圖解深空探測史

文/葉楠

木星探測

木星是太陽系內(nèi)體積和質(zhì)量最大的行星，在地球上我們借助望遠(yuǎn)鏡可以比較容易地看到它的帶狀表面、大紅斑以及它的幾顆衛(wèi)星。木星是一個氣態(tài)巨行星，而且衛(wèi)星眾多，截至2018年，已知衛(wèi)星數(shù)量至少有79個。

先驅(qū)者10號和11號：近距離飛掠木星

先驅(qū)者10號和11號探測器（左圖）是一對“孿生兄弟”，采用六邊形結(jié)構(gòu)平臺，高35.5厘米、寬142厘米、重258千克。探測器最明顯的特征是直徑2.74米的高增益天線，以及一對長3米的伸縮臂，每個伸縮臂上裝有一組放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，為探測器提供能量。由于先驅(qū)者10號和11號探測器都是向著太陽系外側(cè)飛去，所以沒有采用太陽能電源。除此以外，為避免本體金屬器件的干擾，磁強(qiáng)計被單獨安裝在另一個長達(dá)5.2米的懸臂末端。探測器的姿態(tài)依靠太陽傳感器和小行星傳感器確定，通過安裝在拋物面天線邊緣的3對推進(jìn)器進(jìn)行控制。

“先驅(qū)者10號”于1972年3月3日由宇宙神-半人馬座火箭發(fā)射升空，7月抵達(dá)小行星帶內(nèi)側(cè)邊緣，1973年2月順利通過小行星帶，成為第一個成功穿越小行星帶的探測器。1973年12月4日，“先驅(qū)者10號”以每秒35公里的相對速度掠過木星，距離木星云層13.2萬公里。

“先驅(qū)者11號”于1973年3月9日發(fā)射，1974年12月4日飛掠木星，距離木星云層最近只有4.25萬公里，之后向著土星的方向飛去。右圖是“先驅(qū)者11號”拍攝的木星光環(huán)。

旅行者1號和2號：眾多新發(fā)現(xiàn)

旅行者1號和2號探測器（左圖）也是一對“雙胞胎”，重825.5千克，高增益天線直徑3.7米，磁強(qiáng)計置于伸出本體13米遠(yuǎn)的懸臂上，新增加2根呈90度夾角、長10米的鈹銅合金天線，采用放射性同位素?zé)犭姍C(jī)提供能源。旅行者2號和1號探測器分別于1977年8月20日和9月5日發(fā)射，雖然“旅行者2號”發(fā)射更早，但它沿黃道面飛行，影響了速度。1979年3月5日，“旅行者1號”率先飛掠木星，距離木星云層34.9萬公里，“旅行者2號”隨后于7月9日飛掠木星，距離57萬公里。

旅行者1號和2號在飛掠過程中對木星及其衛(wèi)星進(jìn)行了多種科學(xué)觀測，并有許多新發(fā)現(xiàn)：“旅行者1號”發(fā)現(xiàn)了木星大紅斑的反氣旋運動；發(fā)現(xiàn)了木星的光環(huán)；拍攝到木衛(wèi)五的照片；新發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)十四和十六；在木衛(wèi)一上發(fā)現(xiàn)了正在噴發(fā)的活火山。4個月之后抵達(dá)木星的“旅行者2號”發(fā)現(xiàn)木星大氣結(jié)構(gòu)在這4個月里發(fā)生了顯著的變化；大紅斑出現(xiàn)了經(jīng)度上的漂移；木衛(wèi)一火山噴發(fā)進(jìn)入了衰退期；木衛(wèi)四表面呈現(xiàn)極大的不對稱性；新發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)十五；木衛(wèi)二完全被冰層覆蓋（右圖）。

伽利略號：首個環(huán)繞木星的探測器

伽利略號探測器（左圖）是美國宇航局專門為探測木星及其衛(wèi)星設(shè)計制造的，以意大利天文學(xué)家伽利略的名字命名?！百だ蕴枴敝?562千克，高6.15米，高增益天線直徑4.8米。伽利略木星探測計劃始于1978年，最初計劃于1982年1月發(fā)射，后因經(jīng)費不足、飛行設(shè)計修改和挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)失事等原因而先后9次變動計劃，致使發(fā)射一再推遲，直到1989年10月18日，“伽利略號”搭乘阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)順利升空（右圖）。

“伽利略號”的太空之旅并非一帆風(fēng)順。在飛向木星的過程中，“伽利略號”需要借助一次飛掠金星以及兩次飛掠地球來得到引力加速。當(dāng)它第一次飛掠地球之后，發(fā)現(xiàn)高增益天線無法完全展開（天線類似于雨傘的形狀，由18根肋骨組成，但其中有3根無法彈出），后續(xù)只能依靠磁帶記錄器先行將數(shù)據(jù)存儲和壓縮，之后依靠低增益天線以比較慢的速度傳回地球。但在進(jìn)入木星軌道及環(huán)繞木星期間，磁帶記錄器也多次發(fā)生故障，丟失了許多探測數(shù)據(jù)。除此以外，木星嚴(yán)酷的輻射環(huán)境超出了“伽利略號”抗輻射設(shè)計極限至少三倍，在整個任務(wù)過程中使“伽利略號”出現(xiàn)20多處異常，雖然工作人員解決了大部分問題，但依舊有一些設(shè)備在強(qiáng)輻射中受損。

