未來(lái)20年的太陽(yáng)系探索（下）

焦維新（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

(續(xù)本刊上期)

3.3 木衛(wèi)二木星系統(tǒng)任務(wù)（EJSM）

□□木衛(wèi)二木星系統(tǒng)任務(wù)是美國(guó)和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合探測(cè)外行星的計(jì)劃之一，該計(jì)劃的探測(cè)對(duì)象涉及木星和4顆衛(wèi)星木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）、木衛(wèi)一（Io）和木衛(wèi)四（Callisto）。該計(jì)劃包括2個(gè)探測(cè)器：一個(gè)是“木星木衛(wèi)二軌道器”（JEO）；另一個(gè)是“木星木衛(wèi)三軌道器”（JGO）。前者主要由美國(guó)航空航天局（NASA）負(fù)責(zé)，而后者主要由歐洲航天局負(fù)責(zé)。

3.3.1 “木星木衛(wèi)二軌道器”

（1） 科學(xué)目標(biāo)

“木星木衛(wèi)二軌道器”的探測(cè)目的是確定木星系統(tǒng)是否存在適合人類(lèi)居住的天體。其科學(xué)目標(biāo)有5個(gè)方面：

（2） 任務(wù)概述

2020年2月，“木星木衛(wèi)二軌道器”將由宇宙神－5運(yùn)載火箭發(fā)射，在行星際飛行階段采用金星-地球-地球引力助推軌道（VEEGA），計(jì)劃于2025年12月進(jìn)入木星軌道。在進(jìn)入木星軌道前，探測(cè)器利用木衛(wèi)一的引力助推作用，從而減少進(jìn)入木星軌道所需要的燃料。

“木星木衛(wèi)二軌道器”

在30個(gè)月的木星系旅行期間，“木星木衛(wèi)二軌道器”的重要活動(dòng)包括：4次與木衛(wèi)一相遇，包括一次飛越火山羽煙；在進(jìn)入木衛(wèi)二軌道前，6次與木衛(wèi)二相遇；6次與木衛(wèi)三相遇，大范圍地探測(cè)木衛(wèi)三的磁層；9次與木衛(wèi)四相遇，其中至少有1次接近木衛(wèi)四極區(qū)；連續(xù)監(jiān)測(cè)磁層，有規(guī)律地監(jiān)測(cè)木衛(wèi)一和木星的大氣層；計(jì)劃于2028年7月進(jìn)入木衛(wèi)二軌道，最初運(yùn)行在高200km、傾角為95°～100°的圓軌道，1個(gè)月后轉(zhuǎn)移到高100km的軌道；圍繞木衛(wèi)二運(yùn)行9個(gè)月，最終與木衛(wèi)二相撞。

由于“木星木衛(wèi)二軌道器”運(yùn)行在很低的軌道上，因此它能評(píng)估木衛(wèi)二內(nèi)部的電磁學(xué)特性，觀測(cè)潮汐和褶皺，以高分辨率繪制其表面地形。其攜帶的探測(cè)雷達(dá)能確定冰的三維變化特征和鹽水的位置；質(zhì)譜儀和熱成像譜儀可確定化學(xué)成分，并能尋找地質(zhì)活躍的地區(qū)。

（3） 科學(xué)儀器

“木星木衛(wèi)二軌道器”攜帶了11種科學(xué)儀器，下表列出了儀器名稱(chēng)及主要性能。

3.3.2 “木星木衛(wèi)三軌道器”

“木星木衛(wèi)三軌道器”的首要探測(cè)目標(biāo)是木衛(wèi)三，木衛(wèi)三是太陽(yáng)系最大的衛(wèi)星，直徑超過(guò)了水星。其表面覆蓋冰層，冰下可能有海洋。

