太陽系圈不住人類的太空夢想_風聞

中国国家历史-《中国国家历史》官方账号-人民出版社《中国国家历史》连续出版物唯一官方号2019-08-20 17:58

2019-08-20

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中國深空探測事業還需我輩繼續努力，腳踏實地做出成績。

還記得今年大年初一上映的國產科幻大片《流浪地球》嗎？人類為躲避太陽氦閃而建造了一萬座行星發動機，利用木星等大行星的“引力彈弓”效應，“駕駛”地球一步步逃離太陽系。

片中的故事發生於公元2075年，讓我們將時間線往後調98年。1977年8月20日，美國國家航空航天局在肯尼迪航天中心，發射了第一顆探索太陽系邊緣行星的探測器——旅行者2號。旅行者2號探測器的發射，是人類歷史上第一次衝破太陽系“牢籠”的偉大創舉。

筆者謹以此文，紀念在太空中流浪了42個年頭的旅行者2號。

一、人類為何在上世紀70年代就能進行太陽系深空探測？

我們對太陽系幾大行星及其衞星的模樣、環境的瞭解，基本上都源於上世紀60年代到90年代之間的一系列太空探測活動。人類發射的探測器幾乎到訪了太陽系內所有“有頭有臉”的行星、衞星和部分小行星，甚至太陽這位老大也處在人類科技的實時監控下。不得不説，那是一個太空探索成果井噴的偉大時代。

太陽系各大行星和小行星帶結構

然而我們發現，現在各國探索太陽系的能力似乎“削弱”了。傳統太空強國美國和俄羅斯當年便能發射諸多飛往各大行星的探測器，1969年美國更是實現了載人登月計劃。結果50年過去了，美國再提登月卻搔首踟躕，俄羅斯航天的水平基本只能維持在地球軌道周圍轉轉，歐洲和日本想進行深空探測卻能力有限，而中國航天由於底子薄，只能按部就班地向前邁進。

為何人類在上世紀七十年代就能進行太陽系八大行星範圍內的全面探測，**在科技水平更上一層樓的今天，卻好像達不到原來的高度了呢？**其實這並不是人類航天水平在開倒車，而是因為一個淺顯易懂的道理：競爭催人奮進。

上世紀，左右世界局勢的兩個超級大國，挾帶着軸心國勝利之威，不僅劃分了全球勢力範圍，還把握住了二戰帶來的軍工科技爆發之機遇，引領了第三次科技革命的浪潮。為了爭奪世界霸權，美蘇兩國在全面核戰爭威脅的陰影下，展開了數十年的“冷戰”，力圖兵不血刃地壓倒對方。其中，太空競賽就是冷戰中極為重要的一環，因為國家的太空實力不但是國力和影響力的重要因素，還能為情報偵查、導彈技術等國防安全事務提供莫大的助力。

這場曠日持久的太空競賽，發端於蘇聯第一顆人造地球衞星斯普特尼克一號的成功發射，它宣告了人類航天時代的開始。之後的二十年，美蘇兩國似乎都缺乏一點理智，並沒有完全依據本國實際情況做決策，更多是為了超過和壓倒對方的航天成就。因而，這場太空競賽呈現出一種全方位、多層次、寬領域，卻又有點兒戲的特點。直接交鋒的是美國國家航空航天局（NASA）和蘇聯國防工業委員會。

蘇聯第一個人造地球衞星斯普特尼克一號

具體來説就是：你今天成功發射了衞星，我明天就要發射一顆功能更強大的衞星（如美國搶在蘇聯之前發射世界上第一顆通信衞星）；你今天發射了探測器到月球上，我明天就要讓宇航員登月（如美國阿波羅11號飛船的載人登月活動）；你今天讓航天器交匯對接，我明天不僅讓它對接，還讓宇航員也交換一下（如蘇聯1969年首次進行太空對接並交換隊員）；你今天發射飛船到火星，我明天就派飛船去木星（如1972年美國先驅者號飛船飛往木星）等現象。

美國載人登月

這真是類似於同班級兩個學生間的互相“鬥法”。開始時蘇聯在衞星、空間站、金星探測等方面的分數總比美國高，後來，美國不僅花了大力氣補課，在大推力火箭、宇宙通信、深空探測等方面還把蘇聯甩在了後邊，直逼得蘇聯“退學”。

**正因為兩位大佬的互相較勁，人類的航天科技水平直線上升。**到了今天，美國已經把蘇聯解體的紅利基本吃盡，無論是俄羅斯還是歐洲都因財政困難等因素，無法挑戰美國的太空地位。而美國國內的問題越來越突出，無法像當初那樣花大力氣組織和投資大規模的太空探索活動，況且也沒有現實需要。此外，全球化的今天，各國在太空項目上的合作勢在必行，單靠一國的能力很難推動航天科技大幅前進。

