伽利略計劃專案經理 經理 日期 約翰R卡薩尼 1977 年 10 月 1988 年 2 月 迪克斯佩哈爾斯基 1988 年 2 月 1990 年 3 月 比爾奧尼爾 1990 年 3 月 1997 年 12 月 鮑勃米切爾 1997 年 12 月 1998 年 6 月 吉姆埃裡克森 1998 年 6 月 2001 年 1 月 艾琳泰利格 2001 年 1 月 2003 年 8 月 克勞迪婭亞歷山大 2003 年 8 月 2003 年 9 月 伽利略號任務是美國的一個無人太空任務，主要研究木星及其衛星，順帶觀測其他幾顆小行星。伽利略號航天器以義大利天文學家伽利略伽利萊名字命名，由軌道飛行器和入口探測器組成。 1989 年 10 月 18 日由送入地球軌道執行 STS34 任務，在重力輔助飛越航天器金星和地球后於 1995 年 12 月 7 日抵達木星，成為第一艘繞木星執行的航天器。它向木星發射了第一個大氣探針，直接進入其大氣層。儘管遇到了嚴重的天線問題，伽利略號還是首次飛越了加斯普拉星，並在艾女星附近發現了第一顆小行星衛星 Dactyl。 1994 年，伽利略號還觀測到舒梅克 利維 9 號彗星號彗星與木星的碰撞。 它觀測了木星的大氣成分和氨雲，還記錄了木衛二的火山活動以及其等離子體與木星大氣的相互作用。伽利略號收集的資料進一步支援了木衛二冰面下有液態海洋的理論，其觀測資料也表明在木衛三和木衛四表面下也有類似的液態鹽水層。木衛三被證明具有磁場，飛船還發現了木衛二、木衛三和卡利斯托周圍存在外球層的新證據。伽利略號還發現木星的細小的環系統由四顆小內衛星所產生的塵埃組成。此外，還繪製了木星磁層的範圍和結構圖。 2003 年 9 月 20 日，在太空飛行 14 年、在木星系統飛行 8 年之後，伽利略以 ，完全消除了地球的微生物汙染當地衛星的可能性。 背景 木星是太陽系中最大的行星，其質量是所有其他行星質量總和的兩倍多。 早在 1959 年，美國國家航空航天局噴氣推進實驗室就開始考慮向木星傳送環繞探測器，並草擬了四個任務概念： 深空任務，穿越行星際空間； 飛掠任務，飛掠多顆行星； 環繞任務，將探測器圍繞行星的軌道旋轉，進行詳細研究； 著陸任務，探索行星及衛星的大氣層和表面。 先驅者 10 號和先驅者 11 號這兩項木星探測任務由美國國家航空航天局艾姆斯研究中心負責規劃這兩項任務，並於 1969 年獲得批准。在此之後，先驅者 11 號於 1973 年 4 月發射升空，1974 年 12 月在 34000 公里的高度飛掠木星，隨後飛掠土星。更先進的旅行者 1 號和旅行者 2 號兩艘航天器分別於 1977 年 9 月 5 日與 1977 年 8 月 20 日發射升空，並於 1979 年 3 月與 7 月到達木星。 策劃 啟動 在旅行者計劃獲得批准後，美國宇航局外太陽系任務科學顧問小組 SAG 開始籌劃木星軌道器和木星大氣探針。 進一步的研究指出，製造這種大氣探針所需要的隔熱罩材料還並不存在。研究還認為，能提供測試這種隔熱罩的裝置直到 1980 年才能提供。 還有人擔心木星產生的電磁輻射對航天器部件的影響。然而，在先驅者 10 號和先驅者 11 號進行了飛掠後，人們更好地瞭解了輻射對航天器部件的影響。 這些資料表明，電磁輻射的影響沒有人們想象的那樣嚴重。 NASA 專案管理層指定噴氣推進實驗室牽頭當時命名為木星軌道探測器（JOP）的專案。 而資歷豐富的，曾經領導過水手號計劃與旅行者號專案的（JohnRCasani） ，成為了該專案的首要牽頭者。 這個探測器將是第五個造訪木星的無人航天器，卻是第一個進入木星軌道的探測器。而木星大氣探針探測器將是第一個進入木星大氣層的航天器。 在開始研究後，埃姆斯 Ames 和噴氣推進實驗室做出的第一個重要決定，是使用類似於水手計劃的姿態控制系統，就像曾飛掠太陽系四大氣態巨行星的旅行者 2 號一樣，而使用類似於先驅者號的構型。 先驅者 系列航天器透過以每分鐘 60 轉的速度進行自傳，從而可以 360 度觀察周圍環境，而且沒有姿態控制系統。 相比之下，水手計劃的航天器擁有姿態控制系統，其中有三個陀螺儀和兩套六個氮氣噴射推進器。 航天器的姿態透過參照太陽和老人星來確定，其中監測模組包含兩個主要感測器和四個次要感測器，以及一個和一個加速度計。 這使得它可以拍攝高解析度的定向影像，但其代價就是大幅增加其質量。 水手系列探測器重，而先驅系列探測器者只有。 兩艘旅行者宇宙飛船是由帶有半人馬座末級的泰坦 3 號 E 運載火箭火箭發射。但後來，泰坦系列火箭退役了。20 世紀 70 年代末，美國國家航空航天局將重點研發放在了可重複使用太空梭，並認為太空梭將淘汰消耗型火箭。至 1975 年底，NASA 頒佈法令，要求今後所有的行星任務都將由航天飛機發射。而這次木星探索任務，將會是第一個這麼做的。太空梭本應配備太空拖船，以發射執行在高於低地球軌道的有效載荷，但這種計劃從未獲得批准。美國空軍隨後為此開發了固體燃料臨時末級（IUS），後更名為。 慣性上級的推力並未強大到將有效載荷直接經霍曼轉移發射到木星。然而一些工程師提議使用一系列引力彈弓，即進行多次行星飛掠來獲得額外的速度，這可以節省一部分燃料。然而，這樣的代價是 更長的旅行時間與更低的安全性。這意味著任務將需要比不進行引力彈弓要長几個月甚至數年才能到達木星。 其中，更長的旅行時間意味著裝置將更快得老化，同位素電源的功率將進一步下降。 一些引力彈弓還意味著軌道更加接近太陽，這致使進一步老化。 原計劃中，推進階段將包含兩級，大的推進劑重達，而另一個小的推進劑重約。 這對大多數衛星來說已經足夠了。 