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        國外行星探測進(jìn)入器發(fā)展綜述

        2015-12-02 05:20:55北京空間科技信息研究所
        國際太空 2015年8期
        關(guān)鍵詞:土衛(wèi)六著陸器木星

        盧 波 (北京空間科技信息研究所)

        國外行星探測進(jìn)入器發(fā)展綜述

        Development Review of Foreign Planetary Exploration Entry Probe

        盧 波 (北京空間科技信息研究所)

        空間技術(shù)的發(fā)展使人類逐步掌握了向太陽系的行星發(fā)射探測器,進(jìn)入其環(huán)繞軌道,以及進(jìn)入其大氣,在其表面著陸,從而實現(xiàn)了就位探測、巡視探測和采樣返回。在人類50多年的深空探測過程中,美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度等國家和組織先后發(fā)射了約234個深空探測器,已探測的太陽系天體有月球、火星、金星、木星、水星、土星、天王星、海王星和冥王星,實現(xiàn)了月球、火星、金星、土衛(wèi)六、小行星和彗星著陸,并實現(xiàn)了月球、小行星及彗星粒子采樣返回。

        2004年登陸的美國機遇號火星車目前仍在火星表面進(jìn)行巡視探測

        1 引言

        在以往的行星探測任務(wù)中,基本的探測方式主要有采用軌道器進(jìn)行遙感探測,采用著陸器和巡視器進(jìn)行就位和巡視探測。然而,這些探測方式探測的區(qū)域有限,例如,著陸器探測范圍為幾平方米,巡視車為幾平方千米的范圍;而且著陸場所只能選在相對平坦的區(qū)域,這大大限制了對一些具有重要科學(xué)價值區(qū)域的探測。特別是,未來深空科學(xué)探索需要進(jìn)行更廣泛區(qū)域的無障礙探測,以全面了解行星大氣、表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

        對于一些具有大氣層的太陽系行星,例如,火星、金星、木星和土星及其衛(wèi)星等,行星探測器可以進(jìn)入這類行星的大氣層,通過利用該行星的大氣阻力實現(xiàn)探測器的減速,并在其表面安全著陸。也可以利用探測器的大氣進(jìn)入過程,對該行星大氣進(jìn)行各種探測研究,獲得關(guān)于該行星的大氣成分及氣候信息,揭示行星大氣演化過程,建立行星大氣模型,以及為未來的行星探測器設(shè)計提供真實數(shù)據(jù)。深空探測器進(jìn)入行星大氣層的部分稱為進(jìn)入探測器(Entry Probe)。從廣義看,著陸器/巡視器、浮空器(氣球/飛艇)都屬于行星進(jìn)入器的范疇。

        太陽系中,除了地球以外,有大氣層的星體有7個:金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和土衛(wèi)六,其中,火星、金星、木星系和土衛(wèi)六是未來深空探索的重點探測目標(biāo)。

        空間技術(shù),特別是空間機器人技術(shù)的發(fā)展,將大大改變未來行星探測的格局。對有大氣星球的探測,國外近年來涌現(xiàn)出多種探測平臺概念和方案,主要可以分為行星氣球、飛機和飛艇。另一類是對有液體表面星球的探測,如土衛(wèi)六,提出了行星漂浮器的概念。

        行星氣球、飛機和飛艇又可以統(tǒng)稱為行星浮空器,它們可以執(zhí)行星體表面測繪、行星大氣原位測量、表面采樣和投放著陸器等多種任務(wù)。作為大氣原位探測和大氣環(huán)流研究的重要平臺,行星浮空器可填補軌道器和表面巡視器之間的分辨率/覆蓋范圍的空白,還可以作為行星區(qū)域巡航平臺向感興趣區(qū)域投放微型探測器和提供通信中繼。此外,有動力飛艇還能夠進(jìn)行可控全球飛行,部署行星表面網(wǎng)絡(luò)站,以及投放表面儀器進(jìn)行樣品采集。此外,太陽能加熱氣球還能用作行星著陸時的大氣減速裝置等。

