太陽系探測：不斷改寫教科書

□ 易 林

2011年是太陽系探測的“紅火”年，無論是探測對象，還是探測內涵都上了一個臺階。尤其是美國樹立了典范：探測任務變得很快、很穩、很超前；技術上從極致到規模，從單一到通用；載人火星計劃不僅僅是口號，美國已經有實實在在的行動。

“圣杯”號開啟月球重力場研究

美國東部時間2011年9月10日9時08分，美國德爾它2型運載火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角的SLC-17B工位發射升空，將“圣杯”（GRAIL）號雙胞胎月球探測器送上前往月球之旅，這是美國航宇局首個專門研究月球重力項目，“發現”計劃中的第11個項目，總投資近5億美元。

衛星從地球飛至月球只需要不到3天時間，不過“圣杯”號刻意不采取直線通路飛行，而用較慢的速度飛行以節省燃料，不僅如此，慢速飛行還能確保衛星精準地進入月球的自轉軌道。“圣杯”號月球探測器首先前往距地球約150萬千米的第一拉格朗日點作為中轉站，通過回旋路線花費3個半月。“圣杯”A和“圣杯”B分別于美國東部時間2011年12月31日和2012年1月1日到達預定位置。

從今年3月開始兩個“圣杯”號探測器將在距月球表面約55千米的軌道上以60千米～225千米的間距運行。受月球重力的影響，二者的距離將不斷發生變化。科學家通過測量月球重力場對探測器間距的細微影響，繪制出月球重力場詳細分布圖，將其與月球山區、撞擊坑以及盆地等地貌特征結合起來，可以推算出月球從外殼到內核之間的情況，幫助重建月球的演化過程，確認月球內部構成，進而推進關于地球等太陽系內巖石類行星形成原因的科學研究。探測器的任務期約90天，任務完成40天后，兩個探測器將撞向月球表面。

點評：“圣杯”號任務會讓人聯想到“GRACE”任務。2002年，美國發射了兩顆專門用來監測地球引力場的“GRACE”衛星。的確，“圣杯”任務就是“GRACE”任務的繼承和發展，不但部分工作團隊轉到了“圣杯”任務，探測儀器也大同小異，個別進行了升級改造。由于月球沒有大氣干擾，“圣杯”的飛行軌道更低，圖像分辨率會更高。從中可看出，美國太空探測計劃有很好的連續性。

“好奇”號火星車體驗新式降落

2011年11月25日，美國用“宇宙神”5火箭成功向火星發射價值25億美元的“火星科學實驗室”。以核動力驅動的“好奇”號火星車是該任務的核心，被譽為“夢幻探測車”。

“好奇”號攜帶的探測設備比以往任何火星漫游車更多、更先進，在火星表面的連續行駛能力更強。它將在直徑155千米的火星蓋爾隕石坑內著陸，展開為期一個火星年（約687個地球日）的探測，其主要任務是查明火星過去或現在是否存在適宜生命存在的環境。

如果一切按計劃進行，“火星科學實驗室”探測器將于2012年8月到達火星，開始其艱難的6分鐘穿越火星大氣的降落過程，嘗試用一種全新的技術在火星表面降落。進入火星大氣過程中，著陸器重心先會短暫改變以獲得升力，然后降落傘展開以便精確接近著陸點。在著陸區上空，著陸器將采用“空中起重機”著陸技術由火箭提供動力在空中盤旋，并借助尼龍繩索將漫游車降至火星表面。采用這種著陸技術的原因是，“好奇”號6輪漫游車的大小相當于一輛汽車，重850千克，這么重、這么大的漫游車不宜用降落傘/安全氣囊組合體方案，降落傘/安全氣囊組合體在勇氣號和機遇號中曾用得非常成功。

點評：從1964年起，美國向火星發射了19枚探測器，成功14次。創新是美國保持太空探索領先地位的不竭動力。從“勇氣”號和“機遇”號火星車采取氣囊軟著陸方式，到“鳳凰”號火星車反推力軟著陸方式，再看“好奇”號“空中起重機”著陸技術，美國航宇局在火星著陸技術上堅持不懈的技術創新和嚴謹的科學態度。

