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天問四號

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天問四號
任務類型木星及木衛四環繞
小行星與天王星飛掠
運營方中華人民共和國 中國國家航天局
任務時長17年以上（預計）
航天器屬性
製造方中國空間技術研究院
發射質量總重[1]：5,000公斤（11,000磅）
木星軌道器：4,000公斤（8,800磅）
行星際穿越器：1,000公斤（2,200磅）
任務開始
發射日期2029年9月[2][3][4]
運載火箭長征五號
發射場中國文昌航天發射場
承包方中國航天科技集團
飛掠金星（引力彈弓）
最接近2030年4月（計劃）[5]
飛掠地球（引力彈弓）
最接近2031年2月（計劃）[5]
飛掠地球（引力彈弓）
最接近2033年5月（計劃）[5]
木星軌道器
入軌2035年12月（計劃）[5][4]
脫軌2038年2月（計劃）
木衛四軌道器
入軌2038年2月（計劃）[6]
飛掠天王星（行星際穿越器）
最接近2045年3月（計劃）[1][4]

天問四號是中國行星探測工程的一項正在計劃實施中的太陽系行星際探測任務，該任務的目標為發射木星系探測器，以研究木星磁層結構、木衛四大氣模型、木衛四表面冰層形貌及厚度、金星—地球—木星間的太陽風結構，地外生存狀態及其演變特性等，並將對外行星如天王星進行探測。[7][8][2]

考慮到歐洲同行（調查木衛二、四，環繞三）與其他同期任務（飛越木衛二）的課題決定，天問四號任務目前仍處於關鍵技術攻關與討論的階段，預計到2029年前後正式發射，經過約六年的航行，2035年左右到達木星、主要木衛四等衛星開展探測。[9]

背景

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2010年代，中國國家航天局成功完成了無人月球環繞任務（嫦娥一號和嫦娥二號）和無人月球着陸和巡視任務（嫦娥三號），在這些成就的基礎上，國家航天局開始考慮在2020年代及以後進行更複雜的星際任務，將探測目標拓展至火星以及更遠的行星際空間。

2016年10月至2017年8月期間，中國科學家利用中國深空站對在木星軌道運行的朱諾號探測器進行了多次跟蹤與測量，表明中國已擁有了遠至地-木距離的深空測控能力。[10][11]

2016年12月27日，中國政府發佈了《2016中國的航天》白皮書，其中將「木星系及行星穿越探測等的方案深化論證和關鍵技術攻關」列入了未來五年的主要任務之中。[12]

2018年，探月與航天工程中心副主任裴兆宇表示中國計劃在2030年前實施四次重大行星際任務，包括火星繞落巡探測任務（天問一號）、小行星採樣返回和主帶衛星繞飛探測任務（天問二號）、火星採樣返回任務（天問三號）和木星系統探測任務（天問四號）[13]。

2020年4月24日，國家航天局在2020年中國航天日啟動儀式上宣佈了行星探測工程的名稱與圖形標識，將中國行星探測任務命名為「天問」[14]。在同年的歐洲地球科學聯合會（英語：European Geosciences Union）大會會議上，來自中國的學者對中國的木星系探測計劃構想做了介紹，並將任務初步命名為「甘德」，以紀念這位公元前四世紀的、據說最早以肉眼觀測到木衛三的中國古代天文學家[15]。

在2022年的國際宇航大會上，來自中國國家航天局探月與航天工程中心的與會人士在對中國未來的地外探測任務做了報告，報告內中國的木星系探測任務被命名為「天問四號」。[2][3]

任務目標

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中國學術期刊《空間科學學報》在2018年發表了一篇文章，闡述了中國木星系探測目標規劃，其中包括：研究木星系中存在的磁場和等離子體之間的相互作用，檢查在木星大氣中的成分變化，探索木衛三或木衛四的內部結構和表面特徵，以及研究上述伽利略衛星周圍的空間環境[16]。而在2022年的國際宇航大會上，來自中國國家航天局探月與航天工程中心的王瓊表示具體科學目標仍在研究中[3]。

任務架構

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2020年方案

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根據2020年的歐洲地球科學聯合會大會會議上的報告，這個時期中國的木星系探測任務有兩個互相競爭的方案：「木星-木衛四軌道器」（JCO）和「木星系觀察員」（JSO）：[15][17]

