未來20年的太陽系探索（下）

焦維新（北京大學地球與空間科學學院）

(續本刊上期)

3.3 木衛二木星系統任務（EJSM）

□□木衛二木星系統任務是美國和歐洲航天局（ESA）聯合探測外行星的計劃之一，該計劃的探測對象涉及木星和4顆衛星木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）、木衛一（Io）和木衛四（Callisto）。該計劃包括2個探測器：一個是“木星木衛二軌道器”（JEO）；另一個是“木星木衛三軌道器”（JGO）。前者主要由美國航空航天局（NASA）負責，而后者主要由歐洲航天局負責。

3.3.1 “木星木衛二軌道器”

（1） 科學目標

“木星木衛二軌道器”的探測目的是確定木星系統是否存在適合人類居住的天體。其科學目標有5個方面：

（2） 任務概述

2020年2月，“木星木衛二軌道器”將由宇宙神－5運載火箭發射，在行星際飛行階段采用金星-地球-地球引力助推軌道（VEEGA），計劃于2025年12月進入木星軌道。在進入木星軌道前，探測器利用木衛一的引力助推作用，從而減少進入木星軌道所需要的燃料。

“木星木衛二軌道器”

在30個月的木星系旅行期間，“木星木衛二軌道器”的重要活動包括：4次與木衛一相遇，包括一次飛越火山羽煙；在進入木衛二軌道前，6次與木衛二相遇；6次與木衛三相遇，大范圍地探測木衛三的磁層；9次與木衛四相遇，其中至少有1次接近木衛四極區；連續監測磁層，有規律地監測木衛一和木星的大氣層；計劃于2028年7月進入木衛二軌道，最初運行在高200km、傾角為95°～100°的圓軌道，1個月后轉移到高100km的軌道；圍繞木衛二運行9個月，最終與木衛二相撞。

由于“木星木衛二軌道器”運行在很低的軌道上，因此它能評估木衛二內部的電磁學特性，觀測潮汐和褶皺，以高分辨率繪制其表面地形。其攜帶的探測雷達能確定冰的三維變化特征和鹽水的位置；質譜儀和熱成像譜儀可確定化學成分，并能尋找地質活躍的地區。

（3） 科學儀器

“木星木衛二軌道器”攜帶了11種科學儀器，下表列出了儀器名稱及主要性能。

3.3.2 “木星木衛三軌道器”

“木星木衛三軌道器”的首要探測目標是木衛三，木衛三是太陽系最大的衛星，直徑超過了水星。其表面覆蓋冰層，冰下可能有海洋。

（1）科學目的和科學儀器

“木星木衛三軌道器”的科學目的有5個：

表征木衛三的海洋、深層內部狀態、磁場、磁層，繪制其表面成分和地質特征；

在諧振軌道上研究木衛四，觀測木衛一的整體形態；

研究木星的大氣層；

監測太陽風，研究木星磁層與太陽風相互作用；

研究發生在木星系統內的相互作用。

“木星木衛三軌道器”

為了實現上述科學目標，探測器攜帶了多種科學儀器，分別是微型激光高度計、無線電科學儀器包、雷達、可見光/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、磁強計、等離子體包和亞毫米波探測器。

“木星木衛二軌道器”攜帶的11種科學儀器性能

整個木衛二木星系統任務的路線圖

（2） 任務過程概述

2020年3月23日，“木星木衛三軌道器”將由阿里安－5火箭發射，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日進入木星軌道，利用木衛三的引力助推作用，進入初始大橢圓軌道，目的是躲開木星的主輻射帶。接著，對木星系統進行近10個月的探測，19次飛越木衛三，最近距離200km。在圍繞木衛四的諧振軌道運行1年多以后，探測器轉移到近地點200km、遠地點6000km的橢圓軌道，并在這個軌道上運行80天，在木衛三的磁層中進行觀測。之后，探測器進入200km高的近極地圓軌道，靠近木衛三觀測140～180天（觀測時間取決于積累的輻射總劑量和軌道穩定性）。整個任務于2029年2月6日結束，屆時探測器將飛行3254天，最后撞擊到木衛三表面。

3.3.3 技術挑戰

在木衛二木星系統任務中，探測器將面對非常強的高能電子輻射環境；由于距離太遠，太陽常數低，因此對太陽電池要求高；大多數時間里探測器工作在低溫環境，而在飛越金星附近時遭遇非常高的溫度環境；在行星際飛行階段，探測器要利用金星-地球-地球引力助推軌道，而且“木星木衛三軌道器”還要多次利用小天體的引力助推作用，期間的導航操作異常復雜。

3.4 “土衛六土星系統任務”（TSSM）

“土衛六土星系統任務”探測器由軌道器、氣球和著陸器三部分組成。軌道器采用三軸穩定方式，干質量為1613kg，其中科學有效載荷有7種儀器，質量為165kg。探測器在內太陽系飛行時使用3臺離子發動機。氣球由多任務放射性熱電發生器提供浮力，直徑為10.5m，在土衛六（Titan）大氣層內距離其表面10km高度飛行，正常任務期為6個月，發射質量為600kg，攜帶了8種科學儀器，通過軌道器攜帶的0.5m高增益天線進行數據中繼。著陸器的目標是土衛六北部的海洋，它由電池供電，設計任務期為9h，質量為190kg，攜帶了5種科學儀器，經軌道器的X頻段遙測中繼。

