本文來自微公眾號：返 （ID：fanpu2019），作者：王善欽先者 10 號是第一個成實現(xiàn)木星近離探測的探器，也是第個成功實現(xiàn)行星（木星土星、天王與海王星）距離探測的測器。它的功為后續(xù)的行星探測器累了寶貴的驗。人類進外行星探測代，其起點是先驅(qū)者 10 號，“先驅(qū)者”實至歸。它的成，在外行星測領(lǐng)域的荒中制造出第片綠洲。在造衛(wèi)星升空后，人類開發(fā)射無人探器，用以近離探測太陽內(nèi)的行星。這些行星中“外行星”木星、土星天王星與海星）的探測具挑戰(zhàn)性，是因為：首，它們比“行星”更遠因此需要更大的火箭與先進的軌道制技術(shù)；其，也因為它更遠，它們近的太陽光輻射更弱，此需要太陽電池之外的他能源為儀提供電能。類并未因為些困難而退。經(jīng)過科學(xué)與工程師的力合作，人最終成功發(fā)了一系列探器，實現(xiàn)了距離探測四外行星的偉壯舉，使人對外行星的識發(fā)生了質(zhì)飛躍。先驅(qū) 10 號（Pioneer 10）是這一系列探器中的第一，也是獲得功的第一個先驅(qū)者 10 號與木星的藝術(shù)想象合圖。圖片來：Rick Guidice緣起：近 200 年一遇的機會1964 年，美國國家航天空局（NASA）噴氣推動實驗室（JPL）的航天工程師嘉利?蘭德羅（Gary Flandro，1934-）指出：70 年代末，木星土星、天王與海王星位同一側(cè)，且乎成一直線如果能夠提幾年向那個向發(fā)射探測，探測器就以在 1980 年左右依次經(jīng)過這四巨行星，通飛掠的方式距離探測它。采用這個案，探測器僅可以依次掠四顆外行，而且每飛一顆外行星行星的引力速效應(yīng)都將高探測器速，從而節(jié)省量燃料與近半的飛越時。這樣的情每 175 年才出現(xiàn)一，因此這個會非常珍貴為此，NASA 啟動了探索外行星的劃。經(jīng)過討，專家們初計劃發(fā)射 4 個探測器，其中兩個探器探索木星土星和冥王，另外兩艘索木星、天星和海王星這就是著名“行星壯游（Planetary Grand Tour）項目。[注 1] 當(dāng)時冥王星還位列“九行星”之列因此它也被為“行星壯”項目的核觀測目標(biāo)之。為了給“游”項目提寶貴的經(jīng)驗NASA 的艾姆斯（Ames）研究中心（ARC）于 1964 年提出 “銀河系木星測器”（Galactic Jupiter Probes）項目。該項目將射兩個一樣探測器，使們穿過小行帶，并探索星。這兩個測器中，一作為另一個備份 —— 如果一個失，則由另一完成前者的務(wù)。1969 年 2 月，NASA 批準(zhǔn)了這個目。該項目兩個探測器被發(fā)射前不被分別命名“先驅(qū)者 10 號”與“先驅(qū)者 11 號”（Pioneer 11）。它們一開始就從10 號”開始編號，是為 NASA 從 1958 年開始已發(fā)射多個先者探測器，們的編號依為 0、1、2、3、4、P-1、P-3、5、P-30、P-31、6（A）、7（B）、8（C）、9（D）與 E。這些探測分別被用以測月球與研太陽性質(zhì)，的成功，有失敗?！跋?者 10 號”與“先驅(qū) 11 號”一開始的編為 F 與 G。它們分別是先驅(qū)者系中第一個與二個探索外星的探測器所有先驅(qū)者列探測器都 ARC 的先驅(qū)者號團負責(zé)運營。驅(qū)者 6-13 號的外形的藝術(shù)想象。最左為先者 6、7、8、9 號，左二為先驅(qū) 10 號與 11 號，左三與最右別是探測金的先驅(qū)者 12 號與先驅(qū)者 13 號。圖片來源NASA結(jié)構(gòu)與儀器先驅(qū) 10 號是無人飛船。有以下幾大要部件：電、推進與姿控制系統(tǒng)、學(xué)儀器與天。為了解決太陽系太陽不足的問題先驅(qū)者 10 號安裝了 4 個放射性同位素?zé)犭?（radioisotope thermoelectric generators，RTG），使用壓縮钚-238 氧化物球，因此該電源被稱為钚核池。