本文來自微信公眾號：返 （ID：fanpu2019），作者：王善欽先驅(qū)者 11 號是第一個近距離探測土星的探測器，也第一個成功觀測木星南北的探測器。它上承先驅(qū)者 10 號，下啟旅行者 2 號。它的成功使人類探索“外行星”（木星、土星天王星與海王星）的腳步大大地向前邁了一步，也此后執(zhí)行任務(wù)的一些外行探測器積累了寶貴的經(jīng)驗特別是，它為旅行者 2 號檢查了預(yù)定路線的安全，為后者成功探測天王星海王星鋪平了道路，從而人類實現(xiàn)“行星壯游”的舉起到不可替代的重要作。先驅(qū)者 10 號（Pioneer 10）的成功不僅實現(xiàn)了人類近距離探木星的夢想，大大增強了類對外行星探測的信心，使它的姐妹探測器 —— 先驅(qū)者 11 號（Pioneer 11）—— 從備件模式切換到獨立探測模式。NASA 的艾姆斯（Ames）研究中心（ARC）的先驅(qū)者號團隊正式啟動先驅(qū)者 11 號探測土星的計劃。這個計劃的體步驟是：先驅(qū)者 11 號先探訪木星，然后借助星的引力彈弓效應(yīng)實現(xiàn)加、變軌，再直奔土星，實土星探測的破冰之旅。大小異：先驅(qū)者 11 號的結(jié)構(gòu)先驅(qū)者 11 號與先驅(qū)者 10 號的結(jié)構(gòu)完全一樣，都有提供電能的核池、維持通信與用以傳輸據(jù)的天線系統(tǒng)、用于探測重要儀器與用于定位導(dǎo)航系統(tǒng)。先驅(qū)者 11 號攜帶的儀器與先驅(qū)者 10 號基本相同（如下圖）[1] 但是，先驅(qū)者 11 號比先驅(qū)者 10 號多一個儀器：磁通門磁強計（Fluxgate Magnetometer）。增加的這個儀器使它比先驅(qū)者 10 號重 0.5 千克，因此它的總質(zhì)量為 258.5 千克。先驅(qū)者 11 號（也是先驅(qū)者 10 號）的結(jié)構(gòu)圖。主天線（高增益天線）中間未被標(biāo)的是中增益天線。圖片來：NASA，Vectors by Mysid；圖片文字翻譯：王善欽此外由于發(fā)射時間晚了一年多先驅(qū)者 11 號上面的儀器 —— 特別是探測磁場與輻射的相關(guān)儀器 —— 得到一定程度的改進。先者 11 號的推進系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、核電池系統(tǒng)也先驅(qū)者 10 號的完全相同。1973 年 4 月 6 日 02:11:00（國際標(biāo)準時，下同），先驅(qū)者 11 號搭載擎天神-半人馬（Atlas-Centaur）火箭升空。將它送上天的火箭搭配體發(fā)動機，以讓探測器獲更高的速度。此時，大約 13 個月前升空的先驅(qū)者 10 號已經(jīng)離開小行星帶，正在前往木星的路上但尚未開始探測木星。先者 11 號搭載火箭升空。圖片來源：NASA Marshall Space Flight Center (NASA-MSFC)1974 年 3 月中旬，先驅(qū)者 11 號安全穿過了小行星帶。1973 年 4 月 11 日，先驅(qū)者 11 號進行了一次軌道修正。一次關(guān)的變軌1974 年 1 月 1 日，先驅(qū)者 10 號成功結(jié)束了木星探測任務(wù)。先驅(qū)者 11 號不再作為先驅(qū)者 10 號的備件，轉(zhuǎn)而執(zhí)行探測土星的案。但它依然要先飛掠木，從而借助木星引力彈弓應(yīng)變軌并加速。在確認先者 10 號大獲成功之后，旅行者號團隊希望先驅(qū) 11 號能以更近的距離靠近木星，為將來旅行者飛掠木星探路。更近的路意味著更大的風(fēng)險，因此驅(qū)者號團隊中的部分成員對這個建議。但在權(quán)衡利后，先驅(qū)者號團隊最終還同意了這個建議，畢竟更距離不僅意味著風(fēng)險，也味著巨大的收益：可以獲木星的高清圖像。