第319章 世纪天文学三大提升（1/2）

在21世纪，空间探测器对厘米级目标的就地探测（insitu detection）已成为行星科学、小行星采样及深空探索的重要技术。以下是一些关键任务和技术进展：

空间探测器（space probe）是用于执行深空探测任务的无人航天器，能够飞越、环绕或着陆在其他天体（如行星、卫星、小行星、彗星等）上，进行科学观测、采样和实验。它们是人类探索太阳系和宇宙的重要工具，弥补了地面望远镜和载人任务的局限性。

1. 空间探测器的分类

（1）按任务目标划分

行星探测器（ry probe）：探测行星及其卫星，如火星探测器、金星探测器等。

例：nasa 的 “毅力号”火星车（perseverance, 2021）、esa 的 “金星快车”（venus express, 2006–2014）。

小行星\/彗星探测器（asteroid\/et probe）：研究小天体的成分和演化。

例：日本的 “隼鸟2号”（hayabusa2, 2019）、nasa 的 “欧西里斯雷克斯”（osirisrex, 2020）。

太阳探测器（sr probe）：近距离观测太阳。

例：nasa 的 “帕克太阳探测器”（parker sr probe, 2018）。

星际探测器（interster probe）：飞向太阳系外。

例：nasa 的 “旅行者1号”（voyager 1, 1977–至今）。

（2）按探测方式划分

飞越探测器（flyby probe）：短暂飞越目标天体，如早期的 “水手号”（mariner） 任务。

环绕探测器（orbiter）：进入目标天体轨道长期观测，如 “卡西尼惠更斯”（cassinihuygens, 1997–2017）。

着陆器\/巡视器nder\/rover）：降落在天体表面进行探测，如 “嫦娥四号”（change4, 2019）、“好奇号”火星车（curiosity, 2012）。

采样返回探测器（sample return probe）：采集样本并送回地球，如 “隼鸟2号”（hayabusa2, 2020）、“嫦娥五号”（change5, 2020）。