（1）科學(xué)目的和科學(xué)儀器

“木星木衛(wèi)三軌道器”的科學(xué)目的有5個(gè)：

表征木衛(wèi)三的海洋、深層內(nèi)部狀態(tài)、磁場(chǎng)、磁層，繪制其表面成分和地質(zhì)特征；

在諧振軌道上研究木衛(wèi)四，觀測(cè)木衛(wèi)一的整體形態(tài)；

研究木星的大氣層；

監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)，研究木星磁層與太陽(yáng)風(fēng)相互作用；

研究發(fā)生在木星系統(tǒng)內(nèi)的相互作用。

“木星木衛(wèi)三軌道器”

為了實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo)，探測(cè)器攜帶了多種科學(xué)儀器，分別是微型激光高度計(jì)、無(wú)線(xiàn)電科學(xué)儀器包、雷達(dá)、可見(jiàn)光/近紅外光譜儀、紫外成像光譜儀、熱紅外繪圖儀、廣角中分辨率攝像機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、等離子體包和亞毫米波探測(cè)器。

“木星木衛(wèi)二軌道器”攜帶的11種科學(xué)儀器性能

整個(gè)木衛(wèi)二木星系統(tǒng)任務(wù)的路線(xiàn)圖

（2） 任務(wù)過(guò)程概述

2020年3月23日，“木星木衛(wèi)三軌道器”將由阿里安－5火箭發(fā)射，在行星際飛行階段，采用金星-地球-地球引力助推軌道。2026年2月13日進(jìn)入木星軌道，利用木衛(wèi)三的引力助推作用，進(jìn)入初始大橢圓軌道，目的是躲開(kāi)木星的主輻射帶。接著，對(duì)木星系統(tǒng)進(jìn)行近10個(gè)月的探測(cè)，19次飛越木衛(wèi)三，最近距離200km。在圍繞木衛(wèi)四的諧振軌道運(yùn)行1年多以后，探測(cè)器轉(zhuǎn)移到近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)6000km的橢圓軌道，并在這個(gè)軌道上運(yùn)行80天，在木衛(wèi)三的磁層中進(jìn)行觀測(cè)。之后，探測(cè)器進(jìn)入200km高的近極地圓軌道，靠近木衛(wèi)三觀測(cè)140～180天（觀測(cè)時(shí)間取決于積累的輻射總劑量和軌道穩(wěn)定性）。整個(gè)任務(wù)于2029年2月6日結(jié)束，屆時(shí)探測(cè)器將飛行3254天，最后撞擊到木衛(wèi)三表面。

3.3.3 技術(shù)挑戰(zhàn)

在木衛(wèi)二木星系統(tǒng)任務(wù)中，探測(cè)器將面對(duì)非常強(qiáng)的高能電子輻射環(huán)境；由于距離太遠(yuǎn)，太陽(yáng)常數(shù)低，因此對(duì)太陽(yáng)電池要求高；大多數(shù)時(shí)間里探測(cè)器工作在低溫環(huán)境，而在飛越金星附近時(shí)遭遇非常高的溫度環(huán)境；在行星際飛行階段，探測(cè)器要利用金星-地球-地球引力助推軌道，而且“木星木衛(wèi)三軌道器”還要多次利用小天體的引力助推作用，期間的導(dǎo)航操作異常復(fù)雜。

3.4 “土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”（TSSM）

“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”探測(cè)器由軌道器、氣球和著陸器三部分組成。軌道器采用三軸穩(wěn)定方式，干質(zhì)量為1613kg，其中科學(xué)有效載荷有7種儀器，質(zhì)量為165kg。探測(cè)器在內(nèi)太陽(yáng)系飛行時(shí)使用3臺(tái)離子發(fā)動(dòng)機(jī)。氣球由多任務(wù)放射性熱電發(fā)生器提供浮力，直徑為10.5m，在土衛(wèi)六（Titan）大氣層內(nèi)距離其表面10km高度飛行，正常任務(wù)期為6個(gè)月，發(fā)射質(zhì)量為600kg，攜帶了8種科學(xué)儀器，通過(guò)軌道器攜帶的0.5m高增益天線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼。著陸器的目標(biāo)是土衛(wèi)六北部的海洋，它由電池供電，設(shè)計(jì)任務(wù)期為9h，質(zhì)量為190kg，攜帶了5種科學(xué)儀器，經(jīng)軌道器的X頻段遙測(cè)中繼。

