「伽利略」號木星探測器

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更新時間: 2013-09-17

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伽利略號探測器是美國宇航局一艘無人航天器,專門用作研究木星及其衛星。它以文藝復興時期義大利天文學家伽利略的名字來命名,1989年10月18日由太空梭亞特蘭蒂斯號運送升空,於1995年12月7日接近木星。由於燃料的消耗,且在發射前並未通過無菌處理,為免與木衛二碰撞,造成污染,2003年9月21日伽利略號以每秒50公里的速度墜落木星大氣層,結束它長達14年的任務。

「伽利略」號木星探測器 -命名

1609年12月,義大利科學家伽利略造出了能放大33倍的望遠鏡,並用它發現了木星的衛星。之後,他又發現了3顆木星的衛星。這4顆衛星就是木衛1、2、3、4,它們後來被稱作「伽利略衛星」。400多年之後,為了紀念這位偉大的科學家,美國還以他的名字命名了世界第一個大型木星探測器,「伽利略」木星探測器就這樣誕生了。

「伽利略」號木星探測器 -概述
「伽利略」號木星探測器「伽利略」號木星探測器

1976年,科學家們設想對木星及其「伽利略衛星」——木衛一伊娥、木衛二歐羅巴、木衛三干尼梅德和木衛四卡利斯托實施一次探測任務。1977年夏天,國會批准了經費,項目開始籌備起來。到1982年,探測器發射的時間表得以確定。按照計劃,「伽利略號」將是第一個由太空梭發射的探測器。實際上,「伽利略號」還承擔著幫助當時還處於起步階段的太空梭樹立起美國未來太空探索主要工具的任務。然而,事情卻就此急轉直下。太空梭和探測器自身的問題使「伽利略號」的發射時間一再推后,從1982年先後改期為1984年、1985年、1986年,最後終於定在1989年。在這期間,它經歷了預算削減、政治風波、5任總統的更替、數次徹底的重新設計、 「挑戰者號」太空梭的失事,依然頑強地堅持了下來。1989年10月18日,儘管已經錯過了最理想的發射時機(1982年),儘管因為動力的限制它必須選擇一條迂迴前進的路線——繞過金星一次、地球兩次以獲得足夠的引力加速度,「伽利略號」還是由「亞特蘭蒂斯號」太空梭帶入太空,開始了自己的征程。 「伽利略」號探測器是迄今世界上發射的最複雜、最先進的行星際探測飛船,它是用來執行美國經過10年精心準備的最重要的木星探測計劃的。

由於「伽利略」木星探測器改用了推力較小的波音公司的「慣性末級」助推火箭,所以它只能選用借金星和地球重力加速繞道飛行路線。這樣一來,「伽利略」號需歷時約6年才能抵達木星,行程約為40億公里,而直接飛向木星的原計劃僅需用2.5年的時間。

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「伽利略」號木星探測器 -構造
「伽利略」號木星探測器「伽利略」號木星探測器

「伽利略」號探測器呈不規則長形體.總重約2717千克,由木星軌道器和再入器兩部分組成,在到達木星前約150天時,兩者分離,軌道器環繞木星運行探測;再入器深入水星大氣層考察。

軌道器是由美國的噴氣推進實轉室設計、製造和操作的,其總重為2378千克,正常情況下以3.15轉/分自旋穩定。其上的主要設備為;推進艙,包括一個機動推力器和一個單一入軌推力器,與推進劑一起共重約1185千克;2台放射性同位素熱電偶發電機,可提供0~480瓦的電力;一個約5米直徑的高增益地球通信天線,用S和X波段與地球通信,定向精度為0.1度。軌道器上還裝有很多精密的探測儀器,主要包括:CCD攝像機,發回的照片清晰度比「旅行者」探測器的高20~1000倍,可分辨出木星衛星表面3O~50米範圍的細節;近紅外繪圖分光計,可探測出氮、磷化氫、水、甲烷、鍺等組分;紫外分光計能探測出氮、氫和氧等;光子偏振、輻射計,可以測量偏振光和光強度;磁強計、高能粒子檢測儀、等離子體檢測儀、等離子體波分系統(測量電場和磁場變化)、塵埃粒子檢測儀和重離子計數器等,可用於對木星磁層等的研究。

