國外木星探測任務進展與分析

高博宇 陳忠貴 周文艷

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

木星是太陽系中質量最大、磁場最強的行星，也是太陽系中具有最多衛星的行星，根據目前的深空探測成果，木衛二、木衛三、木衛四可能存在冰下海洋，有可能演化出生命。木星探測已經成為國際上深空探測的重點方向，通過對木星及其衛星展開探測研究，能提升我們對于太陽系早期演化、木星磁場起源和地外生命的認知。至今國外已經有多顆探測器對木星開展了飛越探測，美國的伽利略號和朱諾號則對木星開展了環繞探測，規劃中的木星冰月探測者(JUICE)任務和歐羅巴快帆(Europa Clipper)任務計劃通過環繞或多次飛越的方式開展木星衛星探測。我國計劃在2030年實施木星探測任務，將要開展方案深化論證和關鍵技術研究[1]。

本文分析了國外已實施和在研的4個木星環繞探測任務，介紹了各自的任務目標以及攜帶的科學探測設備。隨后對這4個任務的探測工程進行分析，包括在運載火箭約束下的地木轉移軌道設計、木星系內探測軌道設計以及采用的通信頻段和下行速率，以此分析目前我國實施木星探測能力，對未來木星探測任務提出了建議。

1 國外研究概述

隨著人們對木星認識的提升和科學技術的發展，木星探測任務目標和探測手段逐漸發展變化。表1總結了國際上的木星系探測任務[2-8]，總體可分為3個階段。第一階段以木星飛越為主要探測手段，包括先驅者10號、11號任務和旅行者1號、2號任務，以及后續的尤利西斯號、卡西尼號和新視野號，這一階段獲取了有關木星磁場和大氣的探測數據，并對木星衛星進行了遠距離探測。第二階段以木星環繞探測為主，包括伽利略號和朱諾號兩個探測任務。伽利略號對整個木星系開展了綜合探測，獲得了木星大氣的詳細數據，對4顆伽利略衛星開展飛越觀測，并確定了木星的磁層結構。2011年發射的朱諾號是第2個木星環繞探測器，科學目標集中在木星大氣、磁場以及內部結構上。第三階段任務包括正在規劃中的木星冰月探測者任務和歐羅巴快帆任務。將更頻繁的利用木星衛星進行借力飛行，采用連續飛越或環繞等方式來對木星衛星開展詳細探測，主要研究木星衛星的表面結構和成分，并對其宜居性進行評估。

表1 國外木星系探測任務概況Table 1 Overview of Jovian exploration missions

2 探測任務目標分析

2.1 伽利略號任務目標

伽利略號是NASA第一個木星環繞探測任務，探測目標可分為三大類：①探測木星大氣成分和物理性質；②探測木星衛星的化學成分和物理性質；③探測木星磁層的結構和動力學特性[9]。表2給出了伽利略號任務具體的科學探測目標。

表2 伽利略號任務探測目標Table 2 Objectives of Galileo mission

伽利略號攜帶的科學探測儀器可分為三大類，如表3所示。場和粒子探測器主要安裝在探測器自旋部分，消旋部分則為遙感設備提供穩定的探測平臺[4]。

表3 伽利略號探測設備Table 3 Instrument of Galileo

2.2 朱諾號任務目標

朱諾號的任務目標是了解木星的起源和進化，幫助科學家了解太陽系的起源問題。朱諾號主要針對4個主題進行探測[6]。

(1)起源：確定木星大氣中的水含量，了解木星形成機制。

(2)內部：精確繪制木星重力場和磁場結構，揭示木星內部結構。

(3)大氣：研究所有緯度的大氣成分、溫度結構、云層運動和其他特性，探測深度超過100 bar。

(4)磁場：描繪木星極區磁場和極光的三維結構。

表4列出了朱諾號攜帶的9臺探測設備[10], 所有的儀器都固定在探測器上，探測器以每分鐘2圈的速度自旋。

表4 朱諾號探測設備Table 4 Instrument of Juno

2.3 木星冰月探測者探測任務

木星冰月探測者是歐洲航天局第一個木星環繞探測任務，目標是探測木星的3顆冰衛星，對它們的環境和潛在宜居性進行比較。表5給出了木星冰月探測者任務具體的科學探測目標[11]。