據估計，木星軌道器（Jupiter Orbiter Program）將耗費 634 億美元（考慮到通貨膨脹，這筆錢相當於現在的億美元 ，並且需要和哈勃太空望遠鏡競爭 1978 財年美國國會提供給美國國家航空航天局的經費。這很有可能造成這個專案流產或無疾而終。與此同時，木星軌道器計劃遭到撥款小組委員會（一個第三方預算審機構）主席以及參議員的反對，但是一場成功的遊說活動為木星軌道器和哈勃太空望遠鏡獲得了資金。美國國會於 1977 年 7 月 12 日正式透過相關法案。隨後，木星軌道器計劃於 1977 年 10 月 1 日（即 1978 年財政年度的開始）正式開始。 卡薩尼（Casani ）為該專案發起了一項徵名活動。在這個活動中，伽利略 的票數最多，其次是 伽利略伽利萊，其為第一個透過望遠鏡發現木星的伽利略衛星的人，值得注意的是，這個名字也是電視節目《星際迷航》中一艘航天器的名字。 1978 年 2 月採用新名稱 準備工作 在早期計劃中，伽利略號會搭載在 1982 年 1 月 2 日至 12 日之間的某個時間點發射，其會在太空梭任務 STS23 上發射。在這個時間段內，地球、木星和火星，將會處在一個特殊的相位，其可以允許航天器利用火星進行引力彈弓。為了提高可靠性並降低成本，伽利略計劃的工程師決定把加壓的大氣探針改為可供通風的。這將會給飛船整體增加約的質量。與此同時，科學家將改進伽利略號結構，以提高可靠性，這又會增加的質量。這將導致致使（IUS）中注入額外的燃料。 只有使用太空梭外掛油箱的特殊輕型版本，才能將伽利略號與升空。而且太空梭必須去除所有非必要裝置，且太空梭主發動機（SSME）必須以其額定功率水平的 109 的功率執行。1980 年，太空梭計劃的延遲將伽利略號的發射日期推遲到了 1984 年。雖然在 1984 年仍有可以使用火星彈弓，但燃料已不再足夠。 美國國家航空航天局決定將伽利略號分成兩個獨立的航天器，分別單獨發射。一個是大氣探針（又稱大氣層探測器），另一個是木星軌道器；其中軌道器於 1984 年 2 月發射，大氣探針會於一個月後發射。當大氣探針進入木星大氣層時，軌道器會環繞木星運轉，充當中繼器的作用。這將使用兩次發射，併為探測器建造第二個（Inertial Upper Stage），估計需要額外花費 5000 萬美元（相當於 2022 年的 163 億美元），但美國航天局希望能夠透過對這兩個航天器進行單獨的招標來收回其中的一部分費用。問題是，雖然大氣探測器足夠輕，可以用兩級發射，但木星軌道器卻太重，即使有來自火星的引力彈弓也無法做到這一點，因此仍然需要三級。 到 1980 年底，IUS 的標價已經上升到 506 億美元（相當於 2022 年的 1654 億美元）。美國空軍可以承擔這筆超支費用（實際上已經預計到可能會花費更多的金錢），但 NASA 面臨的三級型號的開發報價為 179 億美元（相當於 2022 年的 585 億美元），比其預算多出 1 億美元（相當於 2022 年的 327 億美元）。 在 1981 年 1 月 15 日的新聞釋出會上，NASA 局長羅伯特 A 弗羅施（Robert A Frosch）宣佈，NASA 將撤銷對三級的支援，轉而採用半人馬座 G Prime 末級，因為 在合理的時間安排和價效比上，沒有其他可替代的。 1981 年 2 月，JPL 得知管理和預算辦公室（OMB）計劃大幅削減 NASA 的預算，並考慮取消伽利略計劃。美國空軍的干預使伽利略號計劃免於被取消。JPL 在無人航天器方面擁有豐富的經驗。這對深空探測器來說是非常必要的，因為從地球發出的訊號需要 23 到 52 分鐘才能被木星上的探測器接受。 美國空軍對衛星的這種收發裝置很感興趣，這樣導彈就能利用姿態穩定系統控制自己的姿態，而不是依賴地面站，因為地面衛星站沒有被 加固，無法抵禦核攻擊，美國空軍還對 JPL 設計伽利略號以抵禦木星磁層強烈輻射的方式很感興趣。1981 年 2 月 6 日，美國參議院臨時議長斯特羅姆 瑟蒙德（Strom Thurmond）直接致函美國政府採購辦公室主任大衛 斯托克曼（David Stockman），認為伽利略號對美國國防至關重要。 1984 年 12 月，卡薩尼提議在伽利略飛行任務中增加對小行星海後星的飛掠任務。在規劃飛往木星的航線時，工程師們小心翼翼地設計路線，以期避開小行星。當時人們對小行星知之甚少，懷疑它們可能被塵埃粒子包圍。而飛過塵埃雲可能會損壞航天器的光學系統，甚至可能損壞航天器本身。為伽利略號準備從亞特蘭蒂斯號 太空梭上釋放。慣性末級（白色）已安裝完畢。了安全起見，JPL 希望至少在小行星 10000 公里（6200 英里）的安全距離飛掠。飛行路徑附近的大多數小行星，如小行星 1219 和小行星 1972，其直徑只有幾千米，在安全距離處進行觀測時價值不大，但海後星是最大的小行星之一，即使在 10000 千米（6200 英里）的距離上飛掠也會有很大的科學價值。這次飛越將使航天器到達木星軌道的時間從 1988 年 8 月 29 日推遲到 12 月 10 日，推進劑的消耗將使旋轉木星的次數從 11 次減少到 10 次。預計這將使伽利略專案的成本增加 2000 萬至 2500 萬美元（相當於 2022 年的 4800 萬至 6000 萬美元）。1984 年 12 月 6 日，美國國家航空航天局局長詹姆斯 貝格斯（James M Beggs）批准了海後星飛掠。 在測試過程中，發現用於在航天器周圍傳輸電訊號的集電環和電刷系統受到汙染，於是將它們送回重新制造。問題追溯到焊接後用於清潔部件的氯氟烴。它會被儀器吸收後在真空環境中釋放出來，隨後與電刷磨損時產生的碎屑混合在一起，導致電訊號傳輸出現間歇性故障。