深度冻结:探索木星冰冷卫星的技术

对于太空科学家和其他爱好者来说，毫无疑问，2014年是彗星年;欧洲航天局(ESA)的“菲莱”探测器在丘留莫夫-格拉西门科彗星67/P上着陆的成就占据了头条，尽管该团队仍然不知道着陆器的确切位置。

同样，2015年也将成为矮行星之年。美国宇航局的两个探测器将极大地扩展我们对这些神秘的微型世界的认识:探测器黎明号正在准备与最大的小行星谷神星相遇;而在遥远的地方，新视野号在与冥王星近距离接触之前已经从漫长的冬眠中苏醒过来。到目前为止，这两个天体都只是一张模糊的图像，太阳系专家们热切地期待着能够研究这些天体的更多细节，并了解它们能告诉我们的关于我们宇宙邻居形成的信息。

但太阳系探索的本质意味着，对于工程师来说，设计和建造这些航天器的艰苦工作在许多年前就已经完成了;它们花了很长时间来完成它们的旅程，不可避免地把注意力转移到即将到来的任务上——至少在计划中的相遇真正发生和需要操作仪器之前是这样。对于美国宇航局和欧洲航天局来说，下一个大目标是木星系统，木星和它的许多卫星
设计目标以他们的探索为中心。

木星在我们对太空的理解和我们在其中的位置上有着关键的历史。17世纪，伽利略·伽利莱发现并观察了木星的四颗最大的卫星——现在被称为伽利略卫星——为他的行星轨道理论奠定了基础:如果这些天体围绕它们的行星旋转，他推断;不能假定地球是宇宙的固定中心，也不能假定地球本身在绕太阳运行的轨道上。他在这个问题上的著作使他受到宗教裁判所的软禁，但直到今天，他仍然是宇宙学的基础(他的光学望远镜仍然是工程师们的灵感来源)。

伽利略·伽利莱对木星四颗最大卫星的发现和随后的观测——现在被称为伽利略卫星——为他的行星轨道理论奠定了基础

木星的卫星仍然令人感兴趣，因为它们本身就是一个世界，有地质活动、大气、天气，最吸引人的是，有水。虽然这些行星远离太阳，因此无法接收太阳的热量，但它们受到木星本身巨大的潮汐引力的影响，木星撞击它们的核心，从内部加热它们:以前的人造访客在它们的大气中探测到的热量、水和有机分子的结合，提高了它们甚至可能孕育生命的可能性，或者至少是生命的重要成分;因此，它们可以让我们深入了解地球海洋早期生命的发展。

伽利略的三颗最大的卫星——木卫三、木卫四和木卫二——是欧空局下一个重大科学任务的目标。这个名为JUICE(木星冰月探测器)的探测器将于2022年离开地球，并于2030年抵达木星系统，最终进入环绕木卫三的轨道。尽管这似乎是很遥远的未来，但深空任务的本质就是JUICE现在非常活跃。它的仪器有效载荷于2013年达成一致，参与该任务的16个国家(欧洲14个，加上美国和日本)之间的多边协议于去年敲定。

JUICE将于2022年离开地球，并于2030年抵达木星系统，最终进入环绕木卫三的轨道

简而言之，JUICE的目标是利用木星系统作为气态巨行星和太阳系本身的模型，研究大型多体轨道系统形成的条件，哪些条件可能影响生命的发展，以及气态巨行星是否适合居住世界。与大多数太阳系任务一样，这将扩大我们对自己世界历史的了解，并为探索深空提供信息，随着更强大的太空望远镜(如詹姆斯韦伯望远镜)和地球上(如智利的欧洲超大望远镜和夏威夷计划中的30米望远镜)的发射，对系外行星及其邻近地区的研究预计将在未来几十年加速和深化。

JUICE航天器将使用化学火箭(在木星系统的三年半时间里，它将携带大约3吨燃料进行25次行星飞越、轨道插入和重力辅助操作);一个直径超过3米的高增益天线，可以处理高达1.4GB的数据传输回地球;太阳能电池板的面积约为60 - 75平方米，以最大限度地利用昏暗的阳光;也有可能从周围空间捕获电子来产生电流。

JUICE的有效载荷包括从紫外线到亚毫米波长的成像和光谱设备，这些设备将研究月球表面的云层和冰和矿物质的特征;一个激光高度计和一个雷达探测仪来探测木卫三的表面，以及潮汐力是如何影响它的;磁力计观察木星巨大的磁场如何影响卫星，以及它如何与木卫三自身的磁场相互作用(这也将研究据信存在于卫星上的地下海洋);等离子体仪器;还有重力场传感器。