1974 年 4 月 26 日，先驅(qū)者號團隊發(fā)出指令，正先驅(qū)者 11 號的軌道，從而實現(xiàn)三個目標(biāo)。首，先驅(qū)者 11 號將比先驅(qū)者 10 號更接近木星，可以進行更高清晰度的測。其次，先驅(qū)者 11 號的軌道面與木星赤道面有 52 度的夾角。這帶來了兩個好處：（1）它在進入木星系統(tǒng)時可以觀測星的南北極區(qū)域。（2）它可以盡量減少先驅(qū)者 11 號受到的木星輻射劑量 —— 此前先驅(qū)者 10 號的探測表明木星的磁場圍繞木星赤道面的環(huán)向磁，沿著這樣的軌道飛行，以盡量縮短木星磁場與輻影響儀器的持續(xù)時間。第，修正后的軌道將以逆行方式飛掠木星，即它前進線的方向與木星自轉(zhuǎn)的方相反。這使它可以在短時內(nèi)看到木星更多表面并更地測量木星磁場。探測木系統(tǒng)1974 年 11 月 7 日，先驅(qū)者 11 號進行了一次變軌，開始進入木星系統(tǒng)。11 月 25 日 03:39，先驅(qū)者 11 號穿過木星的弓形激波。接下來，先驅(qū) 11 號開始飛掠木星及其衛(wèi)星。先驅(qū)者 11 號和先驅(qū)者 10 號飛掠木星系統(tǒng)（木星及其衛(wèi)星）路線圖（木星系統(tǒng)軌道平俯視圖）?？梢钥闯?，先者 11 號與先驅(qū)者 10 號繞木星路線的方向是相反的。圖片來源：https://www.nasa.gov/ feature / 45-years-ago-pioneer-11-explores-jupiter，圖片文字翻譯：王善欽1974 年 12 月 2 日，先驅(qū)者 11 號先后飛掠木衛(wèi)四（距離 78.65 萬千米）與木衛(wèi)三（距離 69.23 萬千米）；12 月 3 日，先驅(qū)者 11 號先后飛掠木衛(wèi)一（距離 31.4 萬千米）與木衛(wèi)二（距離 58.67 萬千米）。[2] 相比先驅(qū)者 10 號，先驅(qū)者 11 號飛掠木星的四顆衛(wèi)星時的距離有近有。1974 年 12 月 2 日，先驅(qū)者 11 號在 75.6 萬千米遠處拍攝到半月形的木衛(wèi)一圖片來源：NASA / Ames1973 年與 1974 年，先驅(qū)者 10 號與先驅(qū)者 11 號拍攝的木星四顆“伽利略星”的圖像，從左到右分為木衛(wèi)一（Io）、木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）與木衛(wèi)四（Callisto）。其中木衛(wèi)一的圖像由先者 11 號獲得。圖片來源：https://history.nasa.gov/ SP-349 / p180.htm1974 年 12 月 3 日 5:02，先驅(qū)者 11 號從木星后面（相對地球的視線）經(jīng)過，19 分鐘后，先驅(qū)者 11 號到達木星近點，此時它距離木云頂 4.2828 萬千米。作為對比，先驅(qū)者 10 號木星近點與木星云頂?shù)木嚯x是 13.2 萬千米。因此，先驅(qū)者 11 號遠比先驅(qū)者 10 號更靠近木星，僅為后者距離 1/3，這使得它可以得到遠比后者更清晰的木星像。先驅(qū)者 11 號拍攝到木星大紅斑的清晰圖像當(dāng)時先驅(qū)者 11 號在木星南緯 31 度上空、距離木星 54.5 萬千米。圖片來源：NASA在達到木星近點前，先驅(qū)者 11 號的速度達到了 47.5 千米每秒，成為截至當(dāng)時為止最快的人造天體與先驅(qū)者 10 號一樣，先驅(qū)者 11 號上面沒有數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，它只能在得數(shù)據(jù)的同時立即發(fā)送數(shù)，所以，在它進入木星后時，它拍攝的任何數(shù)據(jù)都法被傳送到地球。