星辰大海之旅（31）——（美国）先驱者号探测器

在深空探测这个领域里，先驱者号可以说是佼佼者了。先驱者号探测器是美国发射的行星和行星际探测器系列之一， 从1958年10月到1978年8月，差不多20年的时间里，一共发射了13个，用来探测地球与月球之间的空间， 金星、木星、土星等行星及其行星际空间。

通过深入了解发现，先驱者号开始抛的比较小，后来才抛大的，从38千克到259千克，越抛越大。科学试验不是一开始就是成功的，恰恰相反，是从失败开始的。通过不断探索、不断创造、不断实践，经验越来越丰富，技术不断革新和提高。从小到大，从简单到复杂，航天事业就是这样发展壮大起来的。

据悉，先驱者10号、11号最为引人注目，它们是人类派往外行星访问的第一批使者。先驱者10号于1972年3月2日先踏上征途，经过1年零9个月的长途跋涉之后，穿过了危险的小行星带，闯过了木星周围的强辐射区，于1973年12月3日与木星相会。它飞临木星时，沿着木星赤道平面从木星右侧绕过，在距木星13万公里的地方穿过木星云层，拍摄了第一张木星照片，并进行了十多项实验和测量，向地球发回第一批木星资料，为揭开木星的奥秘立下头功。在木星巨大的引力加速下，直向太阳系边疆飞去。于1989年5月24日飞越过冥王星轨道， 带着给外星人的“礼品”—— “地球名片”，向银河系漫游而去。

先驱者11号于1973年4月6日启程，踏上了遥远的神奇之旅。它以探测土星为主要责任。1979年9月1日，先驱者11号从距土星3400公里的地方掠过，第一次拍摄到了土星的照片。它探测了土星的轨道和总质量，测量了土星大气成分、温度、磁场，发现了两个新光环。探测了土星之后，先驱者11号便从天王星近旁掠过，于1989年飞向太阳系边缘……

一、先驱者0号：飞越月球

早在1958年8月17日，美国空军发射了先驱者0号(Pioneer 0)。这是美国的无人行星探测任务 “先驱者计划”的第1颗无人探测器，不过38千克，为进入月球轨道而设计。但飞船在发射第一阶77秒后在大西洋上空爆炸而失败。

二、先驱者1~3号：飞越月球

1958年10月11日，美国无人行星探测任务“先驱者计划”的第2颗无人探测器——先驱者1号(Pioneer 1 ) 发射。原计划探测地球附近和月球轨道空间环境，但火箭的第二级因计算机程序输入错误，提早熄灭发动机，探测器未能达到理论速度，因此无法接近月球。它在运行了43小时后进入地球大气层，最后坠落到南太平洋。

先驱者2号是"先驱者计划"的第3颗无人探测器，1958年11月8日发射。它的目标是月球。鉴于前两次失败，改进了电池，以避免发生先驱者1号的故障。然而，由于火箭的第三极发动机点火失败，先驱者2号最终也没能完成任务，在非洲大陆上空燃烧。

先驱者3号(Pioneer 3)是"先驱者计划"的第4颗无人探测器，1958年12月6日由美国陆军弹道导弹机关与NASA联合发射。但是由于火箭故障而导致任务失败。7日，总计运行了38小时零6分之后，坠落在非洲大陆。

三、先驱者4号：飞越月球

先驱者4号是美国的无人行星探测任务"先驱者计划"的第5颗无人探测器，1959年3月3日（一说3月4日）发射。它完成了先驱者3号未能完成的任务。

四、先驱者5号

先驱者5号的主要任务是测量地球与金星之间宇宙空间内的磁场分布情况。虽然设计寿命只有一个月，但实际上工作了106天。这是先驱者计划中继先驱者4号之后第二个成功完成任务的探测器。

驱者5号于1960年3月11日发射。在距离地球160万公里的时候，微陨石计数器平均每周可记录到80余次碰撞。研究人发现地球磁场的范围大约为地球半径的14倍。3月底，先驱者5号巧遇了一场太阳耀斑爆发，记录到了质子和电子的能量，同时银河宇宙射线大为减少。而太阳平静时，星际空间中的磁场强度不高。