“好奇”號搭載了夢幻般的有效載荷：1）桅桿相機；2）火星手持透鏡成像儀；3）火星降落成像儀；4）火星樣品分析儀；5）化學與礦物分析儀；6）化學與攝像儀（帶攝像功能的顯微鏡）；7）阿爾法粒子X射線分光計；8）中子反照率動態探測器；9）輻射評估探測器；10）火星車環境監測站；11）氣象監測組件等

“福布斯－土壤”火星探測任務失敗

在電影《火星寶貝之火星沒事》的結尾，火星人飛碟漸漸遠去，卻遠遠傳出來火星人的聲音：明白，再給地球派送21個孩子。火星人怎么登陸地球就那么容易，連小孩都能來當臥底。可地球人登陸火星卻很費勁，連無人探測器輕易都近不了火星的身。從1960年起，蘇聯/俄羅斯向火星發射的記錄是19次，成功率為零。

11月9日，俄羅斯“福布斯-土壤”火星探測器從拜科努爾發射場由俄羅斯/烏克蘭“天頂”號運載火箭發射升空，其主要目的是從火衛一上采集土壤樣本并運回地球。該火星探測器上同時搭載有中國首顆火星探測器——“螢火一號”。中俄聯合探測火星計劃，是根據2007年中俄雙方共同簽署的《中國國家航天局與俄羅斯聯邦航天局關于聯合探測火星-火衛一合作協議》開展的政府間航天合作項目。

發射后688秒，“福布斯-土壤”探測器與“天頂”火箭分離，進入約206千米×348千米的近地軌道。按照原計劃，探測器上的主發動機將啟動，并通過多次點火將2個探測器送入飛往火星的軌道。然而，探測器主發動機一直沒有啟動，未能按照計劃實施變軌。在發射現場的俄羅斯聯邦航天局局長波波夫金稱，導致意外情況出現的原因可能是探測器控制系統發生故障。

俄羅斯地面控制中心希望是由軟件引起控制系統故障，并嘗試重新啟動探測器，但是幾經嘗試均未成功。俄羅斯國防部空天防御兵發言人阿列克謝·佐洛圖欣對媒體說：“北京時間1月16日1時45分，‘福布斯-土壤’探測器，已經再入大氣層，其未燃盡的碎片墜落在智利南部惠靈頓島以西1250千米的太平洋海域。探測器所含鈷57質量不超過10微克，不會造成放射性污染。”

點評：目前人類還只能利用火箭進行航天活動，深空探測依然存在巨大的風險，火星更是曾被稱為探測器的墳場。風險客觀存在，所不同的是畏難而退，還是積極總結經驗，改進技術和管理手段，繼續前進，這態度某種程度上也決定了一個國家的航天成就。就這點來看，美國在深空探測上的科學嚴謹和俄羅斯的愈挫愈勇，都值得我們來學習借鑒。

火星沙丘為何每年都移動

美國科學家利用2005年發射的火星勘測軌道器(MRO) 上搭載的高分辨率成像設備(HiRISE)的長期持續監視研究發現：火星上十幾處沙丘每年都移動數米。這一發現將改變以前關于火星沙丘活動性的科學認識。過去普遍認為，火星地表的黑色沙丘基本是不移動的。

當火星上發生大風暴時，紅色的塵土漫天飛揚，甚至將整個行星表面染成了紅色，但是那些黑色的沙丘由于沙粒更大更重，難以被風力搬運。就在不到10年之前，科學家們還認為這些黑色沙丘可能并不能移動，或者它們的移動速度將極為緩慢以至于無法被探測出來。