1974 年 12 月 3 日 5:44，先驅(qū)者 11 號從木星后面出來，開始新發(fā)送獲得的數(shù)據(jù)。緊接，它高速飛向木星北極區(qū)上空。12 月 3 日 09:27，先驅(qū)者 11 號拍攝到木星的北極區(qū)域，當(dāng)時它距離木星 43.5 萬千米。這是人類第一次看到木星的極區(qū)。在先者 11 號拍攝的木星北極區(qū)域的圖像中，清晰度到 152 千米每像素。[3] 此前，天文學(xué)家猜測木星兩極區(qū)域的大氣比道區(qū)域的大氣更透明一些觀測其南北極區(qū)域可以更入地觀測大氣內(nèi)部。先驅(qū) 11 號拍攝的包括木星北極區(qū)域在內(nèi)的圖像。圖來源：NASA由于速度比先驅(qū)者 10 號更高，且軌道面與木星赤道面存在大夾角，它在飛掠木星的程中受到木星環(huán)形輻射帶傷害小于先驅(qū)者 10 號受到的傷害。1974 年 12 月 3 日，先驅(qū)者 11 號飛掠木衛(wèi)五（距離 12.75 萬千米），確定了它的質(zhì)量。此先驅(qū)者 10 號沒有飛掠它。1975 年 1 月 1 日，先驅(qū)者 11 號停止對木星的探測。在測木星系統(tǒng)期間，先驅(qū)者 11 號發(fā)回木星及其衛(wèi)星的幾百張照片，對木星進了紅外測量，并獲取了磁與帶電粒子的數(shù)據(jù)。飛向星：爭論、妥協(xié)與犧牲由木星的巨大引力的作用，驅(qū)者 11 號的軌道發(fā)生大角度的偏折。此后，先者號團隊發(fā)出指令，讓它 1976 年 5 月 26 日和 1978 年 7 月 13 日先后實現(xiàn)兩次變軌，進一步修正它的軌道，使其飛向軌道外一側(cè)的土星。先驅(qū)者 11 號拍攝的運行軌跡。它于 1973 年 4 月在地球上被發(fā)射升空，1974 年 12 月飛掠木星系統(tǒng)，在木星引力作用，軌道發(fā)生明顯變化，此探測器自身噴發(fā)出推進劑實現(xiàn)變軌，飛向土星，并 1979 年 9 月經(jīng)過飛掠土星系統(tǒng)，然后離太陽系。圖片來源：NASA；圖片文字翻譯：王善欽當(dāng)時，旅行者號項目已在前被批準，相關(guān)的團隊也經(jīng)成立并確定了此后的計：旅行者 1 號將繼續(xù)探測木星系統(tǒng)與土星系統(tǒng)，獲得更清晰的圖像；旅行 2 號將執(zhí)行旅行者 1 號的任務(wù)（如果旅行者 1 號失?。?，或探測木星、土星、天王星與海王星如果旅行者 1 號成功）。旅行者 2 號飛向天王星的一個關(guān)鍵步驟是：通土星的 A 環(huán)，借助土星的引力彈弓效應(yīng)完成變軌加速。為確保安全，旅行號團隊建議先驅(qū)者 11 號先經(jīng)過土星 A 環(huán)，以確定 A 環(huán)中的顆粒是否會損害探測器。經(jīng)過討論先驅(qū)者號團隊同意了這個案。然而，兩個團隊在探器經(jīng)過土星 A 環(huán)之后的路線選擇方面卻出現(xiàn)了分：先驅(qū)者號團隊想讓先驅(qū) 11 號向土星內(nèi)環(huán)方向前進，直接探測土星內(nèi)環(huán)并確定此前還處于爭議狀的 D 環(huán)是否存在。旅行者團隊則要求先驅(qū)者 11 號朝土星外環(huán)方向前進，穿過土星的 E 環(huán)，再離開土星系統(tǒng)，以確定將來行者 2 號的探測器通過這條路線時是否會受到土外環(huán)粒子的傷害。先驅(qū)者團隊認為，如果先驅(qū)者 11 號走旅行者號團隊給定的路線，它與土星的距離會越來越遠，得不到天文家感興趣的更高清的觀測更無法直接探測土星內(nèi)環(huán)旅行者號團隊也堅持自己建議：如果先驅(qū)者 11 號不走這條路線，旅行者 2 號也不冒險走這條路線，天王星和海王星的觀測無從談起。