伽利略号木星探测器(美国航天局第一个直接专用探测木星的航天器)

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伽利略号木星探测器（英文名：Galileo spacecraft，简称：伽利略号）于1989年10月18日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

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。

1989年10月18日，“阿特兰蒂斯”号航天飞机从肯尼迪航天中心发射，带着重约17.5吨的“伽利略”号进入约300千米的太空轨道。1990年2月，“伽利略”号飞越金星，首先借助金星重力加速飞行；1990年12月8日，“伽利略”号在离地球960千米处飞过，第一次借助地球重力加速，进入较大的椭圆轨道环绕太阳飞行；1992年12月8日，“伽利略”号从距地球296千米处飞过，第二次借助地球重力加速，使其相对太阳的运行速度达到141530千米/小时，然后正式踏上飞往木星的征途。又经过3年的太空邀游，1995年12月7日，“伽利略”号终于进入了绕木星飞行的轨道。

在长达14年的太空飞行中，“伽利略”号探测器向地面发回了大量的数据和图像，使科学家获得不少重要发现。首先，它第一个拍到了月球和彗星在一起运行的照片。1994年，苏梅克·利维彗星猛烈撞击木星，爆炸的威力比全世界核武器能量总和还大千百倍。“伽利略”号第一个拍到了这个星际大碰撞的壮观情景。“伽利略”号还是第一个取得木星大气层气样的地球探测器。它曾多次近距离飞过木星的卫星，最先对四个木星卫星的内部进行了探测。

木卫一是太阳系中最独特的一个卫星，它是太阳系中除地球之外惟一存在活火山的天体。“伽利略”号在对它进行多次近距离观测时，经历了两次“生与死”的考验。木卫一离木星的平均距离只有42万千米左右。1979年“旅行者”号从距木卫一20000千米处穿过时，计算机系统受到木星辐射带中高能粒子的严重影响，造成停机8分钟，并引起计时误差。而“伽利略”号在复杂的引力源和强大的辐射带之中顺利穿行，掠过木卫一。1999年10月10日，“伽利略”号来到距离木卫一仅仅670千米处，近距离拍摄到了火山活动的情况，发回了高度清晰而壮观的图片。

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。1991年10月，它经过小行星加斯普拉(Gaspra，在火星和木星之间的小行星带内缘环绕太阳运行)旁约16000千米处，获得了世界上第一张近距离的小行星图片。1993年8月，它经过小行星艾达(Ida，在火星和木星间绕太阳运行)旁约2400千米处，首次拍到小行星的特写镜头，并发现艾达周围有卫星环绕。

“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，1995年7月、1999年10月和2001年3月，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。

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“卫星一号”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。

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“卫星一号”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。