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歐羅巴着陸器

歐羅巴着陸器(Europa Lander)是美國國家航空航天局提出的前往木星的冰衛星-木衛二進行天體生物學探索的任務概念[2][3]。如果作為一項大型戰略科學任務得到撥款和研發，它將在2027年發射，以補充歐羅巴快船軌道飛行器任務的研究並在現場進行分析[4]。但美國宇航局2021財年預算既沒有得到授權也沒有為該任務分配任何資金，這使得它的未來充滿不確定性[5]。

歐羅巴着陸器
背景為木星的歐羅巴着陸器藝術想像圖
任務類型天體生物學
運營方美國宇航局
網站www.jpl.nasa.gov/missions/europa-lander/
任務時長≤在地面22天[1]
航天器屬性
航天器類型着陸器
發射質量16.6公噸[1]
功率50千瓦時(僅靠電池)[1]
任務開始
發射日期2027年(計劃)
運載火箭太空發射系統
木衛二登陸器
 
木衛二
地球上，在南極泰勒冰川寒冷黑暗、沒有氧氣的血瀑布底下，發現了生活在鹽水中的微生物群落，紅色來自溶解的鐵。

該任務的目標是尋找地表下約10厘米處的生命印跡，描述近地表非冰物質的成分，並檢測着陸器位置附近的液態水和近期噴發物。

歷史

美國宇航局曾在2005年評估過登陸木衛二的歐羅巴着陸器概念[6]。此外，在2012年還對着陸器進行過評估[7]。歐羅巴任務繼續得到支持，2014年，美國國會眾議院撥款委員會宣布了一項兩黨法案，其中包括撥款8000萬美元以繼續歐羅巴任務概念的研究[8][9]。

美國國會就歐羅巴着陸器發布了一項國會指示，美國宇航局則於2016年啟動研究，對這一概念進行了測算和評估[2]。該任務概念得到了海洋世界探索計劃的支持[10]，2017年2月初，美國宇航局行星科學部發布了它的報告[2]，這是一份科學定義團隊為期六個月研究的報告[11][12]，它充分評估了歐羅巴着陸器任務潛在的科學價值和工程設計[12]。

在國會綜合開支法案中，對美國宇航局的2021財年預算里沒有包括任何條款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面臨不確定[13]。

概述

這任務的主要目標是檢測曾經或現在生命的有機指標，稱為生物印跡[14][2][15]。上世紀90年代，伽利略任務的最大成果之一，就是發現了木衛二地表下存在一個可能宜居的大型地下海洋[11]。而歐羅巴着陸器被認為是伽利略軌道器及探測任務合理的後續行動。地球生命幾乎可以在所有有水的地方找到，由此可見，木衛二是尋找太陽系中其他地方生命的絕佳候選目標[16]。這種地下水可能不僅由於地質活動而變暖，而且可能還富含溶解的礦物質和有機化合物[17]。地球上存在着各種各樣的生態系統，它們無法獲得陽光，而是依賴於熱液噴口或其它適合嗜極細菌產能的化學來源[18](參見化學合成)。迄今為止的測量表明，木衛二上的海洋體積大約是地球海洋的兩倍。冰下的液態水層可能與衛星內部有接觸，這使得熱液能量和化學物質可隨時獲得[2]。地表探測可利用木衛二相對年輕、活躍的表面，因為這種活動可能會讓地下深層的物質定期遷移至地表[19]。

狀態

2017年7月18日，眾議院太空小組委員會舉行了關於預定為大型戰略科學任務的歐羅巴快船聽證會，並討論了可能作為後續行動的歐羅巴着陸器[20]。總統2018年和2019年的聯邦預算提案沒有為「歐羅巴」着陸器提供撥款，但它確實分配1.95億美元[21]用於概念[22][23]和所需科學儀器的研製[24]。

目標

該着陸器任務有三個主要的科學目標:[25]

  • 尋找生命印跡；
  • 通過登陸任務特有的現場技術評估木衛二的宜居性；
  • 描述地表和地下特性，以支持未來對木衛二的探索。

太空飛行器

 
2019年由噴氣推進實驗室提出的歐羅巴登陸器概念圖[1]

飛行的關鍵階段是:發射、巡航、軌道脫離、下降和着陸[26]。航天器將由幾個模塊組成，這些模塊將在脫離軌道和着陸過程的不同階段被丟棄。整個模塊組合將由運載平台推進，運載平台也安裝有太陽能電池板[1]。進入木星軌道後，飛船將約運行兩年時間來調整軌道和速度，然後嘗試登陸木衛二[1]。

當準備着陸時，巡航級將被丟棄，留下承載探測器組合，被稱為脫軌運載器(DOV)的結構，脫軌運載器將減速並開始下降。這一階段的發動機艙，被稱為脫軌級(DOS)，將在點火後丟棄，留下動力下降運載器(PDV)，它包括着陸器和空中吊車系統。空中吊車系統用繩索將着陸器軟着陸至地表，精度為100米(330英尺)[1]。

着陸器將配備一條具有5維自由度的機械臂，使它能夠挖出幾份最深10厘米(3.9英寸)的淺表地層樣本，並將它們送入機載實驗室[1]。

電源

一旦着陸，着陸器將使用化學電池供電，而不是放射性同位素熱能發電機(RTG)或太陽能供電，最多可運行22天[1][12][23]。2019年的概念提出了4組電池，在大約22天的地面作業期間，可提供三倍於安全邊際量所需的電能[1]。完成地面任務的基本天數為7天，另外的15天用於應急[1]。

