联发射了“金星7号”,并于1970年12月15日到达金星。该飞船的着陆舱能承受180个大气压,因此成功地到达了金星表面,成为第一个到达金星实地考察的人类使者。传回的数据表明,温度高达470℃。大气成分主要是二氧化碳,还有少量的氧、氮等气体。至此,人类撩开了金星神秘的面纱。

1972年到达金星表面的“金星8号”化验了金星土壤,还对金星表面的太阳光强度和金星云层进行了电视摄像转播,金星上空显得极其明亮,天空是橙黄色,大气中有猛烈的雷电现象,还有激烈的湍流。

1975年至1984年是金星探测的高潮期。1975年6月8日和14日先后发射了“金星9号”和“金星10号”,于同年10月22日和25日分别进入不同的金星轨道,并成为环绕金星的第一对人造金星卫星。两者探测了金星大气结构和特性,首次发回了电视摄像机拍摄的金星全景表面图像。

1978年9月9日和9月14日,苏联又发射了“金星11号”和“金星12号”,两者均在金星成功实现软着陆,分别工作了110分钟。特别是“金星12号”于12月21日向金星下降的过程中,探测到金星上空闪电频繁、雷声隆隆,仅在距离金星表面11千米下降到5千米的这段时间就记录到1000次闪电,有一次闪电竟然持续了15分钟。

1981年10月30日和11月4日先后上天的“金星13号”和“金星14号”,其着陆舱携带的自动钻探装置深入到金星地表,采集了岩石标本。

研究表明,金星上的地质构造仍然很活跃,金星的岩浆里含有水分。从二者发回的照片知道,金星的天空是橙黄色,地表的物体也是橙黄色的。“金星13号”着陆区的温度是457℃,“金星14号”的着陆地点比较平坦,是一片棕红色的高原,地面覆盖着褐色的沙砾,岩石层比较坚硬,各层轮廓分明。“金星13号”下降着陆区的气压是89个大气压;“金星14号”下降着陆区为94个大气压,这样大的压力相当于地球海洋900米深处所具有的压力。

在距离地面30～45千米的地方有一层像雾一样的硫酸气体,这种硫酸雾厚度大约25千米,具有很强的腐蚀性。探测表明,金星赤道带有从东到西的急流,最大风速达110米/秒,金星大气有97%是二氧化碳,还有少量的氮、氩及一氧化碳和水蒸气。主要由二氧化碳组成的金星大气,好似温室的保护罩一样,它只让太阳光的热量进来,不让其热量跑出去,因此形成金星表面的高温和高压环境。

1983年6月2日和6月7日,“金星15号”和“金星16号”相继发射成功,二者分别于10月10日和14日到达金星附近,成为其人造卫星,它们每24小时环绕金星一周,探测了金星表面以及大气层的情况。探测器上的雷达高度计在围绕金星的轨道上对金星表面进行扫描观测,雷达的表面分辨率达1～2千米,可看清金星表面的地形结构,成功绘制了北纬30°以北约25%金星表面地形图。

1984年12月苏联发射了“金星—哈雷”探测器,1985年6月9日和13日与金星相会,向金星释放了浮升探测器——充氦气球和登陆舱,它们携带的电视摄像机对金星云层进行了探测,发现金星大气层顶有与自转同向的大气环流,速度高达320千米/小时,登陆设备还钻探和分析了金星土壤。“金星—哈雷”探测器在完成任务后利用金星引力变轨,飞向哈雷彗星。综观苏联金星探测的特点,主要是投放降落装置考察,以特殊的T艺战胜金星上高温高压,取得了金星表面宝贵的第一手资料。

2.美国的金星探测后来居上

苏联航天技术的辉煌成就,极大地刺激了美国人。20世纪60年代初,美国宇航局根据肯尼迪总统提出的登月计划,全力开展探月活动;但又看到苏联对金星的探测活动,格外着急。美国当局立即决定分兵两路,在实施登月的同时,拿出一部分力量来探测金星。

美国于1961年7月22日发射“水手1号”金星探测器,升空不久因偏离航向,只好自行引爆。1962年8月27日发射“水手2号”金星探测器,飞行2.8亿千米后,于同年12月14日从距离金星3500千米处飞过时,首次测量了金星大气温度,拍摄了金星全景照片,但由于设计上的缺陷,在探测过程中,光学跟踪仪、太阳能电池板、蓄电池组和遥控系统都先后出了故障,未能圆满执行计划。

