空间探测器的探测方式和技术特点
空间探测器是通过装载的科学探测仪器来执行空间探测任务。已发射的空间探测器主要采用以下几种方式:
( 1)从地外星球近旁飞过或在其表面硬着陆，利用这个过程的短暂时间探测地外星球周围环境和拍摄地外星球照片。苏联的“月球三”号探测器就以这种方式发回了第一批月球背面的照片。
( 2)以月球或行星卫星的方式取得信息，这样能有较长的探测时间并获取较全面的资料。美、苏都发射过不少人造地外星球卫星。欧洲的“火星快车” 、 “金星快车”等都属于这一类。
( 3)探测器在月球或行星及其卫星表面软着陆，以固定或漫游车的方式进行实地考察、拍摄探测和取样分析等。美国“勘测者”系列探测器(共7个)曾陆续在月面软着陆，详细调查月面情况，为“阿波罗”载人登月飞船挑选理想的着陆点。苏联发射过2辆月球车，扩大了探测范围，获取了大量数据，并给火星车研制提供了经验。目前，美国的“勇气”号、 “机遇”号火星车已在火星表面探测了好几年。
( 4)用载人或不载人探测器在月面软着陆后取得样品返回地球，进行实验室分析。美国在20世纪六七十年代成功发射过6艘“阿波罗”载人登月飞船，航天员们在月球上一共停留了近300个小时，足迹达100千米，带回月岩样品约几百千克，取得了丰富的科学数据和月球岩石样本，大大充实了人们对月球的认识，其中有的载人登月飞船还带上月球车，车上装有许多科学仪器，航天员驾驶它在月面行走，主要用于扩大航天员的活动范围和减少体力消耗。2006年1月15日，美国“星尘号”探测器首次携带“怀尔德－2”彗星样本成功返回地面，在全球产生了巨大影响。
( 5)在深空开展漫游式飞行，对中途所路过的星球逐一进行短期考察，飞出太阳系后仍继续探测。其典型代表就是美国的“旅行者”1号、2号等。
( 6)进行撞击式探测，它与早期的硬着陆不同，是一种新兴起的探测方式，主要是探测地外星球的内部结构和组成，发挥探测器的余热，其中影响较大的是美国“深入撞击”探测器在2005年7月4日首次撞击“坦佩尔1”号彗星，这是人类第一个实际接触并探索彗星的空间活动;另外，2006年9月3日，欧洲“智慧1号”也采用了这种方式撞击了月球。2008年10月22日，印度发射“月球初航一号” ，11月14日成功完成各项试验后，释放一个质量29千克的撞击器撞击月球，激起月球土壤，获取有关矿物质和水的科学数据; 2008年10月升空的美国“月球坑观测与探测卫星”探测器，2009年10月分2次撞击月球南极，探索月球是否有水和其他化合物的痕迹。它的撞击能量是1999年美国“月球勘测者”探测器率先撞击月球的200倍，很容易被观测到。由此可见，用撞击方式来探测月球内部正成为一种发展趋势。
( 7)人类下一个重要目标是在月球建立永久性载人基地，以开发和利用月球的资源、能源和特殊环境，并为载人火星航行开道铺路。在月球上建设规模庞大的基地，是一项前所未有的创新工程，需要花费巨大的人力、物力和财力，所以在建设之前要做大量的准备工作，例如发射月球探测器对月球进行全面探测，以选择好月球基地的地址;要研制充当开路先锋的月球机器人等，为人类重返月球，建立月球基地及最终的载人火星航行开道铺路。
