对地遥感与深空探测7.doc

第七讲 火星及其它行星际探测2 7.1火星探测 7.2金星探测 7.3水星探测 7.4木星探测 7.5土星探测 7.6冥王星探测 7.7小行星和慧星探测47.1火星探测 火星是地球轨道外侧最靠近地球的行星，其自然环境与地球最为相似， 因此火星探测是太阳系行星探测的重中之重。 探测的主要目标是探寻火星是否存在或种经存在生命现象以及是否存在 水体，揭示行星演化的共性和特性，探测有开发前景的有用资源，为建 设火星基地提供数据。 目前和未来10年内的主要关注点是:火星上是否真正存在水及有多少存储量;火星是否真正存在生命;火星是否适合人类生活等问题。 20世纪60年代至今，美国、苏联/俄罗斯、日本和欧洲共发起了30余次火星探测计划。57.1.1美国火星探测漫游者计划 火星探测漫游者(Mars Exploration Rovers, M E R)是迄今最著名的火星表面探测器，它于2003年6- 7月两次发射携带勇气号和机遇号火星车。 这两个火星车的探测目的主要是火星是否存在水。它所携带的仪器包括:全景相机、微型热辐射光谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪和显微成像仪。 2005年，在火星上巡游的美国勇气号和机遇号火星车早己超过90天的设计寿命，仍继续工作并向地球送回了大量的火星全景图像和显微图像，获得了大量火星表面探测数据。67.1.2美国“火星勘测轨道器”计划 2005年8月12日，美国的火星勘测轨道器( Mars Reconnaissance Orbiter, M RO)顺利升空，其任务是继续寻找火星上存在水的证据，并表征火星气候与地质特征。 M RO载有6台仪器，包括雷达、彩色成像仪、小型勘测成像光谱仪和气候探测仪等，将对火星从亚表面地质到云顶的各种现象进行观测研究。它己于2006年3月10成功完成精细的入轨机动动作，进入绕火星运行的轨道，离表面最近点的高度约420km。气动制动中，探测器数百次地进入火星上层大气层，利用大气阻力减速，从而改变轨道形状，经过近7个月的时间，探测器的轨道己调整为周期2hour ,高321km的近圆形轨道，开始执行为期2年的科学观测任务。同年3月24日，它首次传回试拍的火星表面照片。除完成科学观测任务，M RO主要是支持将在2008年在火星北极冰冠附近着陆的着陆器以及将在2010年抵达火星的“火星科学实验室“。77.1.3美国凤凰号探测器计划 2007年8月美国发射 了凤凰号(Phoenix)火星探测器，其探测 目的仍然是探测火星 水资源。它将利用显 微电化学和传导率分 析仪来探测水及冰中 是否存在生命必需的 有机物，利用热析出 气体分析仪来分析土 壤中是否含有水及其 他化学成分.（10个 月6.79km）8 与“火星探路者”、“勇气”号和 “机遇”号火星车通过气囊着陆在 火星赤道地区有所不同，“凤凰”号是依靠减速推力器的制动作用 着陆在富含水冰的火星北极地区。 因为“凤凰”号的质量太大仅搭载 的科学仪器就重达59公斤，用气囊难以保证软着陆的安全。97.1.4美国“火星科学实验室”计划 火星科学实验室(Mars Science Laboratory，MSL)将对火星的元素成分、元素同位素及其含量、命的环境（ 2009年9月）。其科学目标包括: 1评价在火星上生物存在的可能性; 2表述着陆区域的地质学和地球化学特征; 3确定与过去生命存在性相关的行星形成过程 4表述火星表面的辐射环境。10 M SL是一个火星表面巡视探测器(火星车)，它将采集和分析火星土壤样品与岩芯，以探寻能够支持微生物的有机化合物和环境条件。它将是一个长期2年表面巡视实验室，是MER的勇气号和机遇号火星车重量的3倍( 800 850kg)。 仪器设备包括:表面巡视探测器、立体与显微相机、机械臂工具、化学相机、a粒子X射线光谱仪、环境监测系统(REMS)、中子动力学反射率(DAN)测量仪和巡航级与再入系统。 MSL于2009年9月发射，飞行12个月后抵达火星，在火星表面运行2个地球年，行程约20km。117.1.5欧洲“火星快车”探测计划 其主要目的之一是采用地下水探测 雷达/高度计来寻找火星的地下水。 