美國(guó)“朱諾”探測(cè)器成功進(jìn)入木星軌道

張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)“朱諾”探測(cè)器成功進(jìn)入木星軌道

張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)時(shí)間2016年7月4日，美國(guó)“朱諾”（Juno）木星探測(cè)器歷經(jīng)近5年的飛行，終于成功抵達(dá)木星并進(jìn)入木星軌道，總飛行距離達(dá)到2.83×109km。美國(guó)時(shí)間2016年7月10日，美國(guó)航空航天局（NASA）公布了“朱諾”傳回的首張照片。“朱諾”進(jìn)入木星軌道后，將在木星大橢圓極軌道上工作約20個(gè)月，圍繞木星飛行37圈。按NASA目前的計(jì)劃，“朱諾”將于2018年2月結(jié)束任務(wù)，屆時(shí)將離軌并撞向木星表面。

“朱諾”于2011年8月5日由宇宙神－5（Atlas-5）運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角發(fā)射。任務(wù)目標(biāo)是研究木星的起源與演變，探測(cè)木星大氣、引力場(chǎng)、磁場(chǎng)以及磁球?qū)樱{(diào)查木星上是否存在冰巖芯，確定木星上水的含量，并尋找氧氣。

“朱諾”是繼美國(guó)“伽利略”（Galileo）木星探測(cè)器后的全球第二個(gè)木星探測(cè)器，采用了先進(jìn)的太陽電池陣技術(shù)，是在以往探測(cè)過木星的深空探測(cè)器中首個(gè)使用太陽電池陣的探測(cè)器，也是深空探測(cè)史上飛行距離最遠(yuǎn)的采用太陽電池陣的探測(cè)器。此外，“朱諾”還針對(duì)木星嚴(yán)苛的輻射環(huán)境，首次采用了電子元器件輻射防護(hù)裝置。

1 項(xiàng)目背景

朱諾在古羅馬神話中是天神朱庇特（Jupiter）的妻子，地位相當(dāng)于希臘神話中的主神宙斯的妻子赫拉。該探測(cè)器名稱的含義是，天神朱庇特拉起了帷幕隱藏他的惡作劇，但他的妻子朱諾能夠看穿云霧，看見朱庇特（木星）的真正本質(zhì)。

“朱諾”是NASA“新疆域計(jì)劃”（New Frontier Program）中的第2個(gè)探測(cè)器，項(xiàng)目總成本為11億美元，包括探測(cè)器研發(fā)、科學(xué)儀器、發(fā)射服務(wù)、任務(wù)運(yùn)行、科學(xué)研究與中繼支持。項(xiàng)目由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）管理，項(xiàng)目首席專家為美國(guó)西南研究院的斯科特·波頓。該項(xiàng)目所屬的“新疆域計(jì)劃”由馬歇爾航天飛行中心（MSFC）管理。探測(cè)器由洛馬公司（LM）制造。任務(wù)發(fā)射管理由NASA肯尼迪航天中心的“發(fā)射服務(wù)計(jì)劃”（Launch Services Program）負(fù)責(zé)。

2 探測(cè)目標(biāo)

木星是太陽系從太陽向外的第5顆行星，也是目前已知最大的太陽系行星，人類對(duì)其已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)百年的觀測(cè)和研究，但至今大量有關(guān)木星的基本問題尚未得到答案。1610年，天文學(xué)家伽利略首次對(duì)木星進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)，并發(fā)現(xiàn)了木星的4顆大衛(wèi)星，這幾顆木星衛(wèi)星后來被稱為“伽利略”衛(wèi)星。自1972年起，先驅(qū)者－10（Pioneer-10）、旅行者－1和2 （Voyager-1和2）、“伽利略”、“新視野”（New Horizons）等探測(cè)器對(duì)木星進(jìn)行了一些探測(cè)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)木星的組成情況和科學(xué)家們之前猜測(cè)的并不一樣。至今，人們對(duì)于木星以及關(guān)于太陽系起源的大量問題仍未解決，其中關(guān)于木星的基本問題如下：