火星表面的空氣密度比地球低得多，因此它需要更強的風力才能移動沙粒。風洞試驗顯示，在火星上要移動一粒一定質量的沙粒需要每小時130千米的風速(約相當于地球上的12級臺風)，而移動同樣的沙粒，在地球上只需大約每小時16千米的風速(約相當于3級微風)。上世紀70年代～80年代兩艘“海盜”號探測器在火星表面著陸并進行了長達數年的氣象學監測，結合火星氣候模型計算顯示，火星上出現如此強風的幾率很小。

首先發現火星表面沙丘存在移動現象的是美國宇航局的“火星全球勘測者”軌道器，它于1997年至2006年期間執行火星軌道考察任務。但是它攜帶的相機設備分辨率有限，無法提供確鑿的證據。

2004年，“勇氣號”和“機遇號”在登陸火星之后同樣也探測到沙丘移動的線索。科學家們驚訝地發現一些火星沙粒撞擊了火星車的太陽能電池板。他們還注意到火星車駛過之后留下的印痕被移動的沙粒填埋。

但是，并非所有地區的沙粒都會在火星上隨風飄動。此次研究中科學家們也發現了一些地區的沙丘觀察不到移動現象。可能是因為這里的沙丘沙粒粒徑較粗大，或者這里的沙丘已經出現相互膠結。不過科學家們懷疑，這些目前看不出存在沙丘移動現象的地區可能在更長的時間尺度上同樣存在移動現象，如火星上可能存在和地球類似的以數十萬年為周期的循環。屆時火星的黃赤交角角度將出現大的變化，這些因素，再加上火星軌道本身較高的偏心率，將可能極大地改變火星氣候，其變化幅度將遠超過地球上的類似變化。

點評：這些研究顯示了使用高分辨率相機對火星表面進行長期持續監測的重要性。

火星赫歇爾隕石坑內的一座條形沙丘，火星勘測軌道器（左）觀測顯示在2007年3月3日至2010年12月1日期間它移動了大約2米

“信使”號改寫水星“歷史”

2011年3月18日，美國“信使”號水星探測器經過長達6年半、飛行78.86億千米順利進入環繞水星軌道，對其展開為期一年的觀測，任務包括確定水星表面成分、探測水星的神秘磁場及勘察水星極地區域是否存在冰。這是自1975年以來，美國航宇局首次對這顆離太陽最近的行星進行探測，也是人類發射的第一個繞水星運行的探測器。

美國航宇局“水手”10號探測器曾于1974年~1975年從水星旁飛過，拍到過一些照片，幾十年來，天文學家們一直根據這些照片進行研究。但是，“水手”10號并沒有拍到水星全貌，現在，這些空白將由“信使號”來填補。

“信使”號初步觀測結果顯示，水星不同于太陽系內其它行星，表面分布著火山平原、巨大的隕坑和大量的硫磺。水星表面隕坑中富含硫磺沉積物，豐度是在地球或月球表層的巖石中發現的10倍。科學家推測，在塑造水星地貌的過程中，火山很可能扮演了重要作用。水星具有兩極不均勻的磁場，北部磁場稍強，并且水星表面有一個由遠古噴發的熔巖形成的大平原，跨越400多萬平方千米，相當于美國面積的一半。

點評：“信使”號的探測揭示了許多與眾不同的水星特征，事實證明水星遠比我們想像得更加復雜。正如NASA博爾頓局長所說的那樣：“NASA的探測計劃正在不斷改寫著我們的教科書。而信使號計劃正是我們不斷努力擴展人類知識邊疆的最好例證。”

美國航宇局“信使”號航天器最新拍攝的水星德加隕坑，使科學家不得不重新思考40億年前這顆距離太陽最近的行星是如何形成的

“朱諾”奔赴“朱庇特”

2011年8月6日，重達4噸朱諾號被“宇宙神”5運載火箭送上天空并飛往木星的旅途中。

“朱諾”是迄今人類發射的依靠太陽能驅動飛行距離最遠的深空探測器。“朱諾”號探測器將依靠三塊巨大的太陽能電池板驅動，在太陽系內飛行32億千米，于2016年7月抵達木星軌道。木星離太陽有8億千米之遙，上面照射到的太陽光只有地球的1/25，所以探測器的3塊太陽能電池板每塊有8.8米長、2.7米寬。這些折疊的太陽能電池板打開后，就像風車的葉片一樣。

