木衛二快船

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歐羅巴快船
「歐羅巴快船」探測器藝術想像圖
名稱木衛二多次飛越任務
任務類型木衛二偵測
運營方美國宇航局
網站europa.nasa.gov
任務時長巡航: 6 年[1][2]
探測階段: 4 年
航天器屬性
製造方噴氣推進實驗室
發射質量6065千克（13371磅）[3][4][5]
乾質量2616千克（5767磅）[5]
酬載質量352千克（776磅）[5]
尺寸高:6米（20英尺）
太陽能電板跨度:22米（72英尺）[4]
功率600瓦（0.8馬力）來自太陽能電池板[6]
任務開始
發射日期2024年10月10日（計劃）[7]
運載火箭
發射場卡納維拉爾角
木星軌道器
入軌2030年4月11日（計劃）
軌道44次[4][8]

歐羅巴快船任務徽標  

歐羅巴快船（Europa Clipper）[10]（以前稱為「木衛二多次飛越任務」）是美國宇航局正在開發的一項軌道器行星際航行任務。該探測器計劃於2024年10月發射[7]，主要目的是在環木星軌道上，通過一系列的飛越來研究伽利略衛星-木衛二。

該任務是行星科學部計劃的項目，被確立為一項大型戰略科學任務，它的第二次飛行將由行星任務計劃辦公室太陽系探索計劃基金資助[11][12]，同時，該任務還得到新的海洋世界探索計劃的支持[13]。歐羅巴快船將繼續伽利略號探測器在木星軌道所做的八年研究，伽利略號的研究表明木衛二冰層下面存在一個地下海洋。向木衛二發射探測器的想法最初與木衛二軌道飛行器和木星冰月軌道器等項目一同產生，在這些項目中，探測器將被發射到環木衛二運行的軌道上。不過，由於木衛二軌道上木星磁層輻射的不利影響，歐羅巴快船決定改為注入到更安全的環木星橢圓軌道上，並44次近距離飛越木衛二。該任務最初由噴氣推進實驗室和應用物理實驗室聯合研究，並將由噴氣推進實驗室、應用物理實驗室、美國西南研究院、得克薩斯大學奧斯汀分校、亞利桑那州立大學和科羅拉多大學博爾德分校提供9台科學探測儀器。該任務將補充歐空局在2022年發射的木星冰月探測器，木星冰月探測器在進入木衛三軌道之前，將兩次飛越木衛二，多次飛越木衛四。

歐羅巴快船任務計劃於2024年10月發射，發射窗口期21天，預計於2030年4月抵達。探測器將利火星和地球的重力輔助（MEGA），它的飛行路徑包括在2025年2月飛越火星和2026年12月飛越地球[7]。

歷程

以前一次木衛二飛越任務所採集數據繪製的拼接圖

1997年，一個研究團隊向美國航天局發現計劃提交了一項「木衛二軌道飛行器」任務提案[14]，但未被選中。美國航天局噴氣推進實驗室在發現計劃選定後的一個月宣布，將執行美國航天局的木衛二軌道飛行器任務，隨後噴氣推進實驗室邀請原提案團隊擔任任務評審委員會（MRC）。

在發現級「木衛二軌道飛行器」提案提出的同時，伽利略無人探測器已在環木星飛行了。從1995年12月8日至1997年12月7日，伽利略號完成了進入木星軌道後的主要任務。在最後一天，伽利略軌道飛行器開始了一項被稱為「伽利略」木衛二任務（GEM）的延伸任務，該任務一直持續到1999年12月31日。這是一項低成本任務，預算僅3000萬美元，研究團隊成員約40-50人（為1995年-1997年主要任務時期200人團隊規模的五分之一），沒有處理問題的資源，但當出現問題時，他們可臨時召回前團隊成員（稱為「老虎團隊」），以集中精力解決問題。該探測器曾多次飛越木衛二（8次） 、木衛四（4次）和木衛一 （2次）。在每次飛越這三顆衛星時，都會遇到探測器在七天任務期中只收集到兩天有價值的數據。這次的「伽利略」木衛二任務類似於縮小版的歐羅巴快船計劃任務，它在兩年內八次飛越木衛二，飛行里程從196公里（122英里）到3582公里（2226英里）[15]。

木衛二已被確定為太陽系中可能蘊藏有微生物外星生命的地點之一[16][17][18]。緊隨着伽利略號的發現和發現計劃中獨立的木衛二軌道飛行器提案的提出，噴氣推進實驗室對相應的一些探測任務概念諸如木星冰月軌道器（160億美元）[19]、木星-木衛二軌道器（43億美元）、木衛二軌道器（20億美元）和木衛二多次飛越探測器：「歐羅巴快船」等進行了初步的任務研究[20]。

