图解深空探测史

文/叶楠

木星探测

木星是太阳系内体积和质量最大的行星，在地球上我们借助望远镜可以比较容易地看到它的带状表面、大红斑以及它的几颗卫星。木星是一个气态巨行星，而且卫星众多，截至2018年，已知卫星数量至少有79个。

先驱者10号和11号：近距离飞掠木星

先驱者10号和11号探测器（左图）是一对“孪生兄弟”，采用六边形结构平台，高35.5厘米、宽142厘米、重258千克。探测器最明显的特征是直径2.74米的高增益天线，以及一对长3米的伸缩臂，每个伸缩臂上装有一组放射性同位素热电机，为探测器提供能量。由于先驱者10号和11号探测器都是向着太阳系外侧飞去，所以没有采用太阳能电源。除此以外，为避免本体金属器件的干扰，磁强计被单独安装在另一个长达5.2米的悬臂末端。探测器的姿态依靠太阳传感器和小行星传感器确定，通过安装在抛物面天线边缘的3对推进器进行控制。

“先驱者10号”于1972年3月3日由宇宙神-半人马座火箭发射升空，7月抵达小行星带内侧边缘，1973年2月顺利通过小行星带，成为第一个成功穿越小行星带的探测器。1973年12月4日，“先驱者10号”以每秒35公里的相对速度掠过木星，距离木星云层13.2万公里。

“先驱者11号”于1973年3月9日发射，1974年12月4日飞掠木星，距离木星云层最近只有4.25万公里，之后向着土星的方向飞去。右图是“先驱者11号”拍摄的木星光环。

旅行者1号和2号：众多新发现

旅行者1号和2号探测器（左图）也是一对“双胞胎”，重825.5千克，高增益天线直径3.7米，磁强计置于伸出本体13米远的悬臂上，新增加2根呈90度夹角、长10米的铍铜合金天线，采用放射性同位素热电机提供能源。旅行者2号和1号探测器分别于1977年8月20日和9月5日发射，虽然“旅行者2号”发射更早，但它沿黄道面飞行，影响了速度。1979年3月5日，“旅行者1号”率先飞掠木星，距离木星云层34.9万公里，“旅行者2号”随后于7月9日飞掠木星，距离57万公里。

旅行者1号和2号在飞掠过程中对木星及其卫星进行了多种科学观测，并有许多新发现：“旅行者1号”发现了木星大红斑的反气旋运动；发现了木星的光环；拍摄到木卫五的照片；新发现了木卫十四和十六；在木卫一上发现了正在喷发的活火山。4个月之后抵达木星的“旅行者2号”发现木星大气结构在这4个月里发生了显著的变化；大红斑出现了经度上的漂移；木卫一火山喷发进入了衰退期；木卫四表面呈现极大的不对称性；新发现木卫十五；木卫二完全被冰层覆盖（右图）。

伽利略号：首个环绕木星的探测器

伽利略号探测器（左图）是美国宇航局专门为探测木星及其卫星设计制造的，以意大利天文学家伽利略的名字命名。“伽利略号”重2562千克，高6.15米，高增益天线直径4.8米。伽利略木星探测计划始于1978年，最初计划于1982年1月发射，后因经费不足、飞行设计修改和挑战者号航天飞机失事等原因而先后9次变动计划，致使发射一再推迟，直到1989年10月18日，“伽利略号”搭乘阿特兰蒂斯号航天飞机顺利升空（右图）。

“伽利略号”的太空之旅并非一帆风顺。在飞向木星的过程中，“伽利略号”需要借助一次飞掠金星以及两次飞掠地球来得到引力加速。当它第一次飞掠地球之后，发现高增益天线无法完全展开（天线类似于雨伞的形状，由18根肋骨组成，但其中有3根无法弹出），后续只能依靠磁带记录器先行将数据存储和压缩，之后依靠低增益天线以比较慢的速度传回地球。但在进入木星轨道及环绕木星期间，磁带记录器也多次发生故障，丢失了许多探测数据。除此以外，木星严酷的辐射环境超出了“伽利略号”抗辐射设计极限至少三倍，在整个任务过程中使“伽利略号”出现20多处异常，虽然工作人员解决了大部分问题，但依旧有一些设备在强辐射中受损。

