伽利略号木星探测器

伽利略号木星探测器（英文名：Galileospacecraft，简称：伽利略号）于1989年由阿特兰蒂斯号航天飞机送入轨道，是美国航空航天局第一个直接专用探测木星的航天器，也是人类首个专门用于探测木星的探测器。

伽利略号木星探测计划始于1978年，后因种种原因一再推迟。1989年10月18日伽利略号升空，1995年12月进入环木星轨道。在对木星及其卫星进行探测的7年多时间里，“伽利略”号环绕太阳系这颗最大的行星运转了34次之多。而从发射到毁灭，它在太空中共飞越了46亿多千米。2002年11月5日，在首次飞过距离木星最近的木卫五后，“伽利略”号完成了最后一项探测任务。此后，它一直围绕着木星的轨道飞行，直到2003年美国时间9月21日下午坠毁于木星。

伽利略号木星探测器总重2550千克，采用核动力装置，内装22.7千克放射性铀-238。探测器配备了摄像机、近红外勘测分光仪、磁强仪、测云仪、大气结构仪等17种科学仪器，用于木星大气层构成、云层结构、温度、磁场等方面的勘测和研究。伽利略号由木星轨道器和再入器两部分组成，在到达木星前约150天时，两者分离，轨道器环绕木星运行探测；再入器深入木星大气层考察。伽利略号对木星大气层进行了详细测量，并发现了木星卫星地下存在液态盐水的证据。此外，飞船还观测到了木星卫星上大规模的火山爆发活动。

名称由来

“伽利略·伽利莱号”的名字来源于意大利天文学家和物理学家伽利略，16世纪伽利略第一次把望远镜对准天空，发现了很多星空中的奥秘，比如木星的卫星，为纠正当时错误的世界观提供了有力支持。伽利略天文观测取得的新发现是人类进步的基石。飞船以伽利略的名字命名，说明科学家们对它寄予厚望。

探测历程

背景

伽利略号木星探测计划始于1978年。最初，美国航空航天局计划于1982年1月将“伽利略”号发射升空，后推迟到1986年5月。1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机升空爆炸，使“伽利略”号计划再度推迟。此后，由于经费原因，NASA改用推力较小的火箭。正是这一改变，“伽利略”号放弃了原来直飞木星的计划，而只能选择独特的飞行路线：借助于金星和地球的重力加速绕道飞行。这样一来，“伽利略”号需6年才能抵达木星，如果按原计划直接飞向木星，仅需用2.5年的时间。

发射过程

伽利略号及其两级惯性上面级组合体于1989年10月18日由执行STS-34任务的亚特兰蒂斯号航天飞机送入地球轨道。然后，惯性上面级的固体火箭发动机启动将航天器送入金星转移轨道，这是旨在将伽利略·伽利莱推向木星的三个行星“引力弹弓”中的第一个，当航天器飞得足够近时，可以由其引力推动，从而为航天器产生“弹弓”效果。伽利略任务最初设计为使用三级惯性上面级直送木星，飞行时间约为三年半。当该方案被取消时，曾计划改为半人马座上面级，但是最终方案被改为使用两级惯性上面级，这意味着航天器无法直送木星。为了挽救这个项目，工程师利用行星引力弹弓设计了一条新的飞行路径。

金星和地球飞越

在16000公里的高度飞过金星后，1990年2月10日，航天器于1990年12月8日在960公里的高度掠过地球。那次飞越提高了伽利略·伽利莱的速度，使其在绕太阳周期为两年的椭圆轨道上飞行。该航天器于1992年12月8日返回地球，在303公里的高度进行第二次地球飞越。就这样，伽利略第三次也是最后一次离开地球，向木星飞去。这条飞行路径为科学观测提供了机会。科学家们获得了金星中层云的第一批视图，并证实了该行星上存在闪电。他们还进行了许多地球观测，绘制了月球表面的地图并观察了它的北极地区。

