基本介紹
- 中文名：航天探測器
- 外文名：space probe, aerospace detector
- 又稱：空間/深空/宇宙探測器
- 定義：天體和空間探測的主要工具
航天探測器,飛行原理,技術特點,控制和導航,通信系統,電源系統,結構狀況,任務,發展,成果,
航天探測器
航天探測器，按照探測的對象可劃分為月球探測器、行星和行星際探測器、小天體探測器等。
航天探測器離開地球時必須獲得足夠大的速度才能克服或擺脫地球引力，實現深空飛行。探測器沿著與地球軌道和目標行星軌道都相切的日心橢圓軌道（雙切軌道）運行，就可能與目標行星相遇；增大速度以改變飛行軌道，可以縮短飛抵目標行星的時間。
為了保證探測器沿雙切軌道飛到與目標行星軌道相切處時目標行星恰好也運行到該處，必須選擇在地球和目標行星處於某一特定相對位置的時刻發射探測器。探測器可以在繞飛行星時，利用行星引力場加速，實現連續繞飛多個行星。
航天探測器的顯著特點有：（1）在空間進行長期飛行，地面不能進行實時遙控，所以必須具備自主導航能力；（2）向太陽系外行星飛行，遠離太陽，不能採用太陽能電池陣，而必須採用核能源系統；（3）承受十分嚴酷的空間環境條件，需要採用特殊防護結構；（4）在月球或行星表面著陸或行走，需要一些特殊形式的結構。
飛行原理
航天探測器離開地球時必須獲得足夠大的速度（見宇宙速度）才能克服或擺脫地球引力，實現深空飛行。探測器沿著與地球軌道和目標行星軌道都相切的日心橢圓軌道（雙切軌道）運行，就可能與目標行星相遇，或者增大速度以改變飛行軌道，可以縮短飛抵目標行星的時間。例如,美國“旅行者”2號探測器的速度比雙切軌道所要求的大0.2公里/秒，到達木星的時間縮短了將近四分之一。
美國“旅行者”2號探測器
美國“旅行者”2號探測器為了保證探測器沿雙切軌道飛到與目標行星軌道相切處時目標行星恰好也運行到該處，必須選擇在地球和目標行星處於某一特定相對位置的時刻發射探測器。例如飛往木星約需1000天的時間，木星探測器發射時木星應離會合點83°(相當於木星在軌道上走1000天的路程)。根據一定的相對位置要求，可以從天文年曆中查到相應的日期，這個有利的發射日期一般每隔一、二年才出現一次。探測器可以在繞飛行星時，利用行星引力場加速，實現連續繞飛多個行星（見行星探測器軌道）。
“伽利略”號木星探測器
“伽利略”號木星探測器技術特點
航天探測器是在人造地球衛星技術基礎上發展起來的，但是與人造地球衛星比較，其在技術上有一些顯著特點。
控制和導航
航天探測器飛離地球幾十萬到幾億公里，入軌時速度大小和方向稍有誤差，到達目標行星時就會出現很大偏差。例如，火星探測器入軌時，速度誤差1米/秒（大約是速度的萬分之一），到達火星時距離偏差約10萬公里，因此在漫長飛行中必須進行精確的控制和導航。
“好奇”號火星探測器
“好奇”號火星探測器
美國“海盜”2號探測器通信系統
為了將大量的探測數據和圖像傳送給地面,必須解決低數據率極遠距離的傳輸問題，解決方法是在探測器上採用數據壓縮、抗干擾和相干接收等技術，還須儘量增大無線電發射機的發射功率和天線口徑，並在地球上多處設定配有巨型拋物面天線的測控站或測量船。航天探測器上還裝有計算機，以完成信息的存貯和處理。
電源系統
太陽光的強度與到太陽距離的平方成反比,外行星遠離太陽，那裡的太陽光強度很弱，因此外行星探測器不能採用太陽電池電源而要使用空間核電源。
結構狀況
航天探測器承受十分嚴酷的空間環境條件,有的需要採用特殊防護結構。例如“太陽神”號探測器運行在近日點為 0.309天文單位（約4600萬公里）的日心軌道，所受的太陽輻射強度比人造地球衛星高一個數量級。有些航天探測器在月球或行星表面著陸或行走，需要一些特殊形式的結構，例如適用於在凹凸不平表面上行走的撓性輪等。
任務
空間探測既包括對地球空間範圍的探測，也包括對月球、行星和行星際空間進行探測。對地球以外的空間探測的主要目的是：研究月球和太陽系的起源和現狀，通過對太陽系各大行星及其衛星的考察研究，進一步揭示地球環境的形成和演變情況；認識太陽系的演化，探尋生命的起源和演變歷史，利用宇宙空間的特殊環境進行各種科學實驗，直接為國民經濟服務。
航天探測器裝有科學探測儀器，執行空間探測任務。空間探測的主要方式有：（1）在近地空間軌道上進行遠距離空間探測；（2）從月球或行星近旁飛過，進行近距離探測；（3）成為月球或行星的人造衛星，進行長期的反覆觀測；（4）在月球或行星及其衛星表面硬著陸，利用著陸之前的短暫時間進行探測；（5）在月球或行星及其衛星表面軟著陸，進行實地考察，也可將獲取的樣品送回地球進行研究；（6）在深空飛行，進行長期考察。
