1.3.2 探测太空的步伐

深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系和宇宙空间的探测。它主要有两方面的内容：一是太阳系各大行星的探测，二是太阳系外的探测。深空探测意义重大，它是在卫星和卫星应用取得重大成就的基础上，向更广阔的太空进行的探索。深空探测可以进一步解答地球的起源与演变、行星和太阳系究竟是如何形成和演化的、人类是不是宇宙中唯一的生命、地球的未来将如何等一系列问题，同时有利于人类积极开发和利用空间资源。

全世界进行过深空探测的国家和组织有美国、苏联/俄罗斯、欧洲航天局、日本、中国、印度及以色列。据统计，截至2019年年底，世界上主要航天大国和组织共发射了约250个空间探测器：其中月球探测活动最多，共发射了约136个探测器；实施火星探测任务44次，金星探测40次，发射太阳探测器15个，以及太阳系其他天体的探测约75次。

1.3.2.1 月球探测

1959年，苏联以拍摄月球背面图像为目标，先后发射了3个月球探测器。第一个探测器从月球一侧约5000km处飞过，未发回信息，进入了太阳轨道。第二个探测器命中月球视面中心以北800km处，在即将撞击月球表面的瞬间向地球发回关于月球附近不存在强磁场和辐射带的信息。这是第一个到达地球以外其他天体的航天器。第三个探测器从月球之南7900km进入绕月飞行轨道，经过月球背面时拍摄到月球背面70%从未被人类见过的区域和30%可从地面看见的月面。探测器飞回地球时，轨道正处于地球北半球的上空，有利于苏联地球站跟踪和数据接收。探测器在回程中又将所拍摄的资料重复播送。地球站收到并整理出约30张关于月球背面的图像，月球背面的面貌第一次被揭开了。

1963—1976年是苏联实施月球考察计划的第二个阶段。在此期间苏联共发射了21个“月球号”探测器。最重要的成果是“月球16号”“月球20号”和“月球24号”，它们分别于1970年9月、1972年2月和1976年8月在月面软着陆并钻孔取样，将月球的土壤和岩石样品带回地球；“月球17号”和“月球21号”在1970年11月和1973年1月分别携带一辆重约1.8t的月球车在月面软着陆，由地面遥控月球车在月面自动行驶考察。两辆月球车分别行驶了10.5km和37km。

美国早期的月球探测器是“先驱者号”探测器，从1958年开始发射。前3个都因未达到预定速度而失败，第4个虽然发射成功，但时间上已晚于苏联，且在离月球很远处飞过，未发回重要信息。此后，美国把对月球探测的第二个阶段计划与“阿波罗”载人登月计划结合起来，执行了“徘徊者号”探测器、“勘测者号”探测器和“月球轨道环行器”计划。1969年7月16日9时32分，阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林3名航天员搭乘“阿波罗11号”飞船由“土星5号”火箭在肯尼迪航天中心发射；1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船的登月舱降落在月球赤道附近的静海区，22时56分，航天员阿姆斯特朗走出登月舱，成功踏上月球，寂静的月亮上，出现了人类的第一个脚印，如图1.10所示。这是一次震惊全球的壮举，也是世界航天史上具有重大历史意义的成就。此后，“阿波罗12号”“阿波罗14号”“阿波罗15号”“阿波罗16号”“阿波罗17号”相继登月成功，对月球进行了广泛的考察。“阿波罗”工程集中体现了现代科学技术的水平，推动了航天技术的迅速发展。目前，只有美国进行过载人登月。

1.3.2.2 内行星探测

太阳系的内行星是指金星、火星、地球和水星。

1.金星探测

在20世纪60年代，苏联多次发射金星探测器，但均无重要收获。1971年，苏联“金星7号”探测器的着陆舱在金星表面软着陆成功，此后相继发射“金星8号”至“金星16号”探测器，发回了一批金星全景遥测照片和测量数据。

美国在1962年8月26日发射“水手2号”金星探测器，探测器在距金星35000km的地方掠过，获得了关于金星的某些资料。当探测器经过金星时，科学家通过测量探测器因金星引力而产生的轨道偏差，首次准确地计算出金星的质量。在1978年金星大冲期间，美国又发射了“先驱者-金星1号”探测器和“先驱者-金星2号”探测器，在金星表面软着陆成功，对金星进行了综合考察。

2.火星探测

人类对火星上可能存在生命这一猜想一直怀有希望。苏联在1962—1973年发射了7个“火星号”探测器，其中1个飞越火星，2个出了故障，2个软着陆失败，2个软着陆后不久通信中断。美国在1964—1975年共发射6个“水手号”探测器和2个“海盗号”探测器。前者拍摄了火星的照片，后者抛出着陆舱在火星表面软着陆。图1.11（a）所示为“海盗号”探测器拍摄的火星图片。

美国国家航空航天局的“好奇号”火星探测器于2011年11月26日23时02分发射成功，顺利进入飞往火星的轨道，2012年8月6日成功降落在火星表面，展开为期两年的火星探测任务。它是美国第7个火星着陆探测器，也是第1辆采用核动力驱动的火星车，其使命是探寻火星上的生命元素。

