空間探測-百科詞條

　　利用探空火箭、人造衛星、人造行星和太空船等航太運載工具，對地球高層大氣和外太空進行的直接探測。

　　在過去的數百年間，人類為瞭實現對宇宙空間的直接探測，曾進行過許多努力和嘗試。1783年施放瞭第一個升空氣球，可以從空間觀測地面和近地面的大氣活動，但限於當時的技術條件和大氣對氣球的漂浮作用，氣球不可能上升很高，探測的局限性很大。第二次世界大戰以後，美國在德國火箭技術的基礎上，發射瞭V-2探空火箭，也隻達到160公裡的高度。。1957年10月4日蘇聯成功地發射瞭第一顆人造地球衛星，人類才真正跨進瞭宇宙空間的大門，開創瞭空間探測的新時代。在隨後的20多年時間裡，隨著運載工具的進步，空間探測迅速向前發展，成果顯著，不僅在離地球最近的月球上留下瞭人類的足跡，而且已有探測器飛越十幾億公裡以外的土星，正在廣闊無垠的太空中繼續向前探索。

　　現在以空間探測為主要手段，配合在地面和大氣中進行的測量，已構成瞭一個由地面觀測臺、氣球、火箭、人造衛星、人造行星和宇宙飛船組成的完整的觀測體系。

　　主要探測項目和儀器　磁場　磁場的強度和方向是空間環境中的重要參數。較強的空間磁場可控制帶電粒子的運動，較弱的磁場也能改變等離子體的性質，甚至磁場強度近似於零的中性點附近，磁場結構也起著很重要的作用。空間各個區域的磁場強度相差很大，如地球表面為3～6萬納特，而木星表面最強達150萬納特，行星際空間隻有幾個納特。

　　探測磁場的儀器有4種基本類型：①線圈式磁強計。利用線圈在磁場中運動時產生的感應電動勢來測量磁場強度。②磁通門磁強計。當鐵磁性物質做成的磁心被外加交變磁場交替飽和磁化時，在次級線圈中輸出的信號中有偶次諧波成分。諧波的輻度與被測磁場成正比。③質子旋進磁強計。質子有磁矩，在外磁場中會作進動，其頻率與被測的外磁碭成正比。④光泵磁強計。受激原子躍遷回基態時，磁場會使譜線分裂，分裂的寬度與被測磁場成正比。

　　電場　電荷的積累和磁場的變化都能產生電場。隻是由於空間等離子體有很高的電導率，電場強度一般比較小，在電離層中最大隻有幾十毫伏每米，磁層中隻有幾毫伏每米。由於紫外輻射和空間等離子體都會使衛星和探測器充電，飛行體相對於等離子體的電位差以及飛行體各部分之間的電位差可達幾伏或更高，成為電場測量中很嚴重的障礙。

　　直接探測電場的儀器，是從衛星本體伸出兩根很長的桿，在端點安裝兩個導體球，測量兩個球體之間的電位差，將電位差除以兩球體間的距離，就是電場強度。兩個導體球盡可能做得對稱，以減少等離子體或紫外輻射導致的差異。另一種廣為應用的間接測量方法，是由等離子體的漂移速度來求電場。用衛星或火箭將金屬鋇送到高空，在太陽光照射下鋇被氣化並電離，離子復合時會發出光，如果在曙暮時分進行此種實驗，從地面就可以在黑暗的天空背景上觀測到鋇雲發出的光。倘若有電場存在，離子雲就會漂移，其速度為

，知道瞭當地磁場強度 B，就可以計算出該處的電場強度 E。

　　高能帶電粒子　宇宙空間中存在大量高能帶電粒子，除電子、質子等基本粒子外，還有各種重粒子(Z＞2)，能量最高的達每核子10¹⁹電子伏。在空間使用過的高能帶電粒子探測器種類非常多，幾乎地面上所使用過的各種類型的探測器都曾在衛星和飛船上使用過。主要的有以下幾種：