木星-木衛四軌道器

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木星-木衛四軌道器在進入繞木衛四極地軌道之前會飛掠幾顆不規則衛星。這個任務方案可能包括一個着陸器，就像嫦娥登月任務一樣，將為木衛四的形成和演化提供前所未有的科學價值。木衛四是四顆伽利略衛星中最外側的一顆。由於來自其他衛星和木星的重力，它的內部受熱較少，它可能由木星形成後所剩餘的物質形成，此後大部分時間處於休眠狀態，只有小行星撞擊才能改變其表面樣貌。因此，木衛四保留了早期木星系和整個太陽系的歷史，具極高的科學價值。木衛四也有一個含有少量氧氣的稀薄大氣層，儘管它不如擁有地下海洋的木衛二和木衛三以及具活躍火山活動的木衛一那麼迷人，但這增加了它的科學吸引力。木衛四也是着陸難度最低的伽利略衛星，着陸木衛四相比其他伽利略衛星所需的燃料要更少，而且它位於木星輻射帶之外。這就是為什麼木衛四是該任務方案的目標的原因。

木星系觀察員

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木星系觀察員將放棄木衛四的環繞任務，專注於探測木衛一。木星系觀察員將飛掠木衛一數次，研究木星的引力如何牽引衛星以為其火山活動提供能量。木星系觀察員還將研究不規則衛星的質量、密度、動力學以及化學及同位素的組成，這些獨特殘餘物質對木星如何形成將提供新的科學價值。作為選擇之一，木星系觀察員可以攜帶一顆或幾顆小衛星，對木星磁層動力學提供更多的研究。

在木星系觀察員的任務結束時，探測器可能會被轉移到環繞太陽-木星L1點的軌道上，在該處空間木星的引力將與太陽的引力平衡，探測器可以在該處長時間停留。從這個從未有探測器環繞過的獨特空間，木星系觀察員可以監測木星磁場之外的太陽風，並從遠處觀察木星和它的衛星。[5]

2022年方案

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根據2022年國際宇航大會上的報告，中國木星系探測任務的新架構更接近於先前的「木星-木衛四軌道器」方案，但有如下變化：[2][3]

  • 探測器將由兩部分組成：主探測器和小探測器。
  • 探測器在前往木星的途中將對小行星進行飛掠探測。
  • 抵達木星後，主探測器將與子探測器分離，其中主探測器將會進入環木星軌道。
  • 主探測器將最終進入木衛四環繞軌道，但不進行登陸。
  • 子探測器在木星附近與主探測器分離後將會繼續往外太陽系飛行，並抵達天王星進行飛掠探測[a]。
  • 主探測器將包括一顆撞擊探測器，對木衛四表面實施撞擊。[4]

預計任務時間表

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歐洲地球科學聯合會大會2020年大會會議上提出了該任務預計的地木轉移軌道方案和時間表。根據資料，探測器將於2029年9月發射，並在6個月後於2030年4月飛掠金星[b]，然後兩次飛掠地球（第一次飛掠在2031年2月進行[c]，第二次飛越在2033年5月進行[d]），然後進行1次深空機動，使得探測器到達木星時的近木點高度為4000公里，軌道傾角37.9°，最後於2035年12月到達木星。在抵達木星之前，子探測器將與主探測器分離，並在飛掠木星後繼續向着天王星進發，並於2045年3月飛掠天王星。[1][4]

主探測器到達近木點4000公里處，通過1至2次近木點點火制動，被木星捕獲為30天周期的環木大橢圓軌道，並在此軌道上開展木星探測，運行10圈，時間約300天。探測器完成對木星的觀測之後，將進行2次木衛四借力和4次深空機動，最後在2038年2月進入近心點高度300公里、軌道周期17.7小時的環繞木衛四軌道。然後將釋放一顆撞擊探測器，撞擊木衛四表面。[6][4]

科學儀器

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中國木星探測器攜帶的科學儀器預計為四個，旨在研究有關木星系的形成及其當前的「運作」[e]（實際選擇的科學儀器取決於實際採用的任務方案。）四種科學載荷分別為：等離子體及塵埃分析儀、多波長光譜儀、地質學/冰川學/地球化學分析儀以及無線電/光學鏈路和無線電科學儀。[15]

等離子體及塵埃分析儀

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  • 熱等離子光譜儀（功率100 eV至100 keV）
  • 高能帶電粒子探測器和高能中性原子 (ENA) 分析儀
  • 離子和中性質譜儀
  • 磁力計
  • 無線電及等離子波譜儀
  • 帶有質譜儀的宇宙塵埃檢測器

多波長成像/光譜儀

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  • 可見光成像相機
  • 近紅外成像/光譜儀
  • 遠紅外/亞毫米波輻射計/光譜儀
  • 紫外成像/光譜儀

地質學/冰川學/地球化學分析儀

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  • 高解像度及大質量範圍質譜儀

（由冰面取樣系統和耐火材料熱解器進行供給）

無線電+光鏈路+無線電科學儀

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  • 發射/接收到地球的無線電鏈路，用於多普勒跟蹤和掩星測量
  • 用於額外多普勒跟蹤和掩星測量的平台間無線電鏈路
  • 「PRIDE」天體測量實驗（以甚長基線干涉測量跟蹤每個天體）
  • 高度計（具有米級精度）