        迄今,人類探測最多的太陽系內(nèi)有大氣的行星是金星和火星。其中,探測火星的任務(wù)為42次;探測金星的任務(wù)為41次。其他行星中,8個探測器探測了木星,其中1個進(jìn)入木星軌道,另外7個飛越了木星;4個探測器探測了土星,其中1個進(jìn)入土星軌道,另外3個飛越了土星;2個探測器探測了水星,其中1個飛越水星,1個進(jìn)入水星軌道。2015年7月14日,美國“新視野”飛抵太陽系最遠(yuǎn)的冥王星,使人類完成了太陽系原九大行星的探測。

        歐洲“金星快車”于2006年4月11日進(jìn)入金星軌道

        2 金星大氣進(jìn)入、下降及著陸技術(shù)的發(fā)展概況

        截至2014年底,全世界共發(fā)射41次金星探測任務(wù),其中蘇聯(lián)32次,美國7次,歐洲和日本各1次。早期的金星探測集中在1989年之前,共發(fā)射39次。最近的2次金星探測任務(wù)分別是歐洲航天局(ESA)于2005年11月發(fā)射的“金星快車”軌道器和日本于2010年5月發(fā)射的“拂曉”金星探測器,其中“金星快車”在軌運行達(dá)8年之久,于2014年12月22日因燃料耗盡與地球失去聯(lián)系墜入金星大氣;“拂曉”探測器因故障未能進(jìn)入金星軌道。

        國外已發(fā)射的金星探測器及任務(wù)類型

        目前,人類對金星的探測已實現(xiàn)了撞擊、掠飛、環(huán)繞、著陸等多種形式的探測,蘇聯(lián)1984年發(fā)射的維加-1、2探測器還在進(jìn)入金星大氣過程中釋放了充氦氣球,漂浮了近2天,測量了金星大氣。

        金星的直徑和密度與地球相近,但其周圍被濃厚的云層覆蓋,地面望遠(yuǎn)鏡無法觀測到金星表面。金星的大氣溫度很高,達(dá)497℃;大氣密度比地球大60倍;金星表面的大氣壓力是地球表面的90余倍。由于金星的大氣密度很高,依靠大氣阻力,能夠較快地將進(jìn)入器的速度降低到著陸所需要的速度。但金星進(jìn)入器以高速進(jìn)入如此稠密的大氣層,將承受很高的制動過載和氣動加熱。

        蘇聯(lián)的金星探測計劃,特別是大氣進(jìn)入和著陸任務(wù)取得巨大成功。1965年11月發(fā)射的金星-3是世界首個進(jìn)入金星大氣并撞擊金星的探測器,但未能傳回數(shù)據(jù)。1967-1969年發(fā)射的金星-4~6是首批成功進(jìn)入金星大氣的探測器,傳回了金星大氣溫度和壓力分布數(shù)據(jù),但未到達(dá)金星表面便損壞。1970年8月發(fā)射的金星-7首次實現(xiàn)了金星軟著陸,首次在金星表面?zhèn)骰財?shù)據(jù)。金星-7不僅測量了進(jìn)入著陸過程中的大氣參數(shù),還在金星表面進(jìn)行了53min的探測,獲得了金星表面溫度和壓力、大氣云層的組分、表面土壤的組分等數(shù)據(jù);其著陸艙質(zhì)量約500kg,測得金星表面溫度為447℃,氣壓為90個大氣壓(1個大氣壓為1.01×105Pa),大氣密度約為地球的100倍。金星-7是第一個成功實現(xiàn)對金星進(jìn)行實地勘察的探測器。基于金星-7的成功,此后的金星-8~12也成功實現(xiàn)了金星軟著陸。

        蘇聯(lián)在“金星”系列探測器獲得成功的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展了金星大氣漂浮探測技術(shù),于1984年12月先后發(fā)射了維加-1、2金星探測器,1985年6月到達(dá)金星,成功向金星大氣層釋放了充氦氣的氣球漂浮器。

        金星大氣進(jìn)入過程

        金星進(jìn)入器進(jìn)入大氣層后的急劇減速過程主要在40km以上高度完成,40km以下高度的減速可采用降落傘完成。以蘇聯(lián)的金星-9進(jìn)入及著陸器為例,來闡述金星大氣進(jìn)入的基本過程。