　　①　利用氣體電離作傳感器的探測器　高能帶電粒子能使氣體電離，外加電壓時可形成電脈沖，所加電壓和氣體壓力不同，電脈沖形成方式也不同。外加電壓很高，被電離氣體雪崩式地電離，形成很強的電脈沖，就構成蓋革-彌勒計數器。電壓較低時，電場能使電荷倍增，但不形成雪崩式的電離，電脈沖幅度與入射粒子能量成正比，即正比計數器。電壓更低時，電場不引起電荷倍增，隻起收集電離電荷的作用，即電離室。

　　②　閃爍計數器　粒子在閃爍體（如含鉈的碘化鈉晶體）中可以產生微弱的光脈沖，光電倍增管將它變成電信號並加以放大，成為可以測量的電脈沖。

　　③　半導體計數器　帶電粒子通過p-n結的時候，由於電離而產生電子-空穴對，從而輸出一個可供測量的電脈沖。

　　④　切連科夫探測器　高能粒子的速度高於介質中的光速時，會發出切連科夫輻射，用光電倍增管將此光信號轉換成電信號，並放大成可測量的電脈沖。

　　上述探測器單獨使用時，隻能測出通過探測器的粒子數目和能量，要區分粒子的成分並測量粒子的角分佈時，經常把這些探測器組合起來使用。

　　等離子體　宇宙空間的絕大部分物質以等離子體形式存在，它的密度差別很大，在電離層中，每立方厘米達10⁶個電子-離子對，在行星際空間隻有幾對。組成等離子體的電子和離子能量都很低，不能用高能帶電粒子探測器來測量，探測時也容易受飛行體和探測器電位的影響。用來直接探測等離子體的儀器分兩類：一類是根據落到傳感器上的帶電粒子所構成的電流來推算等離子體的密度和溫度等參數，如法拉第筒、減速勢分析器和離子捕集器等；另一類是探針，通過測量在探針上加不同電壓時所引起的電流的變化，按照電流和電壓的關系（即所謂伏安特性）來推算等離子體參數。當等離子體密度足夠大時，利用電波在其中傳輸時所受到的影響來探測等離子體的參數，也是重要的方法。在地面上接收從衛星發出的信號，根據衛星偏振面的旋轉可以測出從衛星到接收天線之間的總電子含量，這樣的儀器叫偏振儀。當探測行星的飛行器繞到行星背後和從行星背後出來時（即所謂掩星過程），從飛行器發出的無線電信號經過行星大氣和電離層以後才能到達地球，根據這些信號的傳播路徑和特征，可以獲得行星大氣和電離層的一些參數。在地面上測量來自遙遠星空的無線電信號時，行星際介質的不均勻性和運動狀態也能引起被測信號的變化（即行星際閃爍），它們也攜帶瞭豐富的行星際等離子體狀態的信息。

　　低頻電磁波和等離子體波　空間等離子體的不穩定過程和電磁場的變化，會激發各種頻率的電磁波和等離子體波，它們既是空間物理過程的產物，也是探測空間環境狀態的手段。當它們與帶電粒子相互作用時，還能嚴重改變空間的物理狀態，通過測量波中的電場、磁場和等離子體變化，都可以瞭解這些波的特征。對於變化頻率比較低的波動（例如在1周每秒以下的脈動），一般用磁強計測定波中的磁場較為方便。而對較高頻率的波動，則采用環狀探測線圈來測量磁場的變化率，或者用鞭狀天線來接收電場變化的信號。

　　中性粒子　在地球和其他行星上，甚至某些衛星上都存在著中性大氣，在行星際空間也存在少量中性粒子。直接取樣分析中性粒子成分和密度的儀器主要是質譜計，它先把中性粒子電離成帶電的離子，然後對離子進行質量分析。利用某些核反應過程，可以測量特殊成分的中性粒子密度，例如測量α 粒子和¹⁴N原子核反應（盧瑟福反應）產生的質子，可以測得¹⁴N的密度。也可以用α 粒子和γ射線反向散射強度來計算周圍粒子的密度。