此外，在高電磁輻射環境中還檢測到儲存裝置的效能問題。部件被更換後，又出現了讀取干擾問題，即從一個儲存器位置的錯誤讀取會干擾相鄰位置的讀取。後來發現，這是為了降低元件對電磁輻射的敏感性而進行的改動造成的。為此，幾乎每個部件都必須拆卸、重新測試和更換。航天器的所有部件都接受了至少 2000 小時的測試。航天器的壽命預計為至少五年，足以到達木星並執行探測任務。1985 年 12 月 19 日，伽利略號離開位於加利福尼亞州帕薩迪納的 JPL，開始了它的第一段旅程，即前往位於佛羅里達州的肯尼迪航天中心。伽利略計劃於 1986 年 5 月 20 日利用亞特蘭蒂斯號太空梭執行 STS61G 任務。 複議 1986 年 1 月 28 日，挑戰者號太空梭在 STS51L 任務中升空。升空 73 秒後，固體火箭助推器發生故障，飛船被撕裂，7 名機組人員全部遇難。挑戰者號太空梭災難是美國迄今為止最嚴重的太空事故。這造成伽利略太空飛船無法在原有時間段內發射，因為在調查事故原因期間太空梭停飛。當太空梭再次飛行時，伽利略號將不得不再與美國國防部的優先發射專案、跟蹤和資料中繼衛星系統以及哈勃太空望遠鏡的經費進行競爭。到 1986 年 4 月，預計太空梭最早在 1987 年 7 月再次飛行，伽利略號也不可能在 1987 年 12 月之前發射。 羅傑斯委員會（Rogers Commission）於 1986 年 6 月 6 日提交了報告。這份報告對美國宇航局的安全協議和風險管理提出了批評。其中，報告特別指出了半人馬座 G 級的危險性。1986 年 6 月 19 日，美國宇航局局長詹姆斯 弗萊徹（James C Fletcher）取消了太空梭 半人馬座專案。這部分是由於美國宇航局管理層在 挑戰者 號災難後更加擔憂風險；美國宇航局管理層還沒有考慮到讓太空梭再次飛行所需的資金和人力，並認為管理層沒有足夠的資源來解決半人馬座太空梭的遺留問題。事實證明，太空梭的改動比預期的要大，1987 年 4 月，JPL 被告知伽利略號無法在 1989 年 10 月之前發射。伽利略號被運回 JPL。任務又一次被擱置。伽利略號準備從亞特蘭蒂斯號 太空梭上釋放。 如果沒有 半人馬座，似乎就沒有任何辦法將飛船送到木星，而飛船的下一次旅行可能就是去史密森學會了。它在太空中飛行的成本估計為每年 4000 萬至 5000 萬美元（相當於 2022 年的 9100 萬至 114 億美元），而整個專案的估計成本已經高達 14 億美元（相當於 2022 年的 30 億美元）。 在 JPL，伽利略號任務設計經理兼導航小組組長羅伯特 米切爾（Robert Mitchell）組建了一個由丹尼斯 伯恩斯（Dennis Byrnes）、路易斯 達馬里奧（Louis DAmario）、羅傑 迪爾（Roger Diehl）和他本人組成的小組，研究他們能否找到一條僅使用兩級 IUS 就能讓伽利略號到達木星的軌道。羅傑 迪爾提出了使用一系列引力彈弓來提供到達木星所需的額外速度的想法。這就要求伽利略號飛掠金星，然後再飛掠地球兩次。這被稱為 金星 地球 地球引力彈弓（VEEGA） 軌跡。 之前之所以沒有人想到這個 金星 地球 地球引力彈弓（VEEGA），是因為第二次與地球相遇不會給飛船帶來額外的速度增量。羅傑 迪爾（Roger Diehl）認為到這是沒有必要的；第二次與地球相遇只是改變其方向，使其進入木星軌道。除了飛行時間增加到六年之外，從美國宇航局深空網路（DSN）的角度來看，VEEGA 軌跡還有一個明顯的的缺點： 伽利略到達木星時，它與地球的距離已達到最大，這意味著訊號強度最小。此外，它的南偏角為 23 度，而不是北偏角 18 度，這意味著它要使用堪培拉深空通訊站對其進行通訊，它有兩臺 34 米和一臺 70 米的天線。 起初，人們認為 VEEGA 引力彈弓需要在 11 月份發射，但根據達馬里奧（Louis DAmario）和伯恩斯（Dennis Byrnes）計算，如果在金星和地球之間進行中途修正機動，也可以在 10 月發射。任務會使用美國空軍的泰坦四號發射系統及其半人馬座 GPrime 末級。 但在 1988 年 11 月，美國空軍通知 NASA，由於美國國防部優先任務的積壓，美國空軍無法在 1991 年 5 月的發射機會前及時提供泰坦四號發射系統。任務再次被推遲。 隨著伽利略號發射日期的臨近，一個美國反核組織認為伽利略號所攜帶的放射性同位素熱電發生器（RTGs）中的鈽元素和通用熱源（GPHS）模組中的鈽對公眾安全構成了不可接受的風險，他們對這次任務表示擔憂，並向法院申請發射禁令。RTG 是深空探測器所必需的，因為這些深空探測器的飛行距離與太陽相距甚遠，使用太陽能是不切實際的。它們已在行星探索中使用多年，從未發生過事故。美國國防部的林肯實驗衛星 89 上的鈽含量比伽利略號多 7。直到 1989 年，放射性同位素熱電發生器已在 22 個探測器上使用。 反核組織活動家們還記得 1978 年蘇聯的核動力宇宙 954 號衛星在加拿大墜毀，而挑戰者號災難雖然不涉及核洩露，卻提高了公眾對航天器故障的認識。此前沒有任何攜帶放射性同位素熱電發生器的航天器曾像伽利略的 VEEGA 軌道所要求的那樣，在近距離飛掠地球。這創造了一種新的任務失敗模式，可能會導致伽利略號的鈽在地球大氣層中散落。科學家卡爾 薩根（Carl Sagan）是伽利略飛行任務的堅定支持者，他寫道：這場爭論的任何一方都沒有任何荒謬之處。 在挑戰者號事故發生之前，JPL 對 RTG 進行了衝擊測試，結果表明它們可以承受 14000 千帕（2000 磅 平方英寸）的壓力而不發生洩露，這足以承受發射臺上的爆炸。