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  伽利略號的首要任務是要對木星系統進行為期兩年的研究,而事實上,伽利略號從1995年進入木星的軌道直到2003年墜毀,它一共在木星工作了8年之久。它環繞木星公轉,約兩個月公轉一週。在木星的不同位置上,得到其磁層的資料。此外它的軌道也是預留作近距觀測衛星的,在1997年12月7日,它開始執行其額外任務,多次近距在木衛一和木衛二上越過,最近的一次是於2001年12月15日,距衛星表面僅180公里。  由於木衛二的冰層下可能存在生命,為避免未經消毒的太空船撞向木衛二,令地球的細菌汙染其環境,控制人員最終選擇把伽利略號撞向木星。

  伽利略號的旅程並不順遂。它原本的計劃是由太空梭將它和它的推動火箭—半人馬座火箭送入地球軌道。然後半人馬座火箭將用2年半的時間將伽利略號送抵木星。在80年代初,伽利略號完工的時候由於太空梭和運載火箭沒有準備好,所以推遲了發射時間。當一切準備妥當之後,升空日期被定在1986年的5月。但在1986年1月的挑戰者號太空梭慘劇發生後,美國政府停止了一切的升空活動,並對安全準則進行檢討。伽利略號的升空時間被延後至3年之後。新的安全準則也隨之增加,包括使用低功率的推進火箭,並禁止在太空梭的運送倉內放置燃料。這意味著半人馬座火箭將被取消。為了進入預期的軌道,太空船得先進入金星的軌道,再借助引力來加速,還要兩度折回地球加速,然後才前往木星。這使得原本預定2年半的旅程變成了6年。在等待升空的三年中,伽利略號被多次改造、運送和儲藏。有人認為這3年的“旅程”很可能就是升空後諸多問題的原因。  伽利略號利用增加了的旅程,對月球亮面和暗面的地表化學物質作出了比較,而且還對地球南極的臭氧層作出了大氣觀測。但在最後一次離開地球之前,問題再度出現。伽利略號的主天線—高增益天線被發現不能準確開啟。高增益天線是作為伽利略號和地球聯絡的主要工具,它的出錯造成了嚴重的後果。本來伽利略號能每數分鐘往地球發回一張照片,故障發生後變成了數週一張。幸而,計算機技術的發展對此作出了彌補。資料能通過壓縮再傳送,這使得照片的傳送時間減少為數小時。  在伽利略號掠過小行星帶時,伽利略號對小行星951和小行星243(Ida)作出精密觀測,發現Ida的衛星,並命名為Dactyl。在1994年的彗星撞木星天文奇觀中,伽利略號觀測了舒梅克·利維九號彗星的碎片撞入木星的過程,地球上的望遠鏡則要等待被撞擊處朝向地球時才能觀測其殘留的痕跡。  然而,在到達木星的兩個月前,另一個問題發生了。伽利略號的磁帶記錄器發生了故障。磁帶記錄器的主要任務是,記錄伽利略號上各種儀器所探測到的結果,並在適當的時候發回地球。在主天線發生故障之後,磁帶記錄器的作用就顯得非常重要了。為了對磁帶記錄器作出調整,伽利略號放棄了原本探測木衛一的計劃。  伽利略號帶有一個探測器,該探測器的任務是衝入木星的大氣,並在燃燒殆盡前,儘可能多的發回資料。這是個艱難的任務,與木星大氣摩擦將產生高達華氏21000度的高溫。在開啟降落傘減速之後,探測器將與抵擋高溫的擋熱板脫離。獨自承受木星的風暴,高溫和巨大的壓力。在1995年12月7日,探測器進入了木星的大氣。探測器成功地發回了訊號,但在降落了57分鐘之後,探測器被木星發出的熱力燒燬。不過這57分鐘已經大大地增加了我們對木星大氣和氣候的瞭解。  伽利略號對研究木星的衛星也作出了很大的貢獻。在伽利略號到達木星之前,人們一共發現了16顆木星的衛星。伽利略號到達後又發現了多顆衛星。現在,這個數字已經上升到了63顆。  由於受到輻射的破壞,伽利略號的攝影裝置於2002年1月17日停止運作。由於工程師能夠修復磁帶的資料,因此它能在墜毀以前繼續傳送資料回地球。

  在伽利略號的任務結束後,美國太空總署的下一個探測器名為木星冰月軌道器(Jupiter Icy Moons Orbiter, JIMO)已被取消。而2011年發射的朱諾號,已於2016年進入木星軌道。
伽利略號(英語:Galileo)是美國太空總署一艘無人太空船,專門用作研究木星及其衛星。它以文藝復興時期義大利天文學家伽利略的名字來命名,於1989年10月18日由太空梭亞特蘭蒂斯號運送升空,任務名稱為STS-34,它於1995年12月7日接近木星。