　　微流星體　在太陽系內，除瞭巨大的星體以外，還存在一些很小的以顆粒形式存在的物質，叫微流星體。它們的質量很小，一般在10^-6克以下。最小的隻有10^-9克。但它們的速度很高，最大可達70公裡／秒，因而具有很大的貫穿本領。它們對宇宙航行是一嚴重威脅，是空間飛行器設計中應考慮的一個很重要的問題。

　　微流星體以很高的速度和探測器碰撞，會產生電離、沖激波、發聲、發光、氣化等過程，都可以成為測量它們的物理基礎。常用的方法是：①利用壓電效應直接將微粒的沖擊轉換成電信號。②微粒在通過電容器兩平板之間時，造成的電離使電容器被擊穿發出電信號；用兩個或幾個電容器組合起來，還可以測量微粒的飛行速度。③微粒能引起某些物質發光（如硫化鎘），用光電倍增管將光信號轉換成電信號並加以放大。④在光電池外覆蓋薄的擋光片，微粒使擋光片燒蝕成小孔而透光，太陽光透過小孔產生的光電流也可用來測量微流星體。⑤將塑料薄膜在空間展開，微流星體在薄膜上打出小孔後，將薄膜回收，用顯微鏡分析小孔。

　　近地空間探測　火箭探測　探空火箭是近地空間探測的重要手段之一，它能把探測儀器帶到一百至幾千公裡的高空進行測量。為瞭減少稠密大氣的阻力以達到最大的高度，探空火箭一般都是垂直向上發射的，在到達最高點附近時，通過一個短短的弧線運動轉為往下的自由降落。因而每一發探空火箭都能得到一個垂直的從上到下的剖面。為瞭延長探測時間，獲得更多的探測數據，往往把儀器艙從火箭體分離出來，儀器艙依靠降落傘減速降落，進行回收。探空火箭雖然飛行時間比較短，一般隻有十幾分鐘，但它比較機動，能夠根據研究課題的要求隨時發射，而且它的成本低，技術上也較容易實現，因此它和衛星成為兩種互相補充的探測手段。

　　探空火箭還是用來進行主動試驗的良好工具。例如在50年代初就已開始發展起來的鋇雲實驗，用火箭將含鋇的物質帶到高空，用爆炸的方法將它撒到空間，太陽紫外光使之電離而成鋇雲，根據鋇雲的運動可以推測高空的電場，研究高層大氣的運動和發光現象，以及等離子體的不穩定現象。利用探空火箭也可以將加速器帶到高空，通過它所噴射出來的高能電子在空間運動的規律，可以研究地磁場的結構、測量電場、瞭解高能電子與高層大氣相互作用過程。

　　衛星探測　以人造地球衛星為飛行器對空間進行的探測。衛星圍繞地球以圓形或橢圓形軌道運行。軌道的大小、形狀、方位，軌道面的取向，和衛星的位置，由6個軌道根數確定，即長半徑、偏心率、升交點赤經、傾角、近點角和過近點時刻。根據不同的探測目的可選擇不同的軌道，主要有3種類型：

　　① 極地圓軌道　對赤道面的傾角約90°。由於地球的自轉和地球質量分佈不均勻引起的交點進動，使這種軌道上的飛行器掃過所有的經度和緯度，能較快得到各種物理量的全球分佈。在電離層、高層大氣和磁場測量中，常采用這樣的軌道。

　　② 大扁度軌道　它的遠地點高度要比近地點高度高得多，在衛星繞地球一周的過程中，就可以測量參數隨高度分佈的剖面。如“歐洲空間局”(ESA)發射的專門測量磁層的“大扁度軌道衛星”，它的近地點隻有405公裡，遠地點達24萬公裡，繞地球一周即可獲得磁層的完整的剖面資料。

　　③ 同步軌道　當衛星在赤道面上高度為36000公裡的圓軌道運行時，衛星繞地球一周恰好與地球自轉一周的時間相等，相對於地球是靜止的。這種衛星的觀測結果，很容易和地面觀測結果配合起來分析。