取得的成就包括: 首次对其他行星进行了地表下雷达 探测，其超高分辨率立体彩色成像 仪己经成功绘制了火星北极的“冰冠”图像; 并首次对一颗行星表面矿物质组成 进行了全面研究。2003年6月2日，欧洲火星快车(Mars Express, ME)轨道器发射升空，6个月后到达火星。122010年3月7日，“火星快车”在近距离飞掠火卫一时，还拍摄到俄罗斯“火卫-土壤分析”任务计划中的着陆点。2011年，俄罗斯计划发射火卫-勘测任务，该任务命名为“火卫-土壤分析”任务。该任务将发射探测器在火卫一登陆，搜集其土壤样本，分析其构成成分，这将有助于揭开火卫一的起源谜团。13火星探测传感器总汇 全景相机-成像 微型热辐射光谱仪-热红外遥感 阿尔法粒子X射线光谱仪-高能粒子成像 显微成像仪-成像 侧视雷达-成像 雷达高度计-地形测量 彩色成像仪-多光谱成像 小型勘测成像光谱仪-高光谱 气候探测仪-气象 热析出气体分析仪-找水 表面巡视探测器-成像 立体与显微相机-显微成像 机械臂工具-采样 化学相机-成份分析 中子动力学反射率(DAN)测量仪-高能粒子探测14萤火一号（YH-1） 萤火一号（YH-1）是中国火星探测计划中的第一颗火星探测器，作为中俄航天合作项目之一，计划于2011年10月和俄罗斯的“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）卫星一起搭载联盟号运载火箭从拜科努尔航天中心发射升空。大约经历10至11个半月的飞行后，进入火星轨道。 萤火一号主要研究火星的电离层及周围空间环境，火星磁场等。2008年4月完成初样并公布于众。2009年6月完成正样并赴俄罗斯联合测试。157.2 金星探测 金星是地球轨道内侧最靠近地球的行星，环境极恶劣，温度高达400以上，大气密度和大气压约为地球的100倍，大气层中还有浓硫酸云层，并且多闪电雷暴。 迄今为止，人类己向金星发射了近40个探测器，探测了金星的大气、土壤和引力场，并进行了测绘。 自1990年沉寂了15年以后，2005年欧洲才又发射了21世纪的第一个金星探测器-金星快车16 金星快车(Venus Express, VE)是欧洲首次发射的金星探测 器，于2005年11月9日发射. 2006年4月11日，“金星快车”在太阳系经过4.4x108km的旅 程后到达金星。它点燃主发动机，经历49min减速进入围绕 该行星的轨道;然后通过一系列轨道机动使该探测器达到其运 行轨道，沿着一条250km/ 6600km大椭圆轨道在24h期间围绕两极转动。 “金星快车”是在“火星快车”两年后由ESA实施的第一个欧洲 “曙光”计划任务。它在至少2个金星日(486天)期间，承担了有史以来最为全面的金星大气研究任务。177.3 水星探测 水星是太阳系中最靠近太阳的行星，也是人类了解最少的行星，由于水星具有类似地球和月球的特征，是宇宙中物质多样性的证明和研究太阳系形成与起源的宝贵资料，因而水星探测具有重大的科学意义。187.3.1美国信使号探测计划 早在1973- 1974年，NASA研制的水手-10探测器3次围 绕水星飞行。1999年美国 NASA又开始执行水星表面空间环境地质化学与测距 (MESSENGER，简称“信 使”)探测计划，对水星展开 新一轮研究。目的是: 通过测量水星表面元素验证 水星密度理论，分析研究水 星地质历史，研究其内核结 构及磁场的产生，磁极的特 性，检验水星上冰的存在， 研究水星大气层的构成。信使号(MESSENGER)，是“MErcurySurface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging”的缩写，意为：“水星地表，空间环境，地质化学和全向遥测”。 2004年发射。19 美国国家航空航天局（NASA）的信使号水星探测器成为有史 以来第一个到达水星轨道的空 间飞行器。2011年3月17日晚上，信使号进入水星轨道的消 息得到确认。 信使号计划的负责人来自约翰 霍普金斯大学应用物理学实验 室的Peter Bedini说：“进入水星轨道是信使号发射六年半以 来最大的一个里程碑”。