展开高增益天线

由于伽利略号轨道的修改，航天器暴露在比最初计划更热的环境中。为了保护它免受太阳的照射，项目工程师设计了一套遮阳伞，并将航天器的顶部指向太阳，同时伞状的高增益天线一直折叠起来直到1990年12月首次飞越地球之后才展开。航天器与飞行控制中心通过低增益天线保持联系，这些天线以慢得多的速度发送和接收数据。该航天器计划于1991年4月部署其直径为4.8米的高增益天线，因为伽利略号此时已经远离太阳并且没有过热的风险。然而，天线未能完全展开。一个特别小组进行了广泛的测试，并确定天线的18根肋中有一部分（可能是三根）在闭合位置由于部件之间的摩擦而被卡住。尽管竭尽全力尝试展开天线，但并没有成功。为此，从1993年到1996年间工程师开发了大量新的软件，并增强了美国航空航天局深空网络的地面站，以便使用航天器的低增益天线继续执行任务。

小行星飞越

1991年10月29日，伽利略号经过加斯普拉（Gaspra），成为有史以来第一个遇到小行星的航天器。它以约8公里每秒的相对速度飞行到距离这颗石质小行星中心仅1601公里的范围内。图片和其他数据显示，这是一个表面坑坑洼洼、复杂、形状不规则的天体，长约20x12x11公里，上面覆盖着薄薄的灰尘和瓦砾。1993年8月28日，伽利略·伽利莱进行了第二次小行星飞越，这次是与一颗更大、更遥远的小行星相遇，名为艾达（Ida）。艾达长约55公里，宽约24公里。观测表明，艾达和加斯普拉都有磁场（尽管艾达更古老），而且它的表面覆盖着陨石坑。科学家们发现，艾达拥有自己的卫星，使其成为已知的第一颗拥有天然卫星的小行星。这颗名为Dactyl的小卫星直径只有大约1.5公里。通过确定Dactyl的轨道，科学家们估计了艾达的密度。

观测彗星撞击

1993年3月发现的苏梅克-列维九号（Shoemaker-Levy9）彗星为伽利略·伽利莱的科学团队和其他天文学家提供了一个令人兴奋的机会。这颗彗星在绕木星运行时正在解体，并于1994年7月进入这颗气态巨行星的大气层中。接近木星的伽利略号是唯一可以直接看到木星背面彗星撞击区域的观测平台。尽管预测的撞击时间存在不确定性，但任务团队成员仍然对航天器的科学仪器进行了预编程以对预测的撞击区域收集数据，并能够获得彗星撞击的壮观图像。

抵达木星

1995年7月13日也就是到达木星轨道的前150天，再入器从轨道器上被释放，并开始向木星方向进行为期五个月的再入飞行。该再入器没有安装推进器，因此在释放之前，轨道器会帮助它确定飞行路径。两周后，轨道器首次使用了其主发动机重新调整了飞行路径以到达木星上方的适当位置。1995年12月7日抵达当天，轨道器先是飞过了木星的两颗主要卫星——木卫二和木卫一。轨道器在大约33000公里的高度经过木卫二，然后在约900公里高度飞过木卫一。离开木卫一大约四个小时后，轨道器到达最接近木星的位置，受到的辐射被认为是对人类的致命水平的25倍。

再入器下降

再入器以每秒48千米的速度进入木星大气层，在下降过程中的G值峰值为230G，承受的温度是太阳表面的两倍。通过大气阻力减速了大约两分钟后，再入器展开降落伞并抛掉隔热罩，并在之后的下降过程中不断深入木星大气层以探测大气层的成分和物理特性，将有关阳光和热通量、压力、温度、风、闪电和大气成分的数据传输到轨道器。随着高度的下降，大气压力和气温越来越高，最后高达23个大气压（是任务要求的两倍多），此时球形仪器舱被大气压垮，探测工作被迫终止，整个工作历时58分钟。在收到再入器的最后一次传输一小时后，轨道器点燃了其主发动机，减速进入木星椭圆轨道继续执行探测任务，绕木星飞行了22个月，拍摄到木星及其卫星的大量清晰的照片。