　　在近地空間探測中，兩顆或更多的衛星同時配合進行探測，比一顆衛星單獨進行測量更為優越。因為，根據單個衛星的測量結果，常常無法分辨空間變化和時間變化。多星同時觀測，可以在不同區域獲得同一時刻的數據，便於進行這些區域之間的相關分析研究。衛星同時觀測的結果，還能確定被測的物理現象是靜止的還是在空間運動的，或者是從一個區域向另一個區域傳播的，並測出它們的運動或傳播的方向和速度。這些特點在研究近地空間動力學過程時更為重要。所以，從60年代末以後，越來越多地註意發射“姐妹衛星”（或“母女衛星”）和衛星組。

　　探測近地空間物理參數的衛星系列很多，有綜合性的系列，對電離層、高層大氣和磁層等各領域進行綜合探測；也有較小的研究單一領域的衛星系列。

　　①　綜合性探測衛星系列　主要有美國國傢航空和航天局發射的“探險者”、“軌道地球物理觀測臺”系列，蘇聯發射的“宇宙號”系列等。“探險者”衛星系列共由55顆衛星組成，從1958年1月31日發射的“探險者”1號起，一直延續到1975年11月20日發射的第55號衛星止，是美國最大的科學衛星系列。在它以下又按照不同的探測目的分為許多小衛星系列，如“大氣探險者”、“行星際監測臺”等。“軌道地球物理臺”系列由1964～1969年發射的6顆衛星組成。其中第1、3和5號為低傾角大扁度軌道，又稱扁軌地球物理觀測臺，主要研究磁層；第2、4和6號為極地圓軌道，又稱極地軌道地球物理觀測臺，主要研究高層大氣、電離層和極區的物理過程。

　　②　高層大氣探測衛星系列　探測高層大氣結構的衛星系列，主要有：1972～1974年美國和聯邦德國聯合發射的2顆大氣衛星；1961～1968年美國發射的5顆“大氣密度”探測衛星系列；1963～1975年美國發射的5顆“大氣探險者”衛星系列，它們都攜帶瞭儀器，直接測量高層大氣的密度、成分、光輻射和帶電粒子能譜。此外，1971年8月7日美國空軍發射瞭一組7顆衛星，它們分別具有不同的質量-截面比，比值最大的是“炮彈”，直徑66厘米，重700公斤，最小的是鍍鋁“氣球”直徑2米，重4公斤。這組衛星在大氣作用下以不同的加速度隕落，根據這些衛星的軌道數值可以推算出高層大氣密度。

　　③　電離層探測衛星系列　主要有：1962～1965年美國和加拿大聯合發射的2顆“百靈鳥”和1969、1971年發射的2顆“國際電離層研究衛星”；1964～1971年美國和意大利聯合發射的3顆“聖馬科”衛星；美國國傢航空和航天局發射的3顆“信標探險者”衛星；1961～1974年美國海軍發射的5顆“英瓊”衛星系列；1976～1978年日本發射的2顆命名為“梅”（又稱“電離層探測衛星”）的探測衛星。它們的探測方法可分為3種類型：第一種是在衛星上安裝直接測量電子和離子的密度、溫度或能量的儀器；第二種是從衛星上發射電磁波，並接收從電離層反射的回波，它所得到的是頂部電離層的信息；第三種是從衛星上發射電磁波，在地面接收信號，根據信號通過電離層所發生的變化來推斷電離層的特征。

　　④　磁層探測衛星系列　主要有歐洲空間局在1977～1978年間為配合國際磁層研究發射的兩顆對地靜止衛星，第1顆未進入同步軌道，第2顆定位於東經9°～35°之間，與斯堪的納維亞的地面觀測站配合進行觀測研究；美國和歐洲發射的3顆互相配合同時進行探測的“國際日地探險者”系列，其中兩顆沿大扁度高傾角的軌道運行，主要探測磁層參數，第3顆在日地連線上圍繞太陽和地球引力平衡點作橢圓軌道運動，主要監視太陽風和行星際磁場的擾動。