木星是太陽系內體積和質量最大、自轉最快的行星。木星成分和太陽極其相似，科學家認為它是太陽系最古老的行星，在太陽形成后就已誕生，通過研究木星可以對太陽系的起源有更加深入的了解。

木星拉丁文名字叫朱庇特。古羅馬神話中，隱藏在云層之中的朱庇特是眾神之王，生性頑劣不羈，只有他的妻子朱諾女神能夠看破云層，揭示他的真正面目。美國航宇局寄希望 “朱諾”借助最新的儀器，揭開木星云層覆蓋下的秘密，進一步研究木星的起源和進化。“朱諾”號木星探測器耗資11億美元，裝有9臺探測設備，配備了最新的向量磁力儀、等離子能量探測器、紅外成像光譜儀等精密設備，這位“朱庇特”的新伴侶屆時將會深入檢測木星大氣的成分、溫度、水含量等信息，分析木星的磁場和重力場，探尋這一星體的深層結構。

如果順利抵達木星，“朱諾”號還必須面對木星輻射帶的威脅。木星附近有非常強烈的高能粒子輻射帶，輻射強度大約是牙科X射線劑量的一億倍。科學家希望它在被木星巨大的輻射摧毀之前能堅持工作1年，要繞木星飛行32圈。

基于單片機的多功能視力保護器設 計 ……………………………………………………… 梁東麗，劉 穎（21）

點評：“朱諾”號木星探測器是美國航宇局“新疆界”計劃實施的第二個探測項目。從上世紀70年代開始，美國航宇局已有8顆探測器從木星飛過或進入木星軌道，但是，一手資料非常有限，主要是1989年發射的“伽利略”號木星探測器所獲得。隨著“朱諾”木星探測器發射升空，科學家對木星的探索之旅進一步延續。與“伽利略”號環繞木星赤道工作不同的是，“朱諾”號將進入木星的極地軌道，這更有利于獲得木星全球性的探測成果。

2011年8月6日“朱諾”號探測器踏上木星之旅

“卡西尼”號拍攝土星電閃雷鳴

2011年，科學家根據“卡西尼”號在2010年12月至2011年2月間的圖像數據，并結合來自“卡西尼”號的無線電和等離子體波探測器等科學儀器的監測數據，發現，土星巨型風暴區中發生閃電的頻率比以往的土星風暴要高出10倍以上，據此推測，這也是自2004年卡西尼號開始探測土星以來所觀測到的最大風暴。這次土星風暴掃過的面積相當于地球表面積的8倍，也比卡西尼號在2009年～2010年間發現的土星風暴大500倍以上。

“卡西尼”號探測器于1997年發射，2004年抵達土星上空，在研究這個環狀行星和它的衛星時拍攝了一系列奇特的閃電暴現象，并于2006年記錄了肆虐3480千米范圍的大閃電暴。2007年12月6日“卡西尼”探測器的攝像儀首次拍攝到閃電暴的視頻圖像，圖像顯示閃電暴就像土星奶油色云帶上的一個污點。科學家根據“卡西尼”號的監測數據和圖像資料，首次制得有關土星閃電的視頻。視頻片段使得人們可以更逼真地看到土星閃電。據悉，這段視頻的圖像素材是在16分鐘內拍攝的。科學家將這些圖像素材壓縮成時長10秒鐘的視頻。視頻中的云團被土星光環反射的光照亮。每次閃電大約長達300千米，而釋放的能量堪比地球上最強的閃電。實際上，每次閃電的時間約1秒鐘。視頻中的“劈啪聲”是通過合成制得的，模擬了“卡西尼”無線電記錄儀器接收到的真實聲音，不過這些聲音超出了人們的聽力范圍。