「歐羅巴快船」仍處於規劃和早期開發階段，但成本估算從2013年的20億美元[16][18]已增至2020年的42.5億美元[21][22]。該任務是約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室和噴氣推進實驗室的聯合項目[1][23]，任務名稱取自19世紀經常穿梭於世界各地貿易航線上的輕型快船[24]，之所以選擇該名稱，是因為這探測器也將反覆穿過木衛二，頻率高達每兩周一次[24]。

正如2011年行星科學十年調查所建議的那樣[1][18]，2013年3月，該項目被授予7500萬美元資金以開展任務活動制定、完善探測目標，並初步開發所需的儀器設備[25]。2014年5月，眾議院的一項法案將2014財年的「歐羅巴快艇」資金預算從1500萬美元[26][27]大幅調增至1億美元，以用於方案的前期研究[28][29]。

2014年美國中期選舉結束後，兩黨承諾將繼續為「木衛二多次飛越任務」項目提供資金[30][31]，行政部門還為初步研究撥款3000萬美元[32][33]。

2015年4月，美國航天局向歐洲空間局提出了與歐羅巴快船一起飛行的附加探測器方案，最大質量限制為250千克[34]，它可以是一艘簡單的探測器、撞擊器[35]或着陸器[36]。歐洲空間局（ESA）正在進行內部評估，以確定是否有興趣及可用資金[37][38][39][40]來啟動一項類似極成功的卡西尼-惠更斯號的合作計劃[40]。

2015年5月，美國航天局選擇了9台將搭載在軌道飛行器上的儀器，在未來三年，它們將耗資約1.1億美元[41]。2015年6月，美國宇航局宣布，批准該任務概念，允許軌道飛行器進入研製階段[42]，2016年1月也批准了着陸器方案[43][44]。2016年5月，海洋世界探索計劃獲得批准[45]，歐羅巴任務是其中的一部分[13]。2017年2月，該任務從A階段轉入至B階段（初步設計階段）[46]。

2017年7月18日，眾議院太空小組委員會舉辦了作為旗艦級任務的「歐羅巴快船」聽證會，並討論了被簡稱為歐羅巴着陸器的可能後續任務[11]。

B階段工作持續止2019年[46]，此外，還選擇了子系統供應商及原型探測設備的零配件，探測器的子部件也將進行建造和測試[46]。2019年8月19日，歐羅巴快船被確認進入C階段：最終設計和製造[47]。

D階段則將包括裝配、測試和發射。

目標

木衛二上疑似水噴柱的合成照片
通過連續飛越實現對木衛二全球區域覆蓋的概念

歐羅巴快船的目標是探索木衛二，調查其宜居性，並幫助選擇未來歐羅巴着陸器的着陸地點[44][48]。這次探索的重點是了解生命所需的三大條件：液態水、化學和能源[49]，具體來說，主要研究目標是：[23]  

  • 冰殼和海洋：確認冰層內或冰層下水的存在，並描述其性質，以及表面冰與海洋交換的過程；
  • 成分：主要化合物的分布和化學構成以及與海洋成分的聯繫；
  • 地質學：地表特徵的特點和形成，包括最近或當前活動的地點。

 

規劃

一條數次飛越木衛二的環木星寬軌將可減少所受的輻射並提高數據傳輸率

由於木衛二位於木星強烈的輻射場內，即便是近地軌道上的抗輻射探測器也只能工作數月[20]。而另一方面，受地球上數據接收天線數量的限制，使得大多數儀器的數據採集速度遠快於通信系統將數據傳回地球的速度[20]。因此，對於木衛二軌道飛行器探測的另一項關鍵性限制因素，是將數據傳回地球的時間。相比之下，儀器進行近距離觀測時間的長短就並不那麼重要了[20]。