兩邊反復(fù)爭論都無法說服對方。事情鬧了兩個團隊共同的上級部 ——NASA 總部。NASA 總部同意了旅行者號團隊的建議，因為這樣路線雖然犧牲了對土星內(nèi)的觀測以及對土星自身的近距離觀測，但為了能夠旅行者 2 號探測天王星與海王星，這個犧牲是值的。在 NASA 行星科學(xué)部門的負責(zé)人宣布這個定時，現(xiàn)場的先驅(qū)者號團的成員發(fā)出一片噓聲，表抗議。盡管如此，先驅(qū)者團隊必須執(zhí)行 NASA 總部的決定。飛掠土星系1979 年 7 月 31 日，先驅(qū)者 11 號開始觀測土星。此時，旅者 1 號與旅行者 2 號也已先后結(jié)束對木星的測，正朝著土星飛來。1979 年 8 月 26 日，先驅(qū)者 11 號拍攝的土星、土星環(huán)與土衛(wèi)五土星右下的白點）。圖片源：NASA1979 年 8 月 29 日，先驅(qū)者 11 號進入土星系統(tǒng)，先后飛掠土衛(wèi)八（距離 103.2535 萬千米）與土衛(wèi)九（距離 1371.3574 萬千米）。[2]1979 年 8 月 31 日，先驅(qū)者 11 號飛掠土衛(wèi)七（距離 66.6153 萬千米）。[2] 同日，它在距離土星 150 萬千米處探測到了土星的弓形激波，而首次用觀測證明土星存磁場。[1]1979 年 9 月 1 日，先驅(qū)者 11 號先后飛掠土衛(wèi)十一（距離 6676 千米）、土衛(wèi)十五（距離 4.596 萬千米）、土衛(wèi)四（距離 29.1556 萬千米）與土衛(wèi)一（距離 10.4263 萬千米），[2] 并穿過土星外環(huán)之外的平面，接近 A 環(huán)。當(dāng)天 16:29:34，先驅(qū)者 11 號到達土星近點，此時它距離土星頂 2.0591 萬千米，速度達到 31.7 千米每秒。在接近與離開土的過程中，先驅(qū)者 11 號拍攝了 440 張土星系統(tǒng)的照片，其中約 20 張的分辨率達到 90 千米每像素。[1] 在此期間，它還發(fā)現(xiàn)了土星的 F 環(huán)與兩顆新衛(wèi)星。飛掠土星后，先驅(qū)者 11 號又在同一天先后飛掠土衛(wèi)（距離 22.8988 萬千米）、土衛(wèi)三（距離 32.9197 萬千米）、土衛(wèi)二（距離 22.2027 萬千米）、土衛(wèi)十四（距離 10.9916 萬千米）與土衛(wèi)五（距離 34.5303 萬千米）。[2]1979 年 9 月 1 日，先驅(qū)者 11 號拍攝的土星與土星環(huán)的一部分。圖片來源：NASA1979 年 9 月 2 日，先驅(qū)者 11 號飛掠土衛(wèi)六（距離 36.2962 萬千米）。它拍攝的土衛(wèi)六照片的分率最高達到 179 千米每像素。這些圖像表明土六是一個沒有表面大氣特的橙黃色衛(wèi)星。根據(jù)不同段的圖像，天文學(xué)家測出衛(wèi)六的直徑為 5690 或 5760 千米。數(shù)據(jù)還表明，土衛(wèi)六云層頂端溫度約為 75K（零下 198 攝氏度）。[4]1979 年 9 月 2 日，先驅(qū)者 11 號在 36 萬千米距離拍攝的土衛(wèi)六。圖片來源：NASA在飛掠土星期間，先驅(qū)者 11 號的紅外輻射計測量土星上層大氣的紅外輻，結(jié)合無線電掩星方法，定了土星上層大氣的溫度結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。它的數(shù)據(jù)表：土星的平均溫度約為零 180 攝氏度，土星的主要成分是液態(tài)氫，因此適合生命生存。[1]然后，先驅(qū)者 11 號向土星 E 環(huán)方向飛馳，離開土星。1979 年 10 月 5 日，先驅(qū)者 11 號結(jié)束對土星系統(tǒng)的觀測。