不過，21世紀的深空探測還是有一些可圈可點之處，筆者將在下文介紹。

二、踏上流浪之旅：拜訪木星、土星、天王星和海王星

在先驅者號飛船飛過木星後，美國NASA決定邁出歷史性的一步：發射探測器去拜訪遠離太陽系核心區域的木星、土星、天王星和海王星這四顆類木行星及其衞星。以前只能在天文望遠鏡望一望的美麗星球，今天倒要去它身邊瞧一瞧。

嚴格來説，這次探索行動並不是美國為了壓倒蘇聯而實施的。此時的蘇聯航天遇到了難以克服的困難：無法進行載人登月，深空探測止則步於火星和金星。旅行者號飛船的誕生，是美國在探測過四大類地行星後，探索的需要與動力的直白體現，是探求科技上限和邊界的自然延伸。美國積累了雄厚的太空實力後，邁出這一步勢在必行。

旅行者號，顧名思義，即派往宇宙空間的旅行者。人類可以把它發射到太陽系邊緣去，但卻無力讓它完成任務後重回故鄉，因而宇宙空間的旅行者實際上是有去無回的流浪者。而美國發射探測器的習慣是一次發射一對，先於旅行者號飛往木星及太陽系外層空間的先驅者10號和11號即是如此。這次NASA也準備了兩艘飛船——旅行者1號和2號——裝備了十分先進的探測和通信設備，使用核動力鈈電池保證續航，並且在飛船裏裝上了記錄各國文字、音樂、語言等人類文明信息的銅片和光盤。如果外星人捕獲這艘飛船，就能收到地球的友好問候。

旅行者2號結構圖

兩位旅行者的分工也十分明確。旅行者1號負責探測木星、土星及其衞星與土星環，外加測量太陽風的變化情況。而2號走得更遠，探測木星、土星、天王星和海王星及其衞星，設計的飛行速度也要慢一點。飛船隻靠自己的動力還不足以完成任務，NASA實際上是抓住了四顆巨行星連成一線的176年一遇之機會，利用《流浪地球》電影中為觀眾展示的“引力彈弓”效應，為飛船提供飛行的加速度和動力，畢其功於一役。

原計劃首先發射旅行者1號，但是在準備過程中出了狀況，臨時改為由2號先走一步。1977年8月20日的肯尼迪航天中心，旅行者2號以每秒15公里的速度被火箭送上飛往木星的旅程，而1號則在解決了問題後，於同年的9月5日踏上征途。為了給二位“勇士”護航，美國還啓動了設在美國、西班牙、澳大利亞的射電望遠鏡收發信號，似乎是向它們叮囑：無論你飛到宇宙的哪個角落，地球母親都會一直守護着你。

兩年後的1979年，旅行者2號抵達木星附近。它為我們揭示了木星上那個絢麗的大紅斑，實際上是一個逆時針旋轉的複雜風暴系統，伴隨着周邊的小旋渦風暴一起旋轉。除了木星本體外，2號還觀測了木衞一上活火山的爆發，拍攝了木衞二、木衞三和木衞四表面的地形和紋理，同時它還發現了木星環周圍的一些小衞星。陪木星“嘮嗑”了幾天後，旅行者2號啓程飛往土星。

又過了兩年，1981年，2號飛到了土星的上空。由於1號在前一年已經對土星周邊做了比較詳細的探測，因此2號只用雷達掃描了土星，瞭解了它的氣温和密度等信息。雖然中途攝像機差點壞掉，但那美麗的土星環實在讓人流連忘返啊。

趕往天王星的路途用了將近4年的時間。旅行者2號在1986年的成果最為豐富，因為這顆遠離太陽的大行星只靠望遠鏡看會被假象迷惑，而抵近天王星“家門口”才發現它有10顆之前沒發現的衞星，並確認了它倒着轉的真相。探測器偵測了其行星環和磁場的情況，搞清楚了其靛藍色的外表是甲烷冰造成的。這次探測極大豐富了科學家們對天王星的認知。

三年後，1989年，2號到達了其任務的最後一站——海王星。它發現了海王星雲層上的大暗斑，並仔細觀察了海衞一的特徵，瞭解其是太陽系中唯一一顆沿行星自轉方向逆行的大衞星，又是太陽系中最冷的天體。氮氣和液氮將整顆衞星營造成了一片白色的海洋。

旅行者1號和2號的探測軌跡

探測完四大巨行星後，旅行者2號的任務基本完成，並朝着太陽系的邊緣一去不回。科學家們決定將它同早就完成任務的旅行者1號的使命改一改，變成測量太陽系邊緣地帶的太陽風情況。臨別前，旅行者飛船還為太陽系八大行星拍攝了“全家福”。到了21世紀，它們已經飛到了日球層的頂層地帶，這裏的太陽離子和終端激波依然處於一個比較強的水平。