噴氣推進實驗室科學家們的研究表明，通過數月多次飛越傳回的數據，「歐羅巴快船」概念將能使一項 20億美元的任務對取消價值43億美元的木星-木衛二軌道飛行器概念起到關鍵的測評作用[20]。在每次飛越之間，歐羅巴快船將有7到10天的時間來傳輸每次短暫交會時存儲的數據，這將使探測器有長達一年的時間來傳輸數據， 而一艘軌道飛行器卻只有30天傳輸時間，其結果是傳回地球的數據幾乎多達三倍，同時也減少輻射暴露[20]。歐羅巴快船將不環繞木衛二，而是環繞木星飛行，在3.5年的任務期中，從25至2700公里（16至1678英里）的高空44次飛越木衛二[4][2][50]。該任務概念的一個關鍵特色是，歐羅巴快船將利用木衛二、木衛三和木衛四的重力助推來改變其軌道，可使探測器在每次飛越時能返回到不同的接近點[51]，每次飛越都將覆蓋木衛二不同的區域，以實現中等質量的全球地形測量，包括冰層的厚度[52]。歐羅巴快船可能會低空穿越從衛星冰殼下噴發出的水蒸氣羽流，從而獲得地下海洋樣本，而不必降落到表面並鑽穿冰層[26][27]。

「歐羅巴快船」將繼續使用經伽利略號和朱諾號木星軌道器測試過的輻射防護技術-150公斤重的鈦制屏蔽罩。為了最大限度地發揮其效能，電子設備將嵌入在探測器的核心，以提供額外的輻射防護[52]。

設計與建造

該探測器將近距離飛越木星的衛星-木衛二
歐羅巴快船探測器的磁場

電源

對為軌道飛行器供電的放射性同位素熱能發電機和太陽能光伏電源都進行了評估[53]。儘管木星的太陽光照射強度僅為地球軌道的4%，但朱諾號任務證明了太陽能電池板可以為木星軌道器提供電力。太陽能電池板的替代品是以鈈-238為燃料的多任務放射性同位素熱電發生器[2][52]，該種電源已在火星科學實驗室（MSL）任務中得到驗證。現有五台可用，其中一台預留給火星2020漫遊者任務，另一台作為備份。2013年9月，決定採用更便宜的太陽能電池板為探測器供電，2014年10月3日，宣布選擇太陽能電池板為歐羅巴快船提供電力。 該任務的設計者認為，太陽能既比鈈便宜，又實用於探測器使用[53]。儘管與鈈能發電機相比，太陽能電池板的重量有所增加，但預計飛行器的質量仍在可接受的發射限值內[54]。

初步分析表明，每塊電池板的表面積為18米2（190英尺2），在環木星運行期間，當指向太陽時，會連續產生150瓦的電力[55]。當處於木衛二陰影下時，電池組將能讓探測器繼續收集數據。然而，電離輻射會損壞太陽能電池板。「歐羅巴快船」的軌道將穿過木星的強磁圈，預計隨着任務的進行，該磁層圈將逐漸降低太陽能電池板的性能[52]。太陽能電池板將由荷蘭空客國防航天公司提供[56]。

探測設備

「歐羅巴快船」任務裝備了一套複雜、用於研究木衛二內部和海洋、地質、化學及宜居性的9件裝儀器。電子元件被保護在150公斤重的鈦鋁屏蔽層內，使其免遭強烈輻射[4][52]。隨着任務設計的成熟，探測器的有效載荷和軌道可能會發生變化[57]。2015年5月宣布的軌道飛行器上九部探測儀器，估計總質量為82千克（181磅），如下所示：[58]。

木衛二熱輻射成像系統（E-THEMIS）

木衛二熱輻射成像系統將在中紅外和遠紅外波段對木衛二進行高空間分辨率、多光譜成像，以幫助查找活動地點，如向太空噴射水柱的隱藏噴口。該儀器為2001火星奧德賽號軌道飛行器上熱輻射成像系統（THEMIS）的派生型，也是由菲利普·克里斯滕森（Philip Christensen）開發。  

木衛二測繪成像光譜儀（MISE）

木衛二測繪成像光譜儀是一台成像近紅外光譜儀，用於探測木衛二表面成分、識別和測繪有機物（包括氨基酸和托林[59][60]）、鹽、酸性水合物、水冰和其他物質的分布。通過這些測量，科學家們希望能將該衛星的表面成分與它的海洋宜居性聯繫起來[60][61]。木衛二測繪成像光譜儀是與約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）合作製作。  

木衛二成像系統（EIS）

木衛二成像系統是一台可見光廣角和窄角相機，它將以50米（160英尺）的分辨率繪製木衛二大部分地區的地圖，並將以高達0.5米的分辨率提供選定區域地表的圖像。  

木衛二紫外光譜儀（Europa-UVS）

木衛二紫外光譜儀將能探測到微小的噴流，並將提供有關該衛星外氣層成分和動態變化的寶貴數據。首席研究員庫爾特·雷瑟福德（Kurt Retherford）是使用哈勃空間望遠鏡進行紫外光譜分析時，發現木衛二噴流的小組成員之一[62]。  

