歐羅巴快船

歐羅巴快船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，主要目的是在環木星軌道上，透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專案，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，同時，該任務還得到新的海洋世界探索計劃的支援。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專案一同產生，在這些專案中，探測器將被髮射到環木衛二執行的軌道上。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臺科學探測儀器。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，發射視窗期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，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。歷程.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，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佈，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。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。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。緊隨著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。“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20億美元已增至2020年的42.5億美元。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專案，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，之所以選擇該名稱，是因為這探測器也將反覆穿過木衛二，頻率高達每兩週一次。正如2011年行星科學十年調查所建議的那樣，2013年3月，該專案被授予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裝置。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1500萬美元大幅調增至1億美元，以用於方案的前期研究。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”專案提供資金，行政部門還為初步研究撥款3000萬美元。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，它可以是一艘簡單的探測器、撞擊器或著陸器。歐洲空間局正在進行內部評估，以確定是否有興趣及可用資金來啟動一項類似極成功的卡西尼-惠更斯號的合作計劃。2015年5月，美國航天局選擇了9臺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。2015年6月，美國宇航局宣佈，批准該任務概念，允許軌道飛行器進入研製階段，2016年1月也批准了著陸器方案。2016年5月，海洋世界探索計劃獲得批准，歐羅巴任務是其中的一部分。2017年2月，該任務從A階段轉入至B階段。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著陸器的可能後續任務。B階段工作持續止2019年，此外，還選擇了子系統供應商及原型探測裝置的零配件，探測器的子部件也將進行建造和測試。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。D階段則將包括裝配、測試和發射。目標.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著陸器的著陸地點。這次探索的重點是瞭解生命所需的三大條件：液態水、化學和能源，具體來說，主要研究目標是：規劃.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。而另一方面，受地球上資料接收天線數量的限制，使得大多數儀器的資料採集速度遠快於通訊系統將資料傳回地球的速度。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，是將資料傳回地球的時間。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。噴氣推進實驗室科學家們的研究表明，透過數月多次飛越傳回的資料，“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。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儲存的資料，這將使探測器有長達一年的時間來傳輸資料，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資料幾乎多達三倍，同時也減少輻射暴露。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公里的高空44次飛越木衛二。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，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。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。“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公斤重的鈦制遮蔽罩。為了最大限度地發揮其效能，電子裝置將嵌入在探測器的核心，以提供額外的輻射防護。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。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鈽-238為燃料的多工放射性同位素熱電發生器，該種電源已在火星科學實驗室任務中得到驗證。現有五臺可用，其中一臺預留給火星2020漫遊者任務，另一臺作為備份。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，宣佈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，太陽能既比鈽便宜，又實用於探測器使用。儘管與鈽能發電機相比，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。初步分析表明，每塊電池板的表面積為18米2，在環木星執行期間，當指向太陽時，會連續產生150瓦的電力。當處於木衛二陰影下時，電池組將能讓探測器繼續收集資料。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，預計隨著任務的進行，該磁層圈將逐漸降低太陽能電池板的效能。太陽能電池板將由荷蘭空客國防航天公司提供。探測裝置.“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公斤重的鈦鋁遮蔽層內，使其免遭強烈輻射。隨著任務設計的成熟，探測器的有效載荷和軌道可能會發生變化。2015年5月宣佈的軌道飛行器上九部探測儀器，估計總質量為82千克，如下所示：。木衛二熱輻射成像系統.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解析度、多光譜成像，以幫助查詢活動地點，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開發。木衛二測繪成像光譜儀.木衛二測繪成像光譜儀是一臺成像近紅外光譜儀，用於探測木衛二表面成分、識別和測繪有機物合作製作。木衛二成像系統.木衛二成像系統是一臺可見光廣角和窄角相機，它將以50米的解析度繪製木衛二大部分地區的地圖，並將以高達0.5米的解析度提供選定區域地表的影象。木衛二紫外光譜儀.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資料。首席研究員庫爾特·雷瑟福德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。木衛二海洋到近地表評估和探測雷達.木衛二評估和探測雷達:海洋到近地表是一臺雙頻探冰雷達，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。使用磁強計研究木衛二內部特徵.由於成本超支，利用磁強計探測木衛二內部特徵被取消，代之以更簡單的磁強計。等離子體磁測深儀.等離子體磁測深儀測量環繞在木衛二週圍的等離子體，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、海洋深度和鹽度資料。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，並瞭解木衛二如何影響其區域性空間環境和木星磁層。行星探測質譜儀.木衛二行星探測質譜儀科研團隊負責人。表面塵埃質量分析儀.表面塵埃質量分析儀[9]是一臺質譜儀，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。可能的第二組成部分.歐羅巴快船任務預留了250公斤的載重以攜帶其它的飛行元件，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：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。一些早期的建議包括“迷你瑪姬”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體開發或飛行。“歐羅巴快船”將把來自微納衛星的訊號傳回地球。透過推進，一些微納衛星也可以進入環繞木衛二的軌道。美國航天局還評估了釋放另一艘250公斤，它將配備一臺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。蜜蜂號羽流探測器將配備一臺經驗證的帶氣相色譜分離的質譜儀，它還將攜帶一臺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解析度拍攝活躍區域。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。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，這些資料原本都是無法透過多次飛越來準確測定的。包括一些由荷蘭和英國提出的撞擊探測器概念。科羅拉多大學提出的“木衛二生命印記分析儀”。附加著陸器.早期的“歐羅巴快船”概念要求配備一架直徑約1米的固定著陸器，可能約230公斤。建議配備質譜儀和拉曼光譜儀來測定表面化學性質。著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著陸。著陸器將使用電池在地面執行約10天。“歐羅巴快船”大約需要三年的時間，才能以每畫素50米的解析度拍攝到95%的木衛二表面。有了這些資料，科學家們就可以找到一個合適的著陸點。據估計，包括登陸器在內，這項任務的成本將增加10億美元。2017年2月確定，設計一套降落在完全陌生地表上的著陸系統風險太大。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，這也引發了2017年的獨立任務提案：歐羅巴著陸器。美國宇航局的歐羅巴著陸器專案如能得到撥款，則將在2025年單獨發射，以補充歐羅巴快船任務的研究。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。總統的2018年和2019年聯邦預算提案並沒有為歐羅巴著陸器提供資金，但為概念研究分配了1.95億美元。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著陸器，因為以前的法案使該任務的前景變得很不明朗。發射和軌道.2021年2月10日，有訊息稱，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天視窗期內發射，並於2030年4月11日抵達，後備發射日期確定在2025年和2026年。美國國會原本授權美國宇航局使用太空發射系統重型運載火箭發射“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。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。2021年1月25日，美國宇航局行星任務專案辦公室正式指示任務小組立即停止維持太空發射系統相容性的努力，並推進商業運載火箭的研製。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。