“太空先锋“是一套前沿科普读物，由6册组成。本套丛书论述了航天技术的科学原理、技术应用及对社会的影响。这套丛书对改变并将继续改变太空技术和空间探索历程的科学家、重大事件、关键性发明、国际间合作及重要试验等进行了精彩的描述。

《机器人太空飞船》是“太空先锋”丛书中的一本，该书介绍了探索我们太阳系最远处的复杂的机器系统的发展进程。整本书穿插的知识窗补充讲解了基本的科学概念，并且概括了重要的太空探索预言家和科学家的生平，目的是使读者认识到在机器人太空飞船的发展和操作过程中人类的巨大力量。

本书中插有75幅黑白照片和结构原理示意图，附有机器人太空飞船研发大事记。对所有希望了解太空知识和航天技术的高中学生、教师和广大读者来说，“太空先锋”系列丛书具备最好的科学性、可读性和趣味性。

《机器人太空飞船》主要内容是详尽介绍机器人太空飞船的发展过程。本书从最初相对简单的行星探测器开始，以翔实的数据、众多的实例、精选的插图详细介绍了航天史上的过去、当代和未来的机器人太空飞船，以及它们在太空探索的过程中所起的重要作用。本书也描述了一些重要的航天历史事件、科学原则以及技术突破。书后附录的大事年表以及大量的相关资源能够给航天爱好者们提供重要的补充信息。