飛離太陽在土星引力的響下，先驅(qū)者 11 號的軌道發(fā)生偏折。此后它朝銀河系中心方向飛離太陽，開始執(zhí)行星際任務(wù)。需注意到是，它飛離太陽的向與先驅(qū)者 10 號飛離的方向幾乎相反。1995 年，先驅(qū)者 11 號無法再為它的儀器供電，NASA 決定關(guān)閉它。1995 年 11 月 24 日，人類與先驅(qū)者 11 號徹底失去聯(lián)系。現(xiàn)在，驅(qū)者 11 號距離太陽約 111 天文單位（約 166 億千米）?，F(xiàn)在它相對太陽的速度為 11.182 千米每秒，以每年 2.36 天文單位的速度朝著現(xiàn)在盾牌座的方向動。[2] 它的速度也已超過第三宇宙速度，因此以在將來脫離太陽系。先者 11 號也攜帶了一塊金屬牌，上面的符號與圖與先驅(qū)者 10 號上面的那塊完全一樣。（詳情參《探索太陽系邊疆的先驅(qū)先驅(qū)者 10 號丨行星壯游》）由于先驅(qū)者 10 號只飛掠了木星，而先驅(qū) 11 號還飛掠了土星，二者軌道不相同。因此，驅(qū)者 11 號的牌子上的路線圖是不精確的。不過是個小問題。2019 年，有人 [5] 用 Gaia 衛(wèi)星獲得的恒星位置與運動速度、方向的數(shù)據(jù)斷出：約 92.83 萬年后，先驅(qū)者 11 號將飛掠矮星 TYC 992-192-1，與它最近時的距離為 0.8 光年。這是它未來 257 萬年內(nèi)能夠遇到的最近的恒星插曲：從備件到復(fù)制件的驅(qū)者 H1971 年，先驅(qū)者 10 號與 11 號尚未被發(fā)射，它們的編還是先驅(qū)者 F 與先驅(qū)者 G。這一年，先驅(qū)者號團隊計劃將來發(fā)射先驅(qū)者 H，作為先驅(qū)者 G（先驅(qū)者 11 號）的備件。按照計劃，先驅(qū)者 H 將在 1974 年被發(fā)射升空，1975 年 7 月飛掠木星，其軌道面與木星赤面垂直，因此可以完全觀木星的南北極。如果它成升空，它將被改名為先驅(qū) 12 號。遺憾的是，在先驅(qū)者 H 被發(fā)射前，NASA 總部否決了這個方案。后來，被拆下核電池先驅(qū)者 H 被作為先驅(qū)者 10 號與 11 號的復(fù)制品放在博物館。在博館被吊著的先驅(qū)者 H，它被作為先驅(qū)者 10 號與先驅(qū)者 11 號的復(fù)制件。圖片來源：CamWow“先驅(qū)者 12 號”的名稱被 1978 年 5 月 20 日升空的探測金星的“先驅(qū)者金星軌道器（Pioneer Venus Orbiter）所使用，它也被稱為“先驅(qū)金星 1 號”（Pioneer Venus 1）。先驅(qū)者 11 號飛掠木星時，與木星赤道面的夾為 52 度，觀測到木星的南北極的部分區(qū)域，因也算部分實現(xiàn)了先驅(qū)者 H 的目標(biāo)。真正實現(xiàn)先驅(qū)者 H 的軌道模式的是后來被發(fā)射升空的太陽探測器利西斯（Ulysses）與木星探測器朱諾（Juno）。尤利西斯與太陽赤道面的夾角達到 80.2 度，幾乎垂直。朱諾則與星赤道面完全垂直（夾角 90 度），屬于典型的極軌探測器。先驅(qū)者 11 號的歷史貢獻先驅(qū)者 11 號是第一顆近距離探測土星系統(tǒng)的探測器，它實了人類近距離探測土星系的夢想。在進入土星系統(tǒng)，先驅(qū)者 11 號上面的各種儀器獲得了土星、土環(huán)與土星衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。