再入器是由美國航天局的艾邁斯研究中心負責設計,休斯飛機公司創造的。其外形呈扁錐體,總重約339千克、其中僅防熱殼就重達220千克。其上有2台1波段發射機、能以128比特/秒的速率發送測量數據,經軌道器中繼到地球。再入器上的探測儀器有:大氣結構檢測儀,能測量木星大氣的溫度、壓力等;中性質譜儀,可測定木星大氣組分;氦分量檢測儀,用於測定木星大氣中的氦氣含量;測雲計、純流量輻射計以及光和射電檢測儀等。

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「伽利略」號木星探測器 -工作原理
「伽利略」號木星探測器「伽利略」號木星探測器

「阿特蘭蒂斯」號太空梭於12時54分從肯尼迪航天中心發射,帶著重約17.5噸的「伽利略」號和「慣性末級」聯合體進入約300公里的太空軌道:在飛行到6小時21分鐘時,於墨西哥灣上空將聯合體釋放入空間。1小時后,兩級「慣性末級」助推火箭相繼點火;當使探測器加速到相對地球11.26公里/秒的速度時,探測器產生2.9轉/分的自轉,並於太平洋上空與助推火箭分離,奔向金星,進入環繞太陽飛行的行星軌道。

1990年2月「伽利略」號飛越金星時,首先藉助金星重力加速飛行;繼而於1990年12月8日在離地球960公里處飛過,第一次藉助地球重力加速,進入較大的橢圓軌道環繞太陽飛行;1992年12月8日,探測器從距地球296公里處飛過,第二次藉助地球重力加速,使其相對太陽的運行速度達到141530公里/小時,從而進入飛向木星的更大半橢圓軌道,於1995年12月7日到達木星。

為了儘可能發揮「伽利略」號探測器的作用,在其飛在木星的旅途中,對途徑的金星、地球月球和小行星等進行多方面的探測。利用探測器上攜帶的電視攝象機、紅外分光計、紫外分光計和塵埃檢測儀等,觀測地球南極臭氧層的破壞情況,尋找「溫室效應」氣體;搜索出現在赤道區平流層上空的水;測量地球遙遠磁層內的等離子;遙遠距離拍攝地球影片:觀測月球未被繪的區域;尋找從月球表面擴散的氫;測量地球周圍的塵埃;觀測金星;測量星際介質;測量太陽風和磁場;觀測GasPra和Ida等小行星。

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探測木星

軌道器於1995年7月到達木星軌道前150天,放出大氣探測器后,沿著木星橢圓軌道執行探測任務,並繞木星飛行22個月,拍攝木星及其衛星的照片;大氣探測器深入木星大氣層深處探測大氣層的成分和物理特性。這個探測器以每秒48千米的速度進入狹窄的通道進入大氣層,它承受了400克的加速度,表面壓力高達14.2×106帕,表面溫度高達7800℃高溫,在它打開降落傘徐徐下降的過程中,展開了各種測量工作。隨著高度下降,大氣壓力和氣溫越來越高,最後高達2.03×106帕,這時,球形探測器被壓垮,整個工作歷時1小時。探測器將完成對木星大氣層的溫度、壓力和大氣組分等測量工作並將數據送回地球。

探測任務
軌道器到達木星範圍后,環繞木星飛行22個月,共運行11圈,對木星及其衛星實施近距探測。它完成三方面的探測任務:對木星本身、木星的衛星和木星強大磁場產生的複雜磁層進行觀測;測定木星大氣的化學組分、雲粒子性質、雲層位置和輻射熱平衡;探測研究木星大氣的環流和動力學、高空大氣層和電離層、等離子體分佈、高能粒子分佈、木星的能源及其組分、木星衛星的磁層相互作用等。

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「伽利略」號木星探測器 -發現
「伽利略」號木星探測器「伽利略」號木星探測器