3.4.1 科學(xué)目標(biāo)

“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”的目的有三方面：

探索與地球系統(tǒng)類(lèi)似的土衛(wèi)六。研究土衛(wèi)六作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)是怎樣運(yùn)行的；與地球的異同；其地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)和星體大氣物理學(xué)之間的關(guān)系。

檢驗(yàn)土衛(wèi)六的有機(jī)物——生命前分子的路徑。土衛(wèi)六大氣層、湖、表面和推斷的表面下海洋中有機(jī)化學(xué)的組成是什么；這種有機(jī)物與已知的、在流星體中發(fā)現(xiàn)的無(wú)生命有機(jī)物質(zhì)有什么不同；對(duì)研究太陽(yáng)系中神秘的起源有什么意義。

“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”由軌道器、著陸器和氣球組成

探索土衛(wèi)二（Enceladus）和土星的磁層。土星的磁層、太陽(yáng)風(fēng)和土衛(wèi)六之間的能量和物質(zhì)交換是怎樣的；土衛(wèi)二噴泉的源是什么；噴泉的源中是否存在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，該計(jì)劃確定了相應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)。

（1）探索土衛(wèi)六的科學(xué)目標(biāo)

測(cè)量從特殊的源輸入到土衛(wèi)六大氣層的輻射通量，這些源包括磁層、熱電子和離子、太陽(yáng)紫外和極紫外輻射。

從兩方面研究了解氧原子的源。一是外源，如磁層；二是來(lái)自表面的源，如火山活動(dòng)或其他過(guò)程。

大氣層成分的分布及控制這種分布的過(guò)程。

大氣層化學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。

確定土衛(wèi)六表面液體含量。

表面形態(tài)及其演化的歷史。

探索表面下海洋的特性。

土衛(wèi)六的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）探索土衛(wèi)六有機(jī)物的科學(xué)目標(biāo)

了解土衛(wèi)六表面和大氣層中復(fù)雜有機(jī)物的結(jié)構(gòu)；

表面有機(jī)物與大氣層有機(jī)物的差別；

表面下海洋存在的證據(jù)；

甲烷的源。

（3）探索土衛(wèi)二和土星磁層的科學(xué)目標(biāo)