轨道器任务

环绕木星的第一圈轨道的周期大约为七个月。轨道器在远地点点燃了主发动机，以防止它在后面的轨道上过于接近这颗气态巨行星。这种调整有助于减轻木星的强烈辐射环境可能对航天器传感器和计算机芯片造成的损害。在第一圈轨道飞行期间，工程师为机载计算机安装了新软件，从而提供了更好的的机载数据处理能力。它允许将数据压缩，使航天器能够传输比原来多达10倍的图片和其他测量数据，此外，地面硬件的变化和对航天器对地通信系统的调整将平均遥测速率提高了10倍。尽管高增益天线的问题阻止了任务的一些原始目标得以实现，但绝大多数目标都得以实现。实现了如此多的新目标，以至于科学家们认为伽利略号产生的科学成果比20年前项目开始时设想的要多得多。在其任务期间，轨道器的行程包括四次飞越木星的卫星木卫三、三次飞越木卫四和三次飞越木卫二。这些飞越比美国航空航天局的旅行者1号探测器和旅行者2号探测器航天器在1979年飞越木星时要近得多。伽利略·伽利莱的仪器扫描并仔细检查了每颗卫星的表面和特征。经过大约一周的密集观察之后，航天器在一到两个月里将装满内存的数据通过低增益天线传输回地球。

延期任务

为期两年的延长计划即伽利略木卫二任务，于1997年12月开始，包括通过连续八次的近距离接触对木卫二进行深入研究。这些飞越增加了对木卫二冰冻表面的了解，以及下面可能存在液态海洋的有趣前景。伽利略木卫二任务提供了一个宝贵的机会，可以进一步飞越火山卫星木卫一。原计划的主要任务只提供了一次近距离研究木卫一的机会，但是伽利略·伽利莱在木卫二任务期间可以两次与木卫一相遇，并收集有关木卫一火山活动的新信息。此外，伽利略还四次飞越了木卫四。而伽利略新千年任务又将任务时间延长了一年，这期间的任务包括更多地飞越木卫一和木卫三，以及与卡西尼号探测器进行联合研究，因为它为了前往土星而于2000年12月飞越木星进行一次引力弹弓，可以“顺便”进行科学探索。

2002年1月17日，“伽利略”号在飞经木卫一时，由于木星产生的巨大辐射，导致了内部计算机系统重启，探测器上的摄像机和其他一些科学仪器都自动关机。正当科学家们担心可能会过早地失去对“伽利略”号的控制时，一天之后，它又奇迹般从系统瘫痪中恢复，并近距离拍摄了清晰度最高的木星卫星表面图像。“伽利略”号还揭示了木卫二上存在的冰山很可能是由看不见的水流流动和旋转形成的。这一发现是“伽利略”号最有价值的探测成果，使木卫二成为太阳系中继火星之后第二颗可能有生命形式存在，值得进一步进行探测的星球。在木卫三上，“伽利略”号意外地发现了一个磁场。这是人类发现具有磁场的第一颗木星卫星，其磁场比水星的磁场还要大。“伽利略”号还发现木卫四上环形山比人们想像的要少得多，其表面有一条由25个直径十几千米的环形山，一个扣一个连成的大锁链，在这些大环形山里面还可以看到小环形山的凸起。

2002年1月，“伽利略”号和卡西尼号土星探测器在木星附近会师，首次对木星进行了联合探测。这是人类第一次利用两个探测器同时对地球以外的一颗行星进行探测。科学家通过分析两个探测器发回的数据，发现木星拥有太阳系行星中范围最大、强度最高的磁场，其磁场直径是木星直径的100倍以上。除了对木星及其主要卫星进行观测外，“伽利略”号在飞往木星的途中，还顺访了许多天体，向地球送回了许多宝贵的信息。

坠毁

“伽利略”号原设计寿命为8年，对木星及其卫星探测的时间仅2年。由于最初预定的任务完成得非常成功，美国航空航天局三次决定延长其探测使命。“伽利略”号共超期服役5年多，环绕太阳系木星飞行34次，31次接近木星的卫星，从发射到毁灭在太空中共飞行46亿多千米。虽然受到的辐射超过预想的3倍，但探测器主体仍然可以正常运作。2002年11月5日，在首次飞过距离木星最近的木卫五后，“伽利略”号完成了最后一项探测任务。此后，它一直围绕着木星的轨道飞行，直到2003年美国时间9月21日下午坠毁于木星。