「伽利略號」在沒有看到木星之前觀測到許多此前從未被近距離觀測過的天體。

1991年10月,在飛過小行星帶時,「伽利略號」拍下了小行星Gaspra的照片。這是人類第一次獲取一顆小行星的近距離圖像。不到一年後,「伽利略號」又拍下了另一顆小行星Ida,並發現了它的衛星dactyl——第一顆小行星的衛星。1994年,它還直接觀測到了蘇梅克-利維9號彗星撞擊木星的經過。在長達6年的飛行后,1995年,「伽利略號」終於抵達了木星,立刻開始了對木星大氣層及表面的觀測。

但是,「伽利略號」的觀測能力卻因為它的主天線——高增益天線(High-Gain Antenna)的故障而大大打了折扣。因為發射時間延遲而帶來的飛行路線改變,為了保護「伽利略號」上的高增益天線免受超過預計的太陽熱量的損害,在1990年12月它第一次飛過地球時,項目工程師將傘狀的高增益天線收了起來,通過剩下的一對低增益天線以較慢的速率發送和接收數據。然而,1991年4月,當「伽利略號」遠離太陽,過熱的危險解除后,直徑4.8米的高增益天線卻再也打不開了。特別行動小組進行了大量試驗,終於發現,可能是天線的18根「傘骨」中的幾根(可能是3根)在合攏時卡住了。儘管工程師和科學家們花了很多力氣來打開這些傘骨,結果卻全是枉然。從1993年到1996年間,因為其他一些配套設備的改進,伽利略項目的工程師們使用低增益天線和臨時改裝的數據速記系統,依然取得了許多驚人的成就。

1995年7月13日,「伽利略號」攜帶的降落探測器與主飛行器分離,開始朝著木星做自由落體運動。5個月後,這個鍋形的探測器在1995年12月7日以每小時17萬公里的速度沖入木星大氣,在打開降落傘后緩慢下降200公里。在這個長達58分鐘過程中,它在相當於地球表面氣壓23倍的環境下向「伽利略號」發回了火星大氣中的日照、熱流、壓力、溫度、風、閃電和大氣成分等數據,遠遠超出了當初設計時的預想。

儘管完成最初任務中4次飛過干尼梅德、3次飛過卡里斯托和3次飛過歐羅巴使「伽利略號」飽受輻射重創,但在6年前,它的預定任務完成後,伽利略項目的科學家們發現,「伽利略號」依然老當益壯。1997年12月,「伽利略號」的服役期第一次被延長。在延長期中,它的主要研究對象被定位成木衛二歐羅巴和木衛一伊娥。

歐羅巴是最讓科學家們興奮的一顆衛星。在延長的服役期中,「伽利略號」一共8次飛過歐羅巴。發回的大量數據顯示,在這顆冰封的星球表面之下,可能覆蓋著遼闊的海洋。而如此眾多的液態水,很可能預示著某種形態的生命的存在。

此外,在「伽利略歐羅巴任務」和「伽利略千年任務」中,伽利略號觀測到了伊娥上令人驚心動魄的火山噴發場景,干尼梅德奇異的磁場,卡里斯托傷痕纍纍的表面,並為「卡西尼號」探測器提供了幫助。

「伽利略」號木星探測器 -最後貢獻

「伽利略」原定工作到1997年,但該探測器一直進行著卓有成效的探測,於是美國航空航天局幾次延長它的工作壽命。美國航空航天局專家原本計劃讓「伽利略」在環木星軌道上運行下去。但考慮到「伽利略」的燃料即將用盡,在木星引力的作用下,其運行軌道有可能發生變化,並有可能導致該探測器與木衛2相撞。那樣的話,附帶在「伽利略」上的地球微生物就會被帶至木衛2,使木衛2受到「災難性的」污染,同時可能摧毀該星球上的「可能存在的生物」,未來對該星球研究的準確性就會大為降低。因此,科學家決定讓「伽利略」墜毀於木星。

2003年9月21日,「伽利略」木星探測器運行到木星背面,然後以每小時約17萬千米的速度墜入木星大氣層。它與木星大氣層摩擦的高溫使該探測器發生劇烈燃燒,並最終墜毀於木星,結束了長達14年的使命。美國航空航天局噴氣推進實驗室對外宣布,該實驗室在美國東部時間21日下午3時40分與「伽利略」號徹底失去了聯繫,比預定的時間早了2分36秒。

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