無論電源如何，影響任務壽命的一個限制因素可能是輻射存活率;據估計，木衛二表面每天承受2.3兆拉德[1]或540雷姆輻射，而典型的地球表面劑量約為0.14雷姆/年[27]。伽利略號軌道飛行器上的電子設備在執行任務時因受到輻射而損壞[28]。

發射與軌道

發射裝置將是建議在2025年發射的太空發射系統(SLS)[1][29]。太空發射系統是根據16.6公噸的航天器質量，包含將航天器送入環木星軌道的固體推進劑和天空吊車着陸系統在內而提出的[30]。2025年，太空發射系統將探測器送入一條精心安排的軌道，2027年經地球重力助推，於2030年抵達木星/木衛二[12]。在接下來的一年，它將圍繞木星機動運行一段時間，以準備降落到木衛二[12]，登陸將在進入環木星軌道二年後實施[1]。

着陸地點

 
伽利略號探測器近期飛越中，從560公里(335英里)高度所看到的木衛二表面。

歐羅巴着陸器必須要以合適的速度降落到地面，但由於木衛二上基本沒有大氣層，因此，沒有所謂的「再入」過程，只是單純的下降和着陸[26]。行星學會注意到，美國宇航局稱這一過程為「DLL」-脫軌(de-orbit)、下降(descent)和着陸(landing)[26]。1995年，天文學家利用哈勃空間望遠鏡發現，木衛二有一層由氧氣構成的極纖薄的外大氣層[31]，與地球相比，它的大氣層非常稀薄，其表面壓力預計為0.1微帕或地球的10−12倍[32]。

登陸器將直接與地球通信，但「歐羅巴快船」如果仍在運行，則可以作為登陸器的額外通信中繼[26]為確保通信，曾有過在着陸任務中增加一顆通信軌道器的建議[33]。 

表面結構

2018年10月發表的一項研究表明，木衛二大部分表面可能覆蓋着相距很近，高達15米(50英尺)的冰刺(融凝冰柱)，稱為「懺悔者」(penitents)[34][35]。雖然伽利略軌道器的提供成像缺乏確認該說法所需的分辨率，但雷達和熱量數據與這種解釋相一致[35]。這也支持了在計劃登陸器任務之前，先通過歐羅巴快船和歐空局的木星冰月探測器進行高清偵測的必要性，這兩艘探測器都計劃在2022年發射[35][36]。

探測儀器

該任務的構想需要資金和進一步的研製才能啟動，其中一項關鍵要求是在木衛二表面的輻射環境中工作[11][1]，木衛二上的輻射環境非常惡劣，因此着陸器可能需要額外的保護，就像朱諾號木星軌道器的輻射防護罩[37]。這種保護罩有助於減少對脆弱系統的輻射，尤其是軌道飛行器上的電子設備。

2017年5月，美國宇航局於向科學界公告歐羅巴着陸器上考慮要使用的儀器[38]，概念研究報告將於2019年6月發布[39]。

美國航天局根據木衛二探索2號(ICEE-2)的儀器概念，選擇了14台可能成熟的儀器，每台儀器大約獎勵200萬美元，為期兩年[24]。木衛二探索2號項目將使用新穎成熟的設備來滿足這次任務的探測目的和任務目標。

木衛二探索2號項目獲獎者[24]
 探測儀器 首席研究員
C-LIFE:木衛二低溫輕型成像儀 謝恩·布萊恩，亞利桑那大學
ELSSIE:木衛二着陸器立體光譜成像設備 斯科特·默奇，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室
CORALS:海洋殘留物及生命特徵鑑定 里卡多·阿雷瓦洛，馬里蘭大學學院市分校
MASPEX-ORCA:行星探索-有機成分分析質譜儀 克里斯托弗·格雷因，美國西南研究院
MOAB:檢測生物信號的有機微流體分析儀 理查德·馬蒂斯，加利福尼亞大學伯克利分校
EMILI:木衛二生命調查分子指示器[40] W. B. 布林克霍夫 戈達德太空飛行中心
CIRS:小型集成拉曼光譜儀 詹姆斯·蘭伯特，噴氣推進實驗室
ELM:木衛二生物光顯微鏡 理查德·奎恩，艾姆斯研究中心
SIIOS:研究冰和海洋結構的地震儀[41] 塞繆爾·貝利，亞利桑那大學
ESP:木衛二地震儀套件 馬克·潘寧，噴氣推進實驗室
MICA:冰世界微流體化學分析儀 安東尼奧·里科，艾姆斯研究中心
MAGNET:耐輻射磁強計 馬克·莫德溫，安娜堡密歇根大學
EMS:木衛二大地電磁測深儀 羅伯特·格林，西南研究院
CADMES:木衛二樣品測量系統驗收和分發協同 查爾斯·馬萊斯平，戈達德太空飛行中心

行星保護

行星保護準則要求，必須避免地球生物無意中污染木衛二的海洋，其概率水平要低於萬分之一[14][42]。着陸器和着陸系統組件必須在無塵室內進行組裝和測試，所有部件在安裝到航天器上之前必須在無塵室進行清潔或消毒。在完成着陸器運載後，建議使用天空吊車進行降落處理[43] 。在任務結束時着陸器可能會使用燃燒裝置自毀[14]。如果探測器與地球失去聯繫，該系統也會被自動觸發[30]。

歐羅巴快船

「歐羅巴快船」是一艘單獨發射的航天器，它將為歐羅巴着陸器任務奠定基礎[2]。之前，美國宇航局曾評估過一道軌道飛行器和着陸器，但由於國會的大力支持，以致在2016年又提出了單獨發射的着陸器任務建議[44]。該「快船號」軌道飛行器將提供偵測數據來揭示木衛二的輻射環境並幫助確定着陸位置[45]。

另請參閱

參考文獻

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外部連結

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