2. 21世纪的重要空间探测器

（1）火星探测

“毅力号”（perseverance, nasa, 2021）

主要任务：寻找古代生命迹象，存储样本以备未来返回地球。

搭载 “机智号”火星直升机（ingenuity），首次实现地外动力飞行。

“天问一号”（tianwen1, 中国, 2021）

中国首个火星任务，包括轨道器、着陆器和巡视器 “祝融号”。

（2）小行星与彗星探测

“隼鸟2号”（hayabusa2, jaxa, 2019）

从小行星 “龙宫” 采样返回，发现有机物质和水合矿物。

“欧西里斯雷克斯”（osirisrex, nasa, 2020）

从小行星 “贝努” 采样，2023年返回地球。

（3）月球探测

“嫦娥四号”（change4, 中国, 2019）

首次在月球背面着陆，搭载 “玉兔二号” 巡视器。

“阿尔忒弥斯计划”（artemis, nasa, 2024+）

为载人登月做准备，包括 “月球门户”（lunar gateway） 轨道站。

（4）太阳探测

“帕克太阳探测器”（parker sr probe, nasa, 2018）

首次进入太阳日冕层，研究太阳风和高能粒子。

“太阳轨道器”（sr orbiter, esa, 2020）

观测太阳极区，研究太阳磁场活动。

（5）星际探测

“旅行者1号\/2号”（voyager 1\/2, nasa, 1977–至今）

已进入星际空间，仍在传回数据。

“新视野号”（new horizons, nasa, 2015）

飞掠冥王星，现正探索柯伊伯带天体。

3. 关键技术

自主导航（autonomous navigation）：火星车、小行星探测器需自主避障和规划路径。

高分辨率成像：如 “毅力号” 的 mastcamz 相机可拍摄 3d 高清影像。

采样返回技术：如 “隼鸟2号” 的 弹射采样 和 “嫦娥五号” 的 月壤钻取。

深空通信：依赖 深空网络（dsn） 进行远距离数据传输。

4. 未来任务

木星与冰卫星探测

“欧罗巴快船”（europa clipper, nasa, 2024） 探测木卫二冰下海洋。

火星样本返回（mars sample return, nasa\/esa, 2030s）

将 “毅力号” 采集的样本带回地球。

星际任务

“突破摄星”（breakthrough starshot） 计划研发光帆探测器，飞向半人马座a星。

5. 挑战

极端环境（如金星高温、木星辐射）。

长距离通信延迟（火星信号延迟可达20分钟）。

采样返回的污染控制（避免地球生物污染外星样本）。

总结

21世纪的空间探测器已实现 登陆火星、小行星采样、太阳近距离探测、星际穿越 等里程碑，未来将向 更远（如木星系统）、更智能（ai自主探测）、更高效（样本返回） 方向发展，为人类探索宇宙提供关键数据。

空间探测器的构造:

空间探测器是一种高度集成的航天器，其构造需满足深空环境适应、科学探测、自主运行等需求。其核心系统包括结构系统、推进系统、能源系统、通信系统、热控系统、制导导航与控制（gnc）系统、科学载荷等。以下是典型空间探测器的构造详解：