備註

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  1. ^ 該飛掠器有在2017年北京舉辦的全球航天探索大會上被提到過[18]。
  2. ^ 最近飛掠距離預計約為6,011公里
  3. ^ 最近飛掠距離預計約為5,482公里
  4. ^ 最近飛掠距離預計約為1,386公里
  5. ^ 包括木星系統的能量轉移過程，例如行星、衛星、等離子體環和整個磁層之間的引力能量的潮汐轉移和耗散。

參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 田百義，張磊，周文艷，朱安文. 《木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究》. 《航天器工程》. 2018-02 [2021-10-09]. （原始內容存檔於2021-10-09） （中文（簡體））. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 PhilLeafSpace. 中国行星探测工程天问二号至四号最新PPT. 微博. 2022-09-21 [2022-09-26]. （原始內容存檔於2022-09-28）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Andrew Jones. China wants to probe Uranus and Jupiter with 2 spacecraft on one rocket. SPACE.com. 2022-09-23 [2022-09-26]. （原始內容存檔於2022-09-24） （英語）. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Andrew Jones. China's plans for outer Solar System exploration. The Planetary Society. 2023-12-21 [2023-12-27]. （原始內容存檔於2023-12-31） （英語）. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 Gan De: Science Objectives and Mission Scenarios For China’s Mission to the Jupiter System (PDF). 2020-05 [2021-10-09]. （原始內容 (PDF)存檔於2021-10-09） （英語）. 
  6. ^ 6.0 6.1 張磊，田百義，周文艷，田岱，朱安文. 木星系多目标探测轨道设计研究. 航天器工程,2018,27(01)：31-36. 2018-02-28 [2023-01-07]. （原始內容存檔於2023-01-07） （中文（簡體））. 
  7. ^ “点燃木星拯救地球”？不，木星探测才是正经-新华网. www.xinhuanet.com. [2020-11-24]. （原始內容存檔於2022-04-25）. 
  8. ^ 中国科学家已提出木星探测计划 报告内容曝光_新闻_腾讯网. news.qq.com. [2020-11-24]. （原始內容存檔於2016-07-08）. 
  9. ^ 中国探测器将于2021年着陆火星-新华网. www.xinhuanet.com. [2020-11-24]. （原始內容存檔於2020-08-07）. 
  10. ^ 陳略; 平勁松; 李文瀟. 基于中国深空站的木星探测器开环测量试验. 深空探測學報. 2018, 5 (4). doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.009. 
  11. ^ Andrew Jones. China quietly used NASA’s Jupiter probe to test its deep space network. Space News. 2019-11-20 [2021-06-14]. （原始內容存檔於2023-09-03） （英語）. 
  12. ^ 國務院新聞辦公室. 《2016中国的航天》白皮书（全文）. 中華人民共和國國務院新聞辦公室. 2016-12-27 [2022-09-26]. （原始內容存檔於2021-06-15）. 
  13. ^ China outlines roadmap for deep space exploration – Xinhua | English.news.cn. www.xinhuanet.com. [2 May 2021]. （原始內容存檔於2019-08-22）. 
  14. ^ 胡喆. 中国首次火星探测任务命名为“天问一号”. 新華網. 2020-04-24 [2021-05-20]. （原始內容存檔於2020-08-06）. 
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 Blanc, Michel; Wang, Chi; Li, Lei; Li, Mingtao; Wang, Linghua; Wang, Yuming; Wang, Yuxian; Zong, Qiugang; Andre, Nicolas; Mousis, Olivier; Hestroffer, Daniel. Gan De: Science Objectives and Mission Scenarios For China's Mission to the Jupiter System. Egu General Assembly Conference Abstracts. 2020-05-01, 22: 20179 [2021-10-08]. Bibcode:2020EGUGA..2220179B. S2CID 235015121. doi:10.5194/egusphere-egu2020-20179. （原始內容存檔於2023-07-28）. 
  16. ^ Xu, Lin; Zou, Yongliao; Jia, Yingzhuo. China's planning for deep space exploration and lunar exploration before 2030 (PDF). Chinese Journal of Space Science. 2018, 38 (5): 591–592 [2022-05-25]. doi:10.11728/cjss2018.05.591. （原始內容 (PDF)存檔於2021-03-03）. 
  17. ^ Jones, Andrew. Jupiter Mission by China could include Callisto Landing. Planetary.org. 12 January 2021 [1 May 2021]. （原始內容存檔於2021-04-27）. 
  18. ^ Jones, Andrew. Mars, asteroids, Ganymede and Uranus: China's deep space exploration plan to 2030 and beyond. FindChinaInfo. 14 July 2017 [1 May 2021]. （原始內容存檔於2022-01-01）. 
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