1）木星是如何形成的？

2）木星上有多少水或氧氣？

3）木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？

4）木星是否有固體核？如果有，固體核有多大？

5）木星巨大的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？

6）木星深層內(nèi)部運(yùn)動(dòng)是如何影響木星的大氣特征的？

7）木星極光傳播能量的物理過程是怎樣的？

8）木星的兩極看上去是怎樣的？

“朱諾”的主要探測(cè)目標(biāo)是揭示木星的形成和演變過程。探測(cè)器在大橢圓極軌道上工作，將觀測(cè)木星的引力場(chǎng)和磁場(chǎng)，研究木星大氣動(dòng)力學(xué)和組成，探索木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大氣和磁氣圈的情況，將木星作為巨行星的原型理解木星的起源和演變，并有助于我們理解太陽系和其他恒星周圍的行星系統(tǒng)的起源。

3 “朱諾”的主要性能參數(shù)

“朱諾”的發(fā)射質(zhì)量為3625kg，干質(zhì)量為1593kg，燃料和氧化劑總質(zhì)量為2032kg。主平臺(tái)為直徑3.5m、高3.5m的六邊形柱體結(jié)構(gòu)，3個(gè)太陽電池翼從柱體側(cè)面伸出。平臺(tái)艙頂部中央裝有0.8m×0.8m×0.6m的鈦合金防輻射屏蔽裝置，厚度約1cm，質(zhì)量150kg，該裝置將探測(cè)器的中央處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及電子單元保護(hù)起來，以抵御木星輻射影響。推進(jìn)系統(tǒng)包括1個(gè)雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)和12個(gè)單元肼推力器，其中645N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)用于主推進(jìn)機(jī)動(dòng)；12個(gè)單元肼推力器用于自旋控制及輔助軌道修正。電源系統(tǒng)采用3個(gè)總面積約60m2的太陽翼（每個(gè)太陽電池翼尺寸為9m×2.65m，太陽電池陣單元為18698個(gè)）和2個(gè)55A ·h的鋰離子蓄電池組。在地球軌道附近時(shí)，太陽電池翼功率約為14kW；在木星軌道上時(shí)，太陽電池翼功率約為400W。該探測(cè)器自旋穩(wěn)定，在任務(wù)的不同階段，有不同的自旋速率；其中巡航階段為1r/min，科學(xué)觀測(cè)階段為2r/min，在主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火機(jī)動(dòng)期間為5r/min。主任務(wù)通信采用X頻段，裝有高增益天線、低增益天線和螺旋天線，地面通信采用NASA深空網(wǎng)的70m天線；探測(cè)器還為引力科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供Ka頻段雙工鏈路。探測(cè)器運(yùn)行于高傾角木星橢圓極軌道，遠(yuǎn)木點(diǎn)為39個(gè)木星半徑，近木點(diǎn)為1.06個(gè)木星半徑。

“朱諾”的有效載荷包括引力科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置（Gravity Science）、磁強(qiáng)計(jì)（MAG）、微波輻射計(jì)（MWR）、木星高能粒子探測(cè)儀（JEDI）、木星極光分布實(shí)驗(yàn)裝置（JADE）、無線電和等離子體波探測(cè)儀（Waves）、紫外成像光譜儀（UVS）、木星紅外極光成像儀（JIRAM）以及“朱諾”相機(jī)（JunoCam）。

“朱諾”探測(cè)器有效載荷分布圖

“朱諾”有效載荷

4 “朱諾”飛行歷程

“朱諾”飛行歷程如下表。

“朱諾”飛行歷程

5 “朱諾”特點(diǎn)分析

采用大量成熟技術(shù)，降低成本，提高任務(wù)成功率

由于成本的限制，“朱諾”任務(wù)采用了大量成熟的、已經(jīng)過飛行驗(yàn)證的技術(shù)，可降低成本，提高任務(wù)成功率。例如探測(cè)器攜帶的“朱諾”相機(jī)，其硬件基于“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（MSL）的下降相機(jī)的設(shè)計(jì)，軟件則基于“火星奧德賽”（Mars Odyssey）和“火星勘測(cè)軌道器”（MRO）的設(shè)計(jì)。