至6月26日地面就再也接收不到先驱者5号发回的数据了，此时它距离地球3600万公里。1963年左右，先驱者5号又可接近地球，然而由于探测器缺乏电力，终究没有同地面建立联系。

五、先驱者6、7、8、9号

先驱者6、7、8、9号是一系列功能、任务相近的宇宙探测器。先驱者8号于1967年12月13日成功发射，主要研究太阳风离子、电子、星际电子密度、宇宙射线，为第一批环绕太阳公转的人造探测器。

先驱者9号卫星于1968年11月8日发射，原预期只能工作6个月，出人预料的是6个月后，继续向地面发送数据，直至1983年5月18日为止。1987年3月14日，美航宇局正式宣布，绕太阳运行18年之久的先驱者9号卫星寿命已经终结。

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六、先驱者10号

"先驱者10"号是迄今为止人类发射的空间考察器中飞行时间最长和距离地球最遥远的星际探测器。

先驱者10号（Pioneer 10 或 Pioneer F），美国无人行星探测任务“先驱者计划”的第16颗无人探测器。NASA于1972年3月2日发射。它是第一个成功穿越火星和木星之间的小行星带、第一艘近距离观测木星的飞行器，并于1973年12月3日发回了第一组木星的近距离拍摄的图像，发现了木星磁层伸展出的巨大磁尾。1983年6月13日越过海王星轨道。当然，先驱者10号仍然没有飞出奥尔特云。

目前状态：位于太阳系最外层奥尔特云内。

目的地：毕宿五(距离地球68光年)。

质 量：258公斤。

发射载具：擎天神-半人马运载火箭。

（一）任务经过

"先驱者10号"太空探测器是人类向太阳系以外送去的第一个人造物体｡以每小时5万公里的速度飞行，用不到一天的时间接近月球，用11个星期接近火星，用不到两年的时间接近木星｡

在大约飞行了半年后，“先驱者10号”探测器进入火星与木星间的小行星带，与木星的相会阶段持续了2个月。

1973年12月3日，“先驱者10号”到达离木星最近处，约13万千米。

先驱者10号在成功飞掠木星、土星后继续朝深空飞去，并于1982年飞越太阳系的边际，按惯性驶向毕宿五恒星（金牛座α）。毕宿五距离地球68光年，要到达毕宿五恒星这个目标，大约还需要200万年时间。

1983年6月13日飞出海王星的轨道。

1986年10月通过冥王星轨道，成为第一个飞出行星轨道的人造物体。先驱者10号以49198公里的时速飞离太阳系。当它离开海王星时，它与太阳间的距离超出45.3亿公里。

当先驱者10"号距地球96.6亿千米时，以时速接近4.8万千米的速度飞离太阳系。它发出的无线电信号要飞行九小时才能到达地面。它携带的11台微型热核发电机仅有1台在工作，传回地面的信号已极其微弱。地面上巨大的射电望远镜在来自宇宙各种嘈杂的声音中，勉勉强强地可分辨出探测器发回的信号。先驱者10发回的科学数据越来越少。

先驱者10号位于距地球100多亿公里的太空，相对于太阳的飞行时速为44064公里，尽管它的功能不断恶化，但仍正常运转，不时地向地球发送较弱的信号；那里已无阳光，核发电机继续为它充电。由于无法对它进行常规跟踪，先驱者计划于1997年3月31日正式终止。

探测器距离地球120亿公里左右的地方，美国宇航局的科学家已经有一个月没有得到它的信号了｡它的能量已经不足以允许它再发回任何信号，至此它的使命彻底完成｡

先驱者10号曾是离我们最远的飞行器，在最后一次与之联系时，先驱者10号离地球的距离是 122.3 亿公里。这一纪录，一直保持到 1998年2月17日，那天，旅行者1号距太阳的距离和先驱者10号持平，都是 69.419 AU，并因为速度的优势（每年大约多飞行 1.016 AU）而在此后、在距离上超过了后者。和先驱者11号一样，先驱者10号携带了一块人类向可能存在的外星人问候，并表明我们在银河系位置的镀金铝板。

由于先驱者10号配备的放射性同位素燃料已失去电力，2003年2月7日NASA的深度空间网络尝试与先驱者10号联系时，已接收不到先驱者10号的微弱讯号。最后一次接收到先驱者10号的微弱讯号是2003年1月22日。