处女照：这是信使号拍摄的首张水星表面照片2021 飞掠：2008年10月6日信使号第二次成功飞掠后 发回地球的数据。227.3.2欧-日“贝皮柯兰布”计划 欧洲航天局(ESA)与日本联合提出贝皮柯兰布(Bepi Colombo)计划（2014年）。23欧空局将于2014年对水星展开探测，Bepi-Colombo探测器 其科学目标是:研究行星起源与演变，水星内部结构和表面组成，水星磁场的起源，水星大气组成及动力学过程，水星磁层结构及动力学过程，验证爱因斯坦的广义相对论，该计划包括两个环绕水星低空椭圆轨道时示的轨道器和一个着陆器。 主轨道器称为水星行星轨道器(MPO),携带各种光谱仪和中了谱仪，将在水星极区轨道上观测; 另一轨道器称为水星磁层轨道器(MMO),携带磁力计、离子谱仪、电子/离子分析仪、波分析仪、等粒子体谱仪和高能粒子谱仪，用于探测水星磁场及其与太阳风的相互作用。247.4木星探测 木星是太阳系八大行星中最巨大的行星，运行于火星与土星之间。（截至2011年11月，木星已被发现有61颗卫土星之间。（截至2011年11月，木星已被发现有61颗卫星）。迄今为止，人类共发射了6个探测器探测木星，但是其中5个都是仅仅经过木星中途探测而己，包括美国的“先驱者”( Pioneer-10，11)和“旅行者”(Voyager-1，2)以及欧洲的“尤里塞斯”( Ulisses)。只有美国的“伽利略”是专门的木星探测器。2526 美国的伽利略(Galileo)木星探测器于1989年发射，它不仅探测了木星的大气环境与动力学特性、木星卫星的磁层相匀_作用，而且还对多颗木星卫星进行了详细探测，发现了木卫一、木卫二表面覆盖的冰层，以及木卫一冰壳下可能存在着海洋，这就意味着可能存在生命。 该探测器并于1995年向木星释放了一个小型着陆器，测定了木星大气层的温度、压力和大气成分。伽利略号从1995年进入木星的轨道直到2003年坠毁，它一共在木星工作了8年之久。由于木卫二的冰层下可能存在生命，为免未经消毒的航天器撞向木卫二，令地球的细菌污染其环境，控制人员最终选择把伽利略号撞向木星。27木星冰月卫星轨道器计划 “木星冰月卫星轨道器”( Jupiter 两个目标： 一是探测木星的三个冰覆盖的卫星： 木卫四Callisto,木卫三Ganymede和 木卫二Europa 。 二是验证核电推进飞行系统技术， 以拓展革新的星际和太阳系探测任 务的范围。根据初步计划，发射在2015年进行，探测器将由普通化学火箭发射到地球高轨道，然后由基于核裂变反应堆的离子发动机推动前往木星，并于2020年01月进入木星轨道。探测器花费380天时间环绕木星飞行，于2021年01月进入木卫四引力范围，并于90天后进入木卫四轨道，在近圆轨道环绕木卫四飞行60天，然后花费88天时间离开木卫四前往木卫三。探测器花费250天时间环绕木星飞行，于2022年05月进入木卫三引力范围，并于96天后进入木卫三轨道，在近圆轨道环绕木卫三飞行120天，然后花费93天时间离开木卫三前往木卫二。探测器花费165天时间环绕木星飞行，于2023年08月进入木卫二引力范围，并于65天后进入木卫二轨道，在近圆轨道环绕木卫二飞行30天。为了使美国总统提出的重返月球计划有足够预算，该计划已经取消。287.5土星探测 土星是太阳系中唯一具有特殊光环的巨大星球，其卫星土卫六又是太阳系中第一大天然卫星，拥有大气层并且表面条件与45亿年前的原始地球十分相似，因此长期以来一直受到人类的关注。共有4个探测器探测了土星，其中3个只是飞越而己，只有美国-欧洲的“卡西尼-惠更斯”是专门的土星探测器。土星拥有62颗已确定轨道的天然卫星，其中52颗已被命名，大部分体积都很小。另外还有几百颗已知的“小卫星”，位于土星环内。有7颗卫星的质量足够大，其重力使其坍缩成近球体形状（因此若它们是直接环绕太阳公转，则会被归为矮行星）。土星不但拥有复杂的环系统，其卫星系统也是太阳系中最多种多样的。29 1789年9月17日，天文学家威廉赫歇尔发现了土卫一。30旅行者2号于1981年8月26号在距土卫二8万7010公里处卡西尼号于2005年2月17日拍摄1789年8月28日，威廉赫歇尔在第一次使用他的1.2米望远镜当时世界上直径最大的望远镜时发现了土卫二。