伽利略计划
伽利略计划（英语：Galileo Project）是美国太空总署的一项透过机器人进行太空探索的计划，旨在研究木星及其卫星，并探索其他太阳系天体。该计划以意大利天文学家伽利略·伽利莱命名，而当中就使用了伽利略号探测器，其构造由一个轨道器和一个大气探测器组成。1989年10月18日，伽利略号探号测器由亚特兰蒂斯号航天飞机在STS-34任务中送入地球轨道，并在经过金星和地球的重力助推后于1995年12月7日到达木星，成为第一个进入木星轨道的探测器。
 艺术家概念图：伽利略号在木卫一前方，背后是木星。图中高增益天线完全展开，但实际上天线未能展开。 | |||||||||||||||||||||||
| 名称 | 木星轨道探测器 | ||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 任务类型 | 木星轨道器 | ||||||||||||||||||||||
| 运营方 | 美国太空总署 | ||||||||||||||||||||||
| 国际卫星标识符 | 1989-084B | ||||||||||||||||||||||
| 卫星目录序号 | 20298 | ||||||||||||||||||||||
| 网站 | solarsystem | ||||||||||||||||||||||
| 任务时长 |
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| 旅行距离 | 4,631,778,000 km（2.88 × 109 mi）[1] | ||||||||||||||||||||||
| 航天器属性 | |||||||||||||||||||||||
| 制造方 | |||||||||||||||||||||||
| 发射质量 | |||||||||||||||||||||||
| 干质量 | |||||||||||||||||||||||
| 有效载荷质量 | |||||||||||||||||||||||
| 功率 | |||||||||||||||||||||||
| 任务开始 | |||||||||||||||||||||||
| 发射日期 | 1989年10月18日 16:53:40 UTC[3] | ||||||||||||||||||||||
| 运载火箭 | 航天飞机 亚特兰蒂斯号 STS-34/惯性上面级 | ||||||||||||||||||||||
| 发射场 | 肯尼迪 LC-39B | ||||||||||||||||||||||
| 运营开始时间 | 1995年12月8日, 01:16 UTC SCET | ||||||||||||||||||||||
| 任务结束 | |||||||||||||||||||||||
| 丢弃形式 | 控制进入木星 | ||||||||||||||||||||||
| 离轨日期 | 2003年9月21日 18:57:19 UTC | ||||||||||||||||||||||
| 飞掠金星（重力助推） | |||||||||||||||||||||||
| 最接近 | 1990年2月10日[4] | ||||||||||||||||||||||
| 距离 | 16,000千米（9,900英里） | ||||||||||||||||||||||
| 飞掠地球（重力助推） | |||||||||||||||||||||||
| 最接近 | 990年12月8日和1992年12月8日 | ||||||||||||||||||||||
| 距离 | 960千米（600英里） and 303千米（188英里） | ||||||||||||||||||||||
| 飞掠加斯普拉星 | |||||||||||||||||||||||
| 最接近 | 1991年10月29日 | ||||||||||||||||||||||
| 距离 | 1,601千米（995英里） | ||||||||||||||||||||||
| 飞掠艾女星 | |||||||||||||||||||||||
| 最接近 | 1993年8月28日 | ||||||||||||||||||||||
| 距离 | 2,400千米（1,500英里） | ||||||||||||||||||||||
| 木星轨道器 | |||||||||||||||||||||||
| 航天器组件 | 轨道器 | ||||||||||||||||||||||