工程師曾考慮過增加防護裝置的可能性，但被否決了，主要是因為這會增加無法承受的額外質量。挑戰者號災難發生後，美國國家航空航天局被委託進行了一項研究。研究會探討如果伽利略號上發生此類事件可能造成的影響。JPL 工程師 Angus McRonald 得出的結論認為，會發生什麼情況取決於太空梭解體時的高度。如果伽利略號組合體在 27000 米（90000 英尺）的高空脫離軌道，RTGs 將掉落到地球而不會融化，並掉落到距離佛羅里達海岸約 240 公里（150 英里）的大西洋中。另一方面，如果軌道飛行器在 98700 米（323800 英尺）的高度解體，它將以每秒 2425 米（7957 英尺 秒）的速度飛行，RTG 外殼和通用熱源模組將熔化，然後墜入距離佛羅里達海岸 640 公里（400 英里）的大西洋。美國國家航空航天局的結論是，發生這種事故的機率低於 2500 分之一，然而反核組織認為可能高達 430 分之一。每個人所面臨的風險為一億分之一，比被閃電擊中喪生的風險低兩個數量級。據估計，在 VEEGA 引力彈弓期間意外進入大氣層的可能性不到二百萬分之一，但事故可能會釋放多達 11568 居里（428000 GBq）的能量。 發射 1989 年 10 月 12 日由亞特蘭蒂斯號太空梭執行 STS34 任務，其中就包括髮射伽利略號。航天器由一個高速卡車車隊運送到肯尼迪航天中心，車隊在半夜從 JPL 出發。人們擔心航天器可能會被反核分子或恐怖分子劫持，因此路線對司機們保密。他們需要連夜趕路，第二天也是如此，只是停下來吃東西和加油。 美國哥倫比亞特區聯邦巡迴上訴法院在最後一刻駁回了三個環保組織要求停止發射的訴訟。首席大法官帕特里夏 瓦爾德（Patricia Wald）在一份意見書中寫道，雖然對伽利略號航天器的法律質疑並非無理取鬧，但沒有證據表明美國宇航局在進行任務環境評估時存在不當行為，因此上訴因技術原因被駁回。10 月 16 日，8 名抗議者因非法闖入肯尼迪航天中心而被捕，其中 3 人入獄，其餘 5 人獲釋。 發射被兩度推遲，第一次是由於主發動機控制器故障，被迫推遲到 10 月 17 日，第二次是由於惡劣天氣，不得不推遲到第二天，但這並不影響任務，因為發射視窗直至 11 月 21 日。亞特蘭蒂斯號最終於世界協調時間 10 月 18 日 165340 升空，進入 343 公里（213 英里）的近地軌道。在世界協調時間 10 月 19 日 0015，伽利略號被成功部署。在液體燃料段燃燒之後，伽利略飛船採用了單飛配置，並於世界協調時 10 月 19 日 010653 與 IUS 分離。這次發射非常完美，伽利略號很快以超過 14000 公里 小時（9000 英里 小時）的速度飛向金星。10 月 23 日，亞特蘭蒂斯號太空梭安全返回地球。 金星飛掠 2 月 9 日與金星的相遇是由深空通訊網（Deep Space NetworkDSN 的和收發訊號。伽利略號於世界協調時 1990 年 2 月 10 日 055848 飛掠金星，最近為距離 16106 公里（10008 英里）。DSN 收集的多普勒資料使 JPL 得以證實引力彈弓操作是成功的，航天器獲得了預期的 22 千米 秒（14 英里 秒）的速度增量。遺憾的是，在飛越三小時後，由於大風，金石跟蹤站不得不關閉，多普勒資料也隨之丟失。 由於金星與太陽的距離比航天器設計的執行距離要近得多，因此要非常小心地避免航天器熱損傷。因此，X 波段高增益天線（HGA）沒有展開，而是像雨傘一樣摺疊起來，背對遠離太陽，以保持其冷卻。這意味著必須使用兩個小型 S 波段低增益天線（LGA）。它們的最大頻寬為每秒 1200 位元，而高增益天線的預期頻寬為每秒 134000 位元。由於飛船離地球越來越遠，因此還必須使用 DSN 的 70 米（230 英尺）天線，這對其他太空任務不利，因此他們的優先順序低於伽利略系統，資料傳回可能會變慢。即便如此，在飛越金星的幾天內，下行鏈路遙測速率還是降到了 40 位元 秒，到 3 月份，又降到了 10 位元 秒。 金星是許多探測器的關注點，最近的無人探測器的是麥哲倫號探測器。伽利略號在設計時並沒有考慮到金星。儘管如此，伽利略號還是可以進行一些有用的觀測，因為它攜帶了一些從未在金星探測器上飛掠過的儀器，如近紅外繪圖光譜儀（NIMS）。對金星的觀測發現，金星大氣層中的溫室氣體沒有阻擋某些紅外光線，因此可用紅外線光譜儀之間觀測金星地表。其拍攝的照片解析度是地球望遠鏡的三到六倍。還部署了紫外線分光計（UVS）來觀測金星雲層及其運動。 當伽利略號穿過金星與太陽風相互作用產生的弓形激波地帶時，利用伽利略號的高能粒子探測器（EPD）進行了另一組觀測。地球的強磁場導致弓形衝擊波發生在距離地心約 65000 公里（40000 英里）的地方，而金星的弱磁場導致弓形衝擊波幾乎發生在金星表面，因此太陽風與大氣發生了相互作用。利用等離子波探測器對金星上的閃電進行了搜尋，發現了九次可能由閃電引起的爆發，但利用並未使用固態成像系統（SSI）捕捉到閃電影像。 地球 飛掠 伽利略號分別於 1990 年 4 月 9 日至 12 日和 5 月 11 日至 12 日進行了兩次小的航向修正。航天器兩次飛掠地球；第一次在世界協調時 1990 年 12 月 8 日 20 時 34 分 34 秒，距離地球 960 公里（600 英里）。這比預測值只高出了 8 公里（5 英里），而且最近接近地球的時間也只差了一秒。這是深空探測器首次從行星際空間返回到地球上空。