旅行者號探測器和它對各個行星探測圖像的合影

日球層結構圖

先驅者號是最先往太陽系邊緣飛去的探測器，但是旅行者號的設計速度比它們快，特別是旅行者1號，它以每秒17公里的速度飛行，並在2012年抵達了柯伊伯帶，脱離了人們傳統觀念中的太陽系範圍（實際上並沒有脱離）。而2號則在2018年被美國宇航局旅行者團隊宣佈脱離了太陽風的範圍，進入了宇宙空間。因此，兩艘旅行者飛船應該是最先抵達星際空間的飛船。

三年之後又三年，十幾個三年過去了，直到今天，旅行者號仍然可以和地球通信，只是距離實在太遠（超過210億公里），連電磁波都要走十幾個小時才能到達。根據科學家估計，旅行者號將在2025年用盡最後一點電力，然後隨“空”逐流，大約再過4萬年飛出太陽系邊緣的奧爾特星雲，抵達下一個恆星系統。只是那時我們再也無從探聽它倆的消息，會不會被外星人捕獲更是無從知曉。

旅行者2號全旅程

三、旅行者2號的後繼者們

旅行者2號雖然對太陽系邊緣行星進行了充分的探測，但還有許多謎團尚未揭曉。比如被除名的行星冥王星及其衞星卡戎，尚無探測器抵近偵查過。接下來，筆者就為朋友們介紹旅行者號的三位傑出後繼者：新地平線號，朱諾號和卡西尼—惠更斯號。

新地平線號屬於美國21世紀探索太陽系的“新疆界計劃”第一環，是NASA於2006年1月19日在肯尼迪航天中心發射的，其號稱人類歷史上製造的發射速度最快的一艘探測器（在宇宙空間中卻略慢於旅行者1號）。它的目標很明確，繞過太陽系幾大行星直奔冥王星及它的大衞星卡戎。之後追隨旅行者號的腳步飛往柯伊伯帶，進行下一步的探測。為了紀念這次前所未有的行動，飛船上甚至攜帶了冥王星發現者湯博的骨灰。

與旅行者2號花了12年的時間抵達海王星相比，新地平線號只花了9年時間，於2015年7月14日成功抵近了距離更遠的冥王星。在此期間，它還拜訪了一下地球的老朋友木星。在冥王星上空，新地平線號拍攝了一組清晰的冥王星照片併發回地球，展示了其表面的“鯨魚”陰影區。與此同時，它還拍攝了卡戎的一組照片，揭幕了其北極的“魔多”區域。在完成這些任務後，它向編號為2014 MU69的柯依伯帶天體目標飛去，目前仍在旅途中。

新地平線號探測土星

朱諾號則是“新疆界計劃”的第二環，於2011年8月5日在卡納維拉爾角啓程，用了將近5年的時間抵達木星軌道，比它的前輩伽利略號木星探測器要快一年多。朱諾號花了2年時間，集中探測了木星的大氣層、温度、引力場和磁場等部分，旨在揭露木星的起源問題。但是科學家並未讓它飛往宇宙空間，而是在完成任務後進入木星的剛體洛希極限，替地球體驗了一把被木星引力撕碎的感覺。

朱諾號探測器

與前兩位不同，卡西尼—惠更斯號是由美國NASA與歐洲空間局和意大利航空局合作發射的一個空間探測器，旨在對土星及其衞星做全面的探測。卡西尼—惠更斯號於1997年10月15日在肯尼迪航天中心發射，中途不斷地變軌，先後與金星和木星擦肩而過，最終在2004年7月1日進入土星軌道。

在4年的時間內，探測器做了三樣工作：一是環繞土星旋轉了76回，全面考察土星大氣層、風場、磁場、輻射和温度的結構與數據；二是研究神秘的土星環的物質成分和形成原因；三是對以土衞六為代表的衞星羣進行拍攝和偵測。它同朱諾號一樣圓滿完成任務並墜入星球內部。

卡西尼—惠更斯號探測軌跡

四、中國深空探測水平離美俄有多遠？

作為深空探測後起之秀的中國，一直處在穩紮穩打、小步快跑的狀態。自1970年發射“東方紅一號”衞星以來，中國航天實現了多次載人航天、“北斗”衞星組網、空間站建設，以及“嫦娥”系列探月工程。其中今年年初登陸月球背面的“嫦娥四號”探測器，更是彎道超車，成為世界首個在月球背面軟着陸和巡視探測的航天器。

但是我們必須清楚地認識到，中國航天起步晚、底子薄，特別是在深空探測方面，與傳統太空強國美國、俄羅斯都有着明顯的差距。主要體現在三個方面：

一是火箭技術。雖然我國研發的“長征系列”火箭將我們的飛船和無數顆衞星送上了太空，但是相比美國的“宇宙神”和“土星號”系列火箭、俄羅斯的“聯盟”系列火箭，無論是推力還是載荷，都還處於明顯的劣勢。能與美俄叫板的“長征5號”系列運載火箭，也還有一些技術問題需要處理。**大推力火箭的矛盾不解決，就無法進行遠距離的深空探測，**也無法把宇航員運到更遠的太空和星球中。