　　⑤　微流星體探測衛星系列　從60年代開始雖然利用人造地球衛星對微流星體進行瞭大量的測量，但大多和其他項目同時進行，而專門的探測衛星系列隻有編入“探險者”系列中的4顆“微流星體探險者”和3顆“飛馬座”兩個衛星系列。“飛馬座”帶有兩塊面積很大的帆板（4.27米×14.63米），安裝有208塊面積為0.5米×1.0米的測量微流星的傳感器，由於外形像希臘神話中帶翼的馬，故稱飛馬座。它可以測量微流星的大小、頻率和入射方向。

　　行星際空間探測　主要目的是瞭解行星際空間的磁場、電場、帶電粒子和行星際介質的分佈及隨時間變化。探測行星際空間的飛行器可以有4種軌道，即地心軌道、日心軌道、飛離太陽系軌道和平衡點軌道。

　　地心軌道　磁層頂在向陽面離地心的距離大約10～15個地球半徑，磁尾的直徑約40個地球半徑。圍繞地球運動的衛星隻要它的遠地點超出磁層，就能進入行星際空間進行探測。美國國傢航空和航天局發射的“行星際監測臺”(IMP)系列的10個飛行器中，除IMP-6進入圍繞月球的軌道以外，其餘9顆都以地球為中心，或者是大扁度軌道，或者是大圓軌道。由開普勒第二定律可以知道，衛星在遠地點附近的線速度最慢，因此衛星的大部分時間在磁層頂外面。顯然，這種軌道的飛行器是隨同地球一起運動的，它隻能測到距日心1天文單位距離上太陽風和行星際的一些參數，而不能獲得整個行星際空間的特征。但這些資料對於研究太陽風、行星際磁場與磁層、電離層、高層大氣的關系時，是十分有用的。

　　日心軌道　利用圍繞太陽運動的飛行器來探測行星際空間是十分理想的，並且常常和行星探測結合起來。以這種軌道來探測行星際空間的飛行器，主要有美國國傢航空與航天局發射的“先驅者”系列，美國和聯邦德國發射的“太陽神”系列。“先驅者”系列共由11艘宇宙飛船組成。前3艘由於運載工具發生故障而未能進入預定軌道，4號和8號在離太陽1天文單位附近進行探測，5號、6號和9號在地球和金星之間進行探測，7號的測量范圍是地球和火星之間，10號和11號一直飛到木星和土星進行探測。“太陽神”由2艘宇宙飛船組成。它們的近日點大約為0.3天文單位，遠日點大約為1天文單位，是迄今最靠近太陽的探測器。這樣的軌道使它有可能在較大的范圍內研究不同距離上太陽風的特征及其傳播過程。它繞太陽的周期約為地球的一半，這使得它有一半時間和地球位於太陽的同一側，另一半時間和地球位於太陽的兩側，這對瞭解太陽風在兩個經度上的差異是有利的。

　　飛離太陽系的軌道　若飛行器的速度達到第三宇宙速度時，它就可以克服太陽的引力作用，沿拋物線軌道飛往星際空間，就能夠直接探測太陽系在地球軌道以外的部分。在地面以上200公裡高空，第三宇宙速度等於16.539公裡／秒，如果恰當地選擇軌道，就能使飛行器在與某個行星交會時，利用行星的引力和速度來獲得所需要的速度。“旅行者”宇宙飛船就是這樣的軌道。

　　平衡點軌道　又稱“哈羅”軌道。在太陽和地球的連線上有一個平衡點，太陽和地球的引力在這裡恰好相等，它離地球約150萬公裡，飛船可以在通過這一點和日地連線相垂直的平面上沿橢圓軌道運動。“國際日地探險者”3號就是這樣的軌道，它的長半軸約40萬公裡，短半軸約20萬公裡，周期178天。這種軌道對於定點監視行星際的物理狀態是十分理想的。而且它在地球的上遊，太陽風或行星際磁場的擾動先到達這點，再經過約一小時才能到達地球。它離地球的距離足夠遠，可以忽略地球的影響，在技術上也易於實現。

　　月球和行星的探測　探測方式　根據探測的目的和要求、空間技術所能達到的水平，探測月球和行星的方式有以下幾種：

　　① 飛越　宇宙飛船離開地球以後，在行星際空間飛行過程中，經過月球和行星時，對星體及其環境進行測量。這種探測方式在技術上較易實現，不需要在深空作機動飛行來改變軌道，這種方式常常和行星際空間探測結合起來進行。