研究土星磁層對(duì)土衛(wèi)六大氣層的效應(yīng)；

土星衛(wèi)星的熱演變；

土衛(wèi)二羽煙的化學(xué)成分；

土衛(wèi)二熱異常的源；

“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”中的軌道器

確定是否有活動(dòng)羽煙噴出的裂縫，探測(cè)器可以接近裂縫獲取新鮮水冰樣本。

3.4.2 科學(xué)儀器

“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”探測(cè)器的軌道器、氣球和著陸器都各自攜帶了科學(xué)儀器。軌道器上的科學(xué)儀器有高分辨率成像儀和光譜儀（HiRIS），土衛(wèi)六穿透雷達(dá)和高度計(jì)（TiPRA），磁強(qiáng)計(jì)、能量粒子譜儀、朗謬爾探針和等離子體譜儀（MAPP），亞毫米光譜儀（SMS），熱紅外光譜儀（TIRS），無(wú)線(xiàn)電科學(xué)與加速度計(jì)（RSA），高分子質(zhì)譜儀（PMS）。氣球上的科學(xué)儀器有氣球成像光譜儀（BIS）、土衛(wèi)六氣球的可見(jiàn)光成像系統(tǒng)（VISTA）、大氣層結(jié)構(gòu)儀器/氣象包（ASI/MET）、土衛(wèi)六電環(huán)境包－B（TEEP－B）、土衛(wèi)六雷達(dá)探測(cè)器（TRS）、土衛(wèi)六氣球化學(xué)分析器（TMCA）、磁強(qiáng)計(jì)（MAG）、探測(cè)器/氣球遙測(cè)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電科學(xué)（MRST）。著陸器上的儀器有土衛(wèi)六著陸器化學(xué)分析器（TLCA）、土衛(wèi)六探測(cè)器和燈（TiPI）、大氣層結(jié)構(gòu)儀/氣象包-土衛(wèi)六電環(huán)境包（ASI/MET-TEEP）、表面性質(zhì)包和帶有磁強(qiáng)計(jì)的聲傳感器包（SPP）、探測(cè)器和著陸器遙測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電科學(xué)（LRST）。

3.4.3 任務(wù)設(shè)計(jì)概述

（1） 發(fā)射與行星際飛行

2020年9月，“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”探測(cè)器將由宇宙神－5火箭發(fā)射，開(kāi)始執(zhí)行9年的行星際飛行，在此期間利用太陽(yáng)電推進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合金星和地球的引力助推作用。具體過(guò)程包括：2020年12月1日開(kāi)始使用太陽(yáng)電推進(jìn)；2021年10月7日，在距離地球16900km時(shí)飛越地球；2022年2月4日飛越金星，距離金星5300km；2023年6月11日第2次飛越地球，距離地球4500km；2025年6月11日第3次飛越地球，距離地球600km；2025年10月28日結(jié)束太陽(yáng)電推進(jìn)。探測(cè)器計(jì)劃于2029年10月到達(dá)土星。

（2） 繞土星航行階段

這個(gè)階段開(kāi)始于2029年10月28日進(jìn)入土星軌道時(shí)。在其后2年的繞土星航行期間，16次飛越土衛(wèi)六，7次飛越土衛(wèi)二。氣球在第1次飛越土衛(wèi)六時(shí)被發(fā)射；著陸器在第2次飛越土衛(wèi)六時(shí)被發(fā)射。

探測(cè)器在進(jìn)入土星軌道后，執(zhí)行1次氣球定向機(jī)動(dòng)（BTM），使氣球指向20°（N）；2030年2月7日探測(cè)器釋放氣球，氣球在早晨被釋放，到夜幕降臨時(shí)約有6個(gè)地球日?qǐng)?zhí)行科學(xué)任務(wù)。接著，軌道器進(jìn)行近地點(diǎn)升高機(jī)動(dòng)，降低逃逸速度，以便執(zhí)行第2次土衛(wèi)二飛越，并釋放著陸器（有21天的窗口）。著陸器的著陸點(diǎn)在克拉肯（Kraken）海，由于著陸時(shí)沒(méi)有陽(yáng)光照射，因此設(shè)計(jì)了一只照明燈。

（3） 進(jìn)入土衛(wèi)六軌道

2031年9月29日探測(cè)器將進(jìn)入土衛(wèi)六軌道。在圍繞土衛(wèi)六飛行22個(gè)月期間，首先是2個(gè)月的氣動(dòng)制動(dòng)，使遠(yuǎn)地點(diǎn)高度由15000km降低到1500km，探測(cè)器將運(yùn)行在高1500km、傾角為85°的近極地圓軌道。

在探測(cè)任務(wù)結(jié)束時(shí)，軌道器將進(jìn)行一次小的離軌機(jī)動(dòng)，使其高度衰減，最終的撞擊點(diǎn)偏離表面可能有水的區(qū)域幾百千米，這是從行星防護(hù)的角度考慮的。

3.4.4 科學(xué)亮點(diǎn)

