我国木星探测计划进入关键技术攻关阶段 专家谈两大技术难关-千龙网·中国首都网

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北京时间4月11日消息,据国外媒体报道,50年前的4月2日,一台名叫HAL的智能电脑在一艘去往木星的载人飞船上掀起了一场大破坏。这是作家亚瑟·克拉克创作的科幻小说《2001太空漫游》中的情节。同名电影更成了航天时代早期的开山之作。

新萄京赌场手机版 2朱诺号探测器成功抵达木星。图片来源:NASA

The Wandering Earth 图为国产科幻大片《流浪地球(The Wandering
Earth)》中展现的行星发动机。(拖拽保存图片可查看大图)

《2001太空漫游》上映时,美国正在加班加点、努力将人类送上月球。仅仅一年之后的1969年7月20日,美国便达成了这一成就。但木星仍只是望远镜中的远景。直到1973年,人类才开展首次飞往木星的航天任务,先驱者10号探测器成功飞越木星。当然,此次任务并无人类参与。

经过近5年的太空航行,美国航空航天局(NASA)的朱诺号(Juno)探测器,成功飞抵太阳系最大的行星——木星。持续35分钟的主引擎点火减速之后,北京时间今天(7月5日)中午11:53,朱诺号探测器成功进入环绕木星运转的轨道。

(科技日报3月8日报道)电影《流浪地球(The Wandering Earth**)》中,木星曾为试图逃离太阳系的地球制造了大麻烦。**地球本想借助木星引力加速逃亡,但差点被其巨大引力撕碎。最后主人公牺牲自己,点燃木星,让地球继续向着太阳系外流浪。

在此之后,又有几枚探测器先后飞越木星,其中有两枚在木星轨道周围停留了较长时间。首先是NASA的伽利略任务,探测器在1995年至2003年间围绕木星旋转。如今,探索木星的任务由NASA的朱诺号探测器负责,该探测器于2016年抵达木星轨道。

朱诺号上的主引擎Leros-1b能够提供645牛顿的推力,持续35分钟的点火让探测器的速度减慢了542米/秒,使得探测器能够被木星的引力所俘获。点火完成后不久,朱诺号调整了姿态,以便让阳光再次照射到探测器携带的超大太阳能板上,为朱诺号接下来的科学探测提供电力。

在现实中,这颗巨大的星球,对人类也同样有着非凡的吸引力。只是,飞向它的专用探测器,都和电影中的地球一样,命途多舛。全国政协委员、北京航空航天大学宇航学院教授徐世杰3月6日接受科技日报记者采访时说,在我国有待开展的深空探测项目中,木星探测才应该是重点。

但是人类呢?人类为何至今仍未抵达木星?

未来几个月内,朱诺号的任务及科学团队将对探测器上的子系统进行最终的检测,对科学设备进行最终调试,并开始采集一些科学数据。

阿波罗登月计划,启动于上世纪60年代;美国的火星巡游探测器,发射于上世纪90年代。但对木星的探险之旅,美国也只进行了两次。“国家开展重大项目,要考虑三方面因素,一是科学目标,二是对技术的牵引作用,三是经济效益或社会效益。”徐世杰说,月球探测和火星探测还是在走前人走过的路,但是木星探测,则几乎和其他国家站在同一起跑线上。“木星探测对上述三方面都有重要意义。”

首先是航天任务资金和优先级排序的问题:目前NASA的重点在于国际空间站,同时还忙着开展人类重返月球任务和火星载人任务。除此之外,还有人类健康这一重大问题:木星的辐射环境极不利于人类生存。朱诺号在重重保护之下才能侥幸存活,但即使这样也难保长久。

木星探测史

朱诺号并不是第一个抵达木星的探测器。在此之前,已经有好几个航天器从木星附近路过,最早的一个是1973年飞掠木星的先驱者10号。甚至,朱诺号也并非第一个环绕木星的航天器。早在1995年,NASA的伽利略号探测器就抵达了环绕木星的轨道,还向木星的大气层中释放了一枚重340千克的探测器,发回的数据表明木星上风力强劲且湍流不断,并精细地测量了木星大气的化学成分。

