人类探测宇宙之路

第二节　人类探测宇宙之路

一、登陆月球

第一个到达月球的人造物体是苏联的无人登陆器“月球2号”，它于1959年9月14日撞向月面。“月球2号”在同年10月7日拍摄了月球背面的照片。“月球9号”则是第一艘在月球软着陆的登陆器，它于1966年2月3日传回由月面上拍摄的照片。“月球10号”于1966年3月31日成功入轨，成为月球第一颗人造卫星。

在冷战期间，美国和苏联一直希望在太空科技领先对方。这场太空竞赛在1969年7月19日第一名人类登陆月球时进入高潮。美国于20世纪60年代至70年代初组织实施了载人登月工程——“阿波罗”计划。它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。工程开始于1961年5月，至1972年12月第6次登月成功结束，历时约11年，耗资255亿美元。在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人。

“阿波罗11号”飞船于1969年7月20～21日首次实现人类登上月球的理想。

1969年7月16日，由“土星5号”火箭运载“阿波罗11号”飞船升空。

美国航天员登上月球

第三级火箭熄火时将飞船送至环绕地球运行的低高度停泊轨道。第三级火箭第二次点火加速，将飞船送入地—月过渡轨道。飞船与第三级火箭分离，飞船沿过渡轨道飞行2．5天后开始接近月球，由服务舱的主发动机减速，使飞船进入环月轨道。航天员阿姆斯特朗和奥尔德林进入登月舱，驾驶登月舱与母船分离，下降至月面实现软着陆。另一名航天员仍留在指挥舱内，继续沿环月轨道飞行。登月航天员在月面上展开太阳电池阵，安设月震仪和激光反射器，采集月球岩石和土壤样品22千克，然后驾驶登月舱的上升级返回环月轨道，与母船会合对接，随即抛弃登月舱。

起动服务舱主发动机使飞船加速，进入月地过渡轨道。在接近地球时飞船进入载人走廊，抛掉服务舱，使指挥舱的圆拱形底朝前，在强大的气动力作用下减速。进入低空时指挥舱弹出3个降落伞，进一步降低下降速度。“阿波罗11号”飞船指挥舱于7月24日在太平洋夏威夷西南海面降落。

阿姆斯特朗在月面上留下的脚印

此后，美国又相继6次发射“阿波罗号”飞船，其中5次成功，共计12名航天员登上月球。

在2004年2月，时任美国总统的布什提出于2020年前派人重新登月。除此之外，欧洲航天局及中国也有计划发射探测器前往月球。欧洲的“Smart1”探测器于2003年9月27日升空，并于2004年11月15日进入绕月轨道，开始勘察月球环境及制作月面X射线地图。2004年，中国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。目前“嫦娥工程”的第一阶段计划已宣告成功。

日本及印度亦不甘人后。日本已初步制定出未来探月的任务。日本的宇宙航空研究开发机构甚至已着手计划有人的月球基地。印度则会先发射无人绕月探测器“Chandrayan”。

“Smart1”探测器拍到的月球图像

欧洲希望在月球上建立一个“诺亚方舟”，将地球物种的基因储存起来，当地球遭遇核战争危机或小行星撞击时，人类的生命可以得到延续。据悉，欧洲航天局将在2020年前分4个阶段进行月球探测，计划在2012年将航天员送上月球，2025年完成永久性月球基地建设。计划耗资约890亿元人民币。

二、探索金星

人类除了对金星进行天文观测外，还利用各种手段对其进行一系列的探测活动。人类对太阳系行星的空间探测首先便是从金星开始的，从20世纪60年代起，苏联和美国就对揭开金星的秘密倾注了极大的热情，开始了探测竞争。迄今为止，从地球发往金星或路过金星的各种探测器已经超过40个，获得了大量有关金星的科学资料。在太空探测器探测金星之前，有的天文学家就认为金星的化学和物理状况与地球类似，在金星上发现生命的可能性比火星还要大。20世纪50年代后期，天文学家用射电望远镜第一次对金星的表面进行了观测。从1961年起，苏联和美国先后向金星发射了30多个探测器，由近距离观测到着陆探测。苏联首开金星探测之先河，1961年发射了一艘被称为“金星1号”的飞行器。这是人类历史上第一个金星探测器。随后，又有“金星4号”、“金星5号”、“金星6号”等飞行器陆续访问金星。后来，他们利用轨道飞行器成功地用雷达制成了金星表面地图。接下来，各国发射的飞行器对金星上的大气温度、磁场等情况作了进一步的深入探测、分析。1970年8月17日，苏联发射了“金星7号”，于1970年12月15日到达金星。因为该探测器的着陆舱在制造时能承受180个大气压（1大气压＝1．013×10⁵帕），因此成功地到达了金星表面，并成为第一个到达金星并实地考察的地球使者。它传回的数据表明，金星表面温度高达470摄氏度，并且探知了大气的主要成分是二氧化碳以及少量的氧、氮等气体。苏联在航天技术领域取得的辉煌成就，极大地刺激了美国人。20世纪60年代初，美国国家航空航天局根据肯尼迪总统提出的登月计划，全力开展探月活动。