        金星-9的下降艙采用直徑2.4m的圓形氣動外殼,總質(zhì)量1560kg。下降艙本體高1.6m,質(zhì)量660kg。其下部是直徑1m的圓球,內(nèi)裝有各種科學(xué)儀器,外殼能承受10MPa的外壓;圓球下端是外徑1.7m的著陸環(huán),圓球上端是直徑2.1m的剛性阻力板。阻力板上端是直徑0.8m、高0.4m的圓柱形儀器艙,內(nèi)裝有儀器設(shè)備和降落傘系統(tǒng)。在進(jìn)入大氣層的前2天,下降艙與軌道器分離,在距離金星表面125km處,下降艙以10.7km/s的速度進(jìn)入金星大氣層。

        金星大氣的進(jìn)入及下降過程大致分為3個階段(以金星-9為例):

        1)依靠自身氣動阻力減速階段。從1 2 5 k m處進(jìn)入至下降到65km高度左右,速度由進(jìn)入時的10.7km/s降低到250m/s。

        2)降落傘減速階段。在65km高度時,打開傘艙蓋,彈射出引導(dǎo)傘;隨后拉出牽引傘(6m2),牽引傘開傘10~14s后,防熱球上半部分離,拉出減速傘(24m2);減速傘張滿后經(jīng)過5s延時,防熱球下半部分離,拉出主傘(180m2),主傘工作持續(xù)時間約20min。

        3)阻力板減速階段。當(dāng)下降艙下降到48km高度時,主傘分離,此后的下降減速依靠剛性阻力板,最后以7.3~8.5m/s的速度在金星表面著陸。

        美國于1962-1989年共實施了7次金星探測任務(wù),其中6次獲得成功,發(fā)射數(shù)量遠(yuǎn)小于蘇聯(lián),但成功率很高。其中,1978年8月發(fā)射的先驅(qū)者-金星-2探測器由公用艙和4個大氣進(jìn)入器(一大三小)組成。大進(jìn)入器以11.7km/s速度進(jìn)入金星大氣,在氣囊和降落傘的作用下,經(jīng)過1.5h穿過金星大氣層,以8.9m/s的速度撞擊在金星表面。3個小進(jìn)入器未裝備降落傘,下降較快,進(jìn)入下降過程持續(xù)59min,以10m/s的速度撞擊在金星表面。

        先驅(qū)者-金星-2質(zhì)量為290kg,由公用艙、1個大進(jìn)入器和3個小進(jìn)入器組成。公用艙為直徑2.5m的圓柱體結(jié)構(gòu),自旋穩(wěn)定,自旋速率15r/min。大進(jìn)入器為45°鈍錐體結(jié)構(gòu),直徑1.5m,進(jìn)入質(zhì)量316kg,裝有碳酚醛熱防護(hù)層氣動外殼、制動導(dǎo)引傘、后罩和主降落傘,在45km處打開主降落傘,峰值過載280g。3個小進(jìn)入器構(gòu)型相同,均為45°鈍錐體結(jié)構(gòu),直徑0.8m,進(jìn)入質(zhì)量94kg,裝有碳酚醛熱防護(hù)層氣動外殼,但未攜帶降落傘,峰值過載223g~458g。4個子探測器的科學(xué)儀器均采用銀鋅電池組供電。

        美國先驅(qū)者-金星-2的公用艙和4個子探測器(進(jìn)入器)

        小進(jìn)入器的球形儀器艙和氣動外殼

        美國正研制以太陽電池為動力的金星探測飛機

        金星大氣漂浮

        金星的大氣分為上層、云層和下層3個層次。500~100km為上層較稀薄的大氣,在太陽風(fēng)作用下形成電離層;100~50km為濃密的云層(對流層),大氣密度比地球大氣濃密100倍;50km以下為下層,主要成分為二氧化碳、氟和氫氟酸,下層大氣高溫高壓(表面溫度達(dá)465℃,92個大氣壓),極大地限制了表面著陸器的壽命。而高度55km的對流層環(huán)境較為溫和,溫度30~40℃,與地球?qū)α鲗雍芟嗨?,該區(qū)域最適合利用氣球(或飛艇)進(jìn)行探測,蘇聯(lián)“維加”氣球的飛行高度為54km。