空间探测器是在人造地球卫星技术基础上发展起来的，但是与人造地球卫星比较，空间探测器在技术上有一些显著特点:
( 1)控制和导航。
空间探测器飞离地球几十万到几亿千米，入轨时速度大小和方向稍有误差，到达目标行星时就会出现很大偏差。例如，火星探测器入轨时，速度误差1米/秒(大约是速度的万分之一) ，到达火星时距离偏差约10万千米。因此在漫长飞行中必须进行精确地控制和导航。飞向月球通常是靠地面测控网和空间探测器的轨道控制系统配合进行控制的。行星际飞行距离遥远，无线电信号传输时间长，地面不能进行实时遥控，所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力。例如，美国海盗号探测器在空间飞行8亿多千米，历时11个月，进行了2000余次自主轨道调整，最后在火星表面实现软着陆，落点精度达到50千米。此外，为了保证轨道控制发动机工作姿态准确，通信天线始终对准地球，并使其他系统正常工作，探测器还具有自主姿态控制能力。
( 2)通信。
为了将大量的探测数据和图像传送给地面，必须解决低数据率极远距离的传输问题。解决方法是在探测器上采用数据压缩、抗干扰和相干接收等技术，还须尽量增大无线电发射机的发射功率和天线口径，并在地球上多处设置配有巨型抛物面天线的测控站或测量船。空间探测器上还装有计算机，以完成信息的存贮和处理。
( 3)电源。
太阳光的强度与到太阳距离的平方成反比，外行星远离太阳，那里的太阳光强度很弱，因此外行星探测器不能采用太阳电池电源而要使用空间核电源。
( 4)结构。
空间探测器承受十分严酷的空间环境条件，有的需要采用特殊防护结构。例如太阳神号探测器运行在近日点为0. 309天文单位(约4600万千米)的日心轨道，所受的太阳辐射强度比人造地球卫星高一个数量级。有些空间探测器在月球或行星表面着陆或行走，需要一些特殊形式的结构，例如适用于在凹凸不平表面上行走的挠性轮等。
空间探测器的飞行原理
空间探测器离开地球时必须获得足够大的速度才能克服或摆脱地球引力，实现深空飞行。探测器沿着与地球轨道和目标行星轨道都相切的日心椭圆轨道(双切轨道)运行，就可能与目标行星相遇，或者增大速度以改变飞行轨道，可以缩短飞抵目标行星的时间。例如，美国“旅行者2”号探测器的速度比双切轨道所要求的大0. 2千米/秒，到达木星的时间缩短了将近1/4。
为了保证探测器沿双切轨道飞到与目标行星轨道相切处时目标行星
延伸阅读恰好也运行到该处，必须选择在地球和目标行星处于某一特定相对位置的时刻发射探测器。例如飞往木星约需1000天的时间，木星探测器发射时木星应离会合点83度(相当于木星在轨道上走1000天的路程) 。根据一定的相对位置要求，可以从天文年历中查到相应的日期，这个有利的发射日期一般每隔一二年才出现一次。探测器可以在绕飞行星时，利用行星引力场加速，实现连续绕飞多个行星。
1.空间探测器是怎样飞行的?