当看到苏联对金星的探测活动后，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。1961年7月22日，美国发射了“水手1号”金星探测器，升空不久因偏离航向，自行引爆。1962年8月27日，发射了“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，首次测量了金星大气温度，拍摄了金星全景照片。由于设计上的缺陷，在探测过程中，其光学跟踪仪、太阳能电池板、蓄电池组和遥控系统先后出了故障，计划未能圆满完成。之后，通过改进，美国也成功地向金星发射了金星探测器，并对金星大气做了电视摄影，还发回了上千张关于金星的照片。通过电视摄像转播发现，金星上空显得极其明亮，天空呈橙黄色，大气中出现了猛烈的雷电现象，还有激烈的湍流，以至有一次闪电竟持续了15分钟。

虽说金星空间探测硕果累累，但仍然有许多待解之谜。譬如，金星上的温室效应是在什么时候、怎样发生的？金星大气的精确化学成分是什么？金星上确曾有过海吗？目前金星表面是经过大规模的火山活动而重新形成的吗？据报道，2001年日本文部科学省宇宙科学研究所制定出了一个金星探测计划，准备用M5火箭发射金星探测器，它将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；通过携带的5台可穿透金星大气的特殊红外摄像机、紫外摄像机来探测金星大气及其地质构造。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，这些有待人类进行深层次的探测。

三、探索木星

人类对宇宙的探索从未止步过，木星作为体积最大、自转最快的行星，历来吸引着人们对其进行不懈的探索。迄今为止，人类共发射了四个探测器——“先驱者10号”、“先驱者11号”，“旅行者1号”和“旅行者2号”来探索太阳系外围空间的物理情况。“先驱者10号”于1972年3月2日上午升空，沿途考察了行星际物质，并且于1973年12月3日与木星会合，在离木星13万千米处探测木星的磁层和大气，送回300多幅木星云层和木星卫星的彩色电视图像。1973年4月6日，“先驱者11号”探测器发射，于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，是“先驱者10号”与木星距离的二分之一。送回有关木星磁场、辐射带、重力、温度、大气结构以及4个大卫星的数据信息，并按地面指令调整航向，飞越在地面因视角不合适而难以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”。这两个探测器在仪器设备方面比“先驱者10号”和“先驱者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。两个探测器在离开木星后，还要继续探测土星、天王星和海王星，然后飞出太阳系，探索未知的茫茫宇宙。

探测发现，木星是由液态氢构成的巨大星球，除了很小的一个熔融岩核外，没有探测到任何的固体表面。木星的密度很低，约为地球密度的0．24。此外，木星大气中84%是氢，14%是氦，剩余的是其他成分。

“先驱者号”和“旅行者号”为我们认识木星提供了准确的数据，但是由于木星的云层比较厚，无法了解各种参数随高度的变化，很多奇妙的现象还无法得到合理的解释。

伽利略发明了世界第一架天文望远镜并且发现了4颗木星卫星，1989年，美国国家航空航天局发射的木星探测器是以他的名字来命名的，它于1989年升空，1995年12月飞抵木星，于2003年9月21日坠毁于木星，以此结束其近14年的太空探索生涯。

“伽利略号”探测器完成了三项使命：

（1）探测木星大气层，包括化学组成、同位素比例、木星大气层垂直结构的轮廓图；木星大气层温度、压力轮廓图；木星云层的位置和结构；大气辐射能的平衡；木星闪电频率及特征等资料。