　　② 硬著陸　宇宙飛船直接擊中月球或行星，在與星體相撞之前，沿途對星體的大氣、磁場和粒子環境參數進行測量，還能對星體作近距離的觀測，拍攝降落區附近高分辨率的照片。

　　③ 環行　宇宙飛船進入所測量的星體的引力作用范圍以後，改變飛行狀態，進入環繞星體的軌道，在星體周圍作長時間的飛行，直接測量星體的環境參數，並對星體表面的廣大區域進行攝影、遙感探測。精確測定飛船軌道，還能推算星體引力場的分佈和大氣密度，利用圍繞星體運動時的掩星過程，通過無線電波的傳播，研究星體的大氣層和電離層。

　　④ 軟著陸　采用制動技術使飛船平穩地降落在星體表面，長時間對星體表面和大氣層進行自動的物理學、化學、地質學和生物學的探測。為瞭擴大探測的范圍，常以探測車在星體表面行駛。

　　⑤ 取樣返回　飛船在星體表面采集星體和大氣的樣品，然後自動返回地球，在地面實驗室中對各種樣品進行各種分析。

　　⑥ 載人登陸　宇航員在星體上著陸，對星體進行直接探測。人在月球上登陸已於1969年實現。

　　月球探測　月球是距離地球最近的一個天體，蘇聯和美國都對它進行瞭廣泛的探測，也是以所有的方式探測過的惟一星球。

　　蘇聯於1959年1月2日發射的“月球”1號飛船是第一個月球探測器，在距月球表面5029公裡處飛過，第一次對月球的磁場和高能粒子環境進行瞭測量，並飛越月球背面，揭示瞭月球背面的秘密。同年9月12日發射的“月球”2號擊中瞭月球，成為降落在月球表面的第一個人造物體。它們的探測證明瞭月球磁場很弱，周圍沒有很強的輻射。到1965年12月共發射瞭8艘飛船飛越或命中瞭月球。1966年2月3日“月球”9號第一次在月球表面軟著陸成功。同年3月，“月球”10號進入繞月軌道，近月點高度350公裡，遠月點高度1017公裡，傾角為71.9°。1970年9月12日發射的“月球”16號，第一次成功地自動挖取月球樣品並自動返回地球。

　　美國的月球探測是以載入登月為目的的，由“徘徊者”、“勘察者”、“環行者”和“阿波羅”4個飛船系列分別完成各個階段的任務。

　　“徘徊者”系列是由9艘飛船組成的，它的主要任務是實現在月球表面硬著陸，在下降過程中用電視攝像機拍攝月球表面的近景。每艘飛船上都攜帶瞭6臺電視攝像機，兩臺裝備廣角鏡頭，4臺裝備望遠鏡頭。這一計劃從1961年8月開始執行，但前6艘都沒能進入預期的軌道。隻有“徘徊者”7號、8號和9號3艘飛船進入瞭軌道。

　　“勘察者”系列是在月球軟著陸的飛船系列。從1966～1968年共發射瞭7艘，有5艘成功地實現瞭軟著陸，前4艘在月球赤道附近，最後1艘在月球的南半球。每一艘飛船上都裝有一個可伸縮的鏟子，用它來挖掘月面巖樣並進行放射性分析來確定化學成分。探測結果查明，月球表面並不像早先人們擔心的那樣，覆蓋著很厚很松的“灰塵”，以致宇航員和飛船會淹沒在“灰塵”之中。月球表面的強度足以支撐宇航員和宇宙飛船。月球土壤的密度大約為1.5克／厘米³，由2～60微米大小的顆粒組成，化學成分和地球上的玄武巖相近。

　　“環行者”系列由5艘進入圍繞月球軌道的飛船組成。任務是取得月球表面的高質量照片，供選擇載人登月時的著陸地點之用。前3艘飛船的軌道平面與赤道面相近，後兩艘則是近極地軌道。大約99.5％的月球表面被拍攝成照片。