1. 结构系统（structural subsystem）

功能：提供机械支撑，保护内部设备免受发射震动、太空极端温度、微流星体撞击等影响。

关键组件：

主框架：通常由铝合金、钛合金或碳纤维复合材料制成，兼顾轻量化与强度。

防护层：如多层隔热材料（mli）、防辐射屏蔽（如火星车的钽涂层）。

展开机构：太阳能板、天线、机械臂等可展开部件（如“毅力号”的桅杆相机）。

案例：

隼鸟2号（hayabusa2）采用碳纤维增强塑料（cfrp）结构以减重。

嫦娥五号的采样机械臂采用钛合金，可承受月面极端温差。

2. 推进系统（propulsion subsystem）

功能：提供轨道修正、姿态调整、着陆减速等动力。

类型：

化学推进（液体\/固体燃料）：用于大推力变轨（如火星着陆器的减速火箭）。

电推进（离子推进器）：高效但推力小，适合长期任务（如“黎明号”小行星探测器）。

冷气推进：用于微调姿态（如卫星的氮气喷口）。

案例：

帕克太阳探测器（parker sr probe）使用化学推进+离子推进组合。

欧西里斯雷克斯（osirisrex）依赖肼燃料推进器进行小行星轨道调整。

3. 能源系统（power subsystem）

功能：为探测器提供电能。

类型：

太阳能电池板：主流选择，但受光照条件限制（如火星车在沙尘暴期间需休眠）。

核电池（rtg）：适用于光照不足或长期任务（如“好奇号”火星车、旅行者号）。

储能设备：锂离子电池或超级电容，用于夜间或峰值供电。

案例：

毅力号（perseverance）使用多结太阳能电池+锂离子电池。

新视野号（new horizons）因远离太阳依赖rtg核电池。

4. 通信系统（telemunication subsystem）

功能：与地球控制中心传输指令和科学数据。

关键组件：

高增益天线（hga）：主通信设备，需精确指向地球（如“旅行者号”的抛物面天线）。

低增益天线（lga）：全向天线，用于紧急通信。

深空网络（dsn）：nasa的全球天线阵列（70米口径）接收弱信号。

案例：

隼鸟2号通过x波段天线以32kbps速率传回数据。

毅力号使用超高频（uhf）天线与火星轨道器中继通信。

5. 热控系统（thermal control subsystem）

功能：维持探测器设备在适宜温度范围（40°c至+50°c）。

技术手段：

被动热控：多层隔热材料（mli）、热反射涂层、热管。

主动热控：电加热器、流体循环系统（如火星车的恒温箱）。

案例：

帕克太阳探测器前端覆盖碳复合材料防热罩，可耐受1400°c高温。

月球车“玉兔二号”通过可变热导散热器适应月昼\/月夜温差。

6. 制导导航与控制（gnc）系统

功能：自主导航、姿态稳定、避障与精确着陆。

关键传感器：

星敏感器：通过识别恒星确定姿态。

惯性测量单元（imu）：测量角速度和加速度。

激光雷达（lidar）：地形测绘与避障（如火星着陆的“恐怖七分钟”）。

案例：

毅力号采用地形相对导航（trn）技术自主选择着陆点。

隼鸟2号依赖光学导航相机（onc）精确接近小行星。

7. 科学载荷（payload）

功能：执行核心探测任务，如成像、光谱分析、采样等。

典型仪器：

相机系统：高分辨率光学\/红外相机（如“毅力号”的mastcamz）。

光谱仪：分析物质成分（如“好奇号”的chemcam激光诱导击穿光谱）。

采样设备：钻头、机械臂（如嫦娥五号的月壤采样器）。

地震仪：研究天体内部结构（如“洞察号”火星地震仪）。

案例：

osirisrex的tagsam采样头可捕获厘米级颗粒。

帕克太阳探测器的fields仪器直接测量太阳风等离子体。

8. 特殊构造设计

（1）着陆器\/火星车

缓冲机构：气囊（如“勇气号”）、反推火箭（如“毅力号”）。

移动系统：六轮独立驱动+摇臂悬架（火星车）、跳跃式移动（隼鸟2号的minervaii）。

（2）采样返回任务

密封舱：防止地球污染（如隼鸟2号的样本容器可耐受大气层再入高温）。

（3）太阳探测器

可展开热盾：帕克探测器的碳复合防热罩在接近太阳时展开。

总结：探测器构造的核心挑战

1. 轻量化：深空任务需严格限制重量（如“隼鸟2号”仅600kg）。

2. 可靠性：单点故障可能导致任务失败（需冗余设计）。

3. 自主性：远距离通信延迟要求探测器具备自主决策能力（如火星车的autonav）。

4. 环境适应性：极端温度、辐射、微重力等环境对材料与电子器件的考验。

未来探测器可能采用3d打印结构、ai自主导航、核聚变推进等新技术，进一步拓展深空探索的边界。

探测器如何上太空：

空间探测器进入太空的方式取决于其任务目标、设计重量、目标轨道或天体距离等因素。以下是探测器进入太空的主要方式及其特点：

1. 自行发射（独立运载火箭）

方式：探测器通过专用运载火箭（如长征系列、猎鹰9号、阿特拉斯v等）直接发射进入太空。

适用场景：

大型或重型探测器（如火星车、轨道器）。

需要高速度脱离地球引力的深空任务（如飞向火星、木星）。

典型案例：

毅力号火星车（nasa）：由阿特拉斯v火箭发射。

嫦娥五号（中国）：由长征五号火箭发射。