（2）木星的卫星的情况，提供木星系形成与演化的研究资料。

（3）了解木星磁层结构的特征。

四、探索水星

1973年11月，美国成功发射了第一个水星探测器“水手10号”，在它的既定考察任务中，有一项就是探测水星究竟有没有磁场。

“水手10号”在1974年3月29日第一次飞掠水星时，最近时距水星表面只有720多千米。在探测器上的照相机拍摄布满环形山的水星地貌的同时，磁强计意外地探测到水星似乎存在一个很弱的磁场，而且可能是同地球磁场那样有着两个磁极的偶极磁场。但是，磁场的存在必须得到进一步的证实，由于“水手10号”仅拍摄到水星表面的37%，所以这就要等待“水手10号”与水星的另一次接近再加以证实。

1974年9月21日，“水手10号”第二次飞掠水星。这次它距水星表面最近距离约48000千米，对水星磁场没有发现什么新的情况。为了取得包括磁场在内的更加精确的观测资料，科学家们对探测器的轨道作了校准，使它在1975年3月16日的第三次飞越时，距离水星表面只有327千米，而且更为接近水星北极。这次的观测结果十分令人鼓舞：水星确实有一个偶极磁场。水星的偶极磁场与地球的很相像，极性也相同，即水星磁场的北极在水星的北半球，南极在南半球。

2004年8月3日，美国国家航空航天局的“信使号”水星探测器升空，开始计划耗时6年半、飞行79亿千米的征程，这也是30年来，人类的探测器第一次对水星进行全面的环绕探测。“信使号”的个头不大，主体部分高1．42米，宽1．85米，长1．27米，体积和大的办公桌差不多，两侧是两个太阳能电池板翅膀，长1．5米，宽1．65米。主体结构和科学仪器重约0．5吨。由于水星非常接近太阳，探测器环绕水星运行时必须能够承受强烈的热量和太阳辐射，“信使号”安装了一个阻挡太阳辐射的太阳伞，当探测器接近太阳的时候，太阳伞的温度能够达到371摄氏度。但是在太阳伞的遮挡下，“信使号”探测器的温度会保持在20摄氏度的常温。

目前美国国家航空航天局计划延长探测器服役期一年，但是未来具体的延长时间还需要根据具体的探测情况来确定。目前探测器没有携带足够的燃料返回地球，所以它最终会螺旋式地碰撞在水星的表面，形成一个陨坑。它的主要任务是帮助科学家解答关于水星的6个问题，其中包括为什么水星的密度会这么大，水星上有没有水，有没有冰等。

五、探索火星

1962年11月，苏联发射“火星1号”探测器，开始了火星探索的先河，但是它在飞离地球1亿千米时与地面失去了联系，下落不明。1965年7月，美国国家航空航天局“水手4号”探测器在从火星身边飞过时拍摄了首批火星近距离照片，这21组照片显示火星表面有一片坑洼不平的贫瘠荒地，存在大量环形山，大气密度只有地球的1%。同年，苏联虽错过了向火星发射探测器的最佳时机，但最终还是将探测器送上了天。此后从1969年到2004年，美国先后对火星进行了16次探索。其中，1975年美国向火星发射的“海盗1号”和“海盗2号”探测器，其轨道器和着陆器分别从空间到地面对火星99%的面积开展了多项勘测，并采集了土壤标本进行化验。研究发现，火星表面环境极端恶劣，连生命力极强的微生物也未能发现，更没有火星人！

之后人们收集到12块火星陨石，其中1984年美国学者在南极洲获得一块重1．9千克的火星陨石，发现其上有原始细胞化石，碳氢化合物及碳酸盐，类似于地球原始生命活动产物，将人类对外星生命的探索推向了高潮。

50多年来，美国、苏联、欧洲、日本等国家先后向火星发射38艘探测装置，其中21艘失败，17艘成功，5个着陆器先后登陆，获得了关于火星空间和表面的2万多张照片和3万多个数据。最近2艘是2003年分别发射，2004年1月3日登陆的“勇气号”和1月25日登陆的“机遇号”火星探测车（高智能机器人）。经定点勘测，证实火星上存在一定量的固态水，火星远古海洋和洪水泛滥的残迹被观察到，由此猜测火星过去曾是一个温暖潮湿的世界。火星上水的发现，为生命的存在提供了一线希望和线索。

六、探索土星

1977年8月20日和9月5日，美国先后发射了“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器，它们带着探测太阳系外行星的任务，沿着不同的轨道进入太空。为了达到同时探测多颗行星的目的，它们巧妙利用巨行星引力的作用，适时地改变轨道。两个探测器各重815千克，结构大体相同，带有宇宙射线传感器，等离子体传感器，强磁计，广角、窄角电视摄像仪，红外干涉仪等11种科学仪器。