参数

探测器参数

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大气探测器参数

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飞船详情

总体设计

伽利略号木星探测器总重2550千克，采用核动力装置，内装22.7千克放射性铀-238。探测器配备了摄像机、近红外勘测分光仪、磁强仪、测云仪、大气结构仪等17种科学仪器，用于木星大气层构成、云层结构、温度、磁场等方面的勘测和研究。从外形上看，伽利略号飞船和其他几个深空的探测器非常相似，都是由一个大锅状天线和飞船的主体组成。主要的科学探测载荷都安装在主体上，有几根杆从主体向外伸出。其中一个伸杆顶部装有核能电池，这个为飞船提供能源的核能电池。飞船的底部有个小型的木星大气探测器，在飞船抵达木星附近后小探测器会直接坠向木星，探测木星的大气构成等。

结构

伽利略号木星探测器由木星轨道器和再入器两部分组成，在到达木星前约150天时，两者分离，轨道器环绕木星运行探测；再入器深入木星大气层考察。

轨道器

轨道器是由美国的喷气推进实验室设计、制造和操作的，其总重为2378千克，正常情况下以3.15转/分自旋稳定。其上的主要设备为；推进舱，包括一个机动推力器和一个单一入轨推力器，与推进剂一起共重约1185千克；2台放射性同位素热电偶发电机，可提供0～480瓦的电力；一个约5米直径的高增益地球通信天线，用S和X波段与地球通信，定向精度为0.1度。轨道器上还装有很多精密的探测仪器，主要包括：CCD摄像机，发回的照片清晰度比“旅行者”探测器的高20～1000倍，可分辨出木星卫星表面30～50米范围的细节；近红外绘图分光计，可探测出氮、磷化氢、水、甲烷、锗等组分；紫外分光计能探测出氮、氢和氧等；光子偏振、辐射计，可以测量偏振光和光强度；磁强计、高能粒子检测仪、等离子体检测仪、等离子体波分系统（测量电场和磁场变化）、尘埃粒子检测仪和重离子计数器等，可用于对木星磁层等的研究。

再入器

再入器是由美国航空航天局的艾迈斯研究中心负责设计，休斯飞机公司创造的。其外形呈扁锥体，总重约339千克、其中仅防热壳就重达220千克。其上有2台1波段发射机、能以128比特/秒的速率发送测量数据，经轨道器中继到地球。再入器上的探测仪器有：大气结构检测仪，能测量木星大气的温度、压力等；中性质谱仪，可测定木星大气组分；氦分量检测仪，用于测定木星大气中的氦气含量；测云计、纯流量辐射计以及光和射电检测仪等。

大气探测器

大气探测器由制动防热罩和一个球形仪器舱组成。制动防热罩是一个120度锥角的钝头圆锥壳体，表面覆盖着一层很厚的碳烧蚀防热层。这层防热罩的重量占了探测器总重量的50%。球形仪器舱里装备了大气组分探测计、质谱仪、氦气浓度计，测云计，辐射计，高能粒子探测计等多种先进的探测仪器设备，还装备有降落伞系统，无线电发射装置和电源系统。大气探测器的总重量为345千克。轨道器于1995年7月到达木星轨道前150天，放出大气探测器后，沿着木星椭圆轨道执行探测任务，并绕木星飞行了22个月，拍摄到木星及其卫星的大量清晰的照片；大气探测器则深入木星大气层的深处探测大气层的成分和物理特性。这个探测器以每秒48千米的速度进入狭窄的通道最后进入大气层，它承受了400g的加速度，表面压力高达14个大气压，表面温度高达780摄氏度高温，在它打开降落伞徐徐下降的过程中，展开了各种测量工作。随着高度的下降，大气压力和气温越来越高，最后高达20个大气压，这时，环形探测器被大气压垮，探测工作被迫终止。整个工作历时1小时。

任务数据

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科学成就

1994年7月22日，“伽利略·伽利莱”到达距木星一亿多公里的地方，观测到了苏梅克－列维9号彗星的碎片与木星相撞的壮观景象，并发回了第一张相撞的图像。它还捕捉到最后一块彗星碎片撞击木星的情景。

