未来20年的太阳系探索（下）

2010-07-25焦维新北京大学地球与空间科学学院

国际太空 2010年1期

焦维新（北京大学地球与空间科学学院）

(续本刊上期)

3.3 木卫二木星系统任务（EJSM）

□□木卫二木星系统任务是美国和欧洲航天局（ESA）联合探测外行星的计划之一，该计划的探测对象涉及木星和4颗卫星木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）、木卫一（Io）和木卫四（Callisto）。该计划包括2个探测器：一个是“木星木卫二轨道器”（JEO）；另一个是“木星木卫三轨道器”（JGO）。前者主要由美国航空航天局（NASA）负责，而后者主要由欧洲航天局负责。

3.3.1 “木星木卫二轨道器”

（1）科学目标

“木星木卫二轨道器”的探测目的是确定木星系统是否存在适合人类居住的天体。其科学目标有5个方面：

（2）任务概述

2020年2月，“木星木卫二轨道器”将由宇宙神－5运载火箭发射，在行星际飞行阶段采用金星-地球-地球引力助推轨道（VEEGA），计划于2025年12月进入木星轨道。在进入木星轨道前，探测器利用木卫一的引力助推作用，从而减少进入木星轨道所需要的燃料。

“木星木卫二轨道器”

在30个月的木星系旅行期间，“木星木卫二轨道器”的重要活动包括：4次与木卫一相遇，包括一次飞越火山羽烟；在进入木卫二轨道前，6次与木卫二相遇；6次与木卫三相遇，大范围地探测木卫三的磁层；9次与木卫四相遇，其中至少有1次接近木卫四极区；连续监测磁层，有规律地监测木卫一和木星的大气层；计划于2028年7月进入木卫二轨道，最初运行在高200km、倾角为95°～100°的圆轨道，1个月后转移到高100km的轨道；围绕木卫二运行9个月，最终与木卫二相撞。

由于“木星木卫二轨道器”运行在很低的轨道上，因此它能评估木卫二内部的电磁学特性，观测潮汐和褶皱，以高分辨率绘制其表面地形。其携带的探测雷达能确定冰的三维变化特征和盐水的位置；质谱仪和热成像谱仪可确定化学成分，并能寻找地质活跃的地区。

（3）科学仪器

“木星木卫二轨道器”携带了11种科学仪器，下表列出了仪器名称及主要性能。

3.3.2 “木星木卫三轨道器”

“木星木卫三轨道器”的首要探测目标是木卫三，木卫三是太阳系最大的卫星，直径超过了水星。其表面覆盖冰层，冰下可能有海洋。

（1）科学目的和科学仪器

“木星木卫三轨道器”的科学目的有5个：

表征木卫三的海洋、深层内部状态、磁场、磁层，绘制其表面成分和地质特征；

在谐振轨道上研究木卫四，观测木卫一的整体形态；

研究木星的大气层；

监测太阳风，研究木星磁层与太阳风相互作用；

研究发生在木星系统内的相互作用。

“木星木卫三轨道器”

为了实现上述科学目标，探测器携带了多种科学仪器，分别是微型激光高度计、无线电科学仪器包、雷达、可见光/近红外光谱仪、紫外成像光谱仪、热红外绘图仪、广角中分辨率摄像机、磁强计、等离子体包和亚毫米波探测器。

“木星木卫二轨道器”携带的11种科学仪器性能

整个木卫二木星系统任务的路线图

（2）任务过程概述

2020年3月23日，“木星木卫三轨道器”将由阿里安－5火箭发射，在行星际飞行阶段，采用金星-地球-地球引力助推轨道。2026年2月13日进入木星轨道，利用木卫三的引力助推作用，进入初始大椭圆轨道，目的是躲开木星的主辐射带。接着，对木星系统进行近10个月的探测，19次飞越木卫三，最近距离200km。在围绕木卫四的谐振轨道运行1年多以后，探测器转移到近地点200km、远地点6000km的椭圆轨道，并在这个轨道上运行80天，在木卫三的磁层中进行观测。之后，探测器进入200km高的近极地圆轨道，靠近木卫三观测140～180天（观测时间取决于积累的辐射总剂量和轨道稳定性）。整个任务于2029年2月6日结束，届时探测器将飞行3254天，最后撞击到木卫三表面。

3.3.3 技术挑战

在木卫二木星系统任务中，探测器将面对非常强的高能电子辐射环境；由于距离太远，太阳常数低，因此对太阳电池要求高；大多数时间里探测器工作在低温环境，而在飞越金星附近时遭遇非常高的温度环境；在行星际飞行阶段，探测器要利用金星-地球-地球引力助推轨道，而且“木星木卫三轨道器”还要多次利用小天体的引力助推作用，期间的导航操作异常复杂。

