太阳系圈不住人类的太空梦想_风闻

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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中国深空探测事业还需我辈继续努力，脚踏实地做出成绩。

还记得今年大年初一上映的国产科幻大片《流浪地球》吗？人类为躲避太阳氦闪而建造了一万座行星发动机，利用木星等大行星的“引力弹弓”效应，“驾驶”地球一步步逃离太阳系。

片中的故事发生于公元2075年，让我们将时间线往后调98年。1977年8月20日，美国国家航空航天局在肯尼迪航天中心，发射了第一颗探索太阳系边缘行星的探测器——旅行者2号。旅行者2号探测器的发射，是人类历史上第一次冲破太阳系“牢笼”的伟大创举。

笔者谨以此文，纪念在太空中流浪了42个年头的旅行者2号。

一、人类为何在上世纪70年代就能进行太阳系深空探测？

我们对太阳系几大行星及其卫星的模样、环境的了解，基本上都源于上世纪60年代到90年代之间的一系列太空探测活动。人类发射的探测器几乎到访了太阳系内所有“有头有脸”的行星、卫星和部分小行星，甚至太阳这位老大也处在人类科技的实时监控下。不得不说，那是一个太空探索成果井喷的伟大时代。

太阳系各大行星和小行星带结构

然而我们发现，现在各国探索太阳系的能力似乎“削弱”了。传统太空强国美国和俄罗斯当年便能发射诸多飞往各大行星的探测器，1969年美国更是实现了载人登月计划。结果50年过去了，美国再提登月却搔首踟蹰，俄罗斯航天的水平基本只能维持在地球轨道周围转转，欧洲和日本想进行深空探测却能力有限，而中国航天由于底子薄，只能按部就班地向前迈进。

为何人类在上世纪七十年代就能进行太阳系八大行星范围内的全面探测，**在科技水平更上一层楼的今天，却好像达不到原来的高度了呢？**其实这并不是人类航天水平在开倒车，而是因为一个浅显易懂的道理：竞争催人奋进。

上世纪，左右世界局势的两个超级大国，挟带着轴心国胜利之威，不仅划分了全球势力范围，还把握住了二战带来的军工科技爆发之机遇，引领了第三次科技革命的浪潮。为了争夺世界霸权，美苏两国在全面核战争威胁的阴影下，展开了数十年的“冷战”，力图兵不血刃地压倒对方。其中，太空竞赛就是冷战中极为重要的一环，因为国家的太空实力不但是国力和影响力的重要因素，还能为情报侦查、导弹技术等国防安全事务提供莫大的助力。

这场旷日持久的太空竞赛，发端于苏联第一颗人造地球卫星斯普特尼克一号的成功发射，它宣告了人类航天时代的开始。之后的二十年，美苏两国似乎都缺乏一点理智，并没有完全依据本国实际情况做决策，更多是为了超过和压倒对方的航天成就。因而，这场太空竞赛呈现出一种全方位、多层次、宽领域，却又有点儿戏的特点。直接交锋的是美国国家航空航天局（NASA）和苏联国防工业委员会。

苏联第一个人造地球卫星斯普特尼克一号

具体来说就是：你今天成功发射了卫星，我明天就要发射一颗功能更强大的卫星（如美国抢在苏联之前发射世界上第一颗通信卫星）；你今天发射了探测器到月球上，我明天就要让宇航员登月（如美国阿波罗11号飞船的载人登月活动）；你今天让航天器交汇对接，我明天不仅让它对接，还让宇航员也交换一下（如苏联1969年首次进行太空对接并交换队员）；你今天发射飞船到火星，我明天就派飞船去木星（如1972年美国先驱者号飞船飞往木星）等现象。

美国载人登月

这真是类似于同班级两个学生间的互相“斗法”。开始时苏联在卫星、空间站、金星探测等方面的分数总比美国高，后来，美国不仅花了大力气补课，在大推力火箭、宇宙通信、深空探测等方面还把苏联甩在了后边，直逼得苏联“退学”。

**正因为两位大佬的互相较劲，人类的航天科技水平直线上升。**到了今天，美国已经把苏联解体的红利基本吃尽，无论是俄罗斯还是欧洲都因财政困难等因素，无法挑战美国的太空地位。而美国国内的问题越来越突出，无法像当初那样花大力气组织和投资大规模的太空探索活动，况且也没有现实需要。此外，全球化的今天，各国在太空项目上的合作势在必行，单靠一国的能力很难推动航天科技大幅前进。