1967年6月14日发射“水手5号”金星探测器,同年10月19日从距离金星3970千米处通过,做了大气测量。1973年11月3日发射“水手10号”水星探测器,1974年2月5日路过金星,从距离金星5760千米处通过,对金星及其大气做了电视摄影,发回上千张金星照片。

从1978年起,美国把行星探测活动的重点转移到金星。1978年5月20日和8月8日,分别发射了“先驱者—金星1号和2号”,其中1号在同年12月4日顺利到达金星轨道,并成为其人造卫星,对金星大气进行了244天的观测,考察了金星的云层、大气和电离层,研究了金星表面的磁场,探测了金星大气和太阳风之间的相互作用;还使用船载雷达测绘了金星表面地形图。

1988年1月两位美国地质学家报告说,金星表面的阿芙洛狄忒高原地区具有与地球上洋脊十分相似的特征,他们分析了美国“先驱者—金星1号”宇宙飞船环绕金星时用雷达信号测量金星表面的结果,发现金星阿芙洛狄忒高原的岩层断裂模式与地球上洋中脊附近的情况很相似,其主脊两侧的特征近似呈镜像对称,这也正是洋中脊的重要特征。那里的高山、峡谷以及断层诸方面的分布特征表明金星的地壳在扩张,其每年几厘米的扩张速度与地球的海(洋)底扩张相仿。

“先驱者—金星2号”带有4个着陆舱一起进入金星大气层,其中一个着陆舱着陆后连续工作了67分钟,发回了一些图片和数据。在金星的云层中不同层次具有明显的物理和化学特征,金星上降雨时,落下的是硫酸而不是水,探测还表明,金星上有极其频繁的闪电;金星地形和地球相类似,也有山脉一样的地势和辽阔的平原;存在着火山和一个巨大的峡谷,其深约6千米、宽200多千米、长达1000千米;金星表面有一个巨大的直径达120千米的凹坑,其四周陡峭,深达3千米。

为了在探测金星方面取得更大的成就,美国宇航局决定要利用其在雷达探测技术方面的先进设备,透过金星浓密的云层,详细勘察金星的全貌和地质构造。

1989年5月4日,“亚特兰蒂斯号”航天飞机将“麦哲伦号”金星探测器带上太空,并于第二天把它送入金星的航程。“麦哲伦号”金星探测器重量达3365千克,造价达4.13亿美元。后来的事实说明,“麦哲伦号”是当时最先进最为成功的金星探测器。

“麦哲伦号”装有一套先进的电视摄像雷达系统,可透过厚厚的云层测绘出金星表面上小如足球场的物体图像,其清晰度胜过当时所获金星图像的10 倍!它装载的高分辨率综合孔径雷达,其发射、接收天线与著名的“旅行者”号探测器定向天线相似,也是3.65米直径的抛物面形天线,但其性能比前者提高了许多,它在金星赤道附近250千米高空时,分辨率也可达到270米。

“麦哲伦”的中心任务是对金星作地质学和地球物理学探测研究,通过先进的雷达探测技术,研究金星是否具有与河床和海洋构造,因苏联有科学家推测,大约40亿年前金星上有过汪洋大海。

“麦哲伦”经过15个月的航行,于1990年8月10日点燃反向制动火箭,使其速度由每小时3.96万千米减至2.79万千米,进入围绕金星的轨道。“麦哲伦”探测器运行中沿金星子午线绕一圈约需要189分钟,扫描宽度为20～25千米;从北极区域到南纬60°计划进行37分钟的观测,行程约1.5万千米。8月16日“麦哲伦”发回第一批照片。

“麦哲伦”拍摄到金星上一个40千米×80千米大的熔岩平原,雷达的测绘图像非常清晰,可以清楚地辨认出火山熔岩流、火山口、高山、活火山、地壳断层、峡谷和岩石坑。金星火山数以千计,火山周围常有因陨石撞击而形成的沉积物,像白色花朵。“麦哲伦”发现金星上的尘土细微而轻盈,较易于被吹动,探测表明金星表面确实是有风的,很可能像“季风”那样,时刮时停,有时还会发生大风暴。金星表面温度高达280～540℃。它没有天然卫星,没有水滴,其磁场强度也很小,大气主要以二氧化碳为主,一句话,它不适宜生命存活。它的表面70%左右是极为古老的玄武岩平原,20%是低洼地,高原大约占了金星表面的10%,金星上最高的山是麦克斯韦火山,高达12000米。在金星赤道附近面积达2.5万平方千米的平原上,有3个直径为37～48千米的火山口。金星上环绕山极不规则,总共约有900个,而且痕迹都非常年轻。