        世界上第一個行星大氣浮空器是蘇聯(lián)1984年發(fā)射的“維加”金星任務(wù)(2個)釋放的。探測器攜帶質(zhì)量1500kg、直徑2.4m的球形下降艙,下降艙內(nèi)裝有浮空器和著陸器。浮空器質(zhì)量約21kg,是一個特氟龍充氦氣球,直徑3.54m,采用鋰電池(250W)供電,并由13m長的纜繩牽引。當(dāng)下降艙下降至61km處時,從著陸器后蓋釋放浮空器,在55km高度時打開降落傘,在50km時釋放壓艙物,漂浮持續(xù)46h,漂浮高度50~54km,緯度8°(N)。當(dāng)時地面的望遠(yuǎn)鏡跟蹤到氣球在金星大氣層生存了2天。

        金星探測發(fā)展趨勢

        早期金星探測任務(wù)密度大,但形式單一。未來金星探測的任務(wù)形式和手段將轉(zhuǎn)向多樣化發(fā)展,探測器規(guī)模呈增大趨勢。空間技術(shù)的進(jìn)步和探測手段的不斷豐富,將為開展金星環(huán)繞、進(jìn)入及大氣層內(nèi)探測組合的綜合探測,獲得更多的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)提供很好的基礎(chǔ)和可能。特別是針對金星大氣稠密的特點,將出現(xiàn)浮空器、大氣層內(nèi)主動飛行器等多種探測平臺。

        美國“海盜”在火星著陸示意圖

        3 火星進(jìn)入、下降及著陸技術(shù)的發(fā)展概況

        截至2014年底,美國、俄羅斯、歐洲、日本及印度向火星發(fā)射了42次火星探測器,任務(wù)成功或部分成功22次。隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和成熟,20世紀(jì)90年代以來的火星探測取得了巨大成就。

        迄今有13個軌道器進(jìn)入火星軌道,5個著陸器成功著陸火星,4輛火星車登陸火星,拍攝和傳回大量火星表面圖片,獲得了大量令人振奮的科學(xué)成果。

        在42次火星任務(wù)中,包括美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲在內(nèi)共進(jìn)行了15次火星大氣進(jìn)入及著陸任務(wù),其中有7次著陸任務(wù)失敗。蘇聯(lián)/俄羅斯僅有1個著陸器獲部分成功(火星-3),而美國的7次進(jìn)入著陸任務(wù)全部獲得成功。

        火星的大氣與地球相比,稀薄而寒冷?;鹦堑拇髿饷芏缺鹊厍蛐〖s2個數(shù)量級,只相當(dāng)于地球30km高度的大氣密度。進(jìn)入器在火星這樣稀薄的大氣層里降落,僅依靠大氣阻力減速不足以達(dá)到安全著陸的要求。在著陸的最后階段,必須采取附加的減速手段,如反推制動火箭以及著陸緩沖裝置等。

        1975年8月和9月,美國發(fā)射了2個“海盜”探測器,每個探測器包括1個軌道器和1個著陸器。1976年7月,海盜-1著陸器在火星克里斯平原成功實現(xiàn)軟著陸。它在火星表面持續(xù)工作了6年多,直到1982年11月才與地球失去聯(lián)系。

        火星探測進(jìn)入器從進(jìn)入火星大氣層開始,到在火星表面安全著陸,可分為3個階段,以“海盜”為例,說明其進(jìn)入、下降及著陸(EDL)過程?!昂1I”進(jìn)入器自身質(zhì)量605kg,其氣動外形為錐度140°的圓錐形,后殼為雙錐度的圓錐殼,氣動外形最大直徑3.5m、高1.7m,防熱罩采用碳酚醛燒蝕材料。

        火星進(jìn)入、下降及著陸過程可分為3個階段(以“海盜”為例):

        1)氣動減速階段,是指從進(jìn)入大氣層到下降至5~10km的階段。進(jìn)入器在距離火星表面243km高度進(jìn)入火星大氣層。進(jìn)入器上裝有姿控系統(tǒng),控制其俯仰和偏航姿態(tài),由雷達(dá)高度計提供高度信息。

        2)降落傘減速階段,是指從5~10km高度下降到1km以下的階段。當(dāng)下降到6.4km高度、速度減至366m/s時,彈出直徑16m的降落傘;7s后,前罩殼分離,3根著陸支腿伸出。

        3)當(dāng)下降到1.4 k m高度左右、速度減小到60m/s時,后罩殼分離,降落傘帶后罩殼飄走,反推制動火箭點火,進(jìn)入器以3~6m/s的速度著陸在火星表面。