第二次飛越地球是在世界協調時 1992 年 12 月 8 日 15 時 09 分 25 秒，距離地球 304 公里（189 英里）。這一次，航天器在南大西洋上空距離預定點不到一公里的地方飛過。這次飛行非常準確，因此取消了預定的航線修正，從而節省了 5 公斤（11 磅）推進劑。 地球的弓形激波與太陽風 伽利略號藉此機會進行了一系列實驗。伽利略號經過地球白晝面時，對地球的弓形激波進行了研究。太陽風以每秒 200 至 800 公里（120 至 500 英里 秒）的速度傳播，被地球磁場偏轉，在地球暗面形成了一條磁尾，其半徑超過地球半徑的一千倍。伽利略號在距離地球 56 萬公里（35 萬英里）處穿過地球暗面的磁尾時進行了觀測。當時的磁層相當活躍，伽利略號探測到了由雷擊引起的磁暴和（一種由閃電產生的極低頻電磁波）。近紅外分光成像其（NIMS，NearInfrared Mapping Spectrometer）被用來尋找夜光雲，據信這些雲層是由工業生產釋放的甲烷造成的。通常只有在 9 月或 10 月才能看到它們，但伽利略號能夠在 12 月探測到它們，這表明地球的臭氧層受到了破壞。 遠端探測地球上的生命 天文學家卡爾 薩根（Carl Sagan）一直在思考地球上的生命是否可以很容易地被從太空中探測到，他在 20 世紀 80 年代末設計了一套實驗，並在 1990 年 12 月伽利略號首次飛掠地球的過程中使用了伽利略號的遙感儀器。經過處理，薩根於 1993 年在《自然》雜誌上發表了一篇論文，詳細介紹了實驗結果。伽利略號確實發現了現在被稱為 薩根生命標準 的東西。這些標準包括可見光譜紅端（尤其是大陸上空）的強光吸收（由光合作用植物的葉綠素吸收引起）、分子氧吸收帶（也是植物活動的結果）、紅外吸收帶（由地球大氣中每摩爾約 1 微摩爾（μmolmol）的甲烷引起）（這種氣體必須由火山或生物活動補充），以及調製窄帶無線電波傳輸，這些都不符合任何已知自然來源的特徵。因此，伽利略的實驗是對新生的天體生物學的首次遠端探測。 光學實驗 1992 年 12 月，在伽利略號第二次重力輔助行星飛越地球期間，進行了另一項突破性實驗。透過伽利略的光學感測器檢測來自強大雷射器的光脈衝，對太空中的光通訊進行了評估。這項實驗被稱為伽利略光學實驗（GOPEX），利用兩個不同的地點向航天器發射雷射脈衝，一個在加利福尼亞州的，另一個在新墨西哥州的。使用波長為 532nm 的摻釹釔鋁石榴石雷射（NdYAG Laser），重複頻率約為 15 至 30 Hz，脈衝功率半峰全寬（FWHM）在數十兆瓦範圍內的雷射，該雷射器與一個 06 米（20 英尺）的卡塞格蘭反射鏡耦合，傳輸到伽利略系統。星火發射場也使用了類似的裝置，配備了一個更大的 49 英尺（15 米）發射望遠鏡。使用伽利略的 560 nm 中心綠色濾光片拍攝的長曝光（約 01 至 08 秒）影像。結果顯示，即使在 600 萬公里（370 萬英里）的距離上也能清晰觀察到雷射脈衝。 由於惡劣的天氣條件、（SPADOC）對雷射傳輸的限制以及航天器上掃描平臺反應速度比預期慢造成的指向錯誤，使得所有曝光時間小於 400 毫秒的幀都無法探測到雷射。這致使在總共拍攝的 159 個幀中，成功探測到雷射傳輸的幀數只有 48 個。儘管如此，這次實驗還是取得了巨大的成功，所獲得的資料將來很可能被用於設計雷射下行鏈路，以便從航天器向地球快速傳送大量資料。2004 年對該方案進行了研究，以用於未來火星軌道航天器的資料鏈路。 月球飛掠 FileMoongalileocolorjpg 展示東方海 FileThe_Moon_from_Galileo__GPN2000000473jpg 伽利略拍攝的月球北極點 FileMoon_Crescent__False_Color_Mosaicjpg 伽利略拍攝的顯示月球表面成分變化的假彩色馬賽克照片 增高益天線的問題 一旦伽利略號飛出地球軌道，使用增高益天線（HGA）就不會再有危險。因此在 1991 年 4 月 11 日，伽利略號奉命展開增高益天線。這需要使用兩個小型雙驅動致動器（DDA）電機，預計需要 165 秒，如果其中一個電機出現故障，則需要 330 秒。它們將驅動一個蝸輪。天線有 18 根石墨 環氧樹脂肋條，當驅動電機啟動並對肋條施加壓力時，肋條就會從其頂端所在的杯中彈出，天線就會像雨傘一樣展開。當天線完全展開時，微動開關將關閉電機。否則，它們將執行八分鐘後自動關閉，以防止過熱。 透過伽利略號的遙測資料，調查人員確定電動機在 56 秒時停轉，航天器的旋轉速度降低，搖晃加劇。只有 15 根肋骨彈出，使天線看起來像一把半開的傘。第一個建議是重新摺疊天線並再次嘗試開啟。這是不可能的；雖然電機能夠反向運轉，但天線的設計並不適合這樣做，強制執行可能會損壞天線。而且在地球上這樣做時需要人工協助，以確保鋼絲不會卡住。後來發現，小型雙驅動致動器的扭矩每次都在減少，因此在進行了五次展開和收起操作後，小型雙驅動致動器的扭矩只有原來的一半。 伽利略任務小組首先假設問題出在插座中固定插針的摩擦力上，便嘗試的將航天器旋轉到遠離太陽的地方，然後再轉回來。如果是這樣，那麼加熱和冷卻肋骨可能會使它們從插座中彈出。這樣做了七次，但都沒有結果。然後，他們嘗試將低增益天線 2（與高增益天線 HGA 和低增益天線 1 LGA1 朝向相反的方向）擺動 145 度，使其猛然停止，從而搖晃航天器。這樣做了六次，沒有任何效果。最後，他們嘗試以 125 赫茲和 1875 赫茲的頻率脈衝雙驅動致動器電機，以搖動天線。這使扭矩增加了 40。在 1992 年 12 月和 1993 年 1 月的三週時間裡，電機脈衝了 13000 次，但天線仍然沒有被完全展開。 