它們被置在兩個三桁架上，兩桁架之間的角為 120 度，距離探測器上的儀足夠遠，就蝸牛伸出的個觸角。在發(fā)射時，RTG 產(chǎn)生的熱可以制造出 155 瓦的電功率。于放射性物的衰變，RTG 的功率會不斷降低，在飛到木星，其輸出電率依然有 140 瓦，而探測器正常行只需要 100 瓦的電功率。先驅(qū) 10 號與 11 號的 4 個放射性同位素?zé)?機中的 2 個被放置在個延伸桁架。圖片來源https://history.nasa.gov/ SP-349 / ch3.htm先驅(qū)者 10 號上安裝了 6 個 MR-103 肼推進器，們被配成 3 對，用于改變速度、控姿態(tài)與調(diào)整轉(zhuǎn)速度。推器里面的 36 千克推進劑被裝在直為 42 厘米的球形箱里。先驅(qū)者 10 號上面的儀器有：矢量磁強計Helium Vector Magnetometer，HVM）、四球面離子體分析（Quadrispherical Plasma Analyzer）、帶電粒子設(shè)備（Charged Particle Instrument，CPI）、宇宙線遠鏡（Cosmic Ray Telescope，CRT）、蓋革管望遠鏡Geiger Tube Telescope，GTT）、俘獲輻射探測器（Trapped Radiation Detector，TRD）、流星體探器（Meteoroid Detectors）、小行星 / 流星體探測器Asteroid / Meteoroid Detector，AMD）、紫外光度計（Ultraviolet Photometer）、成像偏振測光（Imaging Photopolarimeter，IPP）與紅外輻射（Infrared Radiometer）。圖：先驅(qū)者 10 號（也是先驅(qū)者 11 號）的結(jié)構(gòu)。主天線（增益天線）間未被標(biāo)注是中增益天。圖片來源NASA，Vectors by Mysid；王善欽譯先驅(qū)者 10 號的無線電通信系包括一個直 2.7 米的拋物面高益天線與一中增益天線天線用以接地球上的深網(wǎng)絡(luò)站點（DSN）發(fā)送的信號指令，向 DSN 發(fā)送獲得的據(jù)。根據(jù)儀的名稱，我會發(fā)現(xiàn)它們的大部分將用以探測宇線、各種帶粒子、等離體、磁場、星、小行星其余的儀器責(zé)拍攝紫外、可見光與外線圖像。驅(qū)者 10 號上面的成偏振測光計口徑僅為 2.54 厘米（1 英寸）的小望遠鏡兩個探測器成。這兩個測器分別與色濾光片與色濾光片匹。光進入望鏡之后，經(jīng)濾光片，然在探測器上像。結(jié)合兩探測器得到圖像，可以成目標(biāo)幾乎實的顏色。有儀器與零件安裝好之，先驅(qū)者 10 號的長度（從中增益線開始到飛尾部）為 2.9 米，最大直徑（即增益天線的徑）為 2.7 米。在升空之前，先者 10 號的質(zhì)量為 258 千克。即將完工的驅(qū)者 10 號。圖片來：NASA Ames Research Center先驅(qū)者 10 號升空1972 年 3 月 3 日（世界標(biāo)準(zhǔn)時），先者 10 號搭載擎天神-半人馬（Atlas-Centaur）火箭升空。款火箭為先者 10 號定制了推力大的第三級體發(fā)動機，可以將探測加速到 14.4 千米每秒，這是先者 10 號可以飛到木的重要保證一。先驅(qū)者 10 號搭載擎天神-半人馬（Atlas-Centaur）火箭升空。圖片源：NASA Ames Resarch Center (NASA-ARC)因為速度巨大，先驅(qū)者 10 號僅用了 19 分鐘就進入行際空間（行與行星之間空間被稱為星際空間；星與恒星之的空間被稱星際空間；者并不相同不能混淆）11 小時后，先驅(qū)者 10 號經(jīng)過月球，成為截當(dāng)時為止最的人造天體火箭還使升后的先驅(qū)者 10 號以每分鐘 60 轉(zhuǎn)的速度繞高增益天線對稱軸旋轉(zhuǎn)隨著三個桁（第三個桁用以放置氦量磁強計）出，它的轉(zhuǎn)降低到每分 4.8 轉(zhuǎn)，此后它保這個轉(zhuǎn)速自。