        美國已掌握了多種火星進(jìn)入及著陸技術(shù),大氣進(jìn)入控制能力和著陸精度大幅提高

        美國從“海盜”計劃開始實施火星進(jìn)入、下降及著陸任務(wù),其技術(shù)方案繼承了當(dāng)時的“勘測者”月球著陸任務(wù)以及“阿波羅”登月飛船獲得的成功經(jīng)驗,其火星著陸主要技術(shù)包括70°鈍錐體的著陸艙外形、支腿式緩沖機構(gòu)、超聲速盤縫帶傘、制動發(fā)動機。而隨后研制的火星著陸器又大都繼承了“海盜”的研制經(jīng)驗。

        目前已使用的火星進(jìn)入最終著陸緩沖階段有4種方式:一是通過制動發(fā)動機減速直接著陸;二是采用緩沖支腿(“海盜”);三是用緩沖氣囊(“火星探路者”、勇氣號和機遇號);四是“火星科學(xué)實驗室”(好奇號)使用的“空中吊車”。

        好奇號的進(jìn)入、下降及著陸過程

        好奇號通過降落傘和“空中吊車”方式在火星表面著陸

        由于進(jìn)入質(zhì)量大(2.8t),好奇號在繼承降落傘和制動火箭減速技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種新型的進(jìn)入、下降及著陸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點:①采用8臺反推火箭在1.6km處點火,在40s內(nèi)實現(xiàn)快速減速;②距離表面20m高時,“空中吊車”保持低速盤旋(0.75m/s),用繩索緩慢下放漫游車;③著陸精度高,約為20km,而以前的勇氣號/機遇號的著陸精度為80km左右;④漫游車著陸平穩(wěn),安全性高,可快速進(jìn)入工作狀態(tài)。

        蘇聯(lián)/俄羅斯火星進(jìn)入及著陸任務(wù)僅獲得部分成功

        蘇聯(lián)/俄羅斯是世界上最先開展火星探測活動的國家,于1960年發(fā)射了世界第一個火星探測器。由于火星環(huán)境復(fù)雜、任務(wù)風(fēng)險高,蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測任務(wù)大部分都以失敗告終。

        1960年10月-2011年11月,蘇聯(lián)/俄羅斯共進(jìn)行了19次火星探測任務(wù)發(fā)射,其中因運載火箭故障導(dǎo)致的發(fā)射失敗有9次。在10次成功發(fā)射任務(wù)中,只有5次探測器進(jìn)入火星軌道,另外的5次未能進(jìn)入火星軌道。其中,執(zhí)行著陸任務(wù)6次,失敗5次,只有1971年發(fā)射的火星-3著陸獲得成功,這是世界首次火星軟著陸,但僅傳輸20s的數(shù)據(jù),著陸器就毀壞在火星沙塵暴中。

        蘇聯(lián)/俄羅斯火星著陸器的基本參數(shù)

        蘇聯(lián)火星-3著陸器

        火星探測大氣進(jìn)入及著陸技術(shù)總結(jié)及其發(fā)展趨勢

        火星著陸器從進(jìn)入火星大氣到真正著陸所經(jīng)歷的時間最短約為380s,最長為460s,即平均7min左右。這是整個火星任務(wù)中最危險、最重要的環(huán)節(jié),人們將登陸火星的最后7min稱為“恐怖7分鐘”。火星上稀薄的大氣和復(fù)雜的表面環(huán)境給航天器的下降和著陸造成了極大的困難,例如,稀薄大氣下的超聲速開傘減速、進(jìn)入過程的過載加熱、最終著陸階段的危險規(guī)避等。

        至今,美國共實施了7次火星進(jìn)入及著陸任務(wù),全部獲得成功。特別是2012年8月6日,美國新一代火星車好奇號采用“空中吊車”技術(shù)在火星表面的蓋爾環(huán)形山成功著陸,是目前進(jìn)入火星大氣質(zhì)量最大的著陸載荷,著陸質(zhì)量達(dá)到1541kg,為“海盜”著陸質(zhì)量的2.6倍,著陸精度從勇氣號/機遇號的80km提高到20km。