采用高效、節(jié)能且能抵御輻射的太陽電池翼為探測(cè)器提供電能

“朱諾”是首個(gè)在離太陽如此遠(yuǎn)的距離上采用太陽能供電的航天器，因此太陽電池翼的表面積必須足夠大，才能提供足夠的電能。

“朱諾”的太陽電池陣單元的設(shè)計(jì)非常先進(jìn)，比傳統(tǒng)的硅質(zhì)太陽電池陣單元的效率高50%，且可以耐受高強(qiáng)度的輻射。此外，“朱諾”攜帶的科學(xué)儀器也非常節(jié)能。“朱諾”的任務(wù)設(shè)計(jì)避免了進(jìn)入木星陰影區(qū)域，在木星極軌道上運(yùn)行也使得探測(cè)器只受到最小程度的輻射。

“朱諾”探測(cè)器飛行軌道圖（該飛行軌道圖中的時(shí)間為原計(jì)劃時(shí)間，可能與實(shí)際情況有出入。）

針對(duì)木星任務(wù)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，首次攜帶電子元器件輻射防護(hù)裝置

由于木星的磁場(chǎng)和輻射帶比地球強(qiáng)得多，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為探測(cè)器設(shè)計(jì)了專用的防輻射屏蔽裝置，并通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特定的飛行軌道來降低輻射對(duì)儀器的影響。

為防御輻射，“朱諾”的電子器件都安裝在一個(gè)鈦金屬盒內(nèi)，里面安裝了探測(cè)器的指令與數(shù)據(jù)處理裝置、電源與數(shù)據(jù)分發(fā)單元以及其他20余種電子組件。

附錄：曾經(jīng)探測(cè)過木星的深空探測(cè)器

1972年，NASA發(fā)射先驅(qū)者－10。1973年，該探測(cè)器成為第一個(gè)穿越小行星帶、飛越木星的航天器。探測(cè)器飛越木星時(shí)探測(cè)到的劇烈輻射令人吃驚。

1973年，NASA發(fā)射先驅(qū)者-11，該探測(cè)器飛到距離木星云層頂部34000km處，研究了木星磁場(chǎng)和大氣，拍攝了木星及其衛(wèi)星的圖像。

1977年，NASA發(fā)射旅行者－1和2。1979年，旅行者－1和2發(fā)現(xiàn)了木星黯淡的光環(huán)系統(tǒng)，以及數(shù)顆新衛(wèi)星和木衛(wèi)一“伊娥”（Io）表面的火山活動(dòng)。

1989年，NASA發(fā)射“伽利略”木星探測(cè)器。“伽利略”是首個(gè)長(zhǎng)期詳細(xì)研究木星大氣、觀測(cè)木星全球結(jié)構(gòu)以及磁場(chǎng)的探測(cè)器，探測(cè)到木星有一個(gè)光環(huán)系統(tǒng)。“伽利略”也是首個(gè)進(jìn)入外行星大氣的探測(cè)器，“伽利略”進(jìn)行了三次擴(kuò)展任務(wù)，對(duì)木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進(jìn)行了研究。此外，“伽利略”探測(cè)器還觀測(cè)到舒梅克-列維9（Shoemaker-Levy 9）彗星撞向木星南半球的現(xiàn)象。

1990年，歐洲航天局（ESA）和NASA聯(lián)合發(fā)射“尤利西斯”（Ulysses）太陽探測(cè)器。該探測(cè)器進(jìn)行了木星借力飛行，飛越了木星，其搭載的儀器研究了木星的強(qiáng)烈磁場(chǎng)和輻射。

1997年，NASA和ESA聯(lián)合發(fā)射“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）土星探測(cè)器。該探測(cè)器在到達(dá)土星之前，須先飛越金星、地球和木星。在飛越木星的過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)測(cè)試了探測(cè)器的儀器和運(yùn)行情況。

2006年，NASA發(fā)射“新視野”冥王星探測(cè)器。該探測(cè)器進(jìn)行了木星借力飛行，以進(jìn)入飛向冥王星的軌道。2007年初開始，探測(cè)器對(duì)木星進(jìn)行了為期5個(gè)月的觀測(cè)，2007年2月28日，探測(cè)器與木星的距離達(dá)到最近。

2011年，NASA發(fā)射“朱諾”木星探測(cè)器。2016年7 月4日，“朱諾”成功進(jìn)入繞木星軌道。

NASA Juno Entered Jupiter Orbit Successfully