發展
1959 年1月蘇聯發射了第一個月球探測器——月球1號，此後美國發射了徘徊者號探測器、月球軌道環行器、勘測者號探測器。60年代以後 ，美國和蘇聯先後發射了100多顆行星和行星際探測器，分別探測了金星、火星、水星、木星和土星，以及行星際空間和彗星，其中有先驅者（美）、金星（蘇）、水手（美）、火星（蘇）、太陽神（美、德合作）等探測器。美國在1972年3月發射的先驅者10號探測器 ，已在1986 年飛越冥王星的平均軌道，成為第一個飛出太陽系的太空飛行器。美國1989年5月發射的麥哲倫號探測器，於1990年8月後一直繞金星飛行，1991年發現金星仍存在地質活動。日本於1991年8月發射太陽-A探測器，用於觀測太陽活動。
2007年10月25日，中國成功發射了第一顆月球探測衛星——嫦娥一號，衛星於8日後抵達月球軌道，並傳回了第一張月球照片，這標誌著中國已邁入深空探測時代。中國的探月二期工程，即月球探測器在月面著陸探測，現已立項，研製工作全面展開。在2020年之前，完成探月三期工程，在月球著陸巡視探測的基礎上，發射小型採樣返回艙，採集月球樣本返回地球，進行深入的系統研究。根據中國新聞網在最近採訪中國航天北京飛控中心的總工程師時透露：中國將會在2017年發射“嫦娥五號”月球表面探測器，在2018年發射“嫦娥四號”探測器，並在2020年左右的時間執行自主火星探測任務。這個是目前全世界唯一公開正在進行新的火星探測計畫。“嫦娥五號”探測器將會搭載“長征五號”新一代高性能大推力運載火箭上進行發射，實現月球軟著陸並採集樣品後返回地球，這將會使得中國成為世界上第三個獨立獲得月球岩石樣品的國家。在2020年前後，中國將會執行自主的火星探測任務，中國的第一次火星探測任務目標就是“繞”“落”“巡“三合一，一次發射一起發射在軌探測器、著陸探測器和自主漫遊火星車。
成果
自1957年10月4日第一顆人造衛星發射上天，到2000年全世界已發射了100多個航天探測器。它們對宇宙空間的探測取得了豐碩成果，所獲得的知識超過了人類數千年所獲知識總和的千百萬倍，空間探測的範圍集中在地球環境、空間環境、天體物理、材料科學和生命科學等方面。
1958年1月31日美國發射成功第一顆衛星探險者1號，它首次探測到地球周圍存在一個高能電子、粒子聚集的輻射帶，這就是著名的范·艾倫輻射帶。1958年末美國發射的先驅者3號探測器，在飛離地球10萬千米的地方又發現了第二條輻射帶。這是利用人造衛星和空間探測器最初探測的典型成果。
從1958年開始，人類用人造衛星、宇宙飛船、空間站和太空梭等作為探測手段，對近地空間的環境，如地球輻射帶、地球磁層、太陽輻射、極光、宇宙線等進行了探測。美國的“探險者”、“軌道地球物理觀測站”、“軌道太陽觀測站”系列，蘇聯的宇宙號、預報號、質子號系列中的一部分，中國的“實踐”系列等，藉助攜帶的科學儀器，測量了地球大氣層、電離層、磁層的基本結構，測量了太陽光輻射譜、空間粒子成分、高能電子、高能質子和太陽磁場等參量及其變化，探測了各類現象之間的相互關係等。通過對空間環境的探測和研究，為各類太空飛行器的發射和飛行，航天員較長時間在太空生活，並實現太空行走和其他太空活動，提供了重要數據和安全條件。
從1959年開始，人類已經跨過近地空間到月球以至月球以外的深空進行探測活動。各種空間探測器相繼考察了月球，拜訪了太陽系的水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及“哈雷”彗星等。其中對月球的考察最詳細，甚至派遣了航天員赴月球實地考察；對金星、火星不僅拍攝繪製了地形圖，而且還多次發射無人探測器在金星和火星表面著陸進行科學考察。科學家由此初步揭開了月球和太陽系各大行星的不少奧秘，回答了過去天文學家們爭議不休的許多不解之謎。
從1960年美國發射第一顆天文衛星“太陽輻射監測衛星”開始，人類陸續發射了分別對X射線、V射線、紫外線和紅外線等進行觀測的天文衛星，它們突破了地球大氣層對天體輻射的阻擋，獲取了來自宇宙空間整個波段的電磁輻射，實現了高靈敏度和高解析度的觀測，使對天體的觀測波段擴大到紫外線、X射線、V射線等地面無法觀測的波段，從而不斷揭示出宇宙的真實面貌。