（二）评价

1972年3月2日，“先驱者10号”发射升空，并在随后的日子里，在太空探索领域屡创第一。先驱者10号曾首次发回详细的木星和土星照片，并且在太阳系边缘的有利位置发回了重要的太阳风和宇宙辐射测量数据｡先驱者10号远远超出了科学家最初对它的期望，为科学家服务了30年。

先驱者10号是人类建造的第一个成功飞越太阳系的飞行器，经历了许多可怕的险情。作为先锋号任务，其中之一是用来测试通过小行星带与木星巨磁场的生存率。事实看来，小行星带是小菜一碟，但它却差点被木星磁场中的离子炸裂。

先驱者10号探索的主要目标就是木星。它还有一个重大使命是考察行星际空间的物理环境，以便为未来深入探测外行星开辟道路。

（三）异常之谜

通过多年恢复和分析旧数据，研究飞行器的结构图，研究人员发表论文宣告破解先驱者号异常。有牢固的证据显示，减缓速度的主要原因是各向异性热辐射。各向异性热辐射能解释 80% 的减速。在太空中，热辐射表面点的方向是一个值得注意的问题。

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七、先驱者11号

先驱者11号（Pioneer 11）是第二个用来研究木星和外太阳系的空间探测器。也是第一个研究土星和它的光环。与先驱者10号不同的是，先驱者11号（也称先驱者G号）不仅拜访木星，还用了木星的强大引力去改变它的轨道飞向土星。它靠近过土星后，就顺着它的逃离轨道离开了太阳系。

发射时间：1973年4月6日。 任务：探测木星、土星。

发射地点：佛罗里达州肯尼迪航天中心。

探测器质量：259千克。

（一）探测木星

1974年12月4日最接近木星，离木星最高云层34,000公里以内，借着木星的强大引力，探测器改变轨道朝向土星。

（二）探测土星

探测器于1979年9月1日最接近土星，离土星最高云层21,000公里以内。当时旅行者1号、旅行者2号已经过木星，同时已经朝向土星进发。

先驱者11号正如其名，是一名“先驱者”， 可以测试该区域是否有暗淡光环会损毁探测器。如果真有危险，即将到达的旅行者探测器将会更改轨道以离开那些光环，但将失去拜访天王星及海王星的机会。

1995年9月30日因能源不足，探测器的运作及遥测数据终止传送。此前，探测器处于离开太阳约44.7天文单位的距离，与太阳赤道面形成17.4度的倾斜角，并正以每年2.5天文单位（每秒12公里）的速度向天鹰座前进，并将在400万年后抵达那里。

（三）引力阻止——先驱者号异常

据报道，美国宇航局分别于1972年和1973年发射了先驱者10号和先驱者11号探测器，现在探测器距离地球已有上百亿公里远。在这两颗探测器远离太阳系时，科学家发现有一股奇怪的力量在将这两艘太空船往回拽。

1、不明力量使先驱者号运行速度减慢

它是否来自一些暗物质?还是一些物理学或万有引力新规律在起作用？这些问题科学家仍旧不能给出答案。

在探测器离地球越来越远时，来自探测器的微波振幅出现了跳跃变化。多普勒效应就是波长增加或减少这样的变化。

2、运行轨道背离"万有引力"算出的轨道

先驱者10号和先驱者11号每个探测器和太阳的距离都要比按照传统万有引力定律计算出来的距离要小，两个距离大约相差40万公里。

（四）成果

木星内部密度分布可从它的引力场的情况反映出来。根据"先驱者号"的观测资料发现，木星没有固体表面而是一个流体行星。木星的主要成分是氢和氦，其比例类似太阳大气。木星中心有一个主要由铁和硅构成的固体核，那里的温度可达30,000K，称木星核。

核的外面是以氢为主要元素组成的厚层，称为木星幔。它又可分为两层。第一层中估计压力为 300万个大气压，温度为11,000K，氢处于液态金属氢状态,其中分子离解为独立的原子，形成导电的流体。这一层从核向外延伸到46,000公里处。第二层延伸到70,000公里处，被认为是由液态分子氢构成。大气在这层之上再延伸1,000公里，直到云顶。

