探索冰巨星：如何模拟天王星和海王星的大气探测

在适当改装的欧洲激波管和等离子设备中，科学家们成功再现了“冰巨星”天王星和海王星独特的大气组成，模拟了对它们的深层探测。尽管在试验中实现了相当于每秒19公里的等效速度，但仍需要进一步努力以达到实际的飞探测器进入这些气体巨星时所需的速度。

这次测试在英国牛津大学的高超声速等离子体T6斯托克隧道内进行，还利用了德国斯图加特大学高焓流诊断团队的等离子风洞。

无论是通过碰撞、着陆还是大气探测，人造航天器已经触及了太阳系的所有行星，除了两个：处于太阳系外部的气体巨星天王星和海王星。

天王星和海王星是太阳系中最远的两颗行星，它们的轨道周期分别为84年和165年，这意味着它们的季节变化非常缓慢。天王星的轴倾角为98度，几乎与其轨道平面垂直，导致它的一极在夏季长达42年地面对太阳，而另一极则处于黑暗的冬季。海王星的轴倾角为28度，与地球相似，但由于其远离太阳的位置，它的表面温度平均只有-200摄氏度。

天王星和海王星的内部结构也有所不同，天王星的核心由岩石和金属组成，占其质量的约15%，而海王星的核心则更大，占其质量的约25%。天王星的外层主要由水、氨和甲烷的混合物组成，而海王星的外层则更富含氢和氦，类似于木星和土星。两颗行星都有强大的磁场，但它们的磁场与其自转轴的偏离程度都很大，导致它们的磁层非常复杂和不稳定。

天王星和海王星都有多个卫星和环，其中最著名的是天王星的泰坦尼亚和海王星的特里同。泰坦尼亚是太阳系中最大的卫星之一，它的直径为1578公里，它的表面由冰和岩石组成，上面有许多裂缝和峡谷。特里同是太阳系中唯一一个逆行运行的大卫星，它的直径为2706公里，它的表面由冰和氮的混合物组成，上面有许多火山和地质活动的迹象。两颗卫星都有稀薄的大气层，主要由氮气组成。

现在，NASA和ESA都在考虑未来对这一有趣的双星进行探测，它们在大小上几乎相同。

虽然在表面上与木星和土星相似，都有氢和氦的大气层，但天王星和海王星还包含相当数量的更重的元素，以“超临界”液体的形式存在于云层下方，占据了这两个行星质量的大部分。

这两个世界的大气中还含有甲烷——解释了它们为什么呈蓝色外观——尽管在海王星的情况下，它更集中在大气层较低，因此在模拟任何探测器飞行时不太重要。

在未来对这两个世界的探测任务中，一架类似于NASA的伽利略任务飞行器的大气探测器是科学家们的首选。

“挑战在于，任何探测器都将受到高压和高温的影响，因此需要高性能的热防护系统，以便在大气进入时能够持续一段有用的时间，”ESA空气动力学工程师路易斯·瓦尔波特解释道。

大气探测器的进入速率由绕行它们所需的速度确定，对于天王星和海王星，这约为每秒24公里的速度。

这是一个由英国、德国和ESA共同参与的项目，得到了该机构的一般支持技术计划的支持。作为下一步，正在进行工作以扩大牛津和斯图加特风洞中可达到的模拟速度。