1979年11月，“先驱者10号”接近土星的卫星，并且从土星云层顶端上空2000千米的区域通过，在此期间虽然拍摄了土星及其卫星的低解析图片，但是不足以分辨出其表面的特征。此外，“先驱者10号”测出土卫六的表面温度为250开，还研究了土星环。1980年11月，“航海家1号”进入土星系统，并首次传回关于土星及其卫星等的高清解析照片，为人类观察研究这些卫星的表面特征提供了材料。此后一年，“航海家2号”利用雷达探测出土星大气层的温度和密度，压强7000帕的地方，温度为－203摄氏度，而在压强120000帕的地方，温度为－130摄氏度，虽然这也可能是季节性的。2004年7月，“卡西尼号”抵达土星轨道，对土星光环和土卫六进行长达4年的深入探测。2006年3月10日，美国国家航空航天局宣布“卡西尼号”发现土卫二有间歇泉喷发，证明了它有液态水的存在。2006年9月20日，“卡西尼号”传回的照片显示一个先前未被发现的环带，位于明亮的主环带外侧与E环及G环的内侧。

“先驱者10号”探测器

2006年7月，“卡西尼号”发现土卫六北极存在碳化氢湖泊的证据，并在2007年1月得到证实。2007年3月，土卫六北极的其他照片显示土卫六拥有一个巨大的碳化氢“海洋”，大约与里海一样大。“卡西尼号”在2004年发现且证实了4颗新的卫星，并在2008年7月完成其主要使命，取得了许多有价值的信息。

七、探索天王星、海王星

倾斜的姿态是天王星最鲜明的个性，那么为什么会出现这种现象呢？人们猜测可能是由于在太阳系形成的初期有一个如行星一般大小的天体与它发生过碰撞。但是“旅行者2号”发现，这个倾斜的姿势对磁场造成的影响才是它最鲜明和最突出的特点，跟地球磁场不同的是，它的磁场轨迹与其自转轴存在60°的夹角。行星的自转使得磁场分布变成长长的螺旋形。但是磁场的成因尚未明了。根据“旅行者2号”的探测，先前认为由水和氨水构成的导电的、超高压的海洋或许并不存在。地球和其他行星熔化的内核所导致的电流作用是它们磁场的成因。

1977年3月10日，在对天王星的一次观测中，发现天王星在天空缓慢移动，经过天秤座中一颗编号为SAO158687号的暗恒星后面，出现了很少见的掩星天象。中国、美国、澳大利亚、印度和南非的天文台都抓住这难得遇到的机会进行了观测。掩星前和掩星后各出现5次忽暗忽亮现象。天文学家们经过仔细的分析，发现天王星也存在光环，是9条长度约10千米的细环。

1986年1月24日，“旅行者2号”探测器以每小时72000千米的速度飞掠天王星时，发现了天王星有11个环，否定了之前9个环的认识。现在已知天王星共有20个环，不同的环有不同的颜色，给这颗遥远的行星赋予了与众不同的魅力。

根据地面观测，在天王星和海王星上也存在磁层。为此，“旅行者2号”的探测任务中增加了对天王星、海王星磁层方面的探测项目。“旅行者2号”在到达天王星最近距离点之前，就探测出天王星发出的射电信号和带电粒子流。经测定，其磁层中主要是由质子和电子构成的等离子体。磁层在朝向太阳的一面至少延伸到59万千米的高度，其磁尾延伸到600万千米。天王星也有与地球范艾伦带类似的辐射带。

1989年8月24日，“旅行者2号”抵达海王星近区，对海王星进行多方面的探测。观测资料向我们展示了海王星的“画卷”。海王星是一颗蓝绿色的行星，大气层内十分活跃，各层的云都在高速流动，风暴层出不穷。在大气层中存在2个暗斑和3个亮斑。其中一个大暗斑在东西方向上达12000千米，南北方向上达8000千米，位于海王星南半球南纬21°，与木星大红斑一样，是沿逆时针方向运动的气团。大暗斑的南部还伴有明亮的白斑。“旅行者2号”还新发现海王星有6颗卫星，使海王星卫星总数达到8颗。并发现海王星有5条光环。这给关于太阳系起源和演化的研究提供了新的依据。

“旅行者2号”拍摄的海王星最大卫星