土星上的閃電暴與地球上的雷暴現象非常相似，但是其強度要更大。閃電暴跨越數千英里，并從閃電中生成電波脈沖，其強度是地球閃電的數千倍。研究人員希望通過跟蹤土星氣候這些異常現象，進一步獲得該行星閃電現象較新的進程變化，以及隨著季節的變遷，土星南半球上閃電暴的相應改變。

“卡西尼”機載儀器每10小時40分鐘跟蹤閃電暴，當土星旋轉時觀測南半球上的閃光暴現象。業余天文學愛好者也同時從地球上觀測土星閃光暴。由于卡西尼攝像儀不能每天跟蹤這個閃電暴現象，因而更加突顯了業余天文學愛好者觀測數據的重要價值。“卡西尼”任務團隊一直與全球范圍的天文學家保持溝通和聯系。

點評：投資32.7億美元的“卡西尼/惠更斯”號土星探測器是一個由美國航宇局、歐洲和意大利航天局等17個國家聯合開展的國際探測計劃，是人類進入空間時代以來最激動人心的大型國際合作課題之一。由于投資巨大，從立項一直到發射升空，美國科學家反對聲甚囂塵上，對任務提出各種質疑，有的人認為該項目周期太長，風險太大，是“把所有雞蛋都放在一個籃子里”。自2004年抵達土星上空后，“卡西尼”對土星家族開始了一系列卓有成效的探測，并且，不斷延長服役時間。該計劃取得成功充分證明，太空探索是一個投資巨大、任務艱巨的歷程，需要世界各國為了人類共同的利益，攜手共進。

土星風暴

土星磁場

“隼鳥”號，讓日本人笑傲小行星

2011年3月10日，日本宇宙探索局研究小組在國際月球與行星科學大會上公布了“隼鳥”號探測器帶回的絲川小行星微粒的初步分析結果，這是首次對外公布隼鳥號采集回的小行星微粒的詳細分析與研究成果。

多災多難，百折不撓，“隼鳥”由此也博得“不死鳥”的尊稱。

點評：“隼鳥”是繼2006年美國“星塵”號彗星探測器后，第二個離開地球重力圈后重返地球的探測器，而且是人類首次直接獲得月球以外天體巖石樣本。目前，日本正在研制“隼鳥”2號，目標是C類小行星1999 JU3。屆時，一個全新理念的以彈跳方式運動的微型漫游車即將誕生，更為重要的是其搭載的有效載荷將真正實現輕量化。

2010年6月13日，“隼鳥”號密封艙在澳大利亞伍麥拉降落

“黎明”號成為灶神星衛星

2011年7月16日，“黎明”號被灶神星捕獲并進入其軌道，成為首個進入太陽系小行星帶主要小行星軌道的探測器。

美國航宇局局長博爾登在一份聲明中將“黎明”號入軌稱作“不可思議的里程碑”。他說，奧巴馬總統已指示航宇局到2025年將航天員送往小行星，“黎明”號將為今后登陸小行星搜集至關重要的數據。

“黎明”號從8月初距灶神星表面約2737千米時開始搜集數據，并在逐漸靠近灶神星的過程中拍攝多角度照片，以便科學家繪制灶神星地形圖。它將在距離灶神星約193千米的軌道上運行一年，對灶神星某些方位拍攝近景，隨后將于2012年7月啟程趕往谷神星，預計在2015年抵達目的地。如果不辱使命，“黎明”號將成為第一個環繞兩顆不同天體運行的無人探測器。太陽系小行星帶位于火星和木星的軌道之間，其中存在大量種類各異的小行星，內側小行星多是被炙烤過的巖石模樣，而外側多是大量富含水和有機分子的冰狀天體。

點評：灶神星是與地球類似的巖狀天體，谷神星則是典型的冰狀天體，這兩個極不相同的天體竟然可以位于同一個小行星帶中，是“黎明”號光顧它們的主要原因。根據2006年8月國際天文學聯合會提出的新定義，谷神星已從小行星升格為矮行星。

直徑130千米的司琴星是探測器目前發現的最大小行星，此示意圖為灶神星與其他小行星大小比較