        “海盜”采用了著陸支腿緩沖方案,借鑒了當(dāng)時的“勘測者”月球探測器的著陸技術(shù)。其優(yōu)點是容易與著陸器結(jié)構(gòu)集成,能夠承受很大的質(zhì)量,并可為表面操作提供穩(wěn)定平臺;缺點是對著陸點地形要求較高,著陸位置不能有大的坡度和巖石。

        “火星探路者”和“火星漫游者”(勇氣號和機遇號)采用了緩沖氣囊,優(yōu)點是簡化了著陸系統(tǒng)的設(shè)計,能以較大的速度著陸,對著陸姿態(tài)無要求,可適應(yīng)復(fù)雜的地形,缺點是只適合質(zhì)量較小的著陸裝置。

        著陸支腿、氣囊緩沖方式各有優(yōu)點,要針對具體任務(wù)進(jìn)行具體分析,其設(shè)計和控制要充分考慮各種著陸風(fēng)險,并提高承受惡劣環(huán)境的能力。

        從發(fā)展趨勢看,火星大氣進(jìn)入載荷質(zhì)量將不斷增大,從數(shù)百千克提高到數(shù)千千克;火星進(jìn)入及著陸的方式由無控式變?yōu)榭煽厥?,即進(jìn)入、下降及著陸階段都會加入動力控制來修正由于各種因素導(dǎo)致的著陸偏差,從而保證著陸精度和提高安全可靠性;火星著陸的精度將迅速提高,將從幾十千米提高到百米以內(nèi)。

        火星車著陸時使用的氣囊對在火星安全著陸有重要作用。它使用了一種新型合成材料,可以在低溫的條件下保持性能

        “伽利略”向木星表面釋放進(jìn)入器示意圖

        4 木星探測及進(jìn)入器的發(fā)展概況

        目前,只有美國發(fā)射了2顆木星探測器,另有7顆探測器以“路過”方式飛掠了木星,飛掠木星的探測器包括先驅(qū)者-10和11、旅行者-1和2、“尤里塞斯”、“卡西尼”和“新視野”,它們是在飛往目標(biāo)途中進(jìn)行木星借力飛行。美國1989年發(fā)射的“伽利略”是首個進(jìn)入木星軌道的探測器,并向木星大氣釋放了大氣進(jìn)入器,以48km/s的高速進(jìn)入木星大氣,并在下墜過程中探測了木星大氣的成分和物理特性。美國又于2011年8月發(fā)射了“朱諾”木星探測器,預(yù)計將于2016年進(jìn)入木星極軌道。

        木星是太陽系行星中體積最大的一顆行星,但平均密度最小。木星質(zhì)量是地球的318倍,平均密度只有1.33g/cm3,而體積是地球的1316倍,因而被稱為巨行星。

        根據(jù)“伽利略”探測器傳回的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在木星的背陽面,有30000km長的極光,這表明木星大氣受到很多高能粒子的轟擊。木星具有比地球更強的磁場和輻射帶,木星磁場比地球磁場約強10倍,木星磁層比地球磁層大得多。木衛(wèi)一~木衛(wèi)五都在木星的磁層內(nèi)運行,目前確認(rèn)的木星衛(wèi)星數(shù)目已達(dá)63個。

        1989年10月18日,“伽利略”探測器由“阿特蘭蒂斯”航天飛機發(fā)射升空。它是美國發(fā)射的第一個專門探測木星及其衛(wèi)星的深空探測器,它還是首個進(jìn)入木星軌道的探測器,并首次采用大氣進(jìn)入器對木星大氣進(jìn)行了測量。

        “伽利略”軌道器于1995年12月7日到達(dá)木星,軌道器圍繞木星完成了為期8年、35圈的軌道飛行,最終于2003年9月21日受控撞向木星,為長達(dá)14年的太空之旅畫上了句號。

        在到達(dá)木星軌道前150天,軌道器釋放出大氣進(jìn)入器,而軌道器繼續(xù)沿著木星橢圓軌道進(jìn)行探測,拍攝木星及其衛(wèi)星的高分辨率照片。大氣進(jìn)入器則深入木星大氣層的深處,詳細(xì)探測大氣層的成分和物理特性。