31土卫六（Titan，又称为泰坦星）是环绕土星运行的一颗卫星。它是土星卫星中最大的一个。在1655年3月25日被荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安惠更斯发现，它也是在太阳系内继木星伽利略卫星发现后发现的第一颗卫星。卡西尼号在2004年12月25日圣诞节释放出了惠更斯号，惠更斯号在2005年1月14日进入土卫六大气层进行详细探测。32该探测器于1997年10月升空。2004年7月1日，在太空旅行了7年后，卡西尼探测进入土星轨道 。美国卡西尼土星探测器将持续工作到2008年7月。目前“卡西尼”继续环绕土星运行，它己经两次穿越土星环缝隙，获得了大量详细的有关土星环结构和物质组成的资料，这些发现为理解地球生命起源提供了重要线索。2006年7月，“卡西尼”近距离飞越土卫六时有了一项重大发现:在其北极存在着一个巨大的由甲烷等碳氢化合物形成的湖泊群，其中有些湖还流动着液态物质。卡西尼-惠更斯 欧洲的惠更斯着陆器在与美国卡西尼探测器成功分离后，于2005年1月15日成 功着陆土卫六，创下人类探测器登陆其他天体最远距离的新纪录，“惠更斯”发现了由甲烷形成的河流和冰块，但没有发现存在生命的迹象。 此外，卡西尼-惠更斯探测器还探测了土卫九、土卫十、土卫八等土星的卫星，拍摄了大量的图片。332011年3月1日消息，土星目前拥有太阳系中最多的已知卫星数量，目前已经被确认的卫星数量高达62颗，其中有一颗卫星非常独特，那就是土卫七(Hyperion)。 在这张美国宇航局所属卡西尼号探测器最新拍摄的高分辨率图像上看起来，它就像是一个在昏暗的房间里的海绵球。34 民间的天文爱好者们最先在本月初注意到了这一风暴系统的出现，随后在2010年 12月24日，美国宇航局下属卡西尼号探测器运行到有利位置，在距离风暴位置110万英里(约合177万公里)处拍摄了这张照片。相关数据于27日传回地球。 这个风暴呈现一个巨大的圆盘状云系，并且拖着长达数万公里的尾巴，横贯土星北 半球。图像左侧栏中，采用了蓝光波段拍摄的图像揭示出这一尾巴结构 的延伸范围；而右侧栏中的图像则使用了红外波段，显示出这一风暴系统核心部分的细节。 这些图像的拍摄时间恰逢卡西尼号飞船从故障中恢复工作整整一个月。由 于太阳 耀斑产生的强烈带电粒子流影响，卡西尼号飞船于11月2日出现故障，停止工作， 直到当月24日方才修复正常。35 “卡西尼号”在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空。如果仅仅依靠火 箭的推力直接飞向土星，并要求它像现在这样在7年之内飞到土星，那么使用 的燃料决不能少于70吨。然而，人类至今还不能制造可以携带这么多燃料的 火箭。因此，“卡西尼号”采用了与“伽利略号”类似的办法，借用行星的引力来 加快速度。 “卡西尼号”发射后，首先于1998年4月在距金星284千米处飞掠，利用金 星引力获得加速。之后，它绕太阳一圈，于1999年6月再次在距金星600千米 处飞掠，获得金星引力的第二次加速。同年8月，“卡西尼号”在距地球1171千 米处飞掠，被地球引力再次加速。 “卡西尼号”第二次离开地球后，才飞往太阳系的外层。2000年12月，它 在距木星约1000万千米处飞掠，获得了木星引力的加速。这时，它的速度超 过了每秒30千米。然后，它才向目的地土星飞去。 土星离开地球的距离，最近时不到13亿千米，最远时也不超过16亿千 米，然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线，飞往土星的行程长达 35亿千米。不过，磨刀不误砍柴功，飞行的时间并没有因此增加，而燃料却 大大节省了。377.6冥王星(矮行星)探测 冥王星在太阳系中是离太阳最远、质量最小的一颗行星，质量只是地球的0.24，直到1930年才被人类首次发现。冥王星所在的太阳系边缘地带名为柯伊伯带，那里存在大量由冰和岩石构成的天体，也是众多彗星的“老家”。科学家认为，这些天体是太阳系最初的组成物质之一。