“土衛(wèi)六土星系統(tǒng)任務(wù)”探測(cè)器的科學(xué)亮點(diǎn)在于：第一次實(shí)地探測(cè)地球以外的海洋；第一次實(shí)地探測(cè)地外天體的有機(jī)化學(xué)；第一次長(zhǎng)時(shí)間直接探測(cè)土衛(wèi)六復(fù)雜的低層大氣層風(fēng)；第一次不受土衛(wèi)六電離層阻礙尋找永久磁場(chǎng)；第一次實(shí)地探測(cè)土衛(wèi)六冬天的極區(qū)環(huán)境；第一次高精度繪制土衛(wèi)六表面圖，能辨別沉積的物質(zhì)、構(gòu)造和低溫火山過(guò)程；第一次直接探測(cè)土衛(wèi)二的羽煙；第一次探測(cè)土衛(wèi)六的未知層（400～900km）；第一次獲得用于研究土衛(wèi)六內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外殼結(jié)構(gòu)的高階重力分布圖；第一次驗(yàn)證土衛(wèi)六磁場(chǎng)是內(nèi)在磁場(chǎng)還是感應(yīng)磁場(chǎng)。

3.5 其他天體探測(cè)計(jì)劃

3.5.1 美國(guó)的探測(cè)計(jì)劃

金星探測(cè)計(jì)劃包括“金星實(shí)地探索者”（VISE，2015年）、“金星移動(dòng)探索者”（VME，2020年）、金星取樣返回任務(wù)。

海王星探測(cè)計(jì)劃有“海王星-海衛(wèi)一探索者”（NTE）。

彗星探測(cè)計(jì)劃有彗核取樣返回（2015年）。

小行星探測(cè)計(jì)劃有黎明號(hào)小行星探測(cè)器（已于2007年9月27日發(fā)射，2011年9月到達(dá)灶神星，2015年2月到達(dá)谷神星）、小行星取樣返回（2015年）。

木星探測(cè)計(jì)劃有“朱諾”（Juno）探測(cè)器，它將于2011年8月發(fā)射，主要目的是研究木星是怎樣形成的，是否有固體內(nèi)核，大氣層深處的特征。

冥王星與開(kāi)泊帶探測(cè)計(jì)劃有“新地平線(xiàn)”探測(cè)器，它已于2006年1月19日發(fā)射，計(jì)劃2015年7月到達(dá)冥王星，探測(cè)冥王星的表面成分、地質(zhì)特征和大氣層特性，并在2016－2020年探索開(kāi)泊帶天體。

3.5.2 其他國(guó)家和地區(qū)的探測(cè)計(jì)劃

歐洲航天局與日本合作研制的水星探測(cè)器——“貝皮-哥倫布”（Bepi-Colombo）將由水星行星軌道器和水星磁層軌道器組成，計(jì)劃于2013年發(fā)射，2019年8月到達(dá)水星，使用太陽(yáng)電推進(jìn)技術(shù)。

“朱諾”木星探測(cè)器

“貝皮-哥倫布”探測(cè)器

歐洲航天局的近地天體取樣返回任務(wù)“馬可-波羅”（Marco-Polo）探測(cè)器將于2017年發(fā)射。日本將在2010年發(fā)射行星－C（PLANET－C）金星探測(cè)器。俄羅斯將在2016年發(fā)射金星－D（Venera－D）探測(cè)器。

4 未來(lái)探索的特點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 未來(lái)探索的特點(diǎn)

載人探測(cè)是許多國(guó)家追求的目標(biāo)。除了美國(guó)已經(jīng)制定了完整的載人登月計(jì)劃之外，俄羅斯、歐洲、日本、印度等國(guó)家和地區(qū)也初步制定了載人登月計(jì)劃，美國(guó)和歐洲航天局還提出了載人探測(cè)火星的計(jì)劃。

探測(cè)范圍更加廣泛。未來(lái)的探索范圍從內(nèi)太陽(yáng)系到外太陽(yáng)系，從行星、小行星、彗星、巨行星及衛(wèi)星到開(kāi)泊帶天體，涉及更遠(yuǎn)、環(huán)境更極端的天體。