| 入轨 | December 8, 1995, 01:16 UTC SCET | ||||||||||||||||||||||
| 木星大气探测 | |||||||||||||||||||||||
| 航天器组件 | 探测器 | ||||||||||||||||||||||
| 进入大气 | 1995年12月7日, 22:04 UTC SCET[5] | ||||||||||||||||||||||
| 撞击点 | 06°05′N 04°04′W / 6.083°N 4.067°W 进入界面 | ||||||||||||||||||||||
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背景
编辑木星是太阳系中最大的行星，其质量超过其他所有行星的总和。[6]早在1959年，美国太空总署的喷气推进实验室就开始考虑向木星发射探测器的可能性。1969年，美国太空总署批准了两个木星探测计划：先锋10号和先锋11号，这两个探测器分别于1972年和1973年发射，并在1973年和1974年成功飞越木星。[7]接下来是更先进的旅行者1号和旅行者2号，分别于1977年发射，并在1979年到达木星。[8]
计划
编辑发起
编辑在批准旅行者计划后，太空总署的外太阳系任务科学顾问组考虑了木星轨道器和大气探测器的需求。他们指出，当时尚无技术制造适合木星条件的大气探测器热盾，而且相关测试设施要到1980年才会出现。此外，对辐射对航天器元件影响的担忧在先锋10号和先锋11号飞越木星后有所缓解。1973年12月，先锋10号的飞越显示，辐射影响并不像预期那么严重。太空总署指定喷气推进实验室为“木星轨道探测器”项目的主导中心。[9]约翰·卡萨尼曾领导水手号和旅行者号计划，成为首任项目经理。[10]
准备
编辑为了提高可靠性和降低成本，项目工程师决定将加压大气探测器改为通风型，这样探测器内外的压力相同，延长其在木星大气中的寿命，但这增加了100公斤的重量。结构改进又增加了165公斤，这需要额外的燃料。三阶段的惯性上面级（Inertial Upper Stage，简称IUS）本身超重约3200公斤。[11][12][13]为了提升伽利略号和三阶段IUS，航天飞机需要特制的轻量化外部燃料箱、去除所有非必要设备的航天飞机轨道器，并且航天飞机主引擎需要以109%的额定功率运行。为此，需要开发更复杂的引擎冷却系统，这引发了对引擎能否在发射日期前达到109%功率的担忧，因此使用火星的重力助推来代替直接飞行。[14]
伽利略号探测器
编辑喷气推进实验室建造了伽利略号探测器，并负责统筹伽利略计划的工作，而西德的塞施密特-伯尔科-布洛姆公司提供了推进模块，阿姆斯管理大气探测器，该探测器由休斯飞机公司制造。发射时，轨道器和探测器的总质量为 2,562千克（5,648英磅），高度为6.15米（20.2英尺）。轨道器上有十二个实验设备，大气探测器上有七个实验设备。轨道器由一对通用热源热电机提供动力，使用钚-238燃料，发射时功率为570瓦。大气探测器则配有一个额定功率为730瓦时的锂-硫电池。[15]}}[16]
探测器的仪器包括测量大气温度和压力的传感器。还有一个质谱仪和一个氦丰度检测器用于研究大气成分，以及一个哨子探测器用于测量闪电活动和木星的辐射带。还有磁强计传感器、等离子波探测器、高能粒子探测器、宇宙和木星尘埃探测器以及重离子计数器。近红外映射光谱仪用于大气和卫星表面化学分析的多光谱图像，紫外光谱仪则用于研究气体。[16]
重新考量
编辑
伽利略号 · 木星 · 地球 · 金星 · 加斯普拉星 · 艾女星
1986年1月28日，挑战者号航天飞机在STS-51-L任务中升空，73秒后固体火箭助推器故障，导致航天飞机解体，七名机组人员全部遇难。这一灾难使伽利略计划的发射日期无法赶上，因为航天飞机被停飞调查事故原因。1986年6月6日，罗杰斯委员会对挑战者灾难发表报告，[17]批评了太空总署的安全协议和风险管理，[18]特别是对Centaur-G阶段的危险。1986年6月19日，太空总署署长詹姆斯·C·弗莱彻宣布航天飞机-Centaur项目终止。[19]此决定部分由“挑战者号”灾难后太空总署高层对风险的态度转变所致；同时，NASA评估了使航天飞机重返航线所需资源，认为无足够资源解决航天飞机-Centaur项目的问题。[20]对航天飞机的改造超出预期，1987年4月，喷气推进实验室被告知，伽利略号无法在1989年10月如期发射。伽利略号因此被运回实验室。[21]
