近日，欧空局发布消息称，该局将在今年4月使用阿里安5大型火箭发射“木星冰月探测器”，以揭开木星系更多不为人知的奥秘。那么，“木星冰月探测器”任务有什么特点？它又将面临怎样的前景和挑战？
探测进入新阶段
木星是太阳系中最大的行星，质量是其他所有行星总质量的2.5倍，相当于个地球，体积达到地球的倍以上。木星也是一颗气态行星，由约90%的氢和10%的氦，以及一些其他气体组成。
“木星冰月探测器”工作想象图
截至目前，木星已知拥有79颗卫星，其中最大的4颗卫星分别是木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。
人类对木星充满兴趣，因为它的成分跟太阳极其相似，保留了太阳系形成初期的一些气态物质，木卫二、木卫三、木卫四还可能存在冰下海洋，有可能演化出生命。因此，木星系探测正在成为世界深空探测领域的热点，目的是提升人类对太阳系早期演化、木星磁场起源和地外生命的认知。
木星是太阳系第五远行星（从内向外），距离地球6.4~9.3亿公里。年，美国发射的先驱者10号探测器以35公里/秒的相对速度掠过木星，成为第一颗观测到木星的探测器。
次年，先驱者11号探测器在4.25万公里外掠过木星，两个“先驱者”向地球发回了大量关于木星的照片，初步揭开了木星的神秘面纱。
年，“旅行者1号”和“旅行者2号”掠过木星和卫星，开展了多项探测活动。“旅行者1号”发现木星大红斑的反气旋运动和木星光环，在木卫一上发现了正在喷发的活火山。4个月后抵达的“旅行者2号”发现木星大气结构出现显著变化，木卫一火山喷发进入了衰退期，并发现木卫二是一个完全被冰层覆盖的世界。
经历早期的飞跃探测后，美国在年发射的伽利略号探测器，首次进入环木星轨道。该探测器对整个木星系开展了综合探测，获得了木星大气的详细数据，确定了木星的磁场结构，并对木卫一到木卫四开展飞越观测，探测它们的化学成分和物理性质。
第二个环绕木星进行探测的是“朱诺号”。该探测器于年发射升空，至今仍在围绕木星轨道运行，目标是了解木星的起源和进化，包括探测木星大气的水含量，描绘木星重磁场结构等。
此次将要开展的“木星冰月探测器”任务，代表着人类对木星的探测进入到新阶段，表现为更频繁地利用木星卫星进行借力飞行，首次以环绕方式对木星的卫星开展详细探测。
复杂的探测任务
按照计划，“木星冰月探测器”要探测木星和木卫二、木卫三和木卫四。科学家对木星冰冷的卫星很感兴趣，认为它们在冰冻的地表下有大量液态水，木卫二被认为是太阳系中最有可能存在生命的地方之一。探测器将研究木星卫星的宜居性，以及欧空局“宇宙愿景”的两大主题——行星形成和生命出现需要具备哪些条件，及太阳系如何运转。
木星的卫星将是该任务的重点目标
该探测器携带了3类探测仪器，包括遥感类的可见—红外高光谱成像仪、亚毫米波探测仪和紫外成像摄谱仪；用于探测木星物理环境的激光测高仪、穿冰雷达，通信载荷除了提供通信连接外，还将用于无线电干涉和多普勒实验；粒子和场原位探测类的磁强计、粒子探测包、无线电波和等离子波探测仪。
“木星冰月探测器”发射升空后将经历非常复杂的旅程。探测器会用8年时间飞抵木星，路径包括年飞越地球、年飞越金星，在和年两次飞越地球，最终在年到达木星轨道。
探测器进入木星系后，任务主要分为木卫二探测、木星高纬度地区探测和木卫三环绕探测3个阶段。木卫二探测是利用木卫四与木卫二的连续借力飞行，实现对木卫二南北半球的中纬度地区探测，重点探测地质活跃区域，确定非冰物质的化学组成，并寻找液态水。
木星高纬度地区探测是通过多次借力木卫四的飞行来抬高轨道倾角，实现对木星高纬度地区进行观测，目的是对木星大气层特性、木星磁层开展探测，分析木星大气成分和垂直结构，研究木星磁场特性。
木卫三环绕探测是通过多次飞越木卫三、木卫四，降低探测器与木卫三的相对速度，进入环木卫三轨道。随后，利用木星摄动改变探测器的轨道偏心率，从不同方位对木卫三进行观测，最终进入公里的环木卫三圆轨道。通过调查木卫三海洋范围、表面组成和演化过程和周边空间环境等，研究木卫三的宜居天体特征。
木卫三是太阳系中最大的卫星，是唯一已知能自己产生磁场的卫星，“木星冰月探测器”将成为首个进入除地球外另一颗行星卫星轨道的航天器。
或面临重大挑战
“木星冰月探测器”将对木星系统进行综合研究，包括云层结构与化学成分、气旋风暴、热动力学机制、带电粒子与磁层的作用等，让人们更好地了解巨行星及其卫星是如何形成的，加深对太阳系的了解。
“木星冰月探测器”工作路径相当复杂
不过，这是一次充满危险的探测任务，因为“木星冰月探测器”的旅程将超过10年，面临众多复杂情况和技术挑战。
首先是路径和测控。探测器飞行距离远，在木星系内进行复杂的制动和借力飞行，受限于通信功率，信号强度微弱且数据传输速率低。为确保这些复杂操作顺利进行，且把探测数据传回地球，需要先进的导航技术和强大的深空探测网。
其次是辐射强。木星拥有太阳系行星中最强的磁场，强度比地球磁场强2万倍以上。在强大磁场作用下，大量带电粒子被困在木星周围空间环境中，形成了半径达70万公里的辐射带，持续轰击着木星卫星和光环。
年，伽利略号探测器飞抵木星时，严酷的辐射环境超过设计极限至少3倍，导致探测器20多处异常，部分设备受损。因此，“木星冰月探测器”在做好防护的基础上，需要根据任务目标调整轨道，在保证安全的情况下扩充探测成果。
最后是能源问题。“木星冰月探测器”在木星附近接收到的太阳能功率仅为地球附近的1/25。所以，该探测器采用了太阳电池—蓄电池的电源体制，太阳翼总面积达到97平方米，目的是确保在最差光照强度下满足不小于W的功率输出需求。
总之，木星系探测比火星和金星的探测难度更大，技术更复杂，对它的探测将揭开新的奥秘，使人类在宇宙探索的道路上更进一步。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》2月18日二版
作者/吴杉
编辑/高辰
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