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空間探測空間探測(space exploration),對地球高層大氣和外層空間所進行的探測。空間科學的一個分支。以探空火箭、人造地球衛星、人造行星和宇宙飛船等飛行器為主,與地面觀測台站網、氣球相配合構成完整的空間探測體系。

1基本認識

空間探測
空間探測(space exploration),對地球高層大氣和外層空間所進行的探測。空間科學的一個分支。以探空火箭、人造地球衛星、人造行星和宇宙飛船等飛行器為主,與地面觀測台站網、氣球相配合構成完整的空間探測體系。

2歷史發展

人類雖然一直嚮往廣漠的宇宙空間,但真正有意義的行動始於1783年施放的第一個升空氣球,限於當時的技術條件,不可能上升很高,探測的局限性很大。第二次世界大戰後發射的V-2探空火箭,最高也只達到約160千米的高度。20世紀50年代,由大量的地面台站、氣球和火箭等組成全球協同的觀測體系,但並未取得突破性成果。1957年10月4日第一顆人造地球衛星發射成功,從此人類跨進了宇宙空間的大門,開始了空間探測的新時代。在隨後的30多年間,對月球、行星和行星際空間進行了有成效的探測,探測領域不斷擴大。

3主要對象

空間探測

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高能帶電粒子
宇宙空間存在大量的電子 、質子和重離子等高能粒子。使用的探測儀器主要有利用 氣體電離作感測器的蓋革-繆勒計數器、正比計數器和電離室;閃爍計數器;半導體計數器;切連科夫探測器。
微流星體
在太陽系內,除大量較大的星體外,還存在大量顆粒狀的微小物質,質量一般都在10-3毫克以下。但
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它們速度一般都很高 ,最大的可達70千米/秒,有很大的貫穿本領。因此,對它的測量具有實際意義。
磁場
是重要的物理場。空間各個區域磁場強度相差很大,如地球表面的磁場強度比行星際空間強幾個數量級。探測磁場的儀器,主要有線圈式磁強計、磁通門磁強計、質子旋進磁強計和光泵磁強計。
近地空間探測
主要指對地球高層大氣 、電離層、磁層等區域所進行的探測。探空火箭是近地空間探測的重要手段,
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它能把探測儀器帶到幾十至幾千千米的高空進行直接測量。人造地球衛星的成功發射,使得對地球磁層可進行詳盡的探查,地球輻射帶的發現就是人造地球衛星的第一個重大發現,並證實地球磁層的存在。人造地球衛星圍繞地球以圓形或橢圓形軌道運行,根據不同的探測目的可選擇不同的軌道類型:一是極地圓軌道,對赤道面的傾角約為90°。在高層大氣、電離層和高空磁場測量中,常採用這種軌道。二是大扁度軌道,它的遠地點高度要比近地點高度高得多,這種軌道容易獲得磁層的完整的剖面資料。三是同步軌道,當衛星在赤道面上高度為 3.6萬千米的圓軌道運行時,衛星繞地球一周恰好與地球自轉一周的時間相等,相對於地球是靜止的。這種衛星的測量結果容易與地面觀測結果配合起來分析。但實際中對近地空間的探測,多採用衛星系列進行。

行星際空間探測

主要是探查行星際空間的磁場、電場、帶電粒子和行星際介質的分佈及隨時間的變化。探測證實了太
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陽風的存在,發現了行星際磁場的扇形結構。探測行星際空間的飛行器可以有4種軌道類型 :一是地心軌道 ,圍繞地球運行的衛星,只要以遠地點超出磁層,就能進入行星際空間進行探測。二是日心軌道,利用圍繞太陽運行的飛行器來探測行星際空間十分理想,並且常與行星探測結合起來。三是飛離太陽系的軌道,當飛行器達到第三宇宙速度時,就能克服太陽的引力作用,沿拋物線軌道飛往星際空間,就能夠直接探測太陽系在地球軌道以外的部分。四是平衡點軌道,在太陽和地球的聯線上有一個平衡點,太陽和地球的引力在這裡恰好相等,飛船可以在通過這一點和日地聯線相垂直的平面上沿橢圓軌道運動。對於定點監視行星際的物理狀態十分理想。
③月球和行星的探測
月球是離地球最近的天體,人們對月球的探測比較早,也比較詳盡 。1969 年7月16日發射的阿波羅11號第一次載人登上月球,進行實地考察並採集月岩、月壤樣品 400多千克。行星際探測器系列對行星進行了探測 ,並由對內行星發展到外行星的探測。