　　“阿波羅”系列是規模最大的月球探測系列。前6艘是不載人的，主要試驗飛行技術。1968年10月11日發射的“阿波羅”7號是這個系列中第一艘載人飛船，它在地心軌道上試驗瞭飛船的性能。同年12月21日發射的“阿波羅”8號攜帶瞭3名宇航員繞月球飛行瞭10圈後返回地球，試驗瞭飛船在繞月軌道上的性能。1969年3月3日發射的“阿波羅”9號，模擬瞭在月球降落與返回的全部過程。同年5月18日發射的“阿波羅”10號，使載有兩名宇航員的登月艙下降到離月球表面隻有15公裡的高度。1969年7月16日發射的“阿波羅”11號第一次載人登上瞭月球。到1972年底，除“阿波羅”13號因發生故障外，其餘6次都載人登月成功。采集月巖、月壤樣品400多公斤。

　　水星探測　水星是太陽系中最靠近太陽的一顆行星，離太陽的平均距離隻有0.387天文單位，從地面上觀測水星時，它相距太陽最遠時角度隻有28°，它常常湮沒在強烈的太陽光背景下而無法對它進行觀測。

　　隻有一艘飛船對水星進行過直接探測。即美國1973年11月3日發射的“水手”10號。它也是第一艘連續探測兩顆行星的飛船。1974年2月5日飛越金星上空（距金星約5740公裡）後，利用金星的引力改變飛行軌道，進入近日點在水星軌道上的日心軌道，成為人造行星，公轉周期為176天，正好是水星公轉周期的2倍，因此在1974年3月29日與水星第一次相遇（距水星表面703公裡）後，1974年9月21日第二次在離水星48069公裡處飛過，1975年3月16日又第三次飛過水星，距水星327公裡。

　　“水手”10號主要是探測水星的環境，探測水星的表面和大氣的物理特性，同時也測量瞭水星和地球之間的行星際空間狀態。飛船上裝有兩臺電視攝像機，對水星表面進行瞭詳細觀察，第三次飛越水星時，拍攝的照片分辨率達204米，從照片看，水星表面與月球表面非常相似，佈滿瞭隕石沖擊坑。測量結果表明，水星表面磁場隻有地球表面磁場的百分之一，因而水星磁層頂離水星表面約0.6個水星半徑，並且不足以捕獲高能粒子形成輻射帶。水星在正午時表面溫度達700K，在夜晚時僅100K，除瞭薄薄的一層氦離子外，不存在永久性的大氣層。

　　金星探測　金星是離地球最近的一顆行星，它的大小、質量和密度等許多方面與地球相近，稠密的大氣和厚厚的雲層，使人們無法從地球上看清金星的面目。

　　美國1962年8月26日發射“水手”2號，它於1962年12月14日到達金星附近。星載微波輻射計測得大氣深處的溫度為400K，紅外輻射計測得雲層頂部的溫度為240K，磁強計的測量結果表明金星磁場很弱，在它的四周不存在輻射帶。1967年6月12日蘇聯發射的“金星”4號的飛行艙於同年10月18日利用降落傘首次進入金星大氣層，取得瞭金星表面25公裡以上的大氣特性數據，測到大氣的主要成分為一氧化碳。“水手”5號繞到金星背面的掩星過程中，根據無線電信號通過大氣層後的特征，測得金星大氣的壓力和溫度剖面，其表面溫度為760K，大氣壓力為地球表面大氣壓力的100倍左右。1975年6月蘇聯發射的“金星”9號和10號在同年10月抵達金星，它們都由一個環繞金星的軌道艙和一個降落在金星表面的登陸艙組成，從發回的第一張金星表面的照片可以看到，在著陸點附近是有棱角的石頭。還測定瞭金星表面的風速約2米／秒，太陽輻射通量約為大氣層外輻射通量的百分之一。