不过，21世纪的深空探测还是有一些可圈可点之处，笔者将在下文介绍。

二、踏上流浪之旅：拜访木星、土星、天王星和海王星

在先驱者号飞船飞过木星后，美国NASA决定迈出历史性的一步：发射探测器去拜访远离太阳系核心区域的木星、土星、天王星和海王星这四颗类木行星及其卫星。以前只能在天文望远镜望一望的美丽星球，今天倒要去它身边瞧一瞧。

严格来说，这次探索行动并不是美国为了压倒苏联而实施的。此时的苏联航天遇到了难以克服的困难：无法进行载人登月，深空探测止则步于火星和金星。旅行者号飞船的诞生，是美国在探测过四大类地行星后，探索的需要与动力的直白体现，是探求科技上限和边界的自然延伸。美国积累了雄厚的太空实力后，迈出这一步势在必行。

旅行者号，顾名思义，即派往宇宙空间的旅行者。人类可以把它发射到太阳系边缘去，但却无力让它完成任务后重回故乡，因而宇宙空间的旅行者实际上是有去无回的流浪者。而美国发射探测器的习惯是一次发射一对，先于旅行者号飞往木星及太阳系外层空间的先驱者10号和11号即是如此。这次NASA也准备了两艘飞船——旅行者1号和2号——装备了十分先进的探测和通信设备，使用核动力钚电池保证续航，并且在飞船里装上了记录各国文字、音乐、语言等人类文明信息的铜片和光盘。如果外星人捕获这艘飞船，就能收到地球的友好问候。

旅行者2号结构图

两位旅行者的分工也十分明确。旅行者1号负责探测木星、土星及其卫星与土星环，外加测量太阳风的变化情况。而2号走得更远，探测木星、土星、天王星和海王星及其卫星，设计的飞行速度也要慢一点。飞船只靠自己的动力还不足以完成任务，NASA实际上是抓住了四颗巨行星连成一线的176年一遇之机会，利用《流浪地球》电影中为观众展示的“引力弹弓”效应，为飞船提供飞行的加速度和动力，毕其功于一役。

原计划首先发射旅行者1号，但是在准备过程中出了状况，临时改为由2号先走一步。1977年8月20日的肯尼迪航天中心，旅行者2号以每秒15公里的速度被火箭送上飞往木星的旅程，而1号则在解决了问题后，于同年的9月5日踏上征途。为了给二位“勇士”护航，美国还启动了设在美国、西班牙、澳大利亚的射电望远镜收发信号，似乎是向它们叮嘱：无论你飞到宇宙的哪个角落，地球母亲都会一直守护着你。

两年后的1979年，旅行者2号抵达木星附近。它为我们揭示了木星上那个绚丽的大红斑，实际上是一个逆时针旋转的复杂风暴系统，伴随着周边的小旋涡风暴一起旋转。除了木星本体外，2号还观测了木卫一上活火山的爆发，拍摄了木卫二、木卫三和木卫四表面的地形和纹理，同时它还发现了木星环周围的一些小卫星。陪木星“唠嗑”了几天后，旅行者2号启程飞往土星。

又过了两年，1981年，2号飞到了土星的上空。由于1号在前一年已经对土星周边做了比较详细的探测，因此2号只用雷达扫描了土星，了解了它的气温和密度等信息。虽然中途摄像机差点坏掉，但那美丽的土星环实在让人流连忘返啊。

赶往天王星的路途用了将近4年的时间。旅行者2号在1986年的成果最为丰富，因为这颗远离太阳的大行星只靠望远镜看会被假象迷惑，而抵近天王星“家门口”才发现它有10颗之前没发现的卫星，并确认了它倒着转的真相。探测器侦测了其行星环和磁场的情况，搞清楚了其靛蓝色的外表是甲烷冰造成的。这次探测极大丰富了科学家们对天王星的认知。

三年后，1989年，2号到达了其任务的最后一站——海王星。它发现了海王星云层上的大暗斑，并仔细观察了海卫一的特征，了解其是太阳系中唯一一颗沿行星自转方向逆行的大卫星，又是太阳系中最冷的天体。氮气和液氮将整颗卫星营造成了一片白色的海洋。

旅行者1号和2号的探测轨迹

探测完四大巨行星后，旅行者2号的任务基本完成，并朝着太阳系的边缘一去不回。科学家们决定将它同早就完成任务的旅行者1号的使命改一改，变成测量太阳系边缘地带的太阳风情况。临别前，旅行者飞船还为太阳系八大行星拍摄了“全家福”。到了21世纪，它们已经飞到了日球层的顶层地带，这里的太阳离子和终端激波依然处于一个比较强的水平。