主译的话

前言

鸣谢

简介

◇1 从先驱月球探测器到星际使者

人工智能

机器人技术的基本原理

飞往月球及以外地区的先驱者

苏联早期的探月计划

喷气推进实验室——美国首席太空机器人工厂

信使号任务

应用于天文学用途的机器人太空飞船

◇2 机器人太空飞船是如何工作的

为科学服务的太空机器人

科学机器人太空飞船的常规分类

实用的子系统

太阳能光电转换

电光成像仪

太空飞船时钟和数据管理子系统

单粒子翻转

机器人太空飞船的导航

远距通信

深空网络

◇3 形状与大小各异的机器人太空飞船

“先驱者3号”太空飞船

漫游者计划

“月球勘探者号”太空飞船

“月球勘探者号”中子频谱仪

“麦哲伦号”太空飞船

“伽利略号”太空飞船

美国国家航空航天局足球太空机器人

在太空探索时应该使用机器人还是人类？

◇4 飞越太空飞船

“水手10号”——第一个飞往水星的太空飞船

“先驱者11号”——第一个造访土星的太空机器人

“旅行者2号”的大旅行

海王星与海卫一

◇5 轨道器、探测器和表面穿透器

“水手9号”太空飞船

“海盗1号”和“海盗2号”轨道太空飞船

“火星全球勘测者”(MGS)太空飞船

“火星气候轨道器”——因为人类的错误在太空遗失

火星观测者(MO)任务

“火星——奥德赛2001”太空飞船

“卡西尼号”太空飞船

“惠更斯号”太空探测器

先驱者金星任务

“尤利西斯号”太空飞船

◇6 登陆器和漫游车太空飞船

勘测者计划

“月球车1号”(Imnokhod)和“月球车2号”机器人

漫游车

“海盗1号”和“海盗2号”登陆器太空飞船

火星探路者任务

火星极地登陆者(MPL)——另外一个火星之谜

火星探险漫游者(MER)2003任务

◇7 样本返回任务

“吉尼斯号”太阳风样本返回任务

“星尘(Stardust)号”任务

火星样本返回任务

地球外污染

◇8 作为科学实验室的移动机器人

用智能机器人寻找月球水

探索红色星球的更智能机器人

◇9 正在拜访太阳系小天体的机器人太空飞船

“乔托号”太空飞船

“深空1号”(DS1)太空飞船

“深度撞击号”太空飞船

“罗塞塔号”探测器

“近地小行星交会”(NEAR)探测器

“黎明号”探测器

◇10 未来几代的勘探机器人

“新视野号”冥王星一柯伊伯带的飞越任务

柯伊伯带

遥现、虚拟现实和具有人类特征的机器人

智能机器人和人机结合体

火星飞机

使用机器人探测冰冷地区

木卫二

“星际探索”任务

太空核能

对高级机器智能的需求

◇11 自我复制系统

自我复制系统的理论与应用

地球外因素对自我复制系统的影响

对自我复制系统的控制

◇12 星际探测器

“先驱者10号”、“先驱者11号”太空飞船的星际之旅

“旅行者号”的星际任务

“千年天文单位”探测器任务

星际探测器的设计

代达罗斯计划

◇13 结语

大事年表

译者感言

◇机器人太空飞船的导航

机器人太空飞船的导航有两个主要方面。第一个是轨道确定——这项任务包括对于太空飞船的位置和速度的了解和预测。第二方面是飞行路径控制——这项任务包括点燃太空飞船的船载推进系统(如制动火箭发动机或者微小的姿态控制火箭)来调整太空飞船的速度。

在宇宙的深度空间导航机器人太空飞船是一项具有挑战性的操作。例如，当太空飞船在太阳系深处飞行时无法对它的横向运动进行单一的直接的测量，太空飞船的控制者们也无法获取这方面的数据。航天工程师们将横向运动定义为除了直接朝向或者背向地球(也称为径向运动)的任何其他运动。太空飞船的飞行控制器使用多普勒(Doppler)频移遥感测量(尤其是连贯的下行链路载波)来获得太空飞船对地速度的径向部分。太空飞船的控制者在太空飞船的上行链路通信加了独特编码的距离脉冲并记录传输时间。当太空飞船接收到这个特殊的距离脉冲，它将从F行链路返回相似编码的脉冲。工程师知道太空飞船上的电子装置将距离脉冲“掉头”所花费的时间。例如“卡西尼”花420毫微秒(ns)±9毫微秒的时间将距离脉冲掉转了方向。在全部的传输过程中还有被人们所了解到和测量到的(校准的)延误，因此当返回脉冲在地球上被收到——例如在美国国家航空航天局的深空网——然后，太空飞船的控制者可以计算太空飞船与地球的(径向)距离。太空飞船控制者也使用角量来表达一个太空飞船在天空的位置。

携带电光成像仪的机器人太空飞船能使用这些仪器来实现光学导航。例如，它们可以对照已知的背景星场来观察目的地(目标)行星或者卫星。太空飞船管理者经常会小心地计划和上传合适的光学导航图像作为上传的行星交会指令序列一部分。当太空飞船收集光学导航图像后，它会立刻将这些图像下传(传输)到负责太空飞船控制的人类导航小组。太空飞船控制人员迅速处理这些光学图像并通过这些数据来获得有关太空飞船靠近天体目标时的飞行轨道的准确信息。

当太空飞船的太阳或者行星轨道参数获悉之后，这些数据就被用来与预计的飞行数据相比较。如果有差异，太空飞船控制者就会计划并使太空飞船进行一次恰当的轨道修正操作(TCM)。同样，为了支持科学任务的实施，太空飞船绕某行星的环绕轨道有时也必须进行微小的改变。在这种情况下，飞行控制人员需要计划并且指示太空飞船进行环绕轨道调整操作(OTM)。这通常包括使太空飞船点燃一些小推力的姿控火箭。轨道修正和环绕轨道调整会耗尽太空飞船上携带的推进剂，推进剂通常是需要十分谨慎地支配并仅限于为完成任务而使用的消耗品。

◇远距通信

航天空间工程师使用“远距通信”来描述太空飞船与地基通信系统之间数据和信息(通常通过无线信号)的流动。机器人太空飞船一般仅用有限的能量来传输信号，这些信号有时必须在空间穿越数十亿英里(千米)才能到达地球。深空探索太空飞船的传输器通常不超过20瓦的发射功率。

航天工程师对这个问题的一部分解决办法是将所有可用的信号发射功率都集中到一个无线电窄波束上，然后将这个窄波束向一个方向发出而不是向所有的方向传播。通常可以由一个直径为3-15英尺(1-5米)的抛物柱面反射器天线来完成。然而即使无线信号如此集中，当它们到达地球时也已经很弱了。远距通信困难的另一部分办法是使用特大直径的无线电地球接收器，就像美国国家航空航天局的深空网所使用的那种，这部分内容将会在下一部分讨论。这些复杂精密的无线电天线能够侦察到来自遥远太空飞船的极低能量信号。