自轉(zhuǎn)的一目的是控制定，另一個的是使探測可以在目標(biāo)域附近改變遠鏡或探測的指向，進更大范圍的像或測量。射之后 10 天內(nèi)，先驅(qū)者 10 號上面的儀器先后啟動。穿越行星際間時，先驅(qū) 10 號成為第一個探到行星際氦子的探測器并探測到來太陽風(fēng)的高鋁離子與鈉子。先驅(qū)者 10 號的藝術(shù)想象圖。片來源：NASA / Don Davis發(fā)射后僅 12 周，先驅(qū)者 10 號穿過火星軌道，并朝位于火星與星軌道之間小行星帶飛。這里分布大量小行星因此得名。1972 年 7 月 15 日，先驅(qū)者 10 號進入小行星帶成為第一個入小行星帶航天器。1972 年 8 月 7 日，先驅(qū)者 10 號在距離太陽 2.2 天文單位（3.3 億千米）處探測一次猛烈的陽風(fēng)爆發(fā)時生的激波，太陽物理的究提供了重的數(shù)據(jù)。在行小行星帶間，先驅(qū)者 10 號沒有受到大的塵顆粒的碰撞這表明小行帶內(nèi)部非常曠。在此期，先驅(qū)者 10 號精確確定了小行星內(nèi)不同尺寸塵埃顆粒的度，并測量行星際空間埃顆粒散射光后形成光“黃道光”的強度。1973 年 2 月 15 日，先驅(qū)者 10 號安全穿出小行星，前往木星此時它已經(jīng)行了約 4.35 億千米。先驅(qū)者 10 號飛掠木星系統(tǒng)1973 年 11 月 6 日，先驅(qū)者 10 號距離木星 2500 萬千米，先驅(qū)者號團隊出指令，開測試它的成系統(tǒng)，隨后功獲得木星圖像。在靠木星的過程，它拍攝到量月牙狀的星；隨著它將進入木星影區(qū)，它看“月牙”越越細。先驅(qū) 10 號接近木星期間次拍攝的木，顯示出明的類似于月變化的現(xiàn)象圖片來源：NASA1973 年 11 月 26 日，先驅(qū)者 10 號探測到的太陽風(fēng)子的數(shù)目急減少，溫度高約 100 倍，這意味著它到達木磁層邊緣、始進入木星層。在木星場邊緣，太風(fēng)撞擊磁層形成弓形激；磁層對太風(fēng)的阻擋導(dǎo)太陽風(fēng)速度大降低。這天，先驅(qū)者團隊收到先者 10 號拍攝的 12 張木星圖像。一天后，驅(qū)者 10 號穿過木星層頂。1973 年 11 月 29 日，先驅(qū)者 10 號穿過了木星的所外層衛(wèi)星的道。從 12 月 1 日開始，離木足夠近的先者 10 號拍攝的木星片的品質(zhì)超了當(dāng)時地球望遠鏡能夠到最好的木圖像品質(zhì)。1973 年 12 月 3 日，先驅(qū)者 10 號開始飛掠木星統(tǒng)。它于當(dāng)的 12:26:00、13:56:00、19:26:00 與 22:56:00 依次飛掠了木衛(wèi)（距離 139.23 萬千米）、木三（距離 44.625 萬千米）、衛(wèi)二（距離 32.1 萬千米）與木一（距離 35.7 萬千米）。先驅(qū) 10 號于 1973 年 12 月 2 日-6 日的運行軌跡以及它于 1973 年 12 月 4 日飛掠木星系統(tǒng)時木與其四顆衛(wèi)的位置。圖來源：Tomruen；王善欽譯先驅(qū) 10 號拍攝的木衛(wèi)三圖像表明后的中央和南附近的反照較低，北極亮。先驅(qū)者 10 號于 1973 年 12 月 3 日拍攝的木衛(wèi)三。圖來源：NASA先驅(qū)者 10 號與木衛(wèi)二的距離始太遠，因此們無法從它攝的木衛(wèi)二像中分析出夠的細節(jié)。是，它得到圖像依然表木衛(wèi)二的整反照率比較，且擁有一比較寬的暗域。這些特被后來的其探測器進一證實。先驅(qū) 10 號于 1973 年 12 月 3 日拍攝的木衛(wèi)二的像。圖片來：NASA1973 年 12 月 4 日 02:26:00，先驅(qū)者 10 號到達它的近木點（物圍繞木星運的軌道中最近木星的點，距離木星頂 13.2252 萬千米。此時，的速度為 35 千米每秒。10 分鐘后，先驅(qū)者 10 號穿越木星赤道面大約 78 分鐘后，它入木星背后相對當(dāng)時地的視線方向，進行無線掩蔽實驗。