“麦哲伦”拍摄了金星绝大部分地区的雷达图像,它的许多图像与苏联“金星15号”和“金星16号”探测器所摄雷达照片经常可以重合拼接起来,使判读专家得以相互印证,从而使得人们对金星有进一步的了解。

“麦哲伦号”从1990年8月10日至1994年12月12日一直围绕金星进行探测,最后在金星大气中焚毁。

1990年2月飞往木星的“伽利略号”探测器途径金星,成功地拍摄金星的紫外和红外波段的图像,照片上显示金星大气顶部的硫酸云雾透过紫外光非常突出。

虽说金星空间探测硕果累累,但仍然有许多待解之谜。譬如说,金星上确曾有过海吗?金星上的温室效应是在什么时候、怎样发生的?目前金星表面是经过大规模的火山活动而重新形成的吗?金星大气的精确化学成分是什么……

据报道,2001年日本文部科学省宇宙科学研究所制订出一个金星探测计划,在2007年用M-5火箭发射金星探测器,它在2009年进入围绕金星的大椭圆轨道,其近地点约300千米,远地点约60000千米;它通过携带的5台可穿透金星大气的特殊红外摄像机、紫外摄像机探测金星大气和地质构造。未来的金星探测需要长寿命的登陆舱、专门的下降探测装置、遥控探测气球以及监视金星大气的轨道器等。

人类探索木星的进程

迄今为止,人类共发射了4艘宇宙飞船,即“先驱者”10号、11号,“旅行者”1号和2号前往木星探测。

“先驱者10号”于1972年3月2日上午发射升空,一路上考察了行星际物质;1973年12月3日与木星会合,在离木星13万千米处飞掠而过,探测到木星规模宏大的磁层,研究了木星大气,送回300多幅木星云层和木星卫星的彩色电视图像。

“先驱者11号”飞船于1973年4月6日发射,1974年12月5日到达木星。它离木星表面最近时只有4.6万千米,比“先驱者10号”近两倍。送回有关木星磁场、辐射带、重力、温度、大气结构以及4个大卫星的情况,并按地面指令调整航向,飞越在地面因视角不合适而难于观测的木星南极地带。“先驱者11号”在完成任务后,向着土星飞去。

1977年8月20日和9月5日,美国又相继发射了“旅行者1号”和“旅行者2号”飞船。这两艘飞船在仪器设备方面比“先驱者”10号和11号先进。“旅行者1号”于1979年3月飞临木星,在3天之内探测了木星和4个伽利略卫星,以及木卫五,拍摄了数以千计的彩色照片,并进行了一系列科学考察。

“旅行者2号”于1979年7月飞临木星,对木星进行了考察。两艘飞船在离开木星后,还要继续探测土星、天王星和海王星,然后飞出太阳系,到茫茫的宇宙中去寻找知音。

人类探测水星的进程

尽管水星是地球的近邻,但人类对于它的了解却非常有限;对它的探索也仅在几十年前进行过唯一的一次。水星究竟是怎样形成的?它的上面到底有没有水?为什么它的密度如此之高?一系列的问题都有待解答。

1974年3月,“水手10号”实现了人类与水星的第一次近距离接触。它3次飞过水星上空,拍摄下了数千张水星表面的图片。然而,令人遗憾的是,“水手10号”只拍摄下了水星的远景和其表面45%的图片,而这个星球另一半究竟是什么样子,对人们来说,依然是个谜。

随着航天器隔热技术和计算机技术的发展,时隔30年后,美国宇航局终于再次向水星发射了一架航天器——“信使号”,对这颗神秘星球展开探索。

因为水星与太阳的距离过于接近,地球上的观测设备和太空中的哈勃望远镜等面对强烈的阳光照射,都难以对它进行直接观测,因此,这次发射“信使号”的探测行动意义重大。总重量1100千克,体积相当于一辆普通SUV汽车的“信使号”探测器,是由NASA投资开发、美国卡内基学院和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室主导负责研制;先后有6个国家的20多个研究机构提供了重要的帮助。

