圖蟲(chóng)創(chuàng)意
8月21日歐空局宣布,木星冰月探測(cè)器(Jupiter Icy Moons Explorer)完成了世界上首次雙重引力輔助,從而走“捷徑”經(jīng)由金星飛向木星,預(yù)計(jì) 2031 年 7 月到達(dá)木星。什么是雙重引力輔助? 世界第一次“雙重引力輔助”,木星冰月探測(cè)器(JUICE)將實(shí)現(xiàn)怎樣的突破?為何是歐洲搶先實(shí)現(xiàn)了世界第一次“雙重引力輔助”?大家好,我是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員李明濤,今天我們一起來(lái)了解下木星冰月探測(cè)器及其“雙重引力輔助”。
木星冰月探測(cè)器是歐空局的旗艦級(jí)木星探測(cè)任務(wù),其科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)木星系統(tǒng)及其冰衛(wèi)星,尋找地球之外的潛在生命信號(hào)。木星系統(tǒng)距離太陽(yáng)非常遙遠(yuǎn),陽(yáng)光傳輸?shù)侥拘窍到y(tǒng)需要足足43分鐘,因此木星系統(tǒng)非常寒冷,木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四表面都覆蓋著厚厚的冰層。然而另一方面,木星作為太陽(yáng)系的行星之王,引力非常強(qiáng)大,在引力潮汐作用下,木星冰衛(wèi)星內(nèi)部被加熱,因此木星冰衛(wèi)星冷漠的外表下隱藏著巨大的液態(tài)海洋。這是理解冰冷世界宜居性的核心,科學(xué)家甚至推斷可能有微生物生存在這些冰衛(wèi)星的海洋之中。這也是為何木星冰月探測(cè)器對(duì)這些冰衛(wèi)星如此感興趣的原因。
木星系統(tǒng)的遙遠(yuǎn)距離也決定了飛往木星非常困難,科學(xué)家需要錙銖必較地預(yù)算飛往木星系統(tǒng)的每公斤燃料?!耙椆奔夹g(shù)是深空探測(cè)中常用的節(jié)省燃料的辦法,其本質(zhì)是利用自然天體的引力改變探測(cè)器的軌道,從而節(jié)省探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)的燃料,在航天動(dòng)力學(xué)中“引力彈弓”也被稱為引力輔助。美國(guó)宇航局上一個(gè)旗艦級(jí)木星探測(cè)任務(wù)“伽利略”號(hào)就利用了金星和地球的引力彈弓效應(yīng),通過(guò)金星-地球-地球的飛行序列,利用金星和地球的引力對(duì)探測(cè)器軌道進(jìn)行持續(xù)加速,從而低能量地飛向木星系統(tǒng)。木星冰月探測(cè)器則更進(jìn)一步,在實(shí)施地球“引力彈弓”飛越之前,還飛越了月球,相當(dāng)于先后利用了月球和地球的“引力彈弓”效應(yīng),這就是“雙重引力輔助”。
“雙重引力輔助”具有重要的意義。首先,“雙重引力輔助”可以節(jié)省更多的燃料,節(jié)省出來(lái)的燃料,可以讓木星冰月探測(cè)器以更近的距離、更長(zhǎng)的時(shí)間去探測(cè)木星的冰衛(wèi)星,提升科學(xué)產(chǎn)出;其次,月球是地球的天然衛(wèi)星,“雙重引力輔助”可以利用飛掠月球的機(jī)會(huì)對(duì)科學(xué)探測(cè)載荷進(jìn)行測(cè)試,確??茖W(xué)載荷工作正常、對(duì)木星冰衛(wèi)星的探測(cè)取得成功;最后,“雙重引力輔助”的成功為未來(lái)深空探測(cè)器節(jié)省燃料提供了新范式。
為何歐空局能夠率先掌握“雙重引力輔助”技術(shù)呢?實(shí)際上,歐空局在深空探測(cè)領(lǐng)域一直屬于先驅(qū)者,創(chuàng)造了多個(gè)深空探測(cè)史上的第一次:第一次著陸探測(cè)彗星表面、第一次利用離子推進(jìn)探測(cè)月球……。木星冰月探測(cè)器不僅實(shí)施了首次“雙重引力輔助”,未來(lái)還將首次實(shí)現(xiàn)木星冰衛(wèi)星木衛(wèi)三的環(huán)繞探測(cè)。這些第一次不僅彰顯了歐空局創(chuàng)新探索的勇氣,也體現(xiàn)了其高超的探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。
未來(lái),我國(guó)將實(shí)施“天問(wèn)四號(hào)”木星系統(tǒng)探測(cè)任務(wù),對(duì)木星系統(tǒng)及其冰衛(wèi)星木衛(wèi)四實(shí)施環(huán)繞探測(cè)。期待我國(guó)“天問(wèn)四號(hào)”任務(wù)有更加精彩的任務(wù)設(shè)計(jì)和軌道設(shè)計(jì)。也期待“天問(wèn)四號(hào)”與木星冰月探測(cè)器攜手為刷新人類對(duì)太陽(yáng)系起源與演化的認(rèn)知做出巨大貢獻(xiàn)。
本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者:李明濤
審核:周炳紅 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 研究員
出品:中國(guó)科協(xié)科普部
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