帕克太阳探测器（nasa）：由德尔塔iv重型火箭发射。

优点：

直接进入预定轨道，任务灵活性高。

可搭载更多科学设备和燃料。

缺点：

成本高（重型火箭发射费用数亿美元）。

依赖火箭运力，小型探测器可能需“拼车”发射。

2. 搭载发射（“拼车”模式）

方式：探测器作为次要载荷，与其他卫星或探测器共享火箭发射（如spacex的“拼车任务”）。

适用场景：

小型探测器或技术验证任务（如立方星、微型行星探测器）。

近地轨道（leo）或地球转移轨道（gto）任务。

典型案例：

“火星立方一号”（marco, nasa）：2018年与“洞察号”火星着陆器一起发射，成为首个深空立方星。

“阿尔忒弥斯1号”搭载的微小卫星：2022年与“猎户座”飞船一同发射，测试月球探测技术。

优点：

成本低（分摊发射费用）。

适合低成本科学实验或教育项目。

缺点：

轨道受限于主载荷，深空任务需自行变轨。

探测器体积和重量受限。

3. 航天器释放（由母船携带）

方式：探测器由大型航天器（如空间站、轨道器、载人飞船）携带至太空后释放。

适用场景：

需要复杂部署的任务（如月球\/火星巡视器）。

载人任务辅助设备（如月球车）。

典型案例：

“玉兔号”月球车（中国）：由嫦娥三号着陆器携带至月面后释放。

“机智号”火星直升机（nasa）：固定在“毅力号”火星车腹部，着陆后释放。

优点：

节省探测器自身推进燃料。

可依赖母船提供通信中继或能源支持。

缺点：

依赖母船任务成功（如着陆失败则全损）。

4. 空中发射（机载火箭）

方式：由高空飞机（如“白骑士二号”）携带小型火箭至平流层释放，火箭再点火进入太空。

适用场景：

超小型探测器（＜500kg）。

近地轨道或亚轨道任务。

典型案例：

“飞马座”火箭（northrop grumman）：多次执行小型卫星发射任务。

优点：

发射灵活，不受地面发射场限制。

成本低于传统火箭。

缺点：

运载能力极低，无法支持深空任务。

5. 未来新兴技术

太空电梯：理论上可低成本运送探测器至地球静止轨道（目前仅概念阶段）。

电磁弹射：通过地面电磁轨道加速载荷（尚在实验阶段）。

光帆推进：依赖太阳光压的微型探测器（如“突破摄星”计划）。

总结：选择依据

| 方式 | 适用探测器类型 | 成本 | 任务自由度 |

| 自行发射 | 大型深空探测器 | 极高 | 最高 |

| 搭载发射 | 小型卫星\/立方星 | 低 | 受限 |

| 航天器释放 | 着陆器\/巡视器 | 中等 | 依赖母船 |

| 空中发射 | 微型载荷 | 较低 | 最低 |

目前绝大多数深空探测器（如火星车、小行星采样器）仍依赖专用运载火箭自行发射，以确保任务可靠性和科学目标实现。未来随着商业航天发展，低成本“拼车”模式可能更普及。

火箭构造：

火箭的构造与核心系统

火箭是一种自主推进的航天运载工具，通过燃烧燃料产生高速喷射气体（反作用力）获得推力，突破地球引力进入太空。其构造可分为箭体结构、推进系统、控制系统、有效载荷等核心部分。以下是典型运载火箭的详细构造解析：

1. 箭体结构（rocket airframe）

火箭的骨架，负责承载所有子系统并承受发射时的力学载荷（如振动、气动压力）。

（1）分段设计

多级火箭：通过逐级分离减轻重量（如一级、二级、上面级）。

一级火箭：提供初始推力，通常使用大推力发动机（如spacex猎鹰9的merlin发动机）。

上面级（二级\/三级）：在稀薄大气中工作，需高比冲发动机（如液氢液氧发动机）。

整流罩：保护卫星或探测器，在穿越大气层后抛离（如长征五号的20.5米整流罩）。

（2）材料技术

铝合金：轻量化箭体（如早期“土星五号”）。

碳纤维复合材料：现代火箭减重关键（如spacex“星舰”外壳）。

防热层：抵御再入高温（如航天飞机陶瓷瓦、猎鹰9的烧蚀材料）。

2. 推进系统（propulsion system）

火箭的核心，占全箭重量的80%以上，包括发动机、燃料贮箱、输送系统。

（1）发动机类型

| 类型 | 燃料组合 | 特点 | 应用案例 |

| 液体火箭发动机 | 液氧+煤油（rp1） | 可节流、可重复点火

| 猎鹰9（merlin）、长征5（yf100） |

| | 液氧+液氢（lh2） | 高比冲（450s以上），但燃料密度低

| 航天飞机主引擎（ssme）、长征5b（yf77） |

| | 四氧化二氮+肼类 | 常温储存，用于上面级

| 联盟号（rd0110） |

| 固体火箭发动机 | 铝粉+高氯酸铵 | 推力大、不可控，常用于助推器

| 航天飞机srb、长征2f助推器 |

| 混合发动机 | 固液混合燃料 | 介于液体与固体之间，试验阶段

| 维珍银河“太空船2号” |

（2）燃料贮箱与输送

贮箱：铝合金或复合材料制成，液氢贮箱需超低温隔热（253°c）。

涡轮泵：高压输送燃料（如猎鹰9的merlin泵速达36,000 rpm）。

增压系统：防止燃料气化（如氦气加压）。

3. 控制系统（guidance, navigation & control, gnc）

确保火箭按预定轨道飞行，包括：