“信使号”探测器总成本4.27亿美元,总重量1100千克(探测器主体500千克+推进器600千克),主体体积1.27米×1.85米×1.42米(长×宽×高)。

为了让探测器适应水星特有的大气环境和高温,科学家作出了一系列的尝试,并最终制造出了“全副武装”的“信使号”。

2004年美国东部时间8月2号凌晨,北京时间2号下午,“信使号”探测器,搭乘“德尔塔2号”火箭,飞向水星。

在2006年10月年和2007年6 月,“信使号”两次经过距离水星最近的行星——金星,尤其是第二次到达距离金星表面300千米的上空。这一过程为科学家更好地调整“信使号”的飞行方式和倾斜角度打下基础,从而顺利地进入水星轨道。

据悉,2008年1月和10月以及2009年9月,“信使号”3次接近水星运行轨道,拍摄下日光照射下的水星图像;同时科学家借这几次机会对“信使号”的工作方式做最后的测试和调整。最终在经过近7年的漫长飞行旅程之后,“信使号”在2011年3月正式进入水星的运行轨道,开始为期一年的观测和记录工作。

根据计划,“信使号”的探索工作于2012年3月正式结束,而科学家对于“信使号”搜集的所有数据的分析和结论,将要等到2013年才能完成。

虽然人类至今对水星还知之甚少,但“信使号”的发射,以及其他正在进行中的水星探索计划让我们相信,对水星的深入了解已经指日可待。

人类探索火星的进程

人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。几乎就在人类刚刚有能力挣脱地球引力飞向太空的时候,第一个火星探测器也开始了它的旅程。最早期的探测器几乎都失败了,而对火星的探测也就是在一次又一次的失败中不断前进。

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13日飞跃火星,获得了太阳风、行星际磁场和流星体的探测资料,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。但是当1963年3月21日它飞行到距离地球1.06亿千米的距离时,却与地面永远失去了通信联系。3天以后,苏联的又一枚探测器升空,这枚探测器同样面临着失败的命运,仅仅到达环绕地球轨道,此后火箭未能再次成功点火,两个月后坠入地球大气层烧毁。

1964年,美国也先后向火星发射了两枚探测器“水手3号”和“水手4号”。“水手3号”于12月5日发射升空,是美国发射的第一枚火星探测器,然而探测器的保护外壳未能按预定计划成功与探测器分离,导致探测器偏离轨道,最终导致失败。“水手4号”于12月28日发射升空,这是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器。

“水手4号”是八角柱形,装有四块太阳能电池板和摄影装置等,全重261千克。“水手4号”从地球出发安全飞行了8.5亿千米,于1965年7月14日从距离火星9650万千米处飞过。它拍摄了22幅火星表面的照片,用无线电遥传回地球。“水手4号”拍摄的地带是火星北半球的普罗彭蒂斯地区,并在亚马逊沙漠越过火星赤道,广及南半球的锡伦海、奎登奇斯海等。在“水手4号”发回的照片中,科学家发现了与月球表面类似的密布的大小环形山,发现的仅有300座。以后又进行了更为详尽的考察,火星上的环形山总数大概有数万座。也就是说,火星的地形不及地球平坦,更近似月球。

此后,“水手4号”又在环绕太阳轨道上花费3年时间对太阳风进行探测。“水手4号”发回的数据表明火星的大气密度远比此前人们认为的稀薄。

“水手4号”拍摄了火星照片之后,就形成了围绕太阳旋转的人造卫星,它携带的太阳能电池能把阳光转变为电能,今后仍能与地球保持联系。

1967年9月14日,美国宣布,在7分钟里,“水手4号”至少被17颗陨石击中,探测器机体上被撞开几个洞,但并未发生严重故障。

1971年12月,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,美国的“海盗1号”和“海盗2号”飞船的登陆舱分别在火星上着陆成功。登陆舱主要进行了生物探测试验,两个登陆舱的着陆点都选择在估计水分较多,生命存在可能性较大的地方。

美国的“火星探路者”飞船代表了火星探测的重要阶段。火星在地面工作人员的遥控下在火星上行驶,实现了对火星较大范围的移动考察。

“火星探路者”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的彩色图像。1997年11月4日,“火星探路者”飞船正式结束使命,它总共传回有关火星地貌、日出和日落的9669幅照片,取得了许多重要的科学成果。

1999年3月,美国发射的“火星全球勘探者”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,“火星全球勘探者”飞船围绕火星运行了1万多个轨道周期,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在网上公布的火星全球勘探者飞船拍摄的照片就已超过6.7万张。