驅(qū)者 10 號飛掠木星間拍攝的木。圖中黑點木衛(wèi)一的投。圖片來源NASA在靠近木星期間木星對先驅(qū) 10 號的輻射強度一達到預(yù)期強的大約 10 倍。強輻射嚴重干擾了驅(qū)者 10 號的多個儀，使它們先暫時失靈，導(dǎo)致了大量令發(fā)生錯誤幸好，在系即將徹底報前幾分鐘，射強度突然低，先驅(qū)者團隊也通過急命令糾正大部分錯誤令。此后，驅(qū)者號團隊析了輻射突降低的原因發(fā)現(xiàn)這是因木星的磁場環(huán)繞著赤道環(huán)向磁場，且會擺動。使得木星磁從某個時刻始不再籠罩驅(qū)者 10 號，后者因死里逃生。管木星的強射干擾了先者 10 號，但上面的 11 個儀器中依然有 6 個始終正常工作，成像統(tǒng)向地球傳了木星及它一些衛(wèi)星的 500 張圖像。這些像中分辨率高的達到 320 千米每像素。1974 年 1 月 1 日，先驅(qū)者 10 號結(jié)束探測木星系統(tǒng)的務(wù)，開始執(zhí)星際任務(wù)。[注 2]1997 年 3 月 31 日，先驅(qū)者 10 號結(jié)束所有任務(wù)。驅(qū)者 10 號一度是距太陽最遠的造天體。1998 年 2 月 17 日，旅行者 1 號超越先驅(qū)者 10 號，當(dāng)時二距離地球約 69.419 天文單位（104.1 億千米）。那時到現(xiàn)在先驅(qū)者 10 號是距離太陽第二遠的造天體。2023 年 4 月，旅行者 2 號將超越先驅(qū)者 10 號，從而使后者成為離太陽第三的人造天體2002 年 4 月 27 日，地面最后一次接到它發(fā)回的據(jù)，此時它離地球 80.22 天文單位。2003 年 1 月 23 日，地面最后次接收到它微弱信號。2003 年 2 月 7 日，地面無聯(lián)系上它。外星人的金牌先驅(qū)者 10 號上面放置著一個包一些重要信的鍍金鋁牌這是人類首在探測器上放、意在讓星人了解地信息的信息。此后的先者 11 號、旅行者 1 號與旅行者 2 號都采用了類似方，其中先驅(qū) 11 號上的牌子與先者 10 號上的牌子完一樣。[注 3]先驅(qū)者 10 號上面的牌子的質(zhì)約 120 克，它的寬、高度與厚分別為 22.86 厘米、15.24 厘米與 1.27 毫米。先驅(qū)者 10 號上面攜帶的銘牌。片來源：NASA牌子左上方是氫原子級精細結(jié)構(gòu)遷的圖。氫子的電子的旋方向改變，發(fā)射出的子的周期是 0.704 納秒，[注 4]1 納秒等于 10 億分之 1 秒。這個信可以讓外星了解人類測時間的方式一。在兩個原子之間的線的中點處有一個非常的垂直線，表二進制的 1。牌子中左側(cè)多條線的心表示太陽。從這個中點向右邊延過去的最長線表示太陽銀河系中心相對距離；中心向周圍開的另外 14 條線代表地球與 14 顆脈沖星的相對距離。 14 條線由二進制數(shù)構(gòu)成，表示應(yīng)的脈沖星自轉(zhuǎn)周期。星人可以通周期找到對的脈沖星，而確定出太系的位置。子中的人像示地球上成男性與女性輪廓。男性起的右手表友好。女性頭與腳的地的平行線夾的符號表示進制的 8，表示這位女的身高約為 8 英尺（168 厘米）。與人像部重疊的是先者 10 號的輪廓，與的大小嚴格比例。牌子最下方是太系，從左到依次是太陽水星、金星地球、火星木星、土星天王星、海星與冥王星曲線代表先者 10 號的飛行軌跡從地球出發(fā)飛掠木星后開太陽系。星上方或下的符號代表們與太陽的對距離的二制數(shù)字，單是水星軌道均半徑的 0.1 倍。被放置到先驅(qū) 10 號上面的銘牌。片來源：NASA / HQ現(xiàn)在，先驅(qū)者 10 號朝著恒星畢五（金牛座 α 星）的方向前進。畢五是一顆紅星，距離太系約 65 光年（1 光年接近 10 萬億千米），先驅(qū)者 10 號需要 200 多萬年才能到達。