探索太阳系边疆的先驱：先驱者10号

先锋10号是第一个近距离成功探测木星的探测器，也是第一个近距离成功探测系外行星的探测器它的成功为后续的系外行星探测积累了宝贵的经验人类进入系外行星探索时代，起点是先锋10号，先锋名副其实它的成功创造了外星球探索领域的第一个沙漠绿洲

人造卫星发射后，人类开始发射无人探测器，近距离探测太阳系内的行星在这些行星中，外行星的探测更具挑战性，因为:一是它们比内行星更远，因此需要更大功率的火箭和更先进的轨道控制技术，其次，由于它们距离更远，附近太阳光的辐射更弱，所以需要太阳能电池以外的其他能源为仪器提供电力

人类并没有因为这些困难而退缩通过科学家和工程师的合作，人类最终成功发射了一系列探测器，实现了近距离探测四颗外行星的伟大壮举，人类对外行星的认识有了质的飞跃先锋10号是这个系列探测器中的第一个，也是第一个成功的

1964年，美国宇航局喷气推进实验室的航天工程师加里·弗兰德罗指出，在20世纪70年代末，木星，土星，天王星和海王星在同一侧，几乎在一条直线上如果能提前几年向那个方向发射探测器，探测器就能在1980年前后依次穿过这四颗巨行星，通过飞行近距离探测

采用这种方案，探测器不仅可以依次飞越四颗外行星，而且每飞越一颗外行星，行星的引力加速效应都会提高探测器速度，从而节省大量燃料和将近一半的飞行时间。

这种情况175年才有一次，所以这个机会非常珍贵为此，美国宇航局启动了一项探索外星球的计划经过讨论，专家们初步计划发射四个探测器，其中两个探测木星，土星和冥王星，另外两个探测木星，天王星和海王星这就是著名的星球之旅项目当时冥王星还在九大行星之列，因此也被视为行星旅行项目的核心观测目标之一

为了给庄友项目提供宝贵的经验，美国宇航局艾姆斯研究中心于1964年提出了银河木星探测器项目该项目将发射两个相同的探测器穿越小行星带，探索木星这两个探测器中的一个作为另一个的备份——如果一个失败，另一个将完成前者的任务

1969年2月，美国宇航局批准了这个项目这个项目的两个探测器在发射前不久被命名为先锋10号和先锋11号它们之所以从10号开始编号，是因为NASA从1958年开始发射了几个先锋探测器，它们的编号依次是0，1，2，3，4，P—1，P—3，5，P—30，P—31，6，7和8这些探测器被用来探测月球和研究太阳的性质，有些成功，有些失败

先锋10和先锋11开头编号为F和G它们分别是先锋系列探索外行星的第一个和第二个探测器所有先锋系列探测器都由ARC的先锋团队操作

先锋10号是一艘无人驾驶的宇宙飞船它有以下几个重要部件:电源，推进和姿态控制系统，科学仪器和天线

为了解决外太阳系太阳能不足的问题，先锋10号安装了4个使用压缩钚—238氧化物球的放射性同位素热发动机，因此电源也被称为钚核电池它们被放置在两个三杆桁架上，两个桁架之间的夹角为120度，距离探测器上的仪器足够远，就像蜗牛伸出的两条触角在发射时，RTG产生的热量可以产生大约155瓦的电力由于放射性物质的衰变，RTG号的功率会继续降低，但当它飞向木星时，其输出电功率仍为140瓦，而探测器正常工作只需要100瓦

先锋10号上安装了6个MR—103肼推进器，三对一组，用于变速，控制姿态和调节转速推进器里的36公斤推进剂装在一个直径42厘米的球形盒子里

先锋10号上的仪器包括:氦矢量磁力仪，四球等离子体分析仪，带电粒子仪器，宇宙射线望远镜，盖革管望远镜，俘获辐射探测器，流星体探测器，小行星/流星体探测器，紫外光度计，成像偏振光度计和红外辐射计。

先锋10的无线电通信系统包括一个直径为2.7米的抛物面高增益天线和一个中等增益天线天线用于接收地球上深空网站点发出的信号指令，并将获得的数据发送给DSN

根据仪器的名称，我们会发现大部分都将用于探测宇宙射线，带电粒子，等离子体，磁场，流星和小行星其余仪器负责拍摄紫外，可见光和红外图像

先锋10号上的成像偏振光度计由一个直径仅为2.54厘米的小型望远镜和两个探测器组成两个探测器分别与红色滤光片和蓝色滤光片匹配光线进入望远镜，穿过滤光片，然后在探测器上成像结合两个探测器获得的图像，可以合成目标的几乎真实的颜色