2001年4月7日,美国发射了“火星奥德赛”飞船,于2001年10月24日到达火星,绘制了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6月2日,欧洲空间局发射了“火星特快”飞船,同样将探测火星是否有水作为重要目标。

2003年,美国航空航天局先后发射了两个火星探测车“机遇号”和“勇气号”,并在2004年1月在火星安全着陆后,就不断地向地球发回前所未有的清晰的火星大地图片。当初预定这2台探测车的工作时间为3个月。但是过了三年半,现在它们仍然顺利地在继续执行观测使命(虽然也出现过一些问题,但最终还是顽强地“活”了下来)。

“勇气号”和“机遇号”火星探测车在火星探测中做出的最精彩的表现是分别发现和确认火星过去曾经有液态水,而且可能是大洪水。

如“勇气号”于2005年3月20日(第431个火星日)拍摄了被它碾压过的沙地,沙地呈白色,是一种含硫酸盐较多的物质,这是曾经有过水的有力证据。“机遇号”同样发现和拍摄了火星上曾经有过液态水的图片,如在2005年11月23日至12月5日拍摄的多幅图片中,可以清楚地看到岩石表面具有明显的沉积岩特性,属于水成岩,因此,可确认火星在过去有过液态水。“机遇号”发现火星上过去存在过水或大洪水的证据还有多处:如“机遇号”拍到的一些图片显示,其着陆地周围的岩石上嵌有球形颗粒“蓝莓果”,经过研究,科学家们认为它们可能是被水浸泡过的多孔岩石中所溶解矿物的凝结物等。

精彩表现之二是“机遇号”火星探测车在高低起伏的火星表面行走,在驶过一个又一个沙丘时,曾一度被陷在两个沙丘之间的洼坑里动弹不得,困在那里长达一个多月。但最终还是在美国航空航天局工程技术人员的几度努力下,找到脱身的方法,终于被解救出来,一直工作到现在。据有关资料介绍,“勇气号”和“机遇号”火星探测车至今“筋骨”硬朗,仍在执行观测、拍片的使命。

精彩表现之三火星上多尘埃、沙土。“勇气号”探测车在一处名为“丈夫山”的地方“抓拍”到火星上的龙卷风。因此,作为火星探测车动力源的太阳能电池板上必然会留存大量的沙尘而导致电池板失效,届时,探测车就“无能为力”了。但结果正相反,龙卷风把太阳能电池板上的沙尘吹干净了。这应该是两架探测车能够如此超长期服役的原因之一。

2007年,美国国家航空航天局的“凤凰”号启程前往火星,并在经历将近一年、6.75亿千米的旅程之后,已在2008年5月25日成功登陆火星北极。主要任务是寻找火星土壤中可能存在的生命迹象。

美国国家航空航天局的火星科学实验室于2011年11月25日启程前往火星,它于2012年8月6日在火星表面着陆,有6个轮子,拥有前所未有的机动性能,并且使用核能提供电力,至少在火星表面工作一个火星年的时间。同时,火星科学实验室还携带各种先进的仪器,它配有200万像素的主照相机,配合10倍光学变焦镜头和三色真彩色感光能力,将可以拍摄到超高清晰度的全景照片,同时这部相机还将内置MPEG-2硬件影片压缩能力,可以拍摄每秒10画格的高清晰影片,相机本身将配有至少256MB内存和8GB闪存以暂时保存拍摄的照片和影片,配合火星通信轨道器提供的基于激光通信的超高带宽支持,火星科学实验室将会使现在正在火星上工作的双胞胎火星车“勇气号”和“机遇号”相形见绌。

美国的火星样本取回任务计划将于2013年实施,计划于2016年将半千克左右的火星土壤和岩芯样本送回地球作进一步研究。这个计划包括一个环绕火星轨道运行的返回装置和一到两个着陆装置,着陆装置可能配备有可以小范围移动的火星车,如果那时火星科学实验室仍然可以工作,可能也会利用火星科学实验室在大范围内提前采集样本,或者再发射一枚类似火星科学实验室的火星探测车用于这个目的。采集样本以后,样本将会被一枚小型火箭发射到火星轨道,与返回装置对接,这个对接也可能不只一次,然后由它将样本一次性送回地球。

2018年的火星任务将是一个着陆器,用于寻找火星上可能存在生命的证据。

2020年将会有更多的样本返回任务实施,用于将火星样本送回地球。