失去Centaur，伽利略号的木星之旅看似无望。当时，《洛杉矶时报》科学记者乌莎·李·麦克法灵形容，“伽利略号的唯一旅行仿佛仅限于到访史密森尼学会。”[22]维持随时待命状态的开支估计每年为四千万至五千万美元，而项目总开支已增至十四亿美元。[23]
在喷气推进实验室，伽利略任务设计经理兼导航团队主管罗伯特·米切尔组建了一支包括丹尼斯·伯恩斯、路易斯·达玛里奥、罗杰·迪尔和自己的团队，探索利用两级IUS将伽利略号送抵木星的可能性。罗杰·迪尔提出的金星-地球-地球重力助推（VEEGA）轨道概念，通过金星和地球的飞越增益速度，成为关注焦点。[24]
VEEGA轨道未被先前考虑的一个原因是，第二次地球飞越并不能为航天器提供额外能量。迪尔意识到，这并非必要；第二次地球飞越的作用为调校航向，确保其正确朝向木星。尽管延长了飞行时间，VEEGA轨道从太空总署深空网络（DSN）角度看，存在一个缺点：伽利略号抵达木星时距离地球最远，信号最弱。其倾角为南纬23度，而非预期的北纬18度，因此追踪站将是澳大利亚的堪培拉深空通信中心，拥有两座34米和一座70米天线。北纬赤道倾角可由戈德斯通和马德里两站支持。堪培拉的天线系统得到了帕克斯天文台64米天线的补充。[25][26]
最初假设VEEGA轨道需在11月发射，然而，达玛里奥和伯恩斯的计算显示，金星与地球之间的中途修正允许10月发射。采用迂回路线意味着伽利略号到达木星需耗时六十个月，而非原先的三十个月，但最终能够抵达。曾考虑使用美国空军的Titan IV发射系统及其Centaur G Prime上级火箭，这一方案一度作为备选。然而，1988年11月，美国空军通知NASA，因国防部高级任务的积压，无法在1991年5月的发射窗口前提供Titan IV火箭。然而，美国空军提供了IUS-19，原本预留于国防部任务，以供伽利略号使用。[27]
发射
编辑伽利略计划的STS-34任务在亚特兰蒂斯号航天飞机上进行，原定于1989年10月12日发射。为了防范反核活动人士或恐怖分子的劫持，航天飞机以高速卡车车队从喷气推进实验室秘密运输到肯尼迪航天中心。三个环保组织试图通过法院禁令阻止发射，但被驳回。伽利略最终于1989年10月18日16:53:40 UTC成功发射，并在10月19日00:15 UTC成功部署。IUS燃烧后，伽利略号航天器进入单独飞行配置，并于10月19日01:06:53 UTC与IUS分离，成功前往金星。亚特兰蒂斯号于10月23日安全返回地球。
发射与木星之旅
编辑1989年10月18日，伽利略号探测器由亚特兰蒂斯号航天飞机成功发射。探测器于1990年2月10日飞越金星，并于1990年12月8日和1992年12月8日两次飞越地球，利用重力助推加速前往木星。1991年10月29日，伽利略探测器飞越小行星951 Gaspra，成为第一个飞越小行星的探测器。
木星探测
编辑伽利略探测器于1995年12月7日到达木星，并释放了大气探测器进入木星大气层。探测器记录了木星大气的组成和氨云，以及木星卫星的火山活动和等离子体相互作用。数据支持了欧罗巴冰层下存在液态海洋的理论，并表明在盖尼米德和卡利斯托的表面下也可能存在类似的液态盐水层。
伽利略号探测器发现了木星的微弱环系统由四颗小内卫星的撞击事件产生的尘埃组成。探测器还发现木星的磁层结构和范围。伽利略的主要任务于1997年12月7日结束，但轨道器进行了一个名为伽利略欧罗巴任务的延长任务，并持续到1999年12月31日。由于探测器超过预期运行时间，伽利略千禧任务随后被授权，并持续到2003年。
主要发现
编辑伽利略计划带来了许多重要的科学发现，包括确认木星的大气成分与氨云，并首次观测到木星大气中存在[氨云；发现木星卫星伊欧上存在大规模的火山活动，其频率和强度远超过地球；支持欧罗巴冰层下存在液态海洋的理论，并发现盖尼米德和卡利斯托表面下可能存在类似的液态盐水层；发现盖尼米德拥有自己的磁场，是第一颗已知拥有磁场的卫星；以及确认木星的环系统由四颗小内卫星的撞击事件产生的尘埃组成。
任务结束
编辑伽利略探测器于2003年9月21日以每秒超过48公里的速度进入木星大气层，结束了其14年的太空探索旅程。这一举措旨在防止探测器可能携带的地球细菌污染木星的卫星，特别是欧罗巴。
伽利略计划对木星及其卫星的理解提供了重要的科学数据，并为后续的探索任务奠定了基础。未来的任务如朱诺号和欧罗巴快船（将继续深入研究木星及其卫星，期待揭示更多的科学奥秘。
引用
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