3.4.1 科學目標

“土衛六土星系統任務”的目的有三方面：

探索與地球系統類似的土衛六。研究土衛六作為一個系統時是怎樣運行的；與地球的異同；其地質學、水文學、氣象學和星體大氣物理學之間的關系。

檢驗土衛六的有機物——生命前分子的路徑。土衛六大氣層、湖、表面和推斷的表面下海洋中有機化學的組成是什么；這種有機物與已知的、在流星體中發現的無生命有機物質有什么不同；對研究太陽系中神秘的起源有什么意義。

“土衛六土星系統任務”由軌道器、著陸器和氣球組成

探索土衛二（Enceladus）和土星的磁層。土星的磁層、太陽風和土衛六之間的能量和物質交換是怎樣的；土衛二噴泉的源是什么；噴泉的源中是否存在復雜的化學反應。

為了實現上述目的，該計劃確定了相應的科學目標。

（1）探索土衛六的科學目標

測量從特殊的源輸入到土衛六大氣層的輻射通量，這些源包括磁層、熱電子和離子、太陽紫外和極紫外輻射。

從兩方面研究了解氧原子的源。一是外源，如磁層；二是來自表面的源，如火山活動或其他過程。

大氣層成分的分布及控制這種分布的過程。

大氣層化學和動力學狀態。

確定土衛六表面液體含量。

表面形態及其演化的歷史。

探索表面下海洋的特性。

土衛六的內部結構。

（2）探索土衛六有機物的科學目標

了解土衛六表面和大氣層中復雜有機物的結構；

表面有機物與大氣層有機物的差別；

表面下海洋存在的證據；

甲烷的源。

（3）探索土衛二和土星磁層的科學目標

研究土星磁層對土衛六大氣層的效應；

土星衛星的熱演變；

土衛二羽煙的化學成分；

土衛二熱異常的源；

“土衛六土星系統任務”中的軌道器

確定是否有活動羽煙噴出的裂縫，探測器可以接近裂縫獲取新鮮水冰樣本。

3.4.2 科學儀器

“土衛六土星系統任務”探測器的軌道器、氣球和著陸器都各自攜帶了科學儀器。軌道器上的科學儀器有高分辨率成像儀和光譜儀（HiRIS），土衛六穿透雷達和高度計（TiPRA），磁強計、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），無線電科學與加速度計（RSA），高分子質譜儀（PMS）。氣球上的科學儀器有氣球成像光譜儀（BIS）、土衛六氣球的可見光成像系統（VISTA）、大氣層結構儀器/氣象包（ASI/MET）、土衛六電環境包－B（TEEP－B）、土衛六雷達探測器（TRS）、土衛六氣球化學分析器（TMCA）、磁強計（MAG）、探測器/氣球遙測系統無線電科學（MRST）。著陸器上的儀器有土衛六著陸器化學分析器（TLCA）、土衛六探測器和燈（TiPI）、大氣層結構儀/氣象包-土衛六電環境包（ASI/MET-TEEP）、表面性質包和帶有磁強計的聲傳感器包（SPP）、探測器和著陸器遙測系統的無線電科學（LRST）。

3.4.3 任務設計概述

（1） 發射與行星際飛行

2020年9月，“土衛六土星系統任務”探測器將由宇宙神－5火箭發射，開始執行9年的行星際飛行，在此期間利用太陽電推進技術，并結合金星和地球的引力助推作用。具體過程包括：2020年12月1日開始使用太陽電推進；2021年10月7日，在距離地球16900km時飛越地球；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日結束太陽電推進。探測器計劃于2029年10月到達土星。

（2） 繞土星航行階段

這個階段開始于2029年10月28日進入土星軌道時。在其后2年的繞土星航行期間，16次飛越土衛六，7次飛越土衛二。氣球在第1次飛越土衛六時被發射；著陸器在第2次飛越土衛六時被發射。

探測器在進入土星軌道后，執行1次氣球定向機動（BTM），使氣球指向20°（N）；2030年2月7日探測器釋放氣球，氣球在早晨被釋放，到夜幕降臨時約有6個地球日執行科學任務。接著，軌道器進行近地點升高機動，降低逃逸速度，以便執行第2次土衛二飛越，并釋放著陸器（有21天的窗口）。著陸器的著陸點在克拉肯（Kraken）海，由于著陸時沒有陽光照射，因此設計了一只照明燈。

（3） 進入土衛六軌道

2031年9月29日探測器將進入土衛六軌道。在圍繞土衛六飛行22個月期間，首先是2個月的氣動制動，使遠地點高度由15000km降低到1500km，探測器將運行在高1500km、傾角為85°的近極地圓軌道。