木星具有比地球更大更强的磁场和辐射带。木星磁层可分三个区域。内区(离木星20个木星半径以内)是偶极场，具有和地球辐射带很相似的强辐射带。中介区(从20个木星半径到60个木星半径)的磁力线被离心力以及可能从木星大气层顶部出来的等离子体流所歪曲。整个内区和中介区都按木星大约10小时的自转周期转动。外区(从60个木星半径到90个木星半径)的磁场已相当弱，到磁层边界处趋于零。空间探测表明，除掉很靠近木星表面的部分以外，木星磁场是偶极场，但是场的方向正好与地磁场相反。这就是说，地球上指北的罗盘搬到木星上将指向南方。

（五）现况

在2011年3月6日，先驱者11号大约距离太阳82.805个天文单位。以每秒11.415公里的速度前进，每年前进2.408个天文单位。太阳光必须花上11.54个小时才能抵达先驱者11号的位置。先驱者11号是朝先驱者10号的反方向（朝向盾牌座的方向）前进，鉴于先驱者10号是朝着离开银河中心的方向前进，先驱者11号则是朝向银河中心前进。

八、先驱者金星1号——即先驱者12号

先驱者金星1号即先驱者12号，主要用于研究太阳风、金星磁场、电离层。1978年5月20日发射，经过长距离飞行，于同年12月4日到达金星并围绕它飞行，用雷达探测了金星地形。

九、先驱者金星2号——先驱者13号

先驱者金星2号，也叫先驱者13号，于1978年8月8日由宇宙神-半人马火箭发射。主要用于侦测金星大气。

先驱者金星2号进入绕金星轨道后释放了4个锥形金星大气探测器，分别从4个方向降落在金星表面，在落向金星的过程中，了解大气、云层、磁场等数据，发现金星云中有大量二氧化碳和硫酸，含硫气体喷射到离金星表面70公里高处。

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美国"先驱者"号探测器的任务是探测地球与月球之间的空间以及金星、木星和土星等行星和行星际空间，系统观测月球环境、行星际空间辐射、磁场、太阳活动。

先驱者10号，1972年3月2日发射，1973年12月3日接近木星，1983年6月13日越过海王星轨道，1986年10月通过冥王星轨道，逐渐远离太阳系。

先驱者10号正以每年2.6个天文距离的速度飞离太阳系，最终目标是毕宿五（距地65光年）。

2003年，先驱者10号音讯全无，NASA放弃追踪了。先驱者10号朝着银河系外围飞去，先驱者11号朝向银河系中心方向飞去。

2003年2月26日，美国宇航局发言人宣布，美国的航天科学家们已经无法再收到"先驱者10号"发回的信号，并将放弃所有的努力｡这标志着这个31年前发射升空飞离太阳系的飞船最终告别了人类｡

先驱者10号以经飞离太阳系了，已经很远很远了！它是人类的孩子，人类已经无法接收到它的信息了。它孤独地遨游在浩瀚的宇宙之中……

先驱者10号现在在寂静中继续它的漫长太空之旅，可能前往金牛座｡如果一切顺利，它将在大约200万年后抵达那里｡

遨游太空近47载的先驱者10号，已是杳如黄鹤。它经过800万年的飞行后，可能会同某一颗具有生命的恒星及行星系相会……

在太阳系当中，火星、木星、土星、天王星、海王星，还有冥王星，继续吸引着人类的好奇心。将来，人类还会派遣地球使者前去访问！

【注解】

【奥尔特云】Oort Cloud，一个假设包围着太阳系的球体云团，布满着不少不活跃的彗星，距离太阳约50000～100000个天文单位，最大半径差不多为1光年，即太阳与比邻星距离的四分之一。天文学家普遍认为奥尔特云是50亿年前形成太阳及其行星的星云之残余物质，并包围着太阳系。

【镀金铝板】与其姊妹探测器先驱者10号一样，先驱者11号船上同样携有一块载有人类讯息的镀金铝板。倘若探测器被外星的高智慧生物捕获，这块镀金铝板将会向他们解释这艘探测器的来源。铝板上绘有一名男性及女性的图像，氢原子的自旋跃迁，以及太阳与地球在银河系里的位置。

2019-1-13稿件规划

2020-1-5修改