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天問四號
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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]
 | 此條目或章節包含計劃中或可能在未來進行的航天活動。 |  |
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]
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背景
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）和無人月球著陸和巡視任務（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，中國政府發布了《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，在歐洲地球科學聯合會大會會議上，來自中國的學者對中國的木星系探測計劃構想做了介紹，並在論文中將任務初步命名為「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[14]。
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布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」[15]。
2021年5月15日，在天問一號着陸巡視器成功着陸火星後的現場採訪中，中國首次火星探測工程總設計師張榮橋透露了中國木星系探測任務的名稱為「天問四號」。[16]
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，報告內提到中國的木星系探測任務名稱為「天問四號」。[2][3]
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任務目標
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[17]。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]。
2024年10月15日，國家航天局系統工程司司長楊小宇在國新辦發布會上介紹，天問四號將對木星和木星的衛星進行研究，對木星空間和內部結構進行探測。[18]
歷史任務方案
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）：[14][19]
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]
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]
預計任務時間表
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]
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科學儀器
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載荷包、多波長成像/光譜學載荷包、地質學/冰川學/地球化學分析儀載荷包以及無線電/光學鏈路和無線電科學載荷包。[14]
- 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
- 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
- 高分辨率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）
- 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）
根據《中國空間科學技術》刊登論文《木星系科學探測研究與展望》，中國木星系探測任務初步載荷配置規劃如下[21]：
木星-木衛四軌道器載荷
- 微波輻射計
- 無線電科學儀
- 大氣成分監測儀
- 偏振儀
- 相機
- 光譜儀
- 粒子分析儀
- 磁強計
- 微波雷達
- γ/X射線光譜儀
行星際穿越器載荷
- 相機
- 磁強計
- 光譜儀
- 無線電科學儀
- 粒子分析儀
備註
參考文獻
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