在探測任務結束時，軌道器將進行一次小的離軌機動，使其高度衰減，最終的撞擊點偏離表面可能有水的區域幾百千米，這是從行星防護的角度考慮的。

3.4.4 科學亮點

“土衛六土星系統任務”探測器的科學亮點在于：第一次實地探測地球以外的海洋；第一次實地探測地外天體的有機化學；第一次長時間直接探測土衛六復雜的低層大氣層風；第一次不受土衛六電離層阻礙尋找永久磁場；第一次實地探測土衛六冬天的極區環境；第一次高精度繪制土衛六表面圖，能辨別沉積的物質、構造和低溫火山過程；第一次直接探測土衛二的羽煙；第一次探測土衛六的未知層（400～900km）；第一次獲得用于研究土衛六內部結構和外殼結構的高階重力分布圖；第一次驗證土衛六磁場是內在磁場還是感應磁場。

3.5 其他天體探測計劃

3.5.1 美國的探測計劃

金星探測計劃包括“金星實地探索者”（VISE，2015年）、“金星移動探索者”（VME，2020年）、金星取樣返回任務。

海王星探測計劃有“海王星-海衛一探索者”（NTE）。

彗星探測計劃有彗核取樣返回（2015年）。

小行星探測計劃有黎明號小行星探測器（已于2007年9月27日發射，2011年9月到達灶神星，2015年2月到達谷神星）、小行星取樣返回（2015年）。

木星探測計劃有“朱諾”（Juno）探測器，它將于2011年8月發射，主要目的是研究木星是怎樣形成的，是否有固體內核，大氣層深處的特征。

冥王星與開泊帶探測計劃有“新地平線”探測器，它已于2006年1月19日發射，計劃2015年7月到達冥王星，探測冥王星的表面成分、地質特征和大氣層特性，并在2016－2020年探索開泊帶天體。

3.5.2 其他國家和地區的探測計劃

歐洲航天局與日本合作研制的水星探測器——“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，計劃于2013年發射，2019年8月到達水星，使用太陽電推進技術。

“朱諾”木星探測器

“貝皮-哥倫布”探測器

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

4 未來探索的特點和技術挑戰

4.1 未來探索的特點

載人探測是許多國家追求的目標。除了美國已經制定了完整的載人登月計劃之外，俄羅斯、歐洲、日本、印度等國家和地區也初步制定了載人登月計劃，美國和歐洲航天局還提出了載人探測火星的計劃。

探測范圍更加廣泛。未來的探索范圍從內太陽系到外太陽系，從行星、小行星、彗星、巨行星及衛星到開泊帶天體，涉及更遠、環境更極端的天體。

探測方式多樣化。在一次任務中將采用多種探測方式，如飛越、環繞、著陸等。

廣泛采用先進技術。包括新型推進技術、電源技術、探測技術等。

科學目標更加明確。未來的探測是以往普查基礎上的詳查，對儀器的水平要求更高，科學目標更明確、更嚴謹。

多項計劃是國際合作的產物。

4.2 主要的技術挑戰

（1）推進技術包括大推力運載火箭、多功能上面級火箭、太陽電推進和高級化學推進。

（2）通信與導航技術深空通信網（DSN）直接對地通信，包括大孔徑天線與小孔徑天線陣；就近中繼連接，如月面導航站、火星表面導航站、火星中繼衛星。新型空間通信導航技術包括量子秘鑰空間分發技術、激光通信技術、太赫茲（0.3～20THz）空間通信技術、納米通信器件技術、星載智能天線技術、量子定位系統、脈沖星導航技術等。

（3）電源技術放射性同位素電源系統、適于低溫環境的太陽能電源以及能源存儲技術。

（4）軌道設計廣泛利用引力助推軌道，多次飛越行星軌道的最佳設計。

（5）自主運行自主操作、軟件檢驗和生效、在軌數據處理方法與設備。

（6）著陸技術涉及軌道進入、氣動制動、氣動捕獲、降落傘、反沖火箭、氣囊、太空吊車和漫游車等技術。

（7）極端環境涉及高溫高壓、極高熱通量、強輻射、極度嚴寒環境。

（8）科學儀器包括新型遙感儀器和實地分析儀器。目前正在發展的新型遙感儀器包括大口徑、可展開新型光學望遠鏡，互補金屬氧化物半導體/主動像元傳感器（CMOS/APS），超導隧道結（STJ）光學輻射探測器，分布式讀出成像探測器（DROIDS），比例尺立體測繪儀，稀疏孔徑成像儀，顯微相機（Microcam）等。新型實地分析儀器包括X射線衍射光譜儀，激光質譜儀（LMS），生命標志芯片（LMC），有機分子分析器（MOMA），介電常數探測器，微成像塵埃分析系統（MIDAS），互阻抗探針（MIP），行星大氣層結構探測器等。

5 結束語

我國應認真研究和借鑒國外的經驗，根據我國的經濟和技術制定切實可行的探測計劃。在跟蹤國外先進技術發展的同時，盡快掌握在太陽系探索中起重要作用的探測技術。對制約我國空間探測發展的關鍵技術要制定攻關計劃和驗證計劃。 (全文完)