安装好所有仪器和部件后，先锋10的长度为2.9米，最大直径为2.7米发射前，先锋10号的质量为258公斤

日前，先锋10号由阿特拉斯—半人马火箭发射升空这枚火箭为先锋10号定制了推力巨大的第三级固体发动机，可以将探测器加速到每秒14.4公里，这是先锋10号飞向木星的重要保障之一

由于其巨大的速度，先锋10号仅用了19分钟就进入了行星际空间11个小时后，先锋10号掠过月球，成为迄今最快的人造天体

火箭还使先锋10号以每分钟60转的速度围绕高增益天线的对称轴旋转伴随着三个桁架的延伸，它的转速降低到每分钟4.8转，然后一直以这个速度旋转旋转的一个目的是控制稳定性，另一个目的是使探测器能够改变目标区域附近望远镜或探测器的方位，从而在更大范围内进行成像或测量

发射后10天内，先驱者10号上的仪器相继启动穿越行星际空间时，先锋10号成为首个探测行星际氦原子的探测器，探测到了来自太阳风的高能铝离子和钠离子

发射后仅12周，先锋10号就穿越了火星轨道，向火星和木星轨道之间的小行星带进发这里分布着大量的小行星，因此得名

日前，先锋10号进入小行星带，成为第一个进入小行星带的航天器。

日前，先驱者10号在距离太阳2.2个天文单位的地方探测到了剧烈的太阳风爆炸产生的冲击波，为太阳物理的研究提供了重要数据。

先锋10号在穿越小行星带的过程中，并没有被大的尘埃粒子击中，这表明小行星带内部非常空旷在此期间，先锋10号精确测定了小行星带中不同大小尘埃颗粒的密度，并测量了尘埃颗粒在行星际空间散射太阳光形成的光的强度

日前，先锋10号安全穿越小行星带，向木星进发此时，它已经飞行了大约4.35亿公里

先锋10号飞过木星系统。

日前，先锋10号距离木星2500万公里先锋队发出指令，开始测试其成像系统，随后成功获得了木星的图像在接近木星的过程中，它拍摄了大量新月形木星，当它即将进入木星的阴影区时，它看到新月越来越薄

日前，先驱者10号探测到的太阳风粒子数量急剧减少，温度上升了约100倍，这意味着它到达了木星磁层边缘，开始进入木星磁层在木星磁场边缘，太阳风撞击磁层，形成弓形冲击波，磁层对太阳风的阻挡大大降低了太阳风的速度这一天，先锋队收到了先锋10号拍摄的12张木星图像一天后，先锋10号穿过木星磁气圈的顶部

日前，先驱者10号通过了所有木星外围卫星的轨道自12月1日以来，距离木星足够近的先锋10号拍摄的木星照片质量已经超过了当时地球上的望远镜所能获得的最佳木星图像质量

日前，先锋10号开始飞越木星系统12时26分，13时56分，19时26分，22时56分依次飞经木卫四，木卫三，木卫二，木卫一

先锋10号拍摄的木卫三图像显示，木卫三中心和南极附近的反照率较低，北极较亮。

先锋10号总是离木卫二太远，所以人们无法从它的木卫二图像中分离出足够多的细节可是，它获得的图像仍然显示木卫二具有较高的整体反照率和一些宽阔的黑暗区域这些特征后来被其他探测器进一步证实

1973年12月4日02:26:00，先锋10号到达其近木点，距离木星云顶132252公里此时，它的速度是每秒35公里十分钟后，先驱者10号穿过了木星的赤道面约78分钟后，进入木星背面，进行了无线电掩蔽实验

在其接近木星期间，木星对先锋10号的辐射强度一度达到预期强度的10倍左右强烈的辐射严重干扰了先锋10号的许多仪器，导致它们相继暂时失灵，并导致大量指令出错幸运的是，在系统即将完全报废的前几分钟，辐射强度突然降低，先锋队也通过紧急命令纠正了大部分错误指令

此后，先锋队分析了辐射突然减少的原因，发现这是因为木星的磁场是围绕赤道的圆周磁场，它会摆动这使得木星的磁场在某个时刻不再覆盖先锋10号，后者侥幸逃过一劫

虽然木星的强辐射干扰了先锋10号，但它上面的11个仪器中有6个仍然一直正常工作，成像系统向地球发回了大约500张木星及其部分卫星的图像这些图像的最高分辨率为每像素320公里

日前，先驱者10号结束了探索木星系统的任务，开始了星际飞行任务日前，先驱者10号完成了所有的任务

先锋10号曾是离太阳最远的人造天体日前，旅行者1号超越了先驱者10号，当时他们距离地球大约69.419天文单位从那时到现在，先锋10号是第二个来自太阳的人造天体2023年4月，旅行者2号将超越先锋10号，成为第三个来自太阳的人造天体