3.水星探测

水星是太阳系内距太阳最近的行星，要想从地球上观测到水星，只有在它接近地平线处才有可能。美国于1973年发射的“水手10号”探测器在距水星690km处发回水星表面状态的信息。“水手10号”发回的水星照片十分清晰，可分辨约150m大小的物体[图1.11（b）]。测得的数据表明水星表面很像月球，布满大大小小的环形山，有很稀薄的大气，大气压力小于2×10-11Pa，昼夜温差极大，根据2008年5月的测量结果，最高地表温度为634.5℃，最低地表温度为-86℃。

1.3.2.3 外行星探测

太阳系的外行星是指木星、土星、天王星和海王星。外行星探测是从20世纪70年代初开始的。首先，它比内行星探测的距离远，探测器飞行时间往往长达数年，必须有大功率无线电发射机和大的发射天线才能使发回的信号在到达地球表面时仍有一定的强度。其次，在离太阳遥远的空间已不可能利用太阳能电池，只能用核电源。至今已经有6个探测器探访过木星，有4个探测器探访过土星。

美国于1972年3月发射了第一个探测外行星的“先驱者10号”探测器。1973年12月，这个探测器飞近木星，向地球发回300张中等分辨率的木星照片，然后利用木星的引力场加速飞向土星，再利用土星的引力场加速飞行，折向海王星，1983年飞过海王星的轨道。美国于1973年4月发射的“先驱者11号”探测器在1974年12月经过木星，1979年9月在距土星34000km处掠过，拍摄了土星的照片，发回有关土星光环成分的资料。

美国于1989年10月发射升空的以伽利略命名的探测器是专程发往木星的探测器，对木星及其卫星进行探测，研究木星大气和磁场以及木星卫星的组成和物理状态。“伽利略号”探测器到达木星后，在近8年的时间里对木星及其几颗主要卫星进行探测，获得了宝贵信息，积累了人类对这颗星球的认识。

美国于1997年10月发射升空的以卡西尼（Cassini）和惠更斯（Huygens）命名的“卡西尼-惠更斯”探测器，专程前往土星及其最大的卫星土卫六，对土星系统进行探测，包括土星大气的组成、深层大气运动、云层性质、全球风场、闪电以及电离层与磁场的变化，对土星和土卫六的表面物理状态、大气结构与组成进行探测，测量土卫六的风和全球温度。2017年9月，“卡西尼号”土星探测器[图1.12（a）]燃料将尽，科学家控制其向土星坠毁，进入土星大气层，燃烧成为土星的一部分。

1977年8月和9月，美国发射“旅行者2号”和“旅行者1号”探测器[图1.12（b）]，对多颗外行星进行探测。它们先后从木星和土星旁绕飞，探测了这两颗行星。1979年以后，它们陆续发回木星和土星的照片，清楚地显示出木星的光环、极光和3颗新卫星以及木星的大红斑结构和磁尾形状，土星的光环构造、新的土星卫星、奇异的电磁环境等信息。在它们掠过土星时，受到土星引力加速助飞，实现了轨道引力机动，得到了进一步的速度增量，“旅行者1号”直接朝向太阳系边缘飞去，“旅行者2号”利用这几颗外行星位置分布的有利时机，调整了飞行程序，在飞向太阳系边缘之前，继续掠过天王星和海王星，成为迄今唯一一个探测这两颗行星的探测器。目前这两个探测器还在继续工作，发送回来的探测数据表明，它们已经飞行到达太阳系光球层顶，即将飞出太阳系的磁层范围，进入恒星际空间，继续探测星际间的粒子、紫外线源和磁场等，探寻太阳系和恒星际之间的边界。20世纪70—80年代的深空探测成果无论从航天技术水平，还是从空间天文观测成果来看，都是重大的历史性成就。

1.3.2.4 遥远以远

深邃无穷的浩瀚宇宙始终是人类探索的方向。人类身临或者通过航天器所至的范围仍在太阳系内，尚看不到能够走出太阳系进入星际空间的那一天。前述的“先驱者号”探测器和“旅行者号”探测器是人类开展宇宙探测以来走得最远、表现最为优异的两个航天器。这两个航天器都携带了人类文明的信息，希望在茫茫宇宙中的某一角落为地外文明所发现。两个“先驱者号”探测器在21世纪初就与人类失去联系，美国国家航空航天局于2004年先后终止了相关努力。两个“旅行者号”探测器目前依旧在宇宙中航行。“旅行者1号”走得最远，截至2019年年底，距离太阳已达210亿千米之遥。预计两个“旅行者号”探测器将于2025年前后因能源耗尽而失去与人类的联系，径直孤独地继续它不知所终的宇宙旅行。

美国“哈勃”太空望远镜（Hubble Space Telescope, HST）的观测距离超过120亿光年。“哈勃”太空望远镜[图1.13（a）]于1990年由“发现号”航天飞机送入太空，经过多次在轨维修，至今已经仍在太空遨游，完成了近万次观测，拍摄了三万多张宇宙天体的照片，进一步确定了宇宙年龄，证实了宇宙在加速膨胀，观测到了暗物质的存在。“詹姆斯·韦伯”太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）[图1.13（b）]是美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大国家航天局联合研发的红外线观测用太空望远镜，为“哈勃”太空望远镜的继任者，在2021年年底进入太空，继续开展人类探测宇宙的任务。