探測(cè)方式多樣化。在一次任務(wù)中將采用多種探測(cè)方式，如飛越、環(huán)繞、著陸等。

廣泛采用先進(jìn)技術(shù)。包括新型推進(jìn)技術(shù)、電源技術(shù)、探測(cè)技術(shù)等。

科學(xué)目標(biāo)更加明確。未來(lái)的探測(cè)是以往普查基礎(chǔ)上的詳查，對(duì)儀器的水平要求更高，科學(xué)目標(biāo)更明確、更嚴(yán)謹(jǐn)。

多項(xiàng)計(jì)劃是國(guó)際合作的產(chǎn)物。

4.2 主要的技術(shù)挑戰(zhàn)

（1）推進(jìn)技術(shù)包括大推力運(yùn)載火箭、多功能上面級(jí)火箭、太陽(yáng)電推進(jìn)和高級(jí)化學(xué)推進(jìn)。

（2）通信與導(dǎo)航技術(shù)深空通信網(wǎng)（DSN）直接對(duì)地通信，包括大孔徑天線(xiàn)與小孔徑天線(xiàn)陣；就近中繼連接，如月面導(dǎo)航站、火星表面導(dǎo)航站、火星中繼衛(wèi)星。新型空間通信導(dǎo)航技術(shù)包括量子秘鑰空間分發(fā)技術(shù)、激光通信技術(shù)、太赫茲（0.3～20THz）空間通信技術(shù)、納米通信器件技術(shù)、星載智能天線(xiàn)技術(shù)、量子定位系統(tǒng)、脈沖星導(dǎo)航技術(shù)等。

（3）電源技術(shù)放射性同位素電源系統(tǒng)、適于低溫環(huán)境的太陽(yáng)能電源以及能源存儲(chǔ)技術(shù)。

（4）軌道設(shè)計(jì)廣泛利用引力助推軌道，多次飛越行星軌道的最佳設(shè)計(jì)。

（5）自主運(yùn)行自主操作、軟件檢驗(yàn)和生效、在軌數(shù)據(jù)處理方法與設(shè)備。

（6）著陸技術(shù)涉及軌道進(jìn)入、氣動(dòng)制動(dòng)、氣動(dòng)捕獲、降落傘、反沖火箭、氣囊、太空吊車(chē)和漫游車(chē)等技術(shù)。

（7）極端環(huán)境涉及高溫高壓、極高熱通量、強(qiáng)輻射、極度嚴(yán)寒環(huán)境。

（8）科學(xué)儀器包括新型遙感儀器和實(shí)地分析儀器。目前正在發(fā)展的新型遙感儀器包括大口徑、可展開(kāi)新型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體/主動(dòng)像元傳感器（CMOS/APS），超導(dǎo)隧道結(jié)（STJ）光學(xué)輻射探測(cè)器，分布式讀出成像探測(cè)器（DROIDS），比例尺立體測(cè)繪儀，稀疏孔徑成像儀，顯微相機(jī)（Microcam）等。新型實(shí)地分析儀器包括X射線(xiàn)衍射光譜儀，激光質(zhì)譜儀（LMS），生命標(biāo)志芯片（LMC），有機(jī)分子分析器（MOMA），介電常數(shù)探測(cè)器，微成像塵埃分析系統(tǒng)（MIDAS），互阻抗探針（MIP），行星大氣層結(jié)構(gòu)探測(cè)器等。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)應(yīng)認(rèn)真研究和借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)制定切實(shí)可行的探測(cè)計(jì)劃。在跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，盡快掌握在太陽(yáng)系探索中起重要作用的探測(cè)技術(shù)。對(duì)制約我國(guó)空間探測(cè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)要制定攻關(guān)計(jì)劃和驗(yàn)證計(jì)劃。 (全文完)