哈勃空间望远镜拍摄的冥王星38 2006年1月19日，拥有3级发动机的“宇宙神5（atlas V）”重型火箭将以每小时5.76万公里的惊人速度把新视野(New Horizons)冥王星探测器送离地球。 这个冥王星探测器因此将成为人类有史以来发射的最高速飞 行器。具体来说，“新地平线”号可以在9小时内飞过月球，而 当年美国发射的“阿波罗”系列飞船需要用两天半时间。按计 划，“新地平线”号将在2015年靠近冥王星，对这个太阳系内 最小的行星展开为期5个月的探测。在此期间，“新地平线”号 与冥王星的最近距离将只有不到1万公里。每年将被唤醒一次。39 新视野探测器将是人类第一个造访冥王星的探测器。探测器重454kg,携带7种科研仪器。由于冥王星离太阳太远，探测器无法使用太阳 能，要依靠所携放射性钚的衰变提供动力。该探测器将以75 000 km/ h的速度飞跨太阳系。 探测器的任务是深入了解和研究冥王星，这有助于加深对太阳系形成的理解，其使命还包括研究冥王星的主要卫星冥卫一。407.7小行星和彗星探测 彗星和小行星等小天体的物质构成存在太阳系形成时的原始信息，有 助于揭示太阳系的起源，因此少成为深空探测的重要日标。人类对小 天体的探测至今仅有20年的历史，迄今为止己发射了10个以小天体为 主要探测对象的深空探测器，包括: 日本的“集鸟”(又称MUSE-C)(小行星着陆与取样返回); 欧洲的罗塞塔号(ROSETTA)(彗星环绕与着陆); 美国： 近地小行星交会探测器(Near Earth Asteroid Rendezvous, NEAR)-小天体着陆 深空1( Deep Space-1)-飞越小行星和哈雷彗星 星尘号( Star Dust)-彗星采样返回 彗核之旅( CONTOUR)-彗星探测，发射失败 深度撞击号(Deep Impact, DI)-撞击慧星。41(1美国近地小行星交会计划 该计划是美国NASA“发现计划”的任务之一其目标是对人类第一个发现的、也是第一大近地小行星(NEA)-433号小行星(Eros)进行探测。42( 2美国深空-1小行星和彗星探测计划 深空-1探测器是迄今为止第一个以离子推进器为主要动力的空间探测器，探测目标是小行星和彗星，同时它还进行新技术的试验与验证(主要包括离子发动机、自主导航和聚光太阳电池阵)。（注：SMART-1，2003） 该探测器于1998年10月24日发射升空，1999年7月29日飞近1992KD号小行星(最近更名为9969号布雷尔)并进行了观测，于2001年1月飞近威尔逊-哈林顿彗星，同年9月飞近布雷利彗星，12月任务结束。43( 3美国星尘号彗星取样返回计划 该计划也是美国NASA“发现计划”的项目之一，其主要探测目标是取回怀尔-2( 81P/ Wild2)彗星的尘埃，以分析研究太阳系形成初期的物质组成。它最终将在2006年把这些尘埃送回地球分析。收集到的样品将不仅展示彗星的构成，也会揭示太阳系早期形成的历史。44( 4 美国深度撞击Deep impact号彗星撞击计划 该计划的目的是通过撞击坦佩尔-1彗星(COMET TEMPEL 1)获取大量彗核碎片，从而研究太阳系的起源，并为地球遭遇小天体撞击时采 取对策积累数据。 具体科学目标是: 探测彗核内部与表面的差异和彗星的基本特性 确定初始状态彗星的物质成分 探测撞击彗星产生的气体变化 探索彗星撞击地球造成的灾害。 2005年7月4日，美国的深度撞击号彗星探测器在飞行了6个月,4. 31 x 108km后，在距离坦佩尔-1彗星86.4 x 104km处释放了370kg的撞击器，撞击器以10.2km/ s的速度精确地击中彗核表面，撞击精度相对 瞄准中心的脱靶量不超过100m。 探测器于7月20日改变方向飞向波星(Boethin)彗星，并将于2009年1月对其进行观测。45Comet Tempel 1 2005年1月13日，北京时间 2时47分，美国成功发射彗 星探测飞船，“深度撞击号”。 2005年7月4日，释放出一 颗372公斤级的钢弹(主要由 49% 的铜和 24% 的铝制 成)，撞击“坦普尔1号”彗星 的核，价值3.3亿美元。人类第一次与彗星亲密接触。 太平洋时间2005年3日22时 52分（北京