人类空间探测的现状和未来
时间：2020-12-10 12:00:54 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
迄今为止，世界上已发射了数百个用于空间探测的卫星和探测器，人类完成了登上月球的壮举，发现了地球内外辐射带和月球上的水冰，绘制了火星地形图等，这些都是空间探测取得的重大进展。此外，浩瀚的宇宙是什么样的？宇宙是如何起源演化的？生命是从哪里来的？人类是不是宇宙中的唯一？太阳、地球、月亮和行星之间是怎样运动和相互影响的等等，也是空间探测要解开的奥秘。２１世纪，人类空间探测任重道远。应用卫星、载人航天和空间探测，是航天技术三大领域。空间探测是利用航天器对地球大气层以外的整个太阳系内的空间，包括除地球以外的所有天体——太阳、月球、行星、小彗星以及彗星等进行就近或实地探测的活动。
空间探测可以根据其探测的对象和区域划分为日地空间探测、月球探测和行星探测。
日地空间探测是对以太阳为中心、地球运行轨道以内和地球磁层作用范围内的空间的探测。它包括对太阳的探测。
行星探测是对地球和月球以外的星球进行的探测活动。
日地空间离太阳最近，其环境受太阳的主宰，变化十分剧烈，对地球环境有着直接的影响，因此与人类生存关系密切。几十年来进行的空间探测活动，大都是以日地空间为中心展开的。
科学家为什么对日地空间探测一往情深？
首先，进行日地空间探测有助于了解太阳活动。日地空间的状态直接受太阳活动的影响，必然会反映太阳表面活动的物理过程。由于太阳的巨大引力和极端恶劣的条件，在太阳表面直接探测是不可能的，即使是接近太阳进行探测也很困难。科学研究发现，太阳活动所表现出的电磁辐射形式，可以在地球上用光学或射电望远镜等手段来观测对日地空间、近地空间和人类生态环境产生的影响。而太阳活动所表现出的另外一种形式，也就是物质抛射的影响，却无法用地面上的手段来观测，只有通过在日地空间的现场测量。因此，通过在日地空间各个位置进行探测，来反映太阳表面的物理过程，成为空间物理学家们研究太阳的重要手段。
另外，太阳是一颗典型的恒星，日层内发生的许多变化过程都是宇宙空间中典型的过程。例如，太阳风的产生和向外运动，激波的形成、特征和运动，等离子体波的激发和传播等。所以，日地空间被科学家视为宇宙空间的缩影和人类了解宇宙规律的实验室。
进行日地空间探测将为月球和行星探测开路。在世纪之交，世界上许多航天国家都提出了月球计划，中国也将实现探测器的月球探测。人类下一步还将建立月球基地，对月球资源进行开发利用，同时人类正在策划进行火星载人飞行，无数个探测器将飞往太阳系以外的深层空间，开展深空探测活动，而日地空间是月球探测、行星探测等探测活动的必经之地，只有对日地空间的环境有了充分的了解，才能对月球和行星探测的安全和顺利进行提供帮助。从这个意义上来讲，日地空间探测实际上是为深空探测、行星和月球探测探路，而月球和行星探测又进一步推动了日地空间探测的进展。
能够促进对近地空间的科学研究，保证航天器的安全。日地空间环境的变化，将直接影响和作用于近地空间和地球，是影响近地空间和地球环境最重要的因素。因此，研究日地空间环境的特征和规律，对近地空间状态的研究具有重要意义；同时，也是近地空间环境预报所必不可少的。
我们知道，通信、气象等应用卫星都运行在近地空间，也就是处在日地空间环境中。太阳风压力的增强将压缩磁层顶的位置，大的太阳风暴发时有可能使磁层顶压缩到地球静止轨道以内，这就使在地球静止轨道上工作的通信、气象卫星暴露在日地空间环境之中。此外，当行星际磁场发生变化时，将会改变磁层内的状况，从而影响在磁层内运动的卫星。因此，为了更好地了解近地空间状态，保证航天器的安全，就必须研究日地空间的变化规律。
可以促进航天技术试验，提高一个国家的综合实力。在航天技术的发展过程中，需要不断地对新的技术进行试验验证。进行日地空间探测，可以推进航天新技术试验。比如，可以试验大推力运载火箭、远距离大容量数据传输系统、航天器姿态控制和测量技术、航天器的轨道修正技术等。同时，进行日地空间探测，是对航天国家运载火箭能力、远距离大容量数据传输能力、高精度姿态测量和控制能力等技术的实际展示。
日地空间探测是人类航天关注的热点
日地空间探测起步于２０世纪６０年代。美国于１９５９年～１９６８年发射了“先驱者”系列，１９６３年～１９７３年发射了“行星际监测台”系列，１９６４年～１９６８年发射了“轨道地球物理观测台”系列，对地球大气层附近进行了大量的探测活动。此间一个显著的特点是次数增多，同时大规模的国际合作也拉开了序幕。
２０世纪７０年代以来，随着空间技术的发展，日地空间探测也得到了快速发展。许多国家相继发射了专门对日地空间进行探测的航天器。其主要“代表作”有：前苏联发射的“预报”系列；由原西德与美国联合研制的“太阳神”系列；美国和欧洲空间局联合研制、由两颗卫星组成的“国际日地探测器”系列，其主要任务是执行国际研究磁层计划。
