歐洲搶先實(shí)現(xiàn)雙重“引力彈弓”，深空探測(cè)大突破

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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