3.4 “土卫六土星系统任务”（TSSM）

“土卫六土星系统任务”探测器由轨道器、气球和着陆器三部分组成。轨道器采用三轴稳定方式，干质量为1613kg，其中科学有效载荷有7种仪器，质量为165kg。探测器在内太阳系飞行时使用3台离子发动机。气球由多任务放射性热电发生器提供浮力，直径为10.5m，在土卫六（Titan）大气层内距离其表面10km高度飞行，正常任务期为6个月，发射质量为600kg，携带了8种科学仪器，通过轨道器携带的0.5m高增益天线进行数据中继。着陆器的目标是土卫六北部的海洋，它由电池供电，设计任务期为9h，质量为190kg，携带了5种科学仪器，经轨道器的X频段遥测中继。

3.4.1 科学目标

“土卫六土星系统任务”的目的有三方面：

探索与地球系统类似的土卫六。研究土卫六作为一个系统时是怎样运行的；与地球的异同；其地质学、水文学、气象学和星体大气物理学之间的关系。

检验土卫六的有机物——生命前分子的路径。土卫六大气层、湖、表面和推断的表面下海洋中有机化学的组成是什么；这种有机物与已知的、在流星体中发现的无生命有机物质有什么不同；对研究太阳系中神秘的起源有什么意义。

“土卫六土星系统任务”由轨道器、着陆器和气球组成

探索土卫二（Enceladus）和土星的磁层。土星的磁层、太阳风和土卫六之间的能量和物质交换是怎样的；土卫二喷泉的源是什么；喷泉的源中是否存在复杂的化学反应。

为了实现上述目的，该计划确定了相应的科学目标。

（1）探索土卫六的科学目标

测量从特殊的源输入到土卫六大气层的辐射通量，这些源包括磁层、热电子和离子、太阳紫外和极紫外辐射。

从两方面研究了解氧原子的源。一是外源，如磁层；二是来自表面的源，如火山活动或其他过程。

大气层成分的分布及控制这种分布的过程。

大气层化学和动力学状态。

确定土卫六表面液体含量。

表面形态及其演化的历史。

探索表面下海洋的特性。

土卫六的内部结构。

（2）探索土卫六有机物的科学目标

了解土卫六表面和大气层中复杂有机物的结构；

表面有机物与大气层有机物的差别；

表面下海洋存在的证据；

甲烷的源。

（3）探索土卫二和土星磁层的科学目标

研究土星磁层对土卫六大气层的效应；

土星卫星的热演变；

土卫二羽烟的化学成分；

土卫二热异常的源；

“土卫六土星系统任务”中的轨道器

确定是否有活动羽烟喷出的裂缝，探测器可以接近裂缝获取新鲜水冰样本。

3.4.2 科学仪器

“土卫六土星系统任务”探测器的轨道器、气球和着陆器都各自携带了科学仪器。轨道器上的科学仪器有高分辨率成像仪和光谱仪（HiRIS），土卫六穿透雷达和高度计（TiPRA），磁强计、能量粒子谱仪、朗谬尔探针和等离子体谱仪（MAPP），亚毫米光谱仪（SMS），热红外光谱仪（TIRS），无线电科学与加速度计（RSA），高分子质谱仪（PMS）。气球上的科学仪器有气球成像光谱仪（BIS）、土卫六气球的可见光成像系统（VISTA）、大气层结构仪器/气象包（ASI/MET）、土卫六电环境包－B（TEEP－B）、土卫六雷达探测器（TRS）、土卫六气球化学分析器（TMCA）、磁强计（MAG）、探测器/气球遥测系统无线电科学（MRST）。着陆器上的仪器有土卫六着陆器化学分析器（TLCA）、土卫六探测器和灯（TiPI）、大气层结构仪/气象包-土卫六电环境包（ASI/MET-TEEP）、表面性质包和带有磁强计的声传感器包（SPP）、探测器和着陆器遥测系统的无线电科学（LRST）。

3.4.3 任务设计概述

（1）发射与行星际飞行

2020年9月，“土卫六土星系统任务”探测器将由宇宙神－5火箭发射，开始执行9年的行星际飞行，在此期间利用太阳电推进技术，并结合金星和地球的引力助推作用。具体过程包括：2020年12月1日开始使用太阳电推进；2021年10月7日，在距离地球16900km时飞越地球；2022年2月4日飞越金星，距离金星5300km；2023年6月11日第2次飞越地球，距离地球4500km；2025年6月11日第3次飞越地球，距离地球600km；2025年10月28日结束太阳电推进。探测器计划于2029年10月到达土星。

（2）绕土星航行阶段

这个阶段开始于2029年10月28日进入土星轨道时。在其后2年的绕土星航行期间，16次飞越土卫六，7次飞越土卫二。气球在第1次飞越土卫六时被发射；着陆器在第2次飞越土卫六时被发射。

探测器在进入土星轨道后，执行1次气球定向机动（BTM），使气球指向20°（N）；2030年2月7日探测器释放气球，气球在早晨被释放，到夜幕降临时约有6个地球日执行科学任务。接着，轨道器进行近地点升高机动，降低逃逸速度，以便执行第2次土卫二飞越，并释放着陆器（有21天的窗口）。着陆器的着陆点在克拉肯（Kraken）海，由于着陆时没有阳光照射，因此设计了一只照明灯。

（3）进入土卫六轨道

2031年9月29日探测器将进入土卫六轨道。在围绕土卫六飞行22个月期间，首先是2个月的气动制动，使远地点高度由15000km降低到1500km，探测器将运行在高1500km、倾角为85°的近极地圆轨道。

