為什麼人類發射探測器總是向太陽系邊緣發射，而不是向太陽系的上方或者下方發射？
本人對宇宙感興趣但不瞭解，總是看到紀錄片裏的探測器發向太陽系的邊緣，紀錄片中的太陽系也總是給人呈現在一個平面上但既然宇宙是三維的，為啥不向其他方向發射呢？
沒有這個「總是」。尤利西斯號太陽探測器的軌道就是幾乎跟黃道面垂直的。
探測器的軌道選擇很大程度上取決於任務目的。去「太陽系邊緣」的是探測器裏的極少數，為了在發射所用的火箭規模的限制下達到足夠的速度，它們要藉助大行星的引力彈弓，垂直於黃道面的位移對這個目標沒有任何意義。而研究太陽兩極狀況的探測器就不得不飛到遠遠偏離黃道面的位置去。
不錯的問題，原因大概有三點：
1.浪費燃料=降低載荷
2.有更經濟實惠的方式
3.黃道面外探測目標少
一個一個來講吧。
（1）地球軌道附近，從太陽系逃逸的速度是42.4km/s。考慮上地球30km/s的公轉速度，在脫離地球引力場之後，以和地球公轉速度相同的方向發射探測器，只需要12.4km/s的速度增量就可以從太陽系逃逸。但是如果速度方向是極向的呢？那還是需要30km/s的速度增量才能從地球軌道逃逸。聽著是不是有點抽象？畫張示意圖應該就好理解很多了。
12.4km/s和30km/s的速度增量意味著什麼呢？意味著飛船的有效載荷只有原來的0.28%！
理論計算方法也簡單介紹一下，下面是齊奧爾科夫斯基公式：dv是速度增量，ve是推進器工質噴射速度。m0是火箭加速前的純質量總合，m1是是火箭加速後的純質量總和。
目前的火箭技術，ve的數值大約是3000m/s。代入30km/s和12.4km/s的速度差，可以結算出m0/m1=353。這就是上面0.28%的由來了。
試想，如果沿黃道面發射，我們可以運送1000kg的物資離開太陽系。而往極軌方向加速，只剩下了2.8kg。兩者的效率的差別，想必我也無需多言了。
（2）那有沒有辦法讓飛行器進入太陽的極軌呢？有，性價比最高的方式是利用行星的引力。
比如高贊 @趙泠 回答中提到的「尤利西斯號太陽探測器」，就是先把探測器打到木星軌道附近，通過合適的軌道設計，利用木星的引力獲得極向的動量。就可以通過少量能量的制動，進入環繞太陽的極軌了。
理論上的節約能量的原因有三點：
（1）地球-木星轉移軌道具有很高的偏心率，在木星軌道附近的運動速度遠遠小於地球軌道附近的公轉速度，故進入垂直軌道需要的速度變數也就更小。
（2）通過引力彈弓可以獲得木星的一部分動能，從而改變探測器的軌道參數（下圖示意的是加速，走太陽極軌需要在切向減速，同時入軌的時候接近木星兩極，以獲得極向的動量）。
3）接近木星時木星的引力勢能轉化為探測器動能，運動速度加快後，根據P=F×v。相同的推力能夠提供更大的功率，使得探測器的軌道更容易被改變。
那往木星打探測器有什麼負面作用麼？有，浪費時間。不過考慮到變軌的效率，天文學家往往願意犧牲時間。
Tips：現在的探測器，往往是在有限的預算裏放儘可能多的載荷，通過軌道設計和衛星設計使載荷最大化纔是常態。比如13年歐洲發射的SMART-1月球探測器，使用了離子推進。雖然推進效率比傳統的化學能工質火箭高了10倍，但因為推力只有幾十μN，整整用了一個月才入軌月球。這居然變成了某些人口中阿波羅造假的「證據之一」，真是無知者無畏。歐洲人怎麼搞是為了什麼？就是把大約700kg的燃料轉化為了有效載荷。
扯遠了，最後來談談第三點：
（3）太陽系的主要天體都在黃道面上，軌道傾角很大的只可能是質量比較小的天體（如彗星，小行星），特別在內太陽系基本不存在極軌運行的天體。沒有對應的探測目標，所以自然探測器也不向這個方向發射了。
繼續扯遠一些，很多人非常喜歡扯「最快」，「最遠」的探測器。其實憑藉人類目前的技術，在行星軌道排列合適的條件下，完全可以打出一個比旅行者1號更快的探測器（個人不負責任的估計增加10km/s的速度不成問題）。但還記得旅行者2號探測器的速度-位置圖麼？其在飛掠海王星軌道之後是有減速的。如果專門為了刷速度，儘可能增加四顆大行星的引力彈弓效應，完全可以刷到一個更快的逃逸速度。但這樣做有什麼意義呢？載荷少了，柯伊伯帶以外又是空空如也。從目前世界幾個主要航天機構的做事邏輯，恐怕也就只有三哥願意去用這種奇怪的方法刷刷存在感了。
題主大概以為太陽系是這樣的吧？
但實際上太陽系是這樣的：
上面這張圖是旅行者一號所拍的部分太陽系的圖，此時旅行者大概距離地球60億公里。圖中那個暗淡的藍點就是地球，圖中大概佔一個像素。
這就是為什麼不向太陽繫上方發射的原因。太空實在是太空了，往地球這邊的平面上，好歹還能經過火星，木星和其他的天體，拿著個科學設備儀器做實驗還是很香的。
但要是往太陽繫上方發射，那裡真的沒什麼東西啊，沒有什麼科研價值啊。
另外就是如果想飛出太陽系，旅行者號好歹還能靠木星的引力彈弓之類加加速，要是往太陽繫上方發射就只能悲催地自力更生了。
題主，建議您去steam上買個《坎巴拉太空計劃》的遊戲玩下，不貴，這樣可以有比較直觀的體會。
首先，探測器出去，總是要探測點什麼，黃道面外，沒太多東西。
其次，離開黃道面，也可以理解為改變太陽軌道傾角。這個，需要很多DV，
DV，你可以理解為火箭或探測器改變軌道的能力，數字越大能力越強。
遊戲中從坎星（你可以理解為地球）進入太陽軌道，大概1000多DV就可以。
坎星環繞軌道去最遠的Eooloo或Jool（你可以理解為冥王星，木星）大概4000不到就可以被捕獲進入環繞軌道。
去離太陽最近的Moho（水星）大概需要將近6000DV進入環繞軌道。
但是，要到達太陽極軌，也就是黃道傾角90度，需要2萬DV！
提高DV的代價是火箭重量成倍增長。
所以，去黃道面外，圖啥？
燃料不足，因為所有的航天器都是從地球發射的，肯定是藉助地球的公轉速度，相當於脫離地球就有了大約30公里每秒的速度。如果發射太陽極軌衛星，需要將地球公轉速度抵消，然後再在垂直方向上加速至地球公轉速度，大約是42公里每秒，這樣的速度太大了，目前所有的火箭都達不到脫離地球引力後還擁有42公里每秒的速度改變數，當然無法將衛星發射這樣的軌道上。
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