1995年7月13日，“伽利略”的子探测器与轨道器分离，同年12月8日以17万公里/小时进入木星大气层。在木星大气层中飞行考察的75分钟中，它向运行在20万公里高的轨道器发回了探测数据，然后再由轨道器把数据发回地球。这是人类首次对木星大气进行原位测量。

伽利略·伽利莱”轨道器重2.378吨，载有近红外质谱仪、磁强计、等离子探测器和尘埃检测计等，探测数据通过直径5米的伞状高增益天线传回地球。它在1995年12月7日抵达木星轨道后，绕木星飞行，并飞临木星几颗卫星进行了近距离探测。它对木星的观测距离比“旅行者”号近20倍，发回照片的清晰度比“旅行者”号高50倍以上，探测结果与科学家以前的推测有许多不同。这次探测使人类首次完整地观测到木星、木星卫星及其磁场，是20世纪最重要的行星探测活动之一。

“伽利略·伽利莱”在完成对木星及其卫星为期两年的第一阶段考察后，又开始“超期服役”，着重对木星最大的卫星木卫2进行近距离考察，计算其上有多少个陨石坑以便确定其“年龄”，探测正在喷发的活火山以及寻找存在液态海洋的其他证据。1998年10月，“伽利略”发现木星的两颗卫星上存在海洋，因而很可能有生命。

据美国航空航天局2000年8月通过“伽利略”收集到的磁场数据显示，木卫2表面有大面积的冰层，冰层下则是可导电的液体。“伽利略·伽利莱”发回的照片表明，木卫2表面的裂缝位置发生了变化，这有可能是由表层下的海洋流动造成的。种种迹象显示，木卫2上可能存在可供生命延续的重要物质———水，这使得木卫2上存在微生物等早期生命形式成为可能。美国航空航天局随后制定出了派遣破冰船前往木卫2进行探测的计划。

除了木卫2，“伽利略”也为人类了解木卫1提供了许多重要资料。2001年8月，它成功完成了对木卫1绕飞，在其上空200公里掠过。根据探测器传回的数据分析，木卫1好像有微弱的内部磁场，也可能不存在内部磁场，但要得出确切的结论还需要作更多的分析。2001年10月15日晚，“伽利略·伽利莱”再次绕飞木卫1，此次绕飞距木卫1表面仅180公里，是“伽利略”距木卫1最近的一次飞行。

“伽利略号”对研究木星的卫星也做出了很大的贡献。在“伽利略号”到达木星之前，人们一共发现了16颗木星的卫星。“伽利略号”到达后又发现了多颗卫星。现在这个数字已经上升到了92颗。

测量木星大气元素，发现它的相对主要成分有异于太阳。这预示木星可能由太阳系星云演化而来。

首次在另一颗行星的大气中观测到氨云，预示其下可能存在含有水分的云层。

发现木卫1木卫一上大范围的火山活动相当于地球上的100倍。火山喷发的热量和频率让人得以揣测地球形成早期的情形。

木卫1伊娥大气中复杂的等离子相互作用可以与木星的大气互相影响。

发现木卫3干尼梅德是第一个已知的拥有磁场的卫星。

传回的磁场数据显示，木卫二、木卫三和木卫四都拥有液态的盐水层。

证据显示，木卫二、木卫三、木卫四都拥有稀薄的大气层——被称为外大气层。

发现木星的环系统由内行星系小行星撞击木星内侧4颗小型卫星后掀起的尘埃所形成。同时发现，最外层的木星环其实是两个，一个藏在另外一个中间。

“伽利略号”是第一个能够在气态巨行星的磁气圈中停留足够长时间、从而测出它的球体结构及动态的未来航天飞机。

运载火箭

1985年，“亚特兰蒂斯”号成为美国航空航天局的第四架航天飞机。“亚特兰蒂斯”号是以美国第一艘远洋船舶的名字命名的。亚特兰蒂斯号航天飞机重77.7吨，它在1985年10月和2010年5月之间进行了17次飞行。2011年7月8日，“阿特兰蒂斯”号航天飞机在佛罗里达州肯尼迪航天中心点火升空，开始它以及整个航天飞机团队的最后一次飞行，于美国东部时间21日晨5时57分在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束其“谢幕之旅”，这寓意着美国30年的航天飞机时代宣告终结。