相遇小行星

1991年10月29日，“伽利略号”在进入小行星带两个月后与951号小行星加斯普拉相遇，以每秒8公里的速度飞掠而过，最近距离为1600公里。“伽利略号”对加斯普拉进行了拍摄（左图），并测量了它的化学组成和物理性质。通过分析照片发现加斯普拉的大小为19公里×12公里×11公里。

1993年8月28日，“伽利略号”从距离243号小行星艾达2400公里处飞掠，令人惊讶的是，“伽利略号”发现了艾达居然还有一颗小卫星，后被命名为艾卫（右图，右侧亮点为艾卫），这是人类发现的第一颗小行星的卫星。“伽利略号”通过测量发现艾达和艾卫的光谱存在差异，说明它们有着不同的来源。

进入木星大气

1995年7月10日，“伽利略号”携带的木星探测器（左图）与主体分离，并于12月7日直接进入木星大气层，初始速度为每秒47.8公里。这个探测器直径1.3米、重339千克，其中152千克是前端隔热罩的重量。进入木星大气后速度逐渐减至亚音速，隔热罩温度急剧上升并损耗约80千克。之后抛弃隔热罩，开启直径2.5米的降落伞（右图）。当降至距离木星大气层顶部156公里时，无线电通讯终止，最后测得的大气压力为23个标准大气压，温度达到154℃。整个过程持续了58分钟。这是人类首次得到一颗气态行星的内部数据。

环绕木星

伽利略作为天文望远镜的发明者在1610年就发现了木星的四颗卫星：木卫一、二、三、四，这四颗卫星也被称为伽利略卫星。近400年后，1995年12月8日，以他的名字命名的“伽利略号”经过6年的长途跋涉终于来到木星身边，近距离看到了伽利略卫星（上图），并在之后的近8年时间里环绕木星飞行了35圈，为人类提供了有史以来关于木星最丰富的信息：首次在木星大气中发现氨云团；发现木卫一有非常频繁的火山活动；发现木卫二冰层之下存在液体海洋的新证据；发现木卫三拥有自己的磁场，这是已知的第一颗拥有磁场的卫星；发现木卫二、三、四在其地表之下均有液态盐水层等等。随着“伽利略号”的燃料逐渐消耗殆尽，再加上木星辐射造成的损害，为了避免发射前未消毒的“伽利略号”可能带有地球上的细菌污染其他可能存在有机物的木星卫星，最终在2003年9月21日以坠落木星的形式结束了自己的使命。

朱诺号：拍摄到木星的高清照片

“朱诺号”（左图）是继“伽利略号”之后第二个环绕木星的探测器，于2011年8月5日由宇宙神V型运载火箭发射升空。“朱诺号”的发射质量为3625千克，大小为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日进入木星的极轨道，轨道高度为4200公里×8100000公里，轨道倾角为90度。与早期飞向太阳系外侧行星的探测器都以核能为能量来源不同，“朱诺号”依靠太阳能提供动力，它有三块太阳能电池板，每块长8.9米、宽2.7米，总重接近340千克，在木星附近时能够提供大约486瓦的电能。“朱诺号”的主要科学目标包括研究木星大气的成分，木星的引力场、磁场分布，搜寻木星形成的线索，木星是否有固态核心，木星大气中是否有水等等。右图是2019年5月“朱诺号”拍摄的木星北半球的高清照片。

带给木星的纪念品

除了科学仪器之外，“朱诺号”还携带了几件纪念品前往木星。其中有一块由意大利航天局提供的铝制铭牌（左图），大小为7.1厘米×5.1厘米，上面刻有伽利略在1610年观测木星时的手稿以及伽利略的画像。此外还有三个铝制乐高玩偶（右图），分别是伽利略、朱诺和朱庇特（由左至右）。朱庇特是罗马神话中的众神之王，传说在他的四周环绕着云雾，只有他的妻子朱诺能够看穿这层云雾，揭露朱庇特的本来面目。木星的英文“Jupiter”音译为“朱庇特”，这也是“朱诺号”名称的由来。三个乐高玩偶中，伽利略拿着望远镜和天球仪，朱诺手持放大镜，朱庇特手握象征雷电的武器。