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2023/02/23 | |||||
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蓄势待发 欧空局探测器欲揭木星系奥秘
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“木星冰月探测器” 工作想象图 探测进入新阶段 木星是太阳系中最大的行星,质量是其他所有行星总质量的2.5倍,相当于318个地球,体积达到地球的1300倍以上。木星也是一颗气态行星,由约90%的氢和10%的氦,以及一些其他气体组成。 截至目前,木星已知拥有79颗卫星,其中最大的4颗卫星分别是木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。 人类对木星充满兴趣,因为它的成分跟太阳极其相似,保留了太阳系形成初期的一些气态物质,木卫二、木卫三、木卫四还可能存在冰下海洋,有可能演化出生命。因此,木星系探测正在成为世界深空探测领域的热点,目的是提升人类对太阳系早期演化、木星磁场起源和地外生命的认知。 木星是太阳系第五远行星(从内向外),距离地球6.4~9.3亿公里。1973年,美国发射的先驱者10号探测器以35公里/秒的相对速度掠过木星,成为第一颗观测到木星的探测器。 次年,先驱者11号探测器在4.25万公里外掠过木星,两个“先驱者”向地球发回了大量关于木星的照片,初步揭开了木星的神秘面纱。 1979年,“旅行者1号”和“旅行者2号”掠过木星和卫星,开展了多项探测活动。“旅行者1号”发现木星大红斑的反气旋运动和木星光环,在木卫一上发现了正在喷发的活火山。4个月后抵达的“旅行者2号”发现木星大气结构出现显著变化,木卫一火山喷发进入了衰退期,并发现木卫二是一个完全被冰层覆盖的世界。 经历早期的飞跃探测后,美国在1989年发射的伽利略号探测器,首次进入环木星轨道。该探测器对整个木星系开展了综合探测,获得了木星大气的详细数据,确定了木星的磁场结构,并对木卫一到木卫四开展飞越观测,探测它们的化学成分和物理性质。 第二个环绕木星进行探测的是“朱诺号”。该探测器于2011年发射升空,至今仍在围绕木星轨道运行,目标是了解木星的起源和进化,包括探测木星大气的水含量,描绘木星重磁场结构等。 此次将要开展的“木星冰月探测器”任务,代表着人类对木星的探测进入到新阶段,表现为更频繁地利用木星卫星进行借力飞行,首次以环绕方式对木星的卫星开展详细探测。 复杂的探测任务 按照计划,“木星冰月探测器”要探测木星和木卫二、木卫三和木卫四。科学家对木星冰冷的卫星很感兴趣,认为它们在冰冻的地表下有大量液态水,木卫二被认为是太阳系中最有可能存在生命的地方之一。探测器将研究木星卫星的宜居性,以及欧空局“宇宙愿景”的两大主题——行星形成和生命出现需要具备哪些条件,及太阳系如何运转。 该探测器携带了3类探测仪器,包括遥感类的可见—红外高光谱成像仪、亚毫米波探测仪和紫外成像摄谱仪；用于探测木星物理环境的激光测高仪、穿冰雷达,通信载荷除了提供通信连接外,还将用于无线电干涉和多普勒实验；粒子和场原位探测类的磁强计、粒子探测包、无线电波和等离子波探测仪。 “木星冰月探测器”发射升空后将经历非常复杂的旅程。探测器会用8年时间飞抵木星,路径包括2024年飞越地球、2025年飞越金星,在2026和2029年两次飞越地球,最终在2031年到达木星轨道。 探测器进入木星系后,任务主要分为木卫二探测、木星高纬度地区探测和木卫三环绕探测3个阶段。木卫二探测是利用木卫四与木卫二的连续借力飞行,实现对木卫二南北半球的中纬度地区探测,重点探测地质活跃区域,确定非冰物质的化学组成,并寻找液态水。 木星高纬度地区探测是通过多次借力木卫四的飞行来抬高轨道倾角,实现对木星高纬度地区进行观测,目的是对木星大气层特性、木星磁层开展探测,分析木星大气成分和垂直结构,研究木星磁场特性。 木卫三环绕探测是通过多次飞越木卫三、木卫四,降低探测器与木卫三的相对速度,进入环木卫三轨道。随后,利用木星摄动改变探测器的轨道偏心率,从不同方位对木卫三进行观测,最终进入500公里的环木卫三圆轨道。通过调查木卫三海洋范围、表面组成和演化过程和周边空间环境等,研究木卫三的宜居天体特征。 木卫三是太阳系中最大的卫星,是唯一已知能自己产生磁场的卫星,“木星冰月探测器”将成为首个进入除地球外另一颗行星卫星轨道的航天器。 或面临重大挑战 “木星冰月探测器”将对木星系统进行综合研究,包括云层结构与化学成分、气旋风暴、热动力学机制、带电粒子与磁层的作用等,让人们更好地了解巨行星及其卫星是如何形成的,加深对太阳系的了解。 不过,这是一次充满危险的探测任务,因为“木星冰月探测器”的旅程将超过10年,面临众多复杂情况和技术挑战。 首先是路径和测控。探测器飞行距离远,在木星系内进行复杂的制动和借力飞行,受限于通信功率,信号强度微弱且数据传输速率低。为确保这些复杂操作顺利进行,且把探测数据传回地球,需要先进的导航技术和强大的深空探测网。 其次是辐射强。木星拥有太阳系行星中最强的磁场,强度比地球磁场强2万倍以上。在强大磁场作用下,大量带电粒子被困在木星周围空间环境中,形成了半径达70万公里的辐射带,持续轰击着木星卫星和光环。 1989年,伽利略号探测器飞抵木星时,严酷的辐射环境超过设计极限至少3倍,导致探测器20多处异常,部分设备受损。因此,“木星冰月探测器”在做好防护的基础上,需要根据任务目标调整轨道,在保证安全的情况下扩充探测成果。 最后是能源问题。“木星冰月探测器”在木星附近接收到的太阳能功率仅为地球附近的1/25。所以,该探测器采用了太阳电池—蓄电池的电源体制,太阳翼总面积达到97平方米,目的是确保在最差光照强度下满足不小于850W的功率输出需求。 总之,木星系探测比火星和金星的探测难度更大,技术更复杂,对它的探测将揭开新的奥秘,使人类在宇宙探索的道路上更进一步。 本报综合
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