調查人員得出的結論是，在挑戰者號事故發生後伽利略號被存放的 4 年半時間裡，航天器在加利福尼亞州和佛羅里達州之間用卡車進行了三次跨州運輸，在運輸過程中，肋骨頂端和杯體之間的潤滑劑受到了振動所致使的侵蝕和磨損。失效的肋條是在這些旅程中最靠近運載伽利略號的平板拖車的肋條。使用陸路運輸的部分原因是為了節約成本 空運每次需要額外花費 65000 美元（相當於 2022 年的 134000 美元）左右，但同時也是為了減少飛機裝卸過程中的搬運量，因為這被認為是造成損壞的主要風險。還讓航天器在真空環境中經受劇烈振動。在地球上進行的高增益天線試驗表明，一組卡住的肋條全部位於一側，產生的雙驅動致動器扭矩最多可降低 40。 幸運的是，低增益天線 1 能夠將資訊傳回地球，儘管由於它是等向傳輸訊號，其頻寬大大低於高增益天線的頻寬；高增益天線的傳輸速率為每秒 134 千位元，而 LGA1 的傳輸速率僅為每秒 8 至 16 位元。LGA1 的發射功率約為 15 到 20 瓦，當它到達地球並被一個 70 米大孔徑 DSN 天線收集時，總功率約為 10 澤瓦。透過採用尖端技術、對多個深空網路天線進行陣列收集以及對用於監聽伽利略訊號的接收器進行靈敏度升級，資料吞吐量被提高到每秒最多 160 位元。透過進一步使用資料壓縮，有效頻寬可提高到每秒 1000 位元。 幸運的是，低增益天線 1 能夠將資訊傳回地球，但是其頻寬大大低於高增益天線的頻寬；高增益天線的傳輸速率為每秒 134 千位元，而 LGA1 的傳輸速率僅為每秒 8 至 16 位元。LGA1 的發射功率約為 15 到 20 瓦，當它到達地球並被一個 70 米大孔徑 DSN 天線收集時，總功率約為 10 澤瓦。透過採用尖端技術、對多個深空網路天線進行陣列收集以及對用於監聽伽利略訊號的接收器進行靈敏度升級，資料吞吐量被提高到每秒最多 160 位元。透過進一步使用資料壓縮，有效頻寬可提高到每秒 1000 位元。 在木星及其衛星上收集到的資料儲存在航天器的儲存器，並在探測器軌道的低輻射區部分使用低增益天線傳回地球。與此同時，還可以木星的磁層進行了測量並傳回地球。可用頻寬的減少降低了整個任務期間傳輸的資料總量， 的如果沒有 HGA，位元率只有大約 40 位元 秒，因此一張影像需要 60 個小時才能傳回地球。伽利略專案在 1991 年 11 月 7 日至 14 日期間獲得了 80 個小時的堪培拉號 70 米碟形天線時間，但拍攝的大部分影像，包括更多表面的低解析度影像，直到 1992 年 11 月才傳輸到地球。但伽利略號專案經理威廉 J 奧尼爾（William J ONeil）（19921997 年）表示，他相信伽利略號 70 科學目標仍然可以實現。 小行星飛掠 伽利略號兩度進入小行星帶（如圖），共飛掠了兩顆小行星，分別是 951 號小行星加斯普拉星與 243 號小行星艾女星。 加斯普拉星 在進入小行星帶兩個月後，伽利略號成為了人類歷史上首次近距離飛掠小行星的無人航天器。它於世界協調時 1991 年 10 月 29 日 22 時 37 分以 8kms 的相對速度飛掠 S 型小行星 951 號小行星加斯普拉星，最近距離約為 1604 公里。伽利略號使用固態成像系統總共拍攝了 57 幅加斯普拉的影像，覆蓋了該小行星約 80 的表面。因為飛船上的增高益天線無法使用，資料下行的傳輸速率只有大約 40 位元 秒，因此影像需要 60 個小時才能傳回地球。伽利略專案在 1991 年 11 月 7 日至 14 日期間使用 80 個小時的堪培拉號 70 米碟形天線時間，但拍攝的大部分影像，包括更多表面的低解析度影像，直到 1992 年 11 月才傳輸到地球。 影像顯示，這是一個坑坑窪窪的不規則天體，大小約為 19 千米 times12 千米 times11 千米。這顆小行星並大。我們使用 NIMS 進行了測量，以確定這顆小行星的成分和物理特性。雖然加斯普拉有很多小隕石坑 超過 600 個，大小從 100 米到 500 米不等 但它缺乏大隕石坑，這暗示了它的年齡相對較新。不過，有些凹陷可能是被侵蝕的隕石坑。也許最令人驚訝的是幾個相對平坦的平面區域。對小行星附近太陽風的測量顯示，太陽風在距離加斯普拉幾百公里的地方改變了方向，這暗示它可能有磁場，但還不能確定。 艾女星與其衛星艾衛一 第二次與地球相遇後，伽利略號於世界協調時 1993 年 8 月 28 日 16 時 52 分 04 秒在 2410 公里（1500 英里）的距離上對另一顆小行星艾女星進行了近距離的觀測。伽利略號使用固態成像系統（SSI） 和近紅外成像光譜儀（NIMS）進行了觀測。影像顯示，艾女星有一個直徑約為 16 公里的小衛星。 為了給這顆衛星取名，人們舉行了一次競賽，最終以傳說中的 達克堤利 命名這顆衛星為 Dactyl；Dactyl 上的個別環形山則以古老的精靈達克堤利們的名字進行命名。伊達 243 號上的區域以艾女星的發現者約翰 帕裡沙（Johann Palisa）進行觀測的城市命名，而艾女星上的山脊則以已故伽利略小組成員的名字命名。艾衛一是第一個人類發現的小行星衛星。在此之前，人們一直認為小行星的衛星很少見。艾衛一的發現暗示它們實際上可能相當常見。從隨後對這些資料的分析來看，艾衛一似乎是一顆 S 型小行星，在光譜上與 艾女星不同。據推測，這兩顆小行星可能都是鴉女星母體撞擊後破裂產生的。 由於只能使用低增益天線，因此傳輸速率僅為 40 位元 秒，而且僅在 1993 年 8 月 28 日至 9 月 29 日和 1994 年 2 月至 6 月期間使用。伽利略號的儲存器被用來儲存影像，但木星主要任務也需要儲存空間。