在远距通信中，传输到太空飞船的无线电信号叫上行链路。从太空飞船到地球的传输叫下行链路。上行或下行的通信由一个纯无线电频率音调(称为载波)组成，或者这些载波可能被调制以向每个方向传输信息。与太空飞船的通信包括一个叫单向通信(OWC)的下行链路。当太空飞船接收上行信号的同时下行信号也在地面被接收到，这种通信模式被称作双向通信(TWC)。

工程师通常通过一个固定速率微调每个波形的相位来调制太空飞船载波信号。一个方案是用一个频率来调制载波，例如，接近1兆赫。这个1兆赫的调制就被称为是副载波频率。副载波频率被调制成能够传播表明二进制的1和0——太空飞船的遥感数据——的单独的相位移。用来将数据调制到副载波频率的相位移动的数量被认为是调制指数并且以度来测量。这种通信方案也同样适用于上行链路。调制到上行链路的二进制数字数据称作指令数据。太空飞船接收之后立即执行或者储存到以后使用。调制到下行链路的数据被称作是遥测数据，它包括太空飞船仪器测得的科学数据和各种功能子系统(如电力、推进、热控等)的传感器收集的太空飞船健康状况的数据。

解调的过程就是侦察副载波频率并且使其与载波分离；侦查单个的二进制相位移并以数字数据的形式记录下来以备进一步分析。用来解调的仪器叫调制解调器，是调节器／解调器的简称。这些相同的调制和解调的过程经常被用于地基计算机系统和传真机，使得通过电话线将数据来回传输成为可能。在高速电缆连接时代之前，当人们使用个人电脑通过互联网闲聊时，它们的拨号调制解调器会使用一个电话系统能够处理的熟悉的音频载波。

碟形的高增益天线(HGA)是频繁被机器人太空飞船用来与地球通信的天线种类。天线所达到的增益数量指它能够收集并集于太空飞船的接收器的进入的无线电信号的数量。在太空飞船使用的频率范围内，高增益天线与一个大的抛物面反射器组合使用。这样一个天线可以固定于太空飞船运载舱或者是可移动的。高增益天线的接收区域越大，它的增益就越高，它支持的数据率就越快。然而，增益越高，天线的定向性就越高。因此当太空飞船使用高增益天线时，为了保证有效通信，天线必须精确地指向地球。一旦这种精确的天线指向达到了，通过高度集中的无线信号，通信就会迅速建立。

低增益天线(LGA)在增益有损的情况下，能提供广角覆盖。覆盖面几乎是全向的，除了被太空飞船的结构遮挡的地方。低增益天线是为相当低的数据率设计的。只要太空飞船距离地球相对较近(例如，在若干天文单位之内)这种天线就可以使用。有时一个太空飞船要装配两个低增益天线来提供完全的全向覆盖，因为第二个低增益天线能避免太空飞船的结构对第一个低增益天线形成的盲点。工程师通常将低增益天线架设在高增益天线的副反射器的顶端。

中等增益天线(MGA)代表了一种在太空飞船设计方面的折中。具体地说，中等增益天线的增益高于低增益天线，允许的天线指向准确率要求(典型的是20度－30度)低于高增益天线。

P57-59

世界上很难说有什么事情是绝对不可能的，因为昨天的梦想不仅是今天的希望，而且也是明天的现实。

——罗伯特·哈金斯·戈达德

“太空先锋”是一套综合性的科普读物。它不仅向人们介绍了众多科学原理和科技实践活动，还向人们介绍了太空科技对现代人类社会的诸多影响。实际上，太空科学涵盖了许多不同学科的科学探索。例如，它涉及利用火箭推进原理并使航天器进入外层空间的发射装置；又如，它还涉及在太空中或在其他星球上执行航天任务的各种航天器；此外，它还会涉及执行一系列航天任务的航天器上所搭载的各种实验设备和宇航员。人类正是通过这些设备和宇航员实现了各项航天目标。在太空时代，与火箭有关的航天技术不断地帮助人类实现新的梦想。本系列丛书向人们介绍了与上述技术相关的人物、事件、发现、合作和重要实验。同时，这些科普读物还向读者介绍了火箭推进系统是如何支持人类的太空探索和航天计划的。这些计划已经改变了人类文明的发展轨迹。在未来的日子里，它们将继续影响人类文明的发展轨迹。