为了能以最近的路线和最省时省力的方式飞向目标，必须为空间探测器选择合理的飞行路线。
如果是月球探测器，无论是绕月飞行进行探测，还是在月球上着陆进行探测，由于月球本身处在地球引力范围内，所以一般不必达到第二宇宙速度，只要初始速度大于10. 8千米/秒，就可飞向月球。月球探测器的飞行轨道在离月球6. 6万千米之外时，主要受地球引力作用，是相对于地球的椭圆轨道;在离月球6. 6万千米之内以后，主要受月球引力作用，是相对于月球的双曲线轨道。为了节省能量，月球探测器一般先进入绕地球飞行的停泊轨道，然后进入过渡轨道飞向月球。有的月球着陆探测器在飞向月球过程中，不是先进入绕月飞行的轨道，再降落到月面，而是直接从过渡轨道下降到月面着陆。由于月球上没有可用作减速的大气，所以其探测器要么直接撞向月面硬着陆，要么靠火箭减速实现在月面软着陆。
如果是行星探测器，则发射它的运载火箭必须达到第二宇宙速度，使其进入绕太阳飞行的轨道。但若要使探测器与被探测的行星会合，或绕行星运行甚至在行星上着陆，就需要选择适当的发射时间和飞行路线。因为地球与其他行星都围绕太阳运行，而且轨道平面大致重叠，只是轨道半径大小不同。因此，为了用最省的能量飞抵目标行星，行星探测器通常选择相切于地球轨道和目标行星轨道的椭圆形航线。
行星探测器飞向被探测目标的轨道通常分成三段。第一段是发射段，即从地面起飞进入行星际飞行轨道;第二段是自由飞行段，即进入行星际飞行轨道后，在太阳引力作用下飞向目标天体;第三段是进入绕目标天体运行或向目标天体降落的阶段。如果被探测的天体离地球不算太远，随着运载火箭能力的增大，可以让探测器以较大的速度飞行，使其沿着大椭圆轨道以最短的航线飞向被探测的天体。如果被探测的天体离地球较远，为了节省发射能量，通常先用较小的速度飞行，然后在航行过程中借助行星的引力来加速或改变探测器飞行方向，从而最终飞向目标。
2.如何选择空间探测器的轨道?
由地球飞往其他行星，最经济的轨道就是双切轨道，即与地球轨道和目标行星轨道相切的日心椭圆轨道，采用这种轨道可以很好地利用地球和其他行星的公转运动。若按此轨道飞行，探测器只要在初始时候得到必要的速度就行，然后大部分时间按惯性飞行。但是，这样飞行的时间较长。如果探测器从相当近的地方飞越某颗行星，在借助行星引力改变轨道的同时，又获得更大的速度，使探测器飞向目标行星，就可以减少飞行时间。这种借助行星引力支援的飞行，通常称为引力“跳板” 。这就是说，在星际航行中可以利用行星的引力作用改变探测器的日心运动速度，从而可以在没有任何动力消耗的情况下对探测器加速，最终缩短星际航行的时间。
3.为什么行星探测器通常要借助行星的引力做“跳板” ?
在太阳系行星际探测中，已广泛采用了引力“跳板”的原理和方法。它从两个方面使探测器的飞行轨道发生变化:一是根据探测天体的质量、探测器的飞越高度和相对速度，使轨道受到一定程度的偏转;二是根据探测器的飞入角大小而改变其速度。因此，为了准确地利用借力飞行，应当事先确定探测器的飞入高度和飞入角度，并随时注意其速度的微小变化。这样，探测器在星际航行中，必须进行跟踪、监测和调整，而且只要确切知道探测器在任何时刻的位置和速度，就有可能对它的轨道进行必要的调整，从而最终飞向目标。
空间探测器的引力“跳板”有几个优点:一是可以节省运载火箭和探测器所带的燃料，运载火箭只要达到一定的初始速度，就能利用行星引力“跳板” ，飞向遥远的星际空间。二是可以缩短星际航行时间，如果探测器选择最经济的双切椭圆轨道飞行，飞向土星需要6年，飞向天王星需要16年，飞抵海王星需要31年;而假如借助木星引力“跳板”的作用，飞抵土星只需3～4年，飞到天王星只需8～9年，飞近海王星也只需12年。三是可使探测器进入非常特殊的轨道进行难得的探测活动。例如，美国发射的“旅行者”1号和2号探测器，利用1982年“九星连珠”的机会，先后借助木星、土星、天王星的引力作“跳板” ，一次又一次地从木星跳到土星，又从土星跳到天王星，继而又跳到海王星，成为探测太阳系行星最多、探测成果最丰富的行星际探测器。1990年10月6日由“发现号”航天飞机携带升空发射的“尤利西斯号”太阳探测器，在飞近木星之后借助木星的引力作用，偏转90度而跳入垂直于赤道面的太阳极区，对从未接触过的太阳的两极地区进行了探测，取得了许多新成果。