我們開發了一種技術，伽利略號最初只發送每 330 條線中的兩到三條線的影像片段。然後就可以確定影像是有效資料還是太空背景。最終，只有約 16 的固態成像系統的資料被傳回地球。 木星旅程 舒梅克 列維 9 號彗星 伽利略的主要任務是對木星系統進行為期兩年的研究，但是當它在前往木星的途中，一個不尋常的機會出現了。1993 年 3 月 26 日，尋找彗星的天文學家卡羅琳休梅克，尤金休梅克和大衛H利維發現了一顆環繞木星執行的彗星碎片。它們是一顆彗星的殘骸，這顆彗星進入木星的洛希極限，並被潮汐力撕裂。這顆彗星被命名為蘇梅克 列維 9 號彗星。計算表明，它將在 1994 年 7 月 16 日至 24 日期間撞擊木星。雖然伽利略號距離木星還有很長一段距離，但它處在一個特殊的位置，可以直接觀測撞擊畫面；而地球上的望遠鏡不得不等待撞擊地點旋轉進入視野，因為撞擊將發生在木星的夜晚一側。 21 個彗星碎片中的第一個沒有像預期的那樣在木星的大氣層中燃燒，而是以每小時 32 萬公里 20 萬英里 的速度撞擊了木星，並且爆炸時產生了一個 3000 公里 1900 英里 高的火球。即使是在木星的夜晚，地面上的望遠鏡也很容易辨認出來這個火球。撞擊在地球上留下了一系列的黑色傷疤，大約是地球的兩到三倍，持續了幾個星期。伽利略觀察到大約 10 秒鐘紫外線閃耀；與 90 秒的紅外線閃爍。當一塊碎片撞擊木星時，它使木星的整體亮度增加了大約 20 。NIMS 觀察到一個碎片產生了一個直徑 7 公里 43 英里 的火球，其溫度為，比太陽表面的溫度還要高。 木星入軌 1995 年 7 月 13 日 0307（世界協調時），大氣探針與軌道器分離，此時距離 12 月 7 日到達木星近點還有五個月的時間。此時，飛船距離木星仍有，但距離地球卻有，飛船的遙測訊號需經過 37 分鐘後才到達 JPL。訊號中每秒幾釐米的微小多普勒頻移表明分離已經完成。伽利略號軌道飛行器仍在與木星相撞的軌道上。在此之前，伽利略軌道器一直使用 12 個 10 牛的推進器進行航向修正，但隨著探測器的釋放，伽利略軌道器現在可以啟動其 400 牛頓（90 磅）的主發動機了，在此之前，該發動機一直被探測器所覆蓋。世界協調時 7 月 27 日 7 時 38 分，主發動機首次點火，使伽利略軌道器進入環繞木星的軌道。伽利略探測器的專案經理、艾姆斯研究中心的瑪西 史密斯相信，LGA1 能夠勝任這一角色。這次燃燒持續了 5 分 8 秒，使伽利略號軌道器的速度改變了。 異常灰塵 1995 年 8 月，伽利略軌道器在距離木星的地方遭遇了一場持續了幾個嚴重的行星間塵埃雲。通常情況下，太空船的塵埃探測器每三天便會捕捉到一粒塵埃顆粒；然而在這時它每天檢測到多達 2 萬個顆粒。之前，尤利西斯號太空探測器曾經遭遇過類似的行星間塵埃雲，該探測器在三年前路過木星時執行任務，研究太陽的極地區域，但伽利略遭遇的沙塵暴更為強烈。這些塵埃顆粒的大小與香菸煙霧中的顆粒相當，並且取決於它們的大小，其速度範圍從每小時 14 萬到 72 萬公里（9 萬到 45 萬英里）不等。沙塵暴的存在完全出乎科學家的意料。雖然尤利西斯號和伽利略的資料都暗示它們起源於木星系統的某處，但它們是如何產生的，以及如何逃離了木星強大的引力場和電磁場，仍然是一個謎。 儲存器錯誤 伽利略的高增益天線失效意味著必須將資料儲存到磁帶錄音機中以供以後壓縮和播放，這對於從木星及其衛星的飛越中獲取任何實質性資訊至關重要。這是一臺由製造的四軌 114 兆位元組的儲存器。 10 月 11 日，它在倒帶模式下卡住了 15 個小時，直到工程師們弄清楚發生了什麼，併發送命令將其關閉。儘管錄音機本身仍然可以正常工作，但故障可能損壞了卷軸末端的一段磁帶。將該磁帶段列為 禁區，禁止未來進行任何資料記錄，並覆蓋了 25 圈磁帶以固定該段以減少進一步的應力，這可能會撕裂它。因為這次故障發生在伽利略繞行木星軌道之前幾周，這一異常促使工程師犧牲了幾乎所有的木衛一和木衛二觀測資料收集，以便暫時儲存從木星大氣探測器傳來的資料。 木星 抵達 伽利略號的磁力計報告稱，1995 年 11 月 16 日，當飛船距離木星 1500 萬公里（930 萬英里）時，它遭遇了木星磁層的弓形衝擊波。弓形衝擊波隨著太陽風陣風的變化而來回移動，因此在 11 月 16 日至 26 日期間，加利略飛船多次穿越它，到那時，伽利略號已經距離木星 900 萬公里（560 萬英里）。 1995 年 12 月 7 日，伽利略號抵達了木星系統。當天，它在世界協調時間 1109 進行了一次對木衛二的 32500 公里（20200 英里）飛越，然後在 1546 對木衛一進行了 890 公里（550 英里）的飛越，利用木衛一的引力減慢速度，從而節省推進劑以備後續任務使用。在 1954，它最為接近木星。軌道飛行器的電子裝置已經放在輻射遮蔽層內，但輻射超出了預期，並且幾乎達到了飛船的設計極限。伽利略號其中一個導航系統失敗了，但備用系統接管了航天器。大多數機器人航天器在發生故障時會進入安全模式，並等待地球的進一步指令，但這對伽利略號來說不可能。 木星大氣探針 降落探測器在格林尼治時間下午 4 點開始啟動其儀器。它穿過了木星的環，並遇到了一個先前未發現的電離輻射帶，其輻射強度是地球的範艾倫輻射帶的十倍。在大氣層進入之前，探測器在木星大氣頂端上方約 5 萬公里（31 萬英里）處探測到了一個先前未知的輻射帶 。 預計探測器將穿過三層雲層；上層由氨冰粒子組成，大氣壓為 05 至 06 巴（50 至 60 千帕）；一箇中層由硫酸銨冰粒子組成，壓力為 15 至 2 巴（150 至 200 千帕）；以及一個水蒸氣層，氣壓為 4 至 5 巴（400 至 500 千帕）。