人类航天技术的发展史是与天文学的发展史和人类对航天飞行的兴趣密不可分的。许多古代民族针对夜空里出现的奇异光线创作出流传千古的神话传说。例如，根据古希腊神话传说中关于伊卡罗斯和代达罗斯编写的故事：从前，有一位老人，他非常渴望摆脱地球引力的束缚，在天空中自由地飞翔。自从人类社会进入文明时代以来，巴比伦人、玛雅人、中国人和埃及人都研究过天空并记载了太阳、月亮、可观测的行星和“固定的”恒星的运动过程。任何短暂的天文现象，例如彗星的经过、日食的出现或超新星的爆炸，都会在古代人类社会中引起人们的不安。人类的恐惧不仅仅是由于这些天文现象看上去十分可怕，而且是由于在当时这些天文现象既是无法预测的又是无法解释的。

古希腊人和他们的“地心说”理论对早期天文学理论和西方文明的出现都产生了重大的影响。在大约公元前4世纪的时候，古希腊的众多哲学家、数学家和天文学家分别系统地阐述了“地心说”的宇宙理论。根据他们的理论，地球是宇宙的中心，其他的天体都在围绕地球进行运行。在大约公元150年的时候，古希腊最后一位伟大的天文学家托勒密对“地心说”理论进行了加工润色，从而形成了一套完整的思想体系。在接下来相当长的历史时期内，这一思想体系一直在西方社会拥有权威的地位。16世纪，尼古拉斯·哥白尼提出了“日心说”的理论，从而结束了“地心说”长期以来对人们思想的统治。17世纪，伽利略和约翰尼斯·开普勒利用天文观测证明了“日心说”理论。同时，他们所进行的天文观测也为科学革命的到来奠定了坚实的基础。17世纪的晚些时候，艾萨克·牛顿爵士最终完成了这场科学革命。牛顿在著名的《自然哲学的数学原理》一书中系统地总结了基本的物理学原理。利用这些原理，人们可以解释众多天体是如何在宇宙中进行运动的。在人类科学发展史上，牛顿的地位是他人无法超越的。

18世纪和19世纪的科学发展为航天技术在20世纪中叶的出现打下了扎实的基础。正如本系列丛书所讲述的那样，航天技术的出现从根本上改变了人类历史的发展进程。一方面，带有核弹头的现代军用火箭使人们不得不重新定义战略战争的本质。实际上，人类在历史上第一次研发出可以毁灭自身的武器系统。另一方面，科学家们可以利用现代火箭技术和航天技术将机器人探测器发射到(除了体积较小的冥王星以外)所有太阳系的主要行星上，从而使那些遥远而陌生的世界在人们的眼中变得像月球一样熟悉。航天技术还在“阿波罗号”成功登月的过程中发挥了关键的作用。成功登月是人类迄今为止所取得的最伟大的科学成就。20世纪初，俄罗斯的航天预言家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基大胆地做出预言：人类不会永远地被束缚在地球上。当宇航员尼尔·阿姆斯特朗和埃德温·奥尔德林在1969年7月20日踏上月球的表面时，他们也将人类的足迹留在了另一个星球上。在经过几百万年漫长的等待以后，随着生命的不断进化，终于有一种高级的生命形式实现了从一个星球到另一个星球的迁移。在宇宙长达140亿年的历史当中，这种迁移是第一次发生吗？或许，正如许多外空生物学家所说，高等生命形式在不同星球之间的迁移是各大星系内部经常发生的现象。当然，对于上述观点，科学界目前尚无定论。不过，科学家们正在航天技术的帮助下，努力在其他星球上寻找各种生命形式。有趣的是，随着航天技术的不断发展，宇宙既是人类太空旅行的目的地，又是人类命运的最终归宿。

“太空先锋”系列丛书适合所有对太空科技、现代天文学和太空探索感兴趣的年轻读者。