２０世纪８０年代以后，最具代表性的日地空间探测是美国航空航天局和欧洲空间局联合研制发射的太阳探测器，它们首次近距离考察了太阳磁极，丰富了人们对太阳的认识。同时，美国、欧洲空间局和日本还联合制定了一个较大规模的日地空间探测计划，即：“国际日地计划”。其目的是研究日地空间从太阳表面，经过日冕、行星际空间、磁层至地球上层大气所产生的各种物理现象。该计划预计发射６个探测器，已于２０世纪９０年代开始逐步实施。美国研制３个，欧洲２个，日本１个。通过６个运行于不同的轨道、担负不同使命的探测器的相互配合和互为补充，来测量太阳风参数，研究太阳风起源，对太阳进行连续观测，获得太阳日冕、太阳亮度等数据。
太阳，是地球生命的缔造者，是万物之母。对太阳系广阔的宇宙空间物理现象进行探测，回答宇宙的起源、组成和演化，太阳系的变化及其对人类的影响，寻找生命的起源，是２１世纪日地空间探测的重要使命。
美国１９９０年４月２５日发射升空的太空“老寿星”——“哈勃”空间望远镜可谓是空间探测器的“大哥大”。它可以从华盛顿看到澳大利亚悉尼的一只萤火虫，相当于在地球上能看到月球上两节电池手电筒发出的度亮。在太空中，它看到了星球诞生和死亡的壮丽景观，发现了未被发现的星球和行星，获得了有关宇宙的大小和膨胀速度的高精度数据，还看到了１４０亿光年的星系。这些重大发现，对于推测宇宙年龄，研究宇宙的起源及物质组成提供了重要的数据。经过航天飞机的几次太空维修，这个“老寿星”又焕发了青春。除此之外，世界上还发射了钱德拉Ｘ射线空间望远镜（见题图）、康普顿空间望远镜等一系列天文探测器，对太阳系和宇宙空间进行了大范围的研究探测，取得了重要成果。
我们将瞬时或短时间内太阳表面、太阳风、磁层、电离层和中高层大气的物理状态，称为“空间天气”。空间天气对航天器的正常运行、航天员的安全、无线电导航、卫星通信与短波通信、地面的输电系统等许多技术领域都会产生重要影响，有时甚至会产生灾难性事件。因此，科学家对空间天气抱以极大的关注。太阳的变化是导致空间天气变化的源头，提高空间天气预报水平的关键是加强对太阳的观测。
２０００年７月１５日和８月９日，俄罗斯“联盟”号运载火箭分两次将欧洲空间局研制的４颗“团星”－２（ＣＩｕｓｅｒ－２）卫星发射升空。由于“团星”－２卫星坎坷的经历和在监测空间天气方面的重要作用，它们的发射入轨使密切关注该计划的全世界空间科学家松了一口气。
早在１９８６年２月，欧洲空间局为迎接“２０００地平线计划”，确定了两个发射项目。其中一个是研究太阳和太阳高能粒子流的“太阳和日球层观测台”（ＳＯＨＯ）另一个就是主要研究地球磁层随太阳活动变化、提供太阳影响近地环境最详细资料的“团星”卫星，并把这两个项目作为整个“２０００地平线计划”的第一块基石。１９９５年１２月，“太阳和日球层观测台”成功发射，并发回了大量数据。１９９６年６月４日，“团星”－１却遭到失败，４颗卫星毁于一旦。此后，科学家们又重新研制了４颗卫星，这就是４年后的“团星”－２。
４颗“团星”－２卫星的每颗卫星都要进行１１项科学实验，主要探测仪器有１０个，其中包括电磁场测量仪器、粒子探测仪器等。由于携带了先进的科学仪器，“团星”－２将提供太阳影响近地球环境最详细的信息。这是人类第一次对地球磁场进行详细的观测和对磁层进行三维测量。“团星”－２的轨道特性可保障对磁层顶、磁尾、极光带等关键区域的观测，有助于更为详细的了解地球周围的空间环境。这对于人们认识空间天气的变化规律，提高空间天气预报水平，将起到十分重要的作用。
在今后１０年～１５年，随着卫星小型化技术的发展，人类将以新技术为依托，开展太阳系其它领域更大规模、更详细的空间探测。可以相信，通过对太阳系的探测活动，人类将会发现许多新知，揭开许多未知之谜。
多年来，美国、欧洲空间局、日本和俄罗斯都十分重视天文卫星的发射，并取得了重要的科学研究成果。这些科研成果不仅对于认识宇宙有重大意义，而且对于有效防范太阳的危害提供了依据。天文卫星的问世，开创了空间天文学的新时代。
目前已经发射了多种天文卫星，其使命主要有两大类，一类是以观测太阳为主的太阳观测卫星，另一类是以探测太阳系以外的天体为主的非太阳探测卫星。１９６０年６月美国发射的“太阳辐射监测卫星”和２０００年７月１５日和８月９日欧洲空间局发射的“团星”－２等是太阳观测卫星，而“哈勃”望远镜、钱德拉Ｘ射线空间望远镜等则是非太阳观测卫星。它们的主要使命是观测宇宙中的紫外线、红外线、Ｘ射线，并探测银河系和银河系以外的天体。
今后人类还将发射若干个探测器进行空间天文观测。空间天文望远镜和射电天文探测器是２１世纪天文观测和深空探测的重要手段。美国和欧洲空间局将利用先进的无线电测量技术，建立天基与地基射电望远镜网络系统。在今明两年通过发射“空间红外望远镜”，建立一个大型红外探测系统，以寻找水、臭氧等物质和可能存在的生命形式，了解宇宙早期的模样。２００５年，将发射“太空干涉测量仪”（ＳＩＭ）。据报道，其观测天体位置的精确度是“哈勃”望远镜的１０００倍。日本准备在月球上建立天文观测基地。２１世纪的空间探测活动，将会更加异彩纷呈。（未完待续）
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