探測器下降所經過的大氣層比預期的要密集和炎熱得多。木星的氦含量也只有預期的一半，資料不支援三層雲層結構理論：探測器僅測量到一個顯著的雲層，在約 155 巴（155 千帕）的壓力下，但在其整個軌跡都有許多表明粒子密度增加的跡象。 大氣探測器進入了木星的大氣層，目的是在距離 1 巴（100 千帕）氣壓水平以上 450 公里（280 英里）處，於世界協調時 1995 年 12 月 7 日晚上 10 點 04 分，且沒有進行任何制動。在此時，它相對於木星的速度為每小時 170700 公里（106100 英里）。 探測器在進入大氣層後兩分鐘內減速至亞音速。其快速穿過大氣層產生了一個溫度約為 15500C（27900F）的等離子體。探測器的碳酚酞熱護盾在下降過程中失去了超過一半的質量，即 80 千克（180 磅）。這是迄今為止嘗試的最困難的大氣層載入；探測器以 50 馬赫的速度進入，並且必須承受超過的最大加速度。當它穿過木星的雲層頂部時，開始向軌道器傳送資料，軌道器距離地球 215000 公里（134000 英里）。資料不會立即傳送到地球，而是透過伽利略號的低增益天線（LGA）花費數天的時間來接收，但是會向地球傳送每秒一個單位元，表明訊號正在被接收和記錄。 大氣探測器的 25 米（82 英尺）降落傘比預期晚了 53 秒部署，導致了上層大氣讀數的微小損失。這歸因於一個加速度計的佈線問題，該加速度計確定何時開始降落傘展開序列。然後，探測器卸下了熱護盾，熱護盾掉入了木星的內部。降落傘將探測器的速度降至每小時 430 公里（270 英里）。在 614 分鐘後，軌道器不再檢測到探測器的訊號，此時探測器位於距離雲層頂部 180 公里（112 英里）處，壓力為 227 標準大氣壓（2300 千帕）。據信，探測器繼續以終端速度下降，因為溫度升高至 1700C（3090F），壓力升至 5000 標準大氣壓（510000 千帕），完全被摧毀。 探測器的七個科學儀器提供了豐富的資訊。探測器探測到了非常大的風。科學家們預計會發現風速達每小時 350 公里（220 英里）的風，但探測到的風速高達每小時 530 公里（330 英里）。這意味著風不是由太陽光產生的熱量或水蒸氣凝結（這是地球上風的主要原因）產生的，而是由內部熱源引起的。已經廣為人知，木星的大氣主要由氫組成，但氨和硫酸銨的雲比預期的要稀薄得多，並且未檢測到水蒸氣的雲。這是第一次在另一顆行星的大氣中觀察到氨雲。木星的大氣層從較低深度上升的物質中產生氨冰顆粒。 探測器探測到的閃電較少，水蒸氣較少，但風速較預期的要大。大氣層更加湍極，風速比預期的要強。在最外層的層中，風速為每小時 290 至 360 公里（180 至 220 英里），與以往遠距離測量結果一致，但這些風速在 14 巴的壓強水平上急劇增加，然後在 610 公里 小時（170 米 秒）左右保持穩定。在 156 公里（97 英里）的下降過程中沒有檢測到（或預期）有固體表面。氮、碳和硫的丰度是太陽的三倍，這可能是從太陽系中其他天體獲得的，但低丰度的水對地球的水來自彗星的理論提出了質疑。預期之外的是惰性氣體 氬、氪和氙的丰度很高，其丰度是太陽的三倍。要想木星捕獲這些氣體，它的溫度必須比今天低得多，約為 240C（4000F），這表明木星要麼曾經離太陽更遠，要麼形成太陽系的星際物質比人們想象的要低得多 。 FileGalileo Probe AC810174jpg 藝術家想象中的木星大氣探針載入木星大氣層 ImageGalileo atmospheric probejpg 木星大氣探針的載入時間線 FileJupiters cloudsjpg 木星的雲層 推測的與實際觀測到的 軌道器 正當木星大氣探針的資料收集時。伽利略號的新任務便是減緩速度，以免被木星丟擲至外太陽系。伽利略軌道飛行器的下一項任務是減速，以避免進入外太陽系。燃燒序列從協調世界時 12 月 8 日 0027 開始，持續了 49 分鐘，將飛行器的速度減少了 600 米每秒（2000 英尺 秒），並進入了一個軌道週期為 198 天的。因此，伽利略軌道飛行器成為了木星的第一顆人造衛星。它的初始軌道大部分用於將探測器的資料傳回地球。當軌道飛行器於 1996 年 3 月 26 日到達軌道遠點時，主發動機再次點火，將軌道從木星半徑的四倍增加到十倍。到那時，軌道飛行器已經接收了任務計劃中允許的一半輻射量，而更高的軌道是為了透過限制輻射暴露來儘可能延長儀器的使用壽命。 飛船沿著橢圓軌道繞行木星，每個軌道持續約兩個月。由於這些軌道提供的與木星的不同距離，伽利略可以對行星廣闊的磁層進行取樣。這些軌道旨在對木星最大的衛星進行近距離的掠過。為這些軌道設計了一個命名方案：使用該軌道上遇到的第一個衛星的首字母程式碼（如果沒有飛掠衛星，則使用 J），再加上軌道編號。 木衛一 木衛一（艾奧）是伽利略衛星中最靠近木星的一個衛星，它的大小與月球相仿，半徑達到了。它和木衛二與木衛三形成軌道共振，並被木星潮汐鎖定。它就像月球一樣，永遠以同一個面面面對木星。它的軌道週期相當短，只有 1769 天。因此，它的潮汐力比這個在月球強約 220 倍。潮汐力致使木衛一本就脆弱的表面的岩石熔化 木衛二 木衛三 木衛四 木衛五 參考資料 引用 額外連結 伽利略號任務網站 作者：美國國家航空航天局 伽利略號的環繞木星的任務照片 作者：Arizona State University 伽利略號任務圖片集 作者：Kevin M Gill Category 包含影片剪輯的條目 Category 伽利略伽利萊 註釋列表