        木星進(jìn)入器的球形儀器艙

        “伽利略”大氣進(jìn)入器是一個120°錐角的鈍頭圓錐殼體,由氣動防熱罩和一個球形儀器艙組成,總質(zhì)量約339kg,其中僅防熱殼質(zhì)量就達(dá)220kg,占進(jìn)入器總質(zhì)量的65%?!百だ浴边M(jìn)入器安裝了6臺科學(xué)儀器,包括大氣結(jié)構(gòu)探測儀、中子質(zhì)譜儀、氦分量檢測儀、測云計、凈通量輻射計、閃電和射電監(jiān)測儀。進(jìn)入器還裝有2臺L頻段發(fā)射機,能以128bit/s的速率發(fā)送測量數(shù)據(jù),經(jīng)軌道器中繼傳回地球。

        1995年12月7日,“伽利略”大氣進(jìn)入器以48km/s的高速在450km高處進(jìn)入木星大氣層。它承受的峰值過載高達(dá)400g,表面承受的壓力達(dá)14個大氣壓,表面溫度達(dá)780℃。在它打開降落傘徐徐下降的過程中,對木星進(jìn)行了各種測量。隨著高度的下降,大氣壓力和氣溫越來越高,最后壓力高達(dá)20個大氣壓,這時,球形的進(jìn)入器被大氣壓垮,探測工作終止。整個進(jìn)入過程約歷時57min。

        5 土星探測及進(jìn)入器的發(fā)展概況

        土星與木星同屬太陽系中的巨行星,其大小和質(zhì)量僅次于木星。土星的體積是地球的745倍,質(zhì)量是地球的95倍,但土星的平均密度在八大行星中是最小的,比水還輕,約為0.7g/cm3。土星表面的重力加速度與地球差不多,為地球的1.07倍。

        1997年10月發(fā)射的美歐合作的“卡西尼-惠更斯”探測器在深空飛行7年后,于2004年7月進(jìn)入土星軌道,是目前唯一進(jìn)入土星軌道的探測器(目前仍然在軌工作),探測了土星環(huán)及其衛(wèi)星,其攜帶的“惠更斯”子探測器于2005年1月14日進(jìn)入土衛(wèi)六大氣并登陸到其表面。

        “卡西尼-惠更斯”探測器是美國航空航天局、歐洲航天局和意大利航空航天局合作實施的一個國際探測項目。該探測任務(wù)的軌道器以意大利出生的法國天文學(xué)家“卡西尼”來命名,其主要任務(wù)是環(huán)繞土星飛行,對土星的大氣、光環(huán)、磁場及其衛(wèi)星進(jìn)行長期考察。在該國際合作項目中,歐洲航天局設(shè)計研制了“惠更斯”進(jìn)入器(即子探測器),以荷蘭的天文學(xué)家和物理學(xué)家惠更斯命名?!盎莞埂边M(jìn)入器的任務(wù)是進(jìn)入、下降及著陸在土衛(wèi)六(即泰坦)表面,并在進(jìn)入過程中對其大氣和表面進(jìn)行探測研究。

        土衛(wèi)六是土星系最大的衛(wèi)星,其赤道直徑為5150km,相當(dāng)于一顆小行星。它的大氣化學(xué)成分復(fù)雜,主要是氮氣、富碳水化合物等,與早期的地球大氣很相似,因而成為行星探測的重點目標(biāo)。通過“惠更斯”進(jìn)入器對其大氣的探測和表面的研究,不僅能了解這些奇特物體的狀態(tài)和形成,同時也能對地球的早期歷史有所了解。而在靠近土衛(wèi)六飛行時,“卡西尼”軌道器上的儀器還能對它的表面進(jìn)行遙感觀測,并對其電離層和上層大氣進(jìn)行就位測量。

        2004年12月25日,“惠更斯”進(jìn)入器與“卡西尼”軌道器分離。經(jīng)過21天的慣性飛行,2005年1月14日,“惠更斯”到達(dá)土衛(wèi)六,并以土衛(wèi)六“白天”一面的高緯度著陸點作為登陸目標(biāo)?!盎莞埂边M(jìn)入器利用降落傘減速,歷時2.5h穿過其稠密大氣降落到土衛(wèi)六表面。

        “惠更斯”進(jìn)入器的進(jìn)入、下降及著陸過程:

        1)高速進(jìn)入階段,進(jìn)入器以6.1km/s的速度進(jìn)入土衛(wèi)六大氣層,進(jìn)入段持續(xù)約3min,這期間進(jìn)入器的速度降到大約400m/s。

        進(jìn)入土衛(wèi)六的大氣層后,在防熱罩正前方激波中的等離子體溫度將達(dá)到12000℃;同時,進(jìn)入器的最大過載也將達(dá)到約16g。進(jìn)入器的外殼必須能夠耐住土衛(wèi)六大氣的極度寒冷(-200℃)而不屈曲。

        2)降落傘減速階段,“惠更斯”進(jìn)入器的減速過程使用了多頂降落傘。當(dāng)加速度計測出馬赫數(shù)Ma為1.5時,先展開一頂2m直徑的引導(dǎo)傘,并拉掉后蓋;緊接著打開直徑8.3m的主傘。

        主傘展開約30s后,進(jìn)入器速度從1.5Ma降到0.6Ma。前防熱罩隨后被拋掉,進(jìn)入器隨著主傘慢慢降落,時間約15min,這時開始進(jìn)行最初的科學(xué)測量。然后主傘與進(jìn)入器分離,并釋放一頂較小的3m直徑的拖曳傘,使進(jìn)入器更快的下降。

        “卡西尼”軌道器向土衛(wèi)六釋放“惠更斯”進(jìn)入器

        “惠更斯”進(jìn)入器的下降、開傘及著陸過程

        3)最終下降階段,在下降的最后幾百米,進(jìn)入器上的白光燈照亮土衛(wèi)六表面,使探測儀器能對其表面成分進(jìn)行光譜分析。在整個下降過程中,軌道器將對進(jìn)入器發(fā)回的無線電信號頻移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測,由此推斷出土衛(wèi)六大氣陣風(fēng)的強度,而進(jìn)入器上的大氣構(gòu)造探測儀則測量土衛(wèi)六溫度、氣壓以及是否存在導(dǎo)致閃電的電場。最后,進(jìn)入器以大約7m/s的速度到達(dá)土衛(wèi)六表面?!盎莞埂边M(jìn)入器的整個進(jìn)入、下降及著陸過程歷時2.5h。

        “惠更斯”進(jìn)入器的前防熱罩包敷有類似航天飛機用的AQ60材料制成的防熱瓦,這種隔熱材料是一種低密度纖維“柵網(wǎng)”。前罩防熱瓦的厚度是按照保證結(jié)構(gòu)不超過150℃計算得出的,它低于鉛的熔化溫度。進(jìn)入器背面的溫度要低得多,所以后罩采用一種叫“Prosial”涂層的石英泡沫材料。整個熱控分系統(tǒng)的質(zhì)量約為100kg,占整個進(jìn)入器質(zhì)量的1/3。

        “惠更斯”進(jìn)入器攜帶了6臺科學(xué)儀器,包括大氣構(gòu)造儀(HASI)、多普勒風(fēng)實驗裝置(DWE)、下降成像儀/光譜輻射計(D I S R)、氣體層析/質(zhì)譜儀(G C M S)、懸浮微粒收集器和熱解器(ACP)、表面科學(xué)裝置(SSP)。

        “惠更斯”進(jìn)入器取得的技術(shù)突破和科學(xué)成就主要有:

        1)首次實現(xiàn)在行星衛(wèi)星上著陸,也是探測器首次在外太陽系星體表面著陸;

        2)首次獲得了土衛(wèi)六大氣成分、溫度、陣風(fēng)強度等信息,確認(rèn)了土衛(wèi)六具有厚厚的大氣層;

        3)確認(rèn)了土衛(wèi)六具有液體表面,測量了著陸點溫度及表面物質(zhì)成分;確認(rèn)了土衛(wèi)六表面的水被冰層封鎖;

        4)“惠更斯”從進(jìn)入、下降到著陸的2.5h期間,共拍攝了700多幅土衛(wèi)六及其周圍大氣環(huán)境圖像;著陸后又生存了約30min,拍攝了土衛(wèi)六表面圖片;軌道器成功中繼傳回350幅圖像。但由于“卡西尼”軌道器接收機的一個軟件故障,導(dǎo)致另外350幅圖像未能傳回。

        著陸后的“惠更斯”進(jìn)入器

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