2019 年，有人 [注 5] 用 Gaia 衛(wèi)星獲得的星位置與運速度、方向數(shù)據(jù)推斷出“樂觀”的果：約 9 萬年后，先者 10 號將飛掠矮星 HIP 117795，與它最近時的離為 0.75 光年；這是它未來幾萬年內(nèi)它能遇到的最近恒星。不過0.75 光年約為地球太陽之間距（1.5 億千米）的 5 萬倍，外星人所在的星不可能離母星那么遠。此，要想讓驅(qū)者 10 號被外星人如果有）截，還需要更長的歲月。掩畢宿五。片來源：Christina Irakleous碩果累累，意重大先驅(qū)者 10 號創(chuàng)造了多個第一它是第一個測外行星的測器，它是一個穿越小星帶的探測，它是第一近距離探測星系統(tǒng)的探器，它是第個達到第三宙速度從而以離開太陽的人造天體它是第一個用核電池的測器，它是一個實現(xiàn)引輔助加速與軌的外行星測器，等等它對木星的測，實現(xiàn)了類近距離觀木星的夢想獲得了豐碩成果。從開觀測到結(jié)束測，在近 60 天的時間內(nèi)，先驅(qū)者團隊共發(fā)出 16000 條指令，讓先驅(qū)者 10 號執(zhí)行了各種觀測任務(wù)在此期間， 17 次穿越木星磁層弓形激波，攝了木星及衛(wèi)星的約 500 張圖像，測量或觀了木星的磁、輻射帶、場、大氣、力場等各種質(zhì)，大大深了人類對木系統(tǒng)的認識并開啟了木各方面研究先河。先驅(qū) 10 號的成功為先驅(qū) 11 號（探測木星與星）、旅行 1 號（探測木星與土）、旅行者 2 號（探測木星、土星天王星與海星）、伽利號（探測木）、朱諾號探測木星）卡西尼-惠更斯號（探測星與土衛(wèi)六、新視野號探測冥王星等探測器積了寶貴的經(jīng)，成為它們先驅(qū)。為了念先驅(qū)者 10 號的貢獻，美國郵政于 1975 年 2 月 10 日發(fā)行了一枚以驅(qū)者 10 號為主題的念郵票。1975 年被發(fā)行的先驅(qū)者 10 號的郵票。圖片來：US Post Office; Hi-res scan of postage stamp by Gwillhickers先驅(qū)者 10 號啟動了人類探索外星的時代，外行星探測域的荒漠中造出第一片洲。此后，著其他外行探測器獲得功，更多綠涌現(xiàn)出來。釋[注 1] 英文中的 Grand Tour 原意指歐洲人英國人巡游個歐洲大陸其含義與漢中的“壯游對應(yīng)。[注 2] 早在它穿出小行星道時，先驅(qū)號團隊就已擇了一條路，使其在飛木星系統(tǒng)時以借助木星大引力產(chǎn)生“引力彈弓效應(yīng)來實現(xiàn)速與變軌，離太陽系。驅(qū)者 10 號飛掠木星實現(xiàn)了這個案，它也因成為第一個現(xiàn)引力加速軌方案的外星探測器。[注 3] 在先驅(qū)者 10 號與 11 號上放置金屬牌的想法早由埃里克博格斯（Eric Burgess，1920-2005）最早提出。他希望級智慧生命外星人）將截獲在太空漫游的探測，通過牌子道宇宙中還另外一群智生命生活在陽系的地球，并知道地與人類有關(guān)信息。博格將這個想法訴卡爾?薩（Carl Sagan，1934-1996）。薩根對這個想極有興趣，正式向 NASA 申請執(zhí)行這個計劃NASA 批準(zhǔn)了這個想。薩根與弗克?德雷克Frank Drake，1930-2022）合作設(shè)計了這個子。牌子上插圖由薩根時的妻子琳?薩根（Linda Salzman Sagan，1940-）負責(zé)。[注 4] 這種躍遷產(chǎn)生的電波的波長是 21.106 厘米，頻率是 1420.405 MHz，該頻率對應(yīng)的周期 0.704 納秒。[注 5] Bailer-Jones, Coryn A. L. & Farnocchia, Davide, Future Stellar Flybys of the Voyager and Pioneer Spacecraft, Research Notes of the American Astronomical Society, 2019, 3, 59. 這篇論文的擴版本見：arXiv:1912.03503 (https://arxiv.org/ abs / 1912.03503)