旅行者号探测器和它对各个行星探测图像的合影

日球层结构图

先驱者号是最先往太阳系边缘飞去的探测器，但是旅行者号的设计速度比它们快，特别是旅行者1号，它以每秒17公里的速度飞行，并在2012年抵达了柯伊伯带，脱离了人们传统观念中的太阳系范围（实际上并没有脱离）。而2号则在2018年被美国宇航局旅行者团队宣布脱离了太阳风的范围，进入了宇宙空间。因此，两艘旅行者飞船应该是最先抵达星际空间的飞船。

三年之后又三年，十几个三年过去了，直到今天，旅行者号仍然可以和地球通信，只是距离实在太远（超过210亿公里），连电磁波都要走十几个小时才能到达。根据科学家估计，旅行者号将在2025年用尽最后一点电力，然后随“空”逐流，大约再过4万年飞出太阳系边缘的奥尔特星云，抵达下一个恒星系统。只是那时我们再也无从探听它俩的消息，会不会被外星人捕获更是无从知晓。

旅行者2号全旅程

三、旅行者2号的后继者们

旅行者2号虽然对太阳系边缘行星进行了充分的探测，但还有许多谜团尚未揭晓。比如被除名的行星冥王星及其卫星卡戎，尚无探测器抵近侦查过。接下来，笔者就为朋友们介绍旅行者号的三位杰出后继者：新地平线号，朱诺号和卡西尼—惠更斯号。

新地平线号属于美国21世纪探索太阳系的“新疆界计划”第一环，是NASA于2006年1月19日在肯尼迪航天中心发射的，其号称人类历史上制造的发射速度最快的一艘探测器（在宇宙空间中却略慢于旅行者1号）。它的目标很明确，绕过太阳系几大行星直奔冥王星及它的大卫星卡戎。之后追随旅行者号的脚步飞往柯伊伯带，进行下一步的探测。为了纪念这次前所未有的行动，飞船上甚至携带了冥王星发现者汤博的骨灰。

与旅行者2号花了12年的时间抵达海王星相比，新地平线号只花了9年时间，于2015年7月14日成功抵近了距离更远的冥王星。在此期间，它还拜访了一下地球的老朋友木星。在冥王星上空，新地平线号拍摄了一组清晰的冥王星照片并发回地球，展示了其表面的“鲸鱼”阴影区。与此同时，它还拍摄了卡戎的一组照片，揭幕了其北极的“魔多”区域。在完成这些任务后，它向编号为2014 MU69的柯依伯带天体目标飞去，目前仍在旅途中。

新地平线号探测土星

朱诺号则是“新疆界计划”的第二环，于2011年8月5日在卡纳维拉尔角启程，用了将近5年的时间抵达木星轨道，比它的前辈伽利略号木星探测器要快一年多。朱诺号花了2年时间，集中探测了木星的大气层、温度、引力场和磁场等部分，旨在揭露木星的起源问题。但是科学家并未让它飞往宇宙空间，而是在完成任务后进入木星的刚体洛希极限，替地球体验了一把被木星引力撕碎的感觉。

朱诺号探测器

与前两位不同，卡西尼—惠更斯号是由美国NASA与欧洲空间局和意大利航空局合作发射的一个空间探测器，旨在对土星及其卫星做全面的探测。卡西尼—惠更斯号于1997年10月15日在肯尼迪航天中心发射，中途不断地变轨，先后与金星和木星擦肩而过，最终在2004年7月1日进入土星轨道。

在4年的时间内，探测器做了三样工作：一是环绕土星旋转了76回，全面考察土星大气层、风场、磁场、辐射和温度的结构与数据；二是研究神秘的土星环的物质成分和形成原因；三是对以土卫六为代表的卫星群进行拍摄和侦测。它同朱诺号一样圆满完成任务并坠入星球内部。

卡西尼—惠更斯号探测轨迹

四、中国深空探测水平离美俄有多远？

作为深空探测后起之秀的中国，一直处在稳扎稳打、小步快跑的状态。自1970年发射“东方红一号”卫星以来，中国航天实现了多次载人航天、“北斗”卫星组网、空间站建设，以及“嫦娥”系列探月工程。其中今年年初登陆月球背面的“嫦娥四号”探测器，更是弯道超车，成为世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。

但是我们必须清楚地认识到，中国航天起步晚、底子薄，特别是在深空探测方面，与传统太空强国美国、俄罗斯都有着明显的差距。主要体现在三个方面：

一是火箭技术。虽然我国研发的“长征系列”火箭将我们的飞船和无数颗卫星送上了太空，但是相比美国的“宇宙神”和“土星号”系列火箭、俄罗斯的“联盟”系列火箭，无论是推力还是载荷，都还处于明显的劣势。能与美俄叫板的“长征5号”系列运载火箭，也还有一些技术问题需要处理。**大推力火箭的矛盾不解决，就无法进行远距离的深空探测，**也无法把宇航员运到更远的太空和星球中。