它得的近紅外數(shù)據(jù)使天文學(xué)可以確定土星上層大氣的度、結(jié)構(gòu)與土衛(wèi)六的溫度它在可見光波段獲得的圖的品質(zhì)超過了地球上當(dāng)時有望遠鏡獲得的圖像，成天文學(xué)家研究土星系統(tǒng)細的第一批珍貴圖像；它獲的土星磁場的數(shù)據(jù)，使天學(xué)家可以繪制土星的磁層磁場分布、強度、方向與構(gòu)，并確定太陽風(fēng)粒子與星系統(tǒng)磁場相互作用的細；它的近距離觀測提供了星環(huán)的大量細節(jié)，并幫助文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的 F 環(huán)；它通過飛掠，精確測定了土星與土星的一些衛(wèi)的質(zhì)量。此外，先驅(qū)者 11 號雖然不是第一個近距離探測木星系統(tǒng)的探測器但它卻在更近的距離處獲了木星更清晰的圖像，并次獲得木星兩極的圖像。對木星的探測進一步深化人類對木星性質(zhì)的認識。了紀念無人探索飛船在探太陽系內(nèi)行星與月球方面重大貢獻，美國郵政局于 1991 年 10 月 1 日發(fā)行了一套共 10 枚郵票，描述了太陽系當(dāng)時的“九大行星”與月球探索的情況（當(dāng)時冥王星然被視為行星）。在這套票中，木星的那一張搭配驅(qū)者 11 號，而不是最早探測木星的先驅(qū)者 10 號，而土星、天王星與海王星都搭配旅行者 2 號。筆者的個人觀點是：雖先驅(qū)者 11 號與旅行者 2 號分別對木星與土星做出更清晰的觀測，但第次成功接近并傳回數(shù)據(jù)的別是先驅(qū)者 10 號和 11 號。因此，更合理的搭配也許應(yīng)該是：木星-先驅(qū)者 10 號，土星-先驅(qū)者 11 號，天王星與海王星-旅行者 2 號。1991 年 10 月 1 日發(fā)行的木星與先驅(qū)者 11 號郵票。圖片來源：United States Postal Service先驅(qū)者 11 號的成功也為此后執(zhí)行任的旅行者 1 號、旅行者 2 號與卡西尼-惠更斯號探測器探測土星積累了一批寶貴經(jīng)驗，并為旅行 2 號探測天王星與海王星掃清了道路。特別是，驗證了土星環(huán)內(nèi)部的顆粒境，確保旅行者 2 號將來可以安全通過預(yù)定路線當(dāng)年先驅(qū)者號團隊的成員度因先驅(qū)者 11 號為旅行者 2 號而犧牲自己最后的探測目標(biāo)而憤憤不平但隨著后來旅行者 2 號成功探測了天王星與海王，他們也釋然了。因為他知道，先驅(qū)者 11 號為旅行者 2 號作了開路先鋒，從而為人類探索這兩冰巨行星做出了自己的重貢獻。參考文獻[1] In Depth: Pioneer 11, https://solarsystem.nasa.gov/missions/pioneer-11/in-depth/[2] Wikipedia: Pioneer 11, https://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_11#cite_note-Pioneer_11-1[3]Andrew LePage, Our First Good Look at Jupiter’s North Pole – 1974, https://www.drewexmachina.com/2016/06/28/our-first-good-look-at-jupiters-north-pole-1974/[4]Andrew LePage, Voyager 1: The First Close Encounter with Titan, https://www.drewexmachina.com/2015/11/12/voyager-1-the-first-close-encounter-with-titan/[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. 這篇論文的擴展版本見：arXiv:1912.03503 (https://arxiv.org/ abs / 1912.03503)