木衛二海洋到近地表評估和探測雷達（REASON）

木衛二評估和探測雷達:海洋到近地表（REASON）[63][64]是一台雙頻探冰雷達，設計用於描述和探測從近地表到海洋的木衛二冰殼，揭示木衛二冰殼的隱藏結構和內部潛在的水穴。該儀器將由噴氣推進實驗室製造[60][63]。  

使用磁強計研究木衛二內部特徵（ICEMAG）

由於成本超支，利用磁強計探測木衛二內部特徵（ICEMAG）被取消[65]，代之以更簡單的磁強計[66]。

等離子體磁測深儀（PIMS）

等離子體磁測深儀器（PIMS）。圖為應用物理實驗室潔淨室中最近組裝的法拉第杯傳感器和兩種儀器外殼配置。左邊是最後的飛行硬件，安裝了保溫毯；右側是保護敏感硬件以進行傳輸測試的配置

等離子體磁測深儀（PIMS）測量環繞在木衛二周圍的等離子體，以描述由等離子體電流產生的磁場。這些等離子體電流掩蓋了木衛二地下海洋的磁感應反應。結合磁強計，它可以測定木衛二關鍵的冰層厚度、海洋深度和鹽度數據。等離子體磁測深儀還將探索木衛二表面風化及物質釋放到大氣層和電離層的機制，並了解木衛二如何影響其局部空間環境和木星磁層[67][68]。  

行星探測質譜儀（MASPEX）

木衛二行星探測質譜儀（MASPEX）將通過測量木衛二極為稀薄的大氣層和所有射入到太空中的表面物質來確定表層和表層下海洋的成分。行星探測質譜儀研發負責人傑克·韋特（jackwaite），也是卡西尼號探測器上離子和中性質譜儀（INMS）科研團隊負責人。  

表面塵埃質量分析儀（SUDA）

表面塵埃質量分析儀（SUDA）[9]是一台質譜儀，它將測量從木衛二噴射出來的細小固體顆粒物成分，為在低空飛越時直接取樣表面和潛在的噴流提供了機會。該儀器能夠識別噴出物冰中的微量有機和無機化合物[69]。  

可能的第二組成部分

A 1U型立方衛星是一台10厘米的立方體

歐羅巴快船任務預留了250公斤的載重以攜帶其它的飛行組件[34]，現已提出了約12項建議，但都尚處於概念研究階段，也沒計劃用於歐羅巴快船任務。下面介紹其中一些：

微納衛星

由於「歐羅巴快船」飛行任務可能無法輕易改變軌道或高度來穿越偶發的羽狀噴流，因此從事該項任務的科學家和工程師們研究了在探測器上部署數顆可能由離子推進器驅動的立方體微型衛星，以穿越噴流並評估木衛二內部海洋的宜居性[2][33][70]。一些早期的建議包括「迷你瑪姬」（Mini-MAGGIE）[71]、「達西德」（DARCSIDE）[72][73]、「西爾夫」（Sylph）'[74]和克薩爾特（CSALT）等都屬於初步研究撥款階段所做的一些設想，並沒有一項考慮要真正進行硬件開發或飛行。「歐羅巴快船」將把來自微納衛星的信號傳回地球。通過推進，一些微納衛星也可以進入環繞木衛二的軌道[52]。

子軌道器
  • 木衛二生命印跡探索者 （BEE）
美國航天局還評估了釋放另一艘250公斤（550磅）重探測器的情況，該探測器被稱為「木衛二生物印記探測器」（英文縮寫「蜜蜂」），它將配備一台基本的雙推進劑發動機和冷氣體推進器，以便更加靈活和靈敏地探測木衛二上的偶發活動，並在水羽流被輻射破壞前對它們進行取樣和分析，以獲取生物印記和生命證據[57]。蜜蜂號羽流探測器將配備一台經驗證的帶氣相色譜分離的質譜儀，它還將攜帶一台紫外線羽流目標相機以及可見光和熱成像儀，以比主探測器上儀器更高的分辨率拍攝活躍區域[57]。蜜蜂號探測器將在2-10公里的高度穿越羽流，然後快速離開，並在遠離輻射帶的地方進行分析。

 

  • 木衛二地層掃描探測器 （ETP）
歐洲的一項提案提出了一艘配備有磁強計，可在極地軌道上環繞木衛二至少6個月的獨立動力探測器概念。它將可測定木衛二深層的內部結構，並提供一種極佳的冰殼厚度和海洋深度測定方法，這些數據原本都是無法通過多次飛越來準確測定的[34]。

 