在环绕木星飞行的8年时间里,伽利略号探测器证实了这样一个观点,即木星纤细的光环由木星最内侧小卫星上吹起的尘埃颗粒构成。它还在木卫一(Io)的火山上测得了高达2800度的高温,并且找到了其他3颗大卫星——木卫二(Europa)、木卫四(Callisto)和木卫三(Ganymede)冰面以下存在海洋的证据。

朱诺号是第二个环绕木星展开探测的航天器。与伽利略号不同,朱诺号的轨道将经过木星的两极,让我们能够首次近距离观测木星的极区。在一次又一次从木星云层的顶层上方近距离掠过的时候,朱诺号将测量微波辐射、重力场和磁场,让科学家有机会一窥木星内部深层的构造。

新萄京赌场手机版 3哈勃空间望远镜拍摄的木星极光,朱诺号探测器将近距离观测这些极光,增进我们对于木星磁场的了解。图片来源:NASA,
ESA, and J. Nichols (University of Leicester)

新萄京赌场手机版 ,朱诺的任务

朱诺号的首要目标是了解木星的起源和演化。借助它所携带的9台科学设备,朱诺号将探查木星是否拥有一个固态行星内核,绘制木星强大磁场的分布图,测量大气深处水和氨的含量,并观测这颗行星上的极光。这项任务还将帮助我们更进一步了解巨行星如何形成,了解这些行星巨人在太阳系其他部分形成的过程中起到过什么样的作用。作为气态巨行星的最主要范例,木星还将提供关键知识,帮助我们理解太阳系外其他恒星周围正在不断发现的行星系统。

探索木星,可以寻找地外生命。木星的卫星木卫二被认为最可能有生命存在——其表面有巨大冰层,冰层之下,有液态水。徐世杰打了个比方——在火星上找生命,属于“考古”,找的是生命存在过的痕迹;但在木卫二上,一切是现在进行时,“科学意义重大”。

NASA目前的辐射指导方针规定,宇航员累积受到的辐射剂量只能使其一生中罹患癌症的概率增加3%。而此前由NASA好奇号探测器提供的测量数据表明,为时860天的火星任务(包括180天去程,500天火星停留时间,以及180天返程)将使宇航员总共接收1.01西弗的辐射,可能使患癌几率增加5%。

找水

关心木星上有没有水,似乎有点奇怪,但这确实是朱诺号的科学家关注的主要问题之一。

在火星上,NASA的策略是找水,这决定了火星上是否曾经存在过适宜生命生存的环境。而木星,由于引力极大、辐射极强,明显不适合生命生存。不过,科学家对木星上的水产生兴趣的原因,并不是生命。

科学家关心的问题其实是,“氧去哪了?”木星上的绝大部分重元素,比如氮和碳,含量都比太阳上高得多,唯独氧元素很稀缺。因此,科学家预期,木星上的氧原子可能与氢原子结合成了水分子。

朱诺号探测器将对木星发出的微波辐射进行测量,这将透露木星内部的温度有多高,并透露有多少水藏在那里,因为水分子会吸收微波。

如果朱诺号找到了大量的水,那就意味着木星形成于远离太阳的寒冷区域,后来才迁移到了现在所处的轨道上。

那为什么相比太阳,木星会含有更多的重元素呢?这也是一个未解之谜。一个假说认为,更重的元素来自于彗星,它们撞入了木星,被木星吸收了。

新萄京赌场手机版 4除了科学设备以外,朱诺号上还携带了3个特制的乐高人偶,从左往右分别是伽利略、朱诺和朱庇特。图片来源:NASA

而要想顺利探测木星,有两大技术难关必须闯。

但木星的辐射环境可能比火星更为糟糕。2016年的一项研究指出,要想最大程度地避免辐射,宇航员也许需要在木卫二的冰层中工作,这样每年接收的辐射剂量可能只有0.3西弗。(前文火星任务的年辐射剂量可能为0.43西弗。)但无论是在木卫二表面,还是在木星辐射极强的辐射带中,环境都要严苛得多。

木星之心

木星的中心有没有一个岩石内核呢?