4特點作用

中國空間技術研究院《國際太空》雜誌副主編龐之浩回顧了2004年全球空間探測活動的特點並分析了未來
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發展趨勢。2004年的世界空間探測呈現出欣欣向榮、蒸蒸日上的喜人景象,各種新成果無論對航天技術進步,還是對其他科學研究,人類社會發展,都具有積極的促進作用。空間探測已進入全面發展的新時代,並具有一些與以往不同的顯著特點。 首先,空間探測已趨向多元化,而不再是美蘇等一兩個國家獨霸空間探測領域。歐洲正迅速崛起,不僅連續發射成功火星探測器、月球探測器和彗星探測器,而且還將發射金星和水星探測器,並在2004年初宣布了其龐大的「曙光」空間探測計劃,即向美國「叫板」,在2030年左右把人送上火星。中國和印度也將在空間探測方面佔有一席之地。中國於2004年初正式開始實施「嫦蛾」探月工程,2006-2007年發射首顆探月衛星。印度則在2004年決定,把原計劃於2008年發射「月球初航」探測器的時間提前到2007年或更早。
探測技術水平大幅度提高是特點之二。例如,「勇氣」號和「機遇」號的性能遠高於1997年首次在火星上行駛的「旅居者」號火星車,實現了對火星較大範圍的移動考察,代表了火星探測的重要階段。經過13個月的飛行,歐洲「智慧」1號月球探測器於2004年11月15日進入繞月軌道,從而表明,這個世界第1個聯合使用太陽能電推進系統和月球引力的空間探測器達到了預期的效果,此舉對未來航天技術的發展產生重要作用。在經過長達約7年、航行35億千米的星際歷程之後,價值連城的世界首個土星專用探測器「卡西尼」,終於在2004年7月1日進入土星軌道,它已發回不少很寶貴的圖像,並將在2004年12月25日向土衛六表面釋放「惠更斯」著陸器。
第3個特點是彗星探測成為「新寵」。2004年1月,飛行已久的美國「星塵」號彗星探測器與懷爾德2號彗星交會,並在離彗核很近的距離用密度極低的氧化硅氣溶膠首次獲取彗核物質,現正飛行在返回地球的途中。這將是人類首次把除地球的衛星——月球以外的樣本送回地球,也是「阿波羅」計劃后的首次樣品回送任務。這些樣品可為宇宙形成和地球生命起源的研究提供重要線索。歐洲空間局則2004年3月2日發射了其第1個彗星探測器「羅塞塔」。它將經過10年的長途跋涉進入「楚留莫夫-格拉西門克」彗星軌道,並向該彗星著陸器,這在人類航天史上也是前所未有。 2004年所取得的空間探測它可使人類進一步了解太陽系和宇宙(包括生命)的起源和演化,為開發和利用空間資源及擴展人類的生存空間做準備。例如,科學家們認為彗星事實上就是宇宙產生時期剩下的原始物
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質,所以探測彗星有助於人類搞清地球上生命的起源。而歐航局「火星快車」號探測器在火星表面直接發現水,對人類同樣意義重大,因為水不僅能用於人類未來在火星上生存,開闢第2個家園,水中的氫元素還作為未來人類星際旅行的燃料。
總的來說,空間探測將為人類大規模開發空間資源奠定技術基礎,解決地球上存在的能源問題、人口問題和環境問題等。例如,地球能容納的人口是有限的,大約80億-110億,因此有些人已經開始研究向外空移民的方案了;地球上的能源也日益緊張,開發太空礦藏也是空間探測的一大目標。
龐之浩在展望未來空間探測的發展趨勢時認為,冷戰結束后,空間探測的科學意義和經濟效益等被越來越多的國家所認可。因此,隨著各國經濟和技術的長足進步,參與空間探測的國家正逐漸增多,空間探測的深度和廣度也不斷擴大。空間探測的計劃越來越長遠,投資也日趨龐大。2004年1月14日,美國總統布希在航宇局總部宣布了一項旨在探索太空和將人類足跡擴展到整個太陽系的新太空計劃,即美國將製造新一代宇宙飛船,使美國航天員最早於2015年重返月球建立基地,並以此為跳板,在2030年以後把人類送上火星乃至更遙遠的宇宙空間。歐洲2004年出台的「曙光」計劃與美國類似,也是史無前例的「一攬子」計劃。
由於空間探測投資較大,所以國際合作將是未來空間探測的特點之一。就印度來說,它已收到20個國家參與其探月計劃的申請。目前美國、以色列、加拿大、德國以及歐洲空間局都遞交了合作申請,他們都希望將科學儀器放置在預計於2007年發射的印度月球探測器上。美國、俄羅斯和歐洲也在積極探討有關載人火星探測的國際合作途徑。 從人類的科學認識、技術水平和經濟條件等方面綜合考慮,在可以預測的將來,空間探測重點仍將是月球和火星。月球探測的戰略目標是建設月球基地,開發和利用月球的資源和能源與特殊環境,為人類社會的可持續發展服務。
歐洲的「智慧」1號計劃、中國的「嫦蛾」1號計劃和印度的月球探測計劃等,均以月球資源探測為主要目標。本世紀前20年將掀起人類探測火星的新熱潮。它是人類開展深空探測的關鍵性步驟。人類可望於2011年在地球上獲得火星返回樣品,最終實現載人登上火星。
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