　　1978年美國發射瞭“先驅者金星”1號和2號。1號於1978年12月4日進入瞭圍繞金星運行的軌道，距金星的高度最近為150公裡，最遠為66900公裡，軌道面對金星赤道面的夾角為105.6°。它上面共安裝瞭12臺探測儀器，分別探測金星的表面形狀、大氣、雲層和電磁等各種物理特性。2號由一個公用艙和降落在金星表面的4個探測器組成，主要任務是探測大氣的垂直結構、低層大氣特性和大氣環流模式。它們所裝備的主要是測量大氣成分、溫度和壓力的儀器。

　　火星探測　火星的大氣稀薄而又透明，距離地球較近，能夠從地面上考察它的固體表面結構，多年來的觀測發現瞭許多有趣的特征，如隨季節而收縮或擴大的極冠，窄長的“運河”等。它也是人們曾經認為最有可能存在高等動物的一顆星球。這些都促使人們去進行直接探測（見地外生物學）。美國在1964年11月28日發射瞭“水手”4號，8個月以後，它在距火星9790公裡處飛過。從它拍攝的照片，看到火星表面有許多隕石坑。利用掩星法測量瞭火星大氣的性質，發現它的氣壓很低，隻有地球表面氣壓的百分之一，主要成分是二氧化碳。“水手”7號（1969年3月27日發射）測到火星極區的溫度約160～170K。第一個圍繞火星運行的人造衛星是1971年5月30日發射的“水手”9號，它在飛往火星途中就發現瞭火星大氣中的塵暴，它所拍攝的照片上除瞭可以看到隕石坑以外，還看到許多火山。磁場測量結果表明，火星的磁矩很弱，最多隻有地球的百分之二，它既不能形成磁層，也不能捕獲高能粒子形成輻射帶。

　　在火星表面著陸的隻有美國“海盜號”系列的兩艘飛船，它們分別於1975年8月20日和9月9日發射，都由環行艙和登陸艙兩部分組成。環行艙的遠火星點為30000公裡，近火星點為1520公裡左右，後來更降到300公裡。登陸艙以考察火星表面的“地貌”，搜尋生命的痕跡為主要目的。探測結果表明，火星上沒有任何有機質的痕跡，不可能存在生命。

　　類木行星的探測　類木行星包括木星、土星、天王星和海王星，它們與地球、水星、金星和火星等組成的類地行星有許多不同之處。除瞭具有體積大、自轉快、大氣層厚和衛星多的共同特點以外，像木星的大紅斑、土星的光環、天王星奇特的自轉方向等，都吸引人們去探測它們。由於類木行星離地球十分遙遠，使得對它們的探測十分困難，至今隻有4艘飛船飛越過木星，隻有3艘飛船飛越過土星，飛越天王星以遠還是以後的事。由於它們離太陽太遠，利用太陽能作動力已不可能，都采用同位素熱電池作能源；為瞭保證和地面的無線電聯系不致中斷，都裝有一個極大的拋物面天線。

　　最早探測木星的是“先驅者”10號，它發射於1972年3月2日，在1973年12月3日在相距130000公裡處飛越木星。1973年4月6日發射的“先驅者”11號，在1974年12月3日飛越木星時，利用木星的引力場改變飛行軌道飛往土星，在1979年9月飛越土星，向太陽系以外飛去。

　　“旅行者”系列由2艘完全相同的飛船組成，“旅行者”1號的目的是對木星和土星進行聯測(有利的發射時機每20年才有1次)，2號則是對木星、土星和天王星進行聯測（有利的發射時機每45年才有1次）。利用它們可以對從1天文單位距離到日球外邊界的整個行星際空間進行探測。

　　“旅行者”飛船共進行11個項目的科學研究，研究領域十分廣泛。包括用電視攝像機研究星球表面特征；通過偏振光和紫外光譜測定大氣成分；利用紅外輻射計測量星體大氣溫度分佈；測量宇宙空間和星球的磁場和帶電粒子環境等。此外，因為飛船最終將飛離太陽系進入浩渺的星際空間，期望有朝一日能為像人類一樣有智力的動物所捕捉，因此在飛船上還攜帶瞭許多介紹人類歷史和現代情況的照片和錄音。（見彩圖）