相遇小行星

1991年10月29日，“伽利略號”在進(jìn)入小行星帶兩個月后與951號小行星加斯普拉相遇，以每秒8公里的速度飛掠而過，最近距離為1600公里?！百だ蕴枴睂铀蛊绽M(jìn)行了拍攝（左圖），并測量了它的化學(xué)組成和物理性質(zhì)。通過分析照片發(fā)現(xiàn)加斯普拉的大小為19公里×12公里×11公里。

1993年8月28日，“伽利略號”從距離243號小行星艾達(dá)2400公里處飛掠，令人驚訝的是，“伽利略號”發(fā)現(xiàn)了艾達(dá)居然還有一顆小衛(wèi)星，后被命名為艾衛(wèi)（右圖，右側(cè)亮點為艾衛(wèi)），這是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆小行星的衛(wèi)星?！百だ蕴枴蓖ㄟ^測量發(fā)現(xiàn)艾達(dá)和艾衛(wèi)的光譜存在差異，說明它們有著不同的來源。

進(jìn)入木星大氣

1995年7月10日，“伽利略號”攜帶的木星探測器（左圖）與主體分離，并于12月7日直接進(jìn)入木星大氣層，初始速度為每秒47.8公里。這個探測器直徑1.3米、重339千克，其中152千克是前端隔熱罩的重量。進(jìn)入木星大氣后速度逐漸減至亞音速，隔熱罩溫度急劇上升并損耗約80千克。之后拋棄隔熱罩，開啟直徑2.5米的降落傘（右圖）。當(dāng)降至距離木星大氣層頂部156公里時，無線電通訊終止，最后測得的大氣壓力為23個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度達(dá)到154℃。整個過程持續(xù)了58分鐘。這是人類首次得到一顆氣態(tài)行星的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

環(huán)繞木星

伽利略作為天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者在1610年就發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星：木衛(wèi)一、二、三、四，這四顆衛(wèi)星也被稱為伽利略衛(wèi)星。近400年后，1995年12月8日，以他的名字命名的“伽利略號”經(jīng)過6年的長途跋涉終于來到木星身邊，近距離看到了伽利略衛(wèi)星（上圖），并在之后的近8年時間里環(huán)繞木星飛行了35圈，為人類提供了有史以來關(guān)于木星最豐富的信息：首次在木星大氣中發(fā)現(xiàn)氨云團(tuán)；發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一有非常頻繁的火山活動；發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二冰層之下存在液體海洋的新證據(jù)；發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三擁有自己的磁場，這是已知的第一顆擁有磁場的衛(wèi)星；發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二、三、四在其地表之下均有液態(tài)鹽水層等等。隨著“伽利略號”的燃料逐漸消耗殆盡，再加上木星輻射造成的損害，為了避免發(fā)射前未消毒的“伽利略號”可能帶有地球上的細(xì)菌污染其他可能存在有機(jī)物的木星衛(wèi)星，最終在2003年9月21日以墜落木星的形式結(jié)束了自己的使命。

朱諾號：拍攝到木星的高清照片

“朱諾號”（左圖）是繼“伽利略號”之后第二個環(huán)繞木星的探測器，于2011年8月5日由宇宙神V型運載火箭發(fā)射升空?！爸熘Z號”的發(fā)射質(zhì)量為3625千克，大小為20.1米×4.6米。2013年10月9日借助了一次地球的引力加速，并于2016年7月5日進(jìn)入木星的極軌道，軌道高度為4200公里×8100000公里，軌道傾角為90度。與早期飛向太陽系外側(cè)行星的探測器都以核能為能量來源不同，“朱諾號”依靠太陽能提供動力，它有三塊太陽能電池板，每塊長8.9米、寬2.7米，總重接近340千克，在木星附近時能夠提供大約486瓦的電能。“朱諾號”的主要科學(xué)目標(biāo)包括研究木星大氣的成分，木星的引力場、磁場分布，搜尋木星形成的線索，木星是否有固態(tài)核心，木星大氣中是否有水等等。右圖是2019年5月“朱諾號”拍攝的木星北半球的高清照片。

帶給木星的紀(jì)念品

除了科學(xué)儀器之外，“朱諾號”還攜帶了幾件紀(jì)念品前往木星。其中有一塊由意大利航天局提供的鋁制銘牌（左圖），大小為7.1厘米×5.1厘米，上面刻有伽利略在1610年觀測木星時的手稿以及伽利略的畫像。此外還有三個鋁制樂高玩偶（右圖），分別是伽利略、朱諾和朱庇特（由左至右）。朱庇特是羅馬神話中的眾神之王，傳說在他的四周環(huán)繞著云霧，只有他的妻子朱諾能夠看穿這層云霧，揭露朱庇特的本來面目。木星的英文“Jupiter”音譯為“朱庇特”，這也是“朱諾號”名稱的由來。三個樂高玩偶中，伽利略拿著望遠(yuǎn)鏡和天球儀，朱諾手持放大鏡，朱庇特手握象征雷電的武器。