测量木星的重力场,将透露木星内部质量的分布状况。如果那里真有一个岩石核心,那行星科学家就不得不解释岩石星球如何能够在太阳系那么早的时期就形成。如果没有岩石核心,那木星就形成于气体云的坍缩,跟太阳的形成过程差不多。

“防辐射技术是木星探测尤其是木卫二探测的难点。”徐世杰说,木星辐射带半径达70万公里,木卫二的轨道完全在木星的辐射带内,探测器离木星稍近,就会遭受它的超强辐射轰炸。

人类受到高剂量辐射时,会出现呕吐、眩晕、脱发等急性症状,严重者甚至可能死亡。但若为避免辐射、为宇宙飞船加装保护层,又会大大增加飞船重量,提高飞船发射难度。要打造合适的飞船防护层,也许还需运用更先进的技术。

金属氢

木星几乎完全由氢和氦构成——这是宇宙中最简单的两种元素,也是含量最丰富的两种元素。

冷却氢和氦这两种气体,它们会变成液态。而在木星内部,科学家认为氢还会经历另一个相变,变成一种金属。科学家还没有能力在地球上创造出金属氢。

在实验室里,氢已经被挤压到了压强高达每平方米数十亿千克力,却仍然顽固地保持着非金属态。木星内部的压强要比地球实验室里可以达到的压强高出数十倍。

木星的磁场可能就由金属氢中的电流产生。通过研究木星的磁场,科学家将有机会窥探这种奇异物态的特性。

新萄京赌场手机版 5欧洲南方天文台拍摄的红外波段木星影像(左图),和天文爱好者几乎同时拍摄的可见光波段木星影像(右图)。红外影像揭露了木星云层以下的部分结构,而朱诺号将观测木星发出的微波辐射,能够探测木星云层更深处的内部构造。图片来源:L.
Fletcher / Damian Peach / ESO.

美国国家航空航天局第一个探测木星的航天器是“伽利略”(Galileo)号,发射于1989年,“因为辐射出了20多处故障”;“朱诺”(Juno)号木星探测器于2011年升空,飞行4年11个月后进入木星轨道。徐世杰介绍,尽管“朱诺”号带有用150公斤钛做成的防辐射盔甲,但保护作用依然有限,不得不选择比较高的轨道,并使轨道尽量接近辐射较少的极区。

朱诺号首席科学家、美国西南研究所的斯科特·博尔顿指出,科学家从上世纪60年代末或70年代开始研究木星辐射带的危险性。“1968年的时候,我们已经知道木星周围存在辐射和磁场,但没人想到那里的环境如此严苛。”

20个月,37圈

朱诺号将在长椭圆轨道上环绕木星运行2圈,每一圈的周期为53天。10月19日,朱诺号将再次启动引擎,转移到一条周期为14天的轨道上,开始获取科学测量数据。按照目前的计划,环绕木星第37圈时,也就是2018年2月20日,朱诺号将主动坠入木星大气层,从而终结此次探测任务。

花了5年时间才飞抵木星,耗资11亿美元的朱诺探测器,为什么只探测20个月就打算要“壮烈”呢?

原因在于,朱诺号探测器比以往所有去过木星的探测器都要更加靠近木星,因而会受到木星附近辐射带中高能带电粒子的轰击。尽管朱诺号在设计时就考虑到了辐射问题,专门配置了140千克重、SUV旅行车大小的钛制防护罩,但随着任务的进行,朱诺号探测器上的电路会受到越来越多高能粒子的直接冲击。最理想的情况下,任务有可能延期数月,但探测器上的电子器件应该坚持不了太久。

那为什么又要采用“自杀”这种壮烈的方式来终结任务呢?

此前的伽利略号探测器,在完成任务之后,也以同样的方式坠毁在了木星大气层中。这为了确保来自地球的探测器不会意外坠毁在木卫二上。木卫二被视为是太阳系里最有可能存在生命的地方,那里的冰层之下存在一片液态水的海洋。如果朱诺号意外坠毁在那里,从地球上“偷渡”过去的微生命,就有可能污染那片海洋。

无论如何,已经抵达木星的朱诺号探测器,将刷新我们对于木星甚至我们太阳系的认知。(编辑:Steed)

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甚至到了上世纪80年代,工程师在设计伽利略号探测器时,仍低估了木星的辐射环境强度。

“那里的环境非常严酷,”NASA戈达德航天飞行中心高级行星大气科学家艾米·西蒙表示,“我们在开展伽利略号任务时发现,每当探测器靠近木卫二或木星,探测器都会运作不灵。它还没有对那里的环境做好准备。这也改变了我们设计宇宙飞船和电子元件的理念。”