在探测任务结束时，轨道器将进行一次小的离轨机动，使其高度衰减，最终的撞击点偏离表面可能有水的区域几百千米，这是从行星防护的角度考虑的。

3.4.4 科学亮点

“土卫六土星系统任务”探测器的科学亮点在于：第一次实地探测地球以外的海洋；第一次实地探测地外天体的有机化学；第一次长时间直接探测土卫六复杂的低层大气层风；第一次不受土卫六电离层阻碍寻找永久磁场；第一次实地探测土卫六冬天的极区环境；第一次高精度绘制土卫六表面图，能辨别沉积的物质、构造和低温火山过程；第一次直接探测土卫二的羽烟；第一次探测土卫六的未知层（400～900km）；第一次获得用于研究土卫六内部结构和外壳结构的高阶重力分布图；第一次验证土卫六磁场是内在磁场还是感应磁场。

3.5 其他天体探测计划

3.5.1 美国的探测计划

金星探测计划包括“金星实地探索者”（VISE，2015年）、“金星移动探索者”（VME，2020年）、金星取样返回任务。

海王星探测计划有“海王星-海卫一探索者”（NTE）。

彗星探测计划有彗核取样返回（2015年）。

小行星探测计划有黎明号小行星探测器（已于2007年9月27日发射，2011年9月到达灶神星，2015年2月到达谷神星）、小行星取样返回（2015年）。

木星探测计划有“朱诺”（Juno）探测器，它将于2011年8月发射，主要目的是研究木星是怎样形成的，是否有固体内核，大气层深处的特征。

冥王星与开泊带探测计划有“新地平线”探测器，它已于2006年1月19日发射，计划2015年7月到达冥王星，探测冥王星的表面成分、地质特征和大气层特性，并在2016－2020年探索开泊带天体。

3.5.2 其他国家和地区的探测计划

欧洲航天局与日本合作研制的水星探测器——“贝皮-哥伦布”（Bepi-Colombo）将由水星行星轨道器和水星磁层轨道器组成，计划于2013年发射，2019年8月到达水星，使用太阳电推进技术。

“朱诺”木星探测器

“贝皮-哥伦布”探测器

欧洲航天局的近地天体取样返回任务“马可-波罗”（Marco-Polo）探测器将于2017年发射。日本将在2010年发射行星－C（PLANET－C）金星探测器。俄罗斯将在2016年发射金星－D（Venera－D）探测器。

4 未来探索的特点和技术挑战

4.1 未来探索的特点

载人探测是许多国家追求的目标。除了美国已经制定了完整的载人登月计划之外，俄罗斯、欧洲、日本、印度等国家和地区也初步制定了载人登月计划，美国和欧洲航天局还提出了载人探测火星的计划。

探测范围更加广泛。未来的探索范围从内太阳系到外太阳系，从行星、小行星、彗星、巨行星及卫星到开泊带天体，涉及更远、环境更极端的天体。

探测方式多样化。在一次任务中将采用多种探测方式，如飞越、环绕、着陆等。

广泛采用先进技术。包括新型推进技术、电源技术、探测技术等。

科学目标更加明确。未来的探测是以往普查基础上的详查，对仪器的水平要求更高，科学目标更明确、更严谨。

多项计划是国际合作的产物。

4.2 主要的技术挑战

（1）推进技术包括大推力运载火箭、多功能上面级火箭、太阳电推进和高级化学推进。

（2）通信与导航技术深空通信网（DSN）直接对地通信，包括大孔径天线与小孔径天线阵；就近中继连接，如月面导航站、火星表面导航站、火星中继卫星。新型空间通信导航技术包括量子秘钥空间分发技术、激光通信技术、太赫兹（0.3～20THz）空间通信技术、纳米通信器件技术、星载智能天线技术、量子定位系统、脉冲星导航技术等。

（3）电源技术放射性同位素电源系统、适于低温环境的太阳能电源以及能源存储技术。

（4）轨道设计广泛利用引力助推轨道，多次飞越行星轨道的最佳设计。

（5）自主运行自主操作、软件检验和生效、在轨数据处理方法与设备。

（6）着陆技术涉及轨道进入、气动制动、气动捕获、降落伞、反冲火箭、气囊、太空吊车和漫游车等技术。

（7）极端环境涉及高温高压、极高热通量、强辐射、极度严寒环境。

（8）科学仪器包括新型遥感仪器和实地分析仪器。目前正在发展的新型遥感仪器包括大口径、可展开新型光学望远镜，互补金属氧化物半导体/主动像元传感器（CMOS/APS），超导隧道结（STJ）光学辐射探测器，分布式读出成像探测器（DROIDS），比例尺立体测绘仪，稀疏孔径成像仪，显微相机（Microcam）等。新型实地分析仪器包括X射线衍射光谱仪，激光质谱仪（LMS），生命标志芯片（LMC），有机分子分析器（MOMA），介电常数探测器，微成像尘埃分析系统（MIDAS），互阻抗探针（MIP），行星大气层结构探测器等。