JUICE不会做的一件事是将任何东西送到月球表面，但这是未来任务的愿望。事实上，为“菲莱”建造仪器的团队正以近乎克制的热情等待着陆器的想法，以探索这些奇怪的世界。“合理的假设是，这些探索任务将为登陆器铺平道路，这些卫星可能是探索的绝佳场所;负责菲莱号质谱仪托勒密(Ptolemy)的英国开放大学团队成员丹·安德鲁斯(Dan Andrews)说:“这是我们以前从未见过的。”

事实上，当探索任务到来的时候，它们可能就像我们以前看到的那样。谷神星是一颗冰冷的行星，它的冰壳下也可能有液态水。此外，我们当然有探索冰下水环境的经验，在那里必须遵守严格的清洁条件:在最近的南极湖泊钻探探险中。

探索我们的气态巨行星邻居的卫星的前景是如此诱人，以至于几个小组正在研究探索木星卫星甚至更远的土星卫星的概念。

冰雪世界的钻孔系统是最成熟的想法之一。这些可能被放置在“穿透器”的前端，比如那些计划在英国的“月球生活”任务中撞击月球表面的探测器。去年，位于威尔士Pendine Sands的伦敦大学学院穆拉德空间实验室(UCL’s Mullard Space Laboratory)进行了冰穿透器的试验，20公斤的钢壳沿着Qinetiq用来测试导弹的火箭轨道向一个10吨的立方体冰发射。穿透器和
它的内部构件在撞击中幸存了下来。

与“软着陆器”相比，穿甲器具有简单的优点;它降落到地面时不需要减速，所以不需要携带烧蚀隔热罩、降落伞或安全气囊。在冰的情况下，这是一个双重优势，因为下沉到表面有助于开始钻探。在木卫二上，上层的冰被认为在太阳辐射和粒子轰击下被有效地消毒了，所以调查必须在深处进行。木卫二上的冰可能有几公里到几十公里深;在液体形成之前可能会有一层泥浆，没有人知道水有多深。

“穿透器比‘软着陆器’更简单;它降落到地面时不需要减速，所以不需要携带烧蚀隔热罩、降落伞或安全气囊

这有效地限制了钻井项目的野心，因为需要电缆将钻机及其相关仪器连接到地面;它很快就会变得太重，无法用于太空飞行。不幸的是，同样的问题几乎肯定会让任何派遣潜水器探索地外海洋的想法付之一篑。

在冰冷的卫星上使用的钻头必须结合热和机械操作，以融化冰并清除嵌入其中的岩石物质。南极钻机的工作原理通常是通过融化冰来产生工作液体的“储藏库”，然后将其加热并泵送到钻机的尖端;这确保了没有外来物质被引入冰中，因为它本质上是用来融化自己的。

但其他卫星没有冰可以钻穿，而是表面有固定的液体。探索这样一个世界的一个想法是“泰坦探索者”(Titan Explorer) (TiME)，这是一艘土卫六着陆器，它被设计成“降落”在一个甲烷湖上，这个湖已经在土卫六表面成像，并在液态碳氢化合物中盘旋，进行测量，寻找微生物生命的证据，甚至探索海岸线。

“时间”号已经被美国宇航局否决了一次，取而代之的是“洞察号”火星探测器，该探测器将于明年发射，携带着陆器研究这颗红色星球的地下地质、可能的板块构造和地核;但它的设计者，包括美国宇航局首席科学家艾伦·斯托芬和马里兰州约翰·霍普金斯大学的首席研究员拉尔夫·洛伦兹，正在为未来的任务提案保留这个概念。“时间”号没有推进系统，但需要非太阳能动力，因为土卫六的云层非常厚，太阳不可能穿透它们。飞船必须配备一个核电池，利用环境条件(土卫六上非常寒冷)和钚氧化物之间的温差来发电。

由于美国国家航空航天局的预算限制，“时间”号在2040年之前不太可能实现，就像欧洲提议的“塔利斯”号一样，它将配备旋转桨来导航土卫六的湖泊。西班牙Sener公司正在研究推进系统。

另一个选择是坐飞机;土卫六的稠密大气和低重力意味着飞行比在地球上更容易，所需的能量也更少。一个来自法国-美国团队的概念提出了一种螺旋桨驱动的无人机，用于原位和机载泰坦侦察(Aviatr)的飞行器，用于调查月球上的景观。该团队设想将AVIATR作为航天器的一部分，包括太空飞行器、入口飞行器和一架重20 - 100公斤、由核电池供电的飞机，该飞机将在泰坦的天空中巡航，测量其表面并采样其大气。这样的飞行器不需要在现有的自主无人机技术之外进行重大开发，因此将是一种相对便宜的测量土卫六大部分表面的方法。其中一个目标可能是为未来的着陆器(如上述着陆器)找到最佳地点