美國“朱諾”探測器成功進入木星軌道

張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

美國“朱諾”探測器成功進入木星軌道

張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

美國時間2016年7月4日，美國“朱諾”（Juno）木星探測器歷經(jīng)近5年的飛行，終于成功抵達木星并進入木星軌道，總飛行距離達到2.83×109km。美國時間2016年7月10日，美國航空航天局（NASA）公布了“朱諾”傳回的首張照片。“朱諾”進入木星軌道后，將在木星大橢圓極軌道上工作約20個月，圍繞木星飛行37圈。按NASA目前的計劃，“朱諾”將于2018年2月結(jié)束任務(wù)，屆時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）運載火箭從卡納維拉爾角發(fā)射。任務(wù)目標是研究木星的起源與演變，探測木星大氣、引力場、磁場以及磁球?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“伽利略”（Galileo）木星探測器后的全球第二個木星探測器，采用了先進的太陽電池陣技術(shù)，是在以往探測過木星的深空探測器中首個使用太陽電池陣的探測器，也是深空探測史上飛行距離最遠的采用太陽電池陣的探測器。此外，“朱諾”還針對木星嚴苛的輻射環(huán)境，首次采用了電子元器件輻射防護裝置。

1 項目背景

朱諾在古羅馬神話中是天神朱庇特（Jupiter）的妻子，地位相當于希臘神話中的主神宙斯的妻子赫拉。該探測器名稱的含義是，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“新疆域計劃”（New Frontier Program）中的第2個探測器，項目總成本為11億美元，包括探測器研發(fā)、科學儀器、發(fā)射服務(wù)、任務(wù)運行、科學研究與中繼支持。項目由美國噴氣推進實驗室（JPL）管理，項目首席專家為美國西南研究院的斯科特·波頓。該項目所屬的“新疆域計劃”由馬歇爾航天飛行中心（MSFC）管理。探測器由洛馬公司（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)計劃”（Launch Services Program）負責。

2 探測目標

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，人類對其已經(jīng)進行了數(shù)百年的觀測和研究，但至今大量有關(guān)木星的基本問題尚未得到答案。1610年，天文學家伽利略首次對木星進行了詳細的觀測，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）等探測器對木星進行了一些探測活動，發(fā)現(xiàn)木星的組成情況和科學家們之前猜測的并不一樣。至今，人們對于木星以及關(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）木星巨大的磁場是如何產(chǎn)生的？

6）木星深層內(nèi)部運動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”的主要探測目標是揭示木星的形成和演變過程。探測器在大橢圓極軌道上工作，將觀測木星的引力場和磁場，研究木星大氣動力學和組成，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。主平臺為直徑3.5m、高3.5m的六邊形柱體結(jié)構(gòu)，3個太陽電池翼從柱體側(cè)面伸出。平臺艙頂部中央裝有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起來，以抵御木星輻射影響。推進系統(tǒng)包括1個雙組元發(fā)動機和12個單元肼推力器，其中645N雙組元發(fā)動機用于主推進機動；12個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個總面積約60m2的太陽翼（每個太陽電池翼尺寸為9m×2.65m，太陽電池陣單元為18698個）和2個55A ·h的鋰離子蓄電池組。在地球軌道附近時，太陽電池翼功率約為14kW；在木星軌道上時，太陽電池翼功率約為400W。該探測器自旋穩(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，科學觀測階段為2r/min，在主發(fā)動機點火機動期間為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；探測器還為引力科學實驗提供Ka頻段雙工鏈路。探測器運行于高傾角木星橢圓極軌道，遠木點為39個木星半徑，近木點為1.06個木星半徑。

“朱諾”的有效載荷包括引力科學實驗裝置（Gravity Science）、磁強計（MAG）、微波輻射計（MWR）、木星高能粒子探測儀（JEDI）、木星極光分布實驗裝置（JADE）、無線電和等離子體波探測儀（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（JunoCam）。

“朱諾”探測器有效載荷分布圖

“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)過飛行驗證的技術(shù)，可降低成本，提高任務(wù)成功率。例如探測器攜帶的“朱諾”相機，其硬件基于“火星科學實驗室”（MSL）的下降相機的設(shè)計，軟件則基于“火星奧德賽”（Mars Odyssey）和“火星勘測軌道器”（MRO）的設(shè)計。

采用高效、節(jié)能且能抵御輻射的太陽電池翼為探測器提供電能

“朱諾”是首個在離太陽如此遠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)計非常先進，比傳統(tǒng)的硅質(zhì)太陽電池陣單元的效率高50%，且可以耐受高強度的輻射。此外，“朱諾”攜帶的科學儀器也非常節(jié)能。“朱諾”的任務(wù)設(shè)計避免了進入木星陰影區(qū)域，在木星極軌道上運行也使得探測器只受到最小程度的輻射。

“朱諾”探測器飛行軌道圖（該飛行軌道圖中的時間為原計劃時間，可能與實際情況有出入。）

針對木星任務(wù)進行專門設(shè)計，首次攜帶電子元器件輻射防護裝置

由于木星的磁場和輻射帶比地球強得多，NASA噴氣推進實驗室為探測器設(shè)計了專用的防輻射屏蔽裝置，并通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計、特定的飛行軌道來降低輻射對儀器的影響。

為防御輻射，“朱諾”的電子器件都安裝在一個鈦金屬盒內(nèi)，里面安裝了探測器的指令與數(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)探測過木星的深空探測器

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

1973年，NASA發(fā)射先驅(qū)者-11，該探測器飛到距離木星云層頂部34000km處，研究了木星磁場和大氣，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。

1989年，NASA發(fā)射“伽利略”木星探測器。“伽利略”是首個長期詳細研究木星大氣、觀測木星全球結(jié)構(gòu)以及磁場的探測器，探測到木星有一個光環(huán)系統(tǒng)。“伽利略”也是首個進入外行星大氣的探測器，“伽利略”進行了三次擴展任務(wù)，對木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進行了研究。此外，“伽利略”探測器還觀測到舒梅克-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）太陽探測器。該探測器進行了木星借力飛行，飛越了木星，其搭載的儀器研究了木星的強烈磁場和輻射。

1997年，NASA和ESA聯(lián)合發(fā)射“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）土星探測器。該探測器在到達土星之前，須先飛越金星、地球和木星。在飛越木星的過程中，項目團隊測試了探測器的儀器和運行情況。

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

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

NASA Juno Entered Jupiter Orbit Successfully