撞擊探測器
包括一些由荷蘭[75]和英國[76]提出的撞擊探測器概念。
飛越取樣返回

科羅拉多大學提出的「木衛二生命印記分析儀」（ELSA）概念為發射時所搭載的第二艘探測器，它使用一台小型撞擊器來來產生一道地表顆粒噴流，並將它們彈射到能夠穿過的高度，以便在探測器上採樣分析[77][78]。這一概念的一種變體是1996年的木衛二飛越任務，它包含一台10公斤重的撞擊器，從主探測器上射出撞擊木衛二，從而在約100公里高的附近空間形成一層碎屑雲，隨後一艘小型探測器近距離穿越採樣，並利用木衛二的引力實現自由返回軌道[79][80][81]。收集機制暫定為氣凝膠（類似於星塵號任務）。

附加着陸器

伽利略號近期飛行中，從560公里高度所看到的木衛二表面

早期的「歐羅巴快船」概念要求配備一架直徑約1米的固定着陸器，可能約230公斤（510磅），儀器[44]加推進劑最多30公斤（66磅）。建議配備質譜儀和拉曼光譜儀來測定表面化學性質[44]。着陸器被提議由主探測器運送到木衛二，可能需要類似火星科學實驗室降落好奇號那樣的空中吊車系統，以便在活躍的裂縫附近實現高精度軟着陸[82]。着陸器將使用電池在地面運行約10天[44]。 

「歐羅巴快船」大約需要三年的時間，才能以每像素50米的分辨率拍攝到95%的木衛二表面。有了這些數據，科學家們就可以找到一個合適的着陸點[82]。據估計，包括登陸器在內，這項任務的成本將增加10億美元[82]。   

單獨發射
主條目：歐羅巴着陸器

 

單獨發射的歐羅巴登陸任務想像圖（2017設計）

2017年2月確定，設計一套降落在完全陌生地表上的着陸系統風險太大。而「歐羅巴快船」先期的詳細的偵察，則可為未來的登陸任務打下基礎[83]，這也引發了2017年的獨立任務提案：歐羅巴着陸器[84]。美國宇航局的歐羅巴着陸器項目如能得到撥款，則將在2025年單獨發射[85]，以補充歐羅巴快船任務的研究[86][87]。在獲得專款的情況下，可以選擇約10件提案進行評選，每件提案的研製費用為150萬美元[88]。總統的2018年和2019年聯邦預算提案並沒有為歐羅巴着陸器提供資金，但為概念研究分配了1.95億美元[89][90][91]。

在國會綜合開支法案中，美國宇航局2021財年預算沒有包括任何語言授權或資助歐羅巴着陸器，因為以前的法案使該任務的前景變得很不明朗[92]。

發射和軌道

2021年2月10日，有消息稱，該任務將使用一條5.5年的軌道進入木星系統，其中涉及2025年2月火星和2026年12月地球的二次重力助推機動。發射的目標是在2024年10月10日至30日的21天窗口期內發射，並於2030年4月11日抵達，後備發射日期確定在2025年和2026年[7]。 

美國國會原本授權美國宇航局使用太空發射系統（SLS）重型運載火箭發射「歐羅巴快船」，但由於預計缺乏可用的空間發射系統運載工具，美國宇航局要求允許使用其他運載工具來發射探測器[93]。美國國會2021年綜合開支法案指示，如果使用太空發射系統發射探測器的條件無法滿足，則美國宇航局局長應舉辦一次全面、公開的競標，以選擇一枚商業運載火箭[92]。2021年1月25日，美國宇航局行星任務項目辦公室正式指示任務小組立即停止維持太空發射系統兼容性的努力，並推進商業運載火箭的研製[7]。

太空發射系統方案將採用直接軌道方式，在不到三年的時間內就可抵達木星，而確定使用的商業火箭，如獵鷹重型火箭的替代方案，巡航時間則長達6年，涉及金星、地球和/或火星的重力助推機動。另一種選擇是使用獵鷹重型運載火箭發射，並補充「星48B型」固體火箭（812米/秒）或卡斯托爾30型固體火箭（3030米/秒）來加速，這種方式只需一次地球重力輔助，並將大大縮短巡航階段時間。

2021年7月24日，NASA官方正式宣佈該任務將使用獵鷹重型運載火箭發射。[94]


  • 歐羅巴快船軌跡動畫:   地球 ·   火星 ·   木星 ·   歐羅巴快船
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  • 歐羅巴快船環木星飛行軌跡動畫
    歐羅巴快船環木星飛行軌跡動畫

另請參閱

參考文獻 

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