辐射只是宇航员面临的众多挑战之一。他们还要带上足够的水、想好怎么处理废物、应对与地球通讯时的延迟问题等等。有些技术也许能起到一定帮助,例如,将尿液处理成饮用水的技术目前正在国际空间站上接受测试。对通信延迟解决方案的测试或许也将于不久后开展。此前在NASA极端环境任务行动中,宇航员们已经在水下尝试了一些有助于解决上述问题的技术。

▲图为《2001太空漫游》中宇宙飞船“发现号”的概念图。

“非常出色,极具想象力”

博尔顿从孩提时期就是克拉克的粉丝,他还记得自己观看《2001太空漫游》的经历。在成为太空物理学家之前,博尔顿高中时曾是一名狂热的科幻小说爱好者,也是一个科幻小说读书俱乐部的成员。”克拉克是我最喜欢的作家之一。他用语精当,非常出色,极具想象力。他的作品中有很多对物理学的思考,我为此深深着迷。“博尔顿回忆道。

克拉克在2008年以90岁的高龄逝世。博尔顿曾在太空活动和NASA活动中与他数次会面。博尔顿最念念不忘的一次见面之一,是克拉克在2001年真正到来时、为他在《2001太空漫游》小说上签字,并且签上了2001这个年份。

博尔顿将此次会面称为“一次有趣的巧合”,因为当时没人能预见到,博尔顿日后将成为一次木星探索项目的带头人。而克拉克签名的书中描写的恰恰是一次木星任务。但博尔顿记得自己向克拉克表达了深深的崇敬之情。“我对他说,他影响了我的一生。”

西蒙也记得自己童年观看这部电影的经历,只不过当时该电影已经上映几年了。“当时我一点都没看懂。”她说道。但由于这部电影复杂的情节十分引人入胜,她之后又看了好几次,也读了同名小说。

不断改变的认知

木星环境十分复杂,直至今日,太空科学家仍在努力研究它的真相。西蒙每年一次,通过哈勃望远镜“外行星大气遗产计划”观察这颗行星。该计划每年都会收集对太阳系外层行星的观测结果。(不过对土星的观测今年刚刚开始,因为负责土星观测的卡西尼号任务去年方告结束。)

“就我们对木星系统的了解而言,该系统十分多变。”西蒙指出。1992至1994年间、苏梅克-列维9号彗星与木星大气相撞后的变化便是一个有力的例证。“这让我们意识到,太阳系仍在不断变化之中,绝不是一个已经尘埃落定、一成不变的系统。”

西蒙指出,对木星的进一步观测显示,该行星的大气也发生了变化。着名的风暴“大红斑”正在缩小,颜色也在改变,也许不久之后便会彻底消失。云层会移动,木星的带状斑纹也因此不断变幻。西蒙补充道,科学家仍在努力研究木星的天气,但由于OPAL计划每年只观测木星一次,这一点便很难实现。西蒙打了个比方:因为木星的公转周期为12个地球年,这就像每月观察一次地球、然后以该数据为基础进行天气预报一样。

博尔顿表示,朱诺号探测器观察木星的时间虽短,却也有许多惊喜的发现。比如,木星大气的深度似乎极深。科学家还对木星极光和极地气旋有了更多了解。木星的内部结构似乎也和科学家之前的猜想有所不同。

“我们原以为木星可能有一个很小的岩质内核,或者根本没有内核。”博尔顿解释道,“但如今我们发现,它的内核非常大,并且部分内核可能并不是固体。”

2020年之后还将开展其它木星探索任务。这些任务将以另一条线为重点:木星被冰雪覆盖的卫星们。一直到1979年旅行者1号和2号飞越木星时,研究人员才意识到木卫二的冰层下方可能存在海洋。如今,科学家认为木卫三和木卫四可能也拥有海洋。近几年,哈勃望远镜甚至在木卫二上发现了一些可能由水形成的喷流。

欧空局的木星冰月探测器预计将于2022年发射,并于2029年抵达木卫三、木卫四和木卫二。与此同时,NASA也在加紧开展“木卫二快艇任务”,预计发射时间为2020至2030年间。

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