日前，地面最后一次收到它发回的数据，当时它距离地球80.22个天文单位日前，地面最后一次接收到它微弱的信号日前，地面联系不上

给外星人的金属卡片

先锋10号有一个镀金的铝卡，上面有一些重要的信息这是人类首次在探测器上放置信息卡，意在让外星人了解地球此后，先锋11号，旅行者1号和旅行者2号都采用了类似的方案，其中先锋11号上的品牌与先锋10号上的完全相同

先锋10上的牌子质量约120g，宽，高，厚分别为22.86cm，15.24cm，1.27mm。

牌子左上方是氢原子超精细结构跃迁示意图当氢原子中电子的自旋方向改变时，发射光子的周期为0.704纳秒，1纳秒等于十亿分之一秒这些信息可以让外星人了解人类测量时间的方法之一在两个氢原子连线的中点，有一条很短的垂直线，代表二进制1

星座左边许多线条的中心表示太阳系从这个中心点向右延伸的最长线代表太阳和银河系中心之间的相对距离另外14条由中心向外围分散的线，代表地球与14颗脉冲星的相对距离这14条线由二进制数组成，表示相应脉冲星的自转周期外星人可以通过循环找到对应的脉冲星，从而确定太阳系的位置

标志中的数字代表了地球上成年男女的轮廓男人举起的右手是友好的女人头和脚的平行线之间的符号表示一个二进制的8，表示这个女人大约8英尺高与人像重叠的是先锋10号的轮廓，与人的大小严格成正比

星座底部是太阳系，从左到右依次是太阳，水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星，冥王星，曲线代表了先驱者10号的飞行轨迹:从地球出发，飞越木星，离开太阳系行星上方或下方的符号代表它们与太阳相对距离的二进制数，单位是水星轨道平均半径的0.1倍

现在，先锋10号正驶向恒星毕苏武毕苏武是一颗红巨星，距离太阳系约65光年，先驱者10号需要200多万年才能到达

2019年，有人利用盖亚卫星获得的恒星位置，速度和方向数据推断出一个更乐观的结果:大约9万年后，先锋10号将飞过矮星HIP 117795，与它的最近距离为0.75光年，这是未来几百万年内它能遇到的最近的恒星但是0.75光年大约是地球到太阳距离的5万倍，外星人所在的星球不可能离母恒星那么远所以先锋10号被外星人拦截还需要更多年

先锋10号创造了许多第一:它是第一个探测外星球的探测器，它是第一个穿越小行星带的探测器，它是第一个近距离探测木星系统的探测器，它是第一个达到第三宇宙速度并离开太阳系的人造天体，它是第一个使用核电池的探测器，它是第一个实现重力辅助加速和变轨的外星球探测器，等等。

它对木星的探索，实现了人类近距离观测木星的梦想，取得了丰硕的成果从开始观测到结束观测，在近60天的时间里，先锋队发出了约16000条指令，让先锋10号执行各种观测任务在此期间，它17次穿越木星磁层的弓形激波，拍摄了约500张木星及其卫星的图像，测量或观测了木星磁层，辐射带，磁场，大气，重力场等的各种性质，极大地加深了人类对木星系统的认识，开创了木星各方面研究的先河

先驱者10号的成功为先驱者11号，旅行者1号，旅行者2号，伽利略号，朱诺号，卡西尼—惠更斯号和新视野号积累了宝贵的经验，成为它们的先驱。

为了纪念先驱者10号的贡献，美国邮政局于1975年2月10日发行了以先驱者10号为主题的纪念邮票。

先锋10号开创了人类探索外星球的时代，开创了外星球探索沙漠中的第一片绿洲此后，伴随着其他系外行星探测器的成功，更多的绿洲出现了

给…作注解

英文Grand Tour的原意是指欧洲人或英国人巡游整个欧洲大陆，其含义与中文的壮游相对应。

早在它脱离小行星轨道时，先锋队就已经选择了一条路径，让它在飞越木星系统时，借助木星强大引力产生的引力弹弓效应，加速改变轨道，飞离太阳系先锋10号在飞越木星时实现了这一方案，因此成为首个实现引力加速变轨方案的系外行星探测器

在先驱者10号和先驱者11号上放置金属板的想法最早是由埃里克·伯吉斯提出的他希望未来高级智慧生命能够拦截在太空中漫游的探测器，通过牌子知道太阳系中还有另一群智慧生命生活在地球上，知道关于地球和人类的信息博格斯把这个想法告诉了卡尔·萨根萨根对这个想法非常感兴趣，并正式向NASA申请实施该计划美国宇航局批准了这个想法萨根与弗兰克·德雷克合作设计了这个品牌标牌上的插图由萨根当时的妻子琳达·萨尔兹曼·萨根打理

这种跃迁产生的电磁波波长为21.106 cm，频率为1420.405 MHz，该频率对应的周期为0.704纳秒。

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