表5 木星冰月探測者探測目標Table 5 Objectives of JUICE mission

木星冰月探測者攜帶三類探測儀器，如表6所示。其中無線電科學實驗與無線電干涉和多普勒實驗利用通信設備進行。

表6 木星冰月探測者探測設備Table 6 Instrument of JUICE mission

2.4 歐羅巴快帆探測任務

歐羅巴快帆的目標是研究木衛二的宜居性，具體的研究目標如下[12]。

(1)冰殼和海洋：分析木衛二冰殼和地下水系統的特性，包括非均質性、冰下海洋特性以及地表-冰層-海洋之間的交換過程。

(2)成分：調查木衛二物質組成和化學成分，分析冰下海洋的宜居性。

(3)地質：調查表面特征的形成過程，對有科學價值的區域開展分析。

(4)最近活動：尋找正在進行的地質活動，特別是羽流和熱異常現象，對其進行分析研究。

表7列出了歐羅快帆攜帶的9種探測儀器，同樣的，歐羅巴快帆也將利用通信設備進行重力科學調查，以確認木衛二是否擁有全球性的冰下海洋。

表7 歐羅巴快帆探測設備Table 7 Instrument of Europa Clipper

2.5 小結

綜合2.1～2.4節內容，各個探測任務的任務目標表現出以下特點和發展趨勢。

1)首次木星探測任務目標多樣化

伽利略號和木星冰月探測者作為NASA和歐洲航天局的首次木星環繞探測任務，任務目標囊括木星大氣、磁場和木星衛星，讓各國對木星系統有了全面了解，為后續任務打下堅實基礎。

2)木衛探測成為主流

未來木星探測任務目標集中在木星冰衛星上，攜帶紅外、紫外光譜儀與穿冰雷達等遙感設備和磁強計、粒子探測儀等原位探測設備，并利用無線電通信開展木星冰衛星的結構、成分與宜居性研究。

3)對木星深層大氣、木衛四的探測仍有不足

針對木星大氣，朱諾號和伽利略號已取得了豐富的科學探測成果。但國際上對木星大氣運動的垂直結構、大氣深層中水和氨的組分以及木星內部結構的了解還依然有限[13]。木星衛星中，木衛二、木衛三已有專門的探測任務，但同樣存在冰下海洋的木衛四還未有專門的探測任務。

3 探測工程分析

木星探測任務是個復雜的系統工程，其中在運載火箭約束下各任務的地木轉移軌道設計、木星系內探測軌道設計以及通信系統是最主要的工程難點。以下針對4個木星環繞探測任務，對這些工程難點進行梳理歸納。

3.1 行星際轉移軌道與運載火箭分析

木星距離地球遙遠，對木星探測器使用的行星際轉移軌道和運載火箭提出了更為嚴苛的要求。表8列出了各個探測器的地木轉移軌道和采用的運載火箭[4,10,14-15]。從表8中可以看出，木星探測器通常通過多次行星借力到達木星，地球和金星的借力效果更好。在火箭運載能力有限的情況下，探測器可通過增加借力次數，以行星際飛行時間延長為代價減少發射剩余速度的平方(C3)。隨著運載火箭技術的發展，木星探測器的質量約束逐漸放寬，未來兩艘木星探測器發射質量都達到了5 t的級別。

表8 木星環繞探測器采用的行星際轉移軌道和運載火箭Table 8 Interplanetary cruise and launch vehicle for Jovian orbiter

3.2 木星探測軌道分析

1)伽利略號探測軌道

伽利略號在木星捕獲機動前，以890 km的高度飛越了木衛一，幫助探測器節省了大量的燃料。整個任務期間，伽利略號一共環繞木星飛行了34圈，每圈都對一顆木星衛星進行飛越觀測，并借助飛越瞄準下一顆木星衛星。出于對航天器安全的考慮，在伽利略號主要任務期間，探測器并未對處于高輻射帶范圍內的木衛一和木衛二進行過多探測。主任務結束后，探測器才在之后的擴展任務中對木衛二和木衛一開展專門的探測研究。

2)朱諾號探測軌道

朱諾號直接通過木星捕獲機動進入周期53.5天的橢圓軌道，計劃進行先期探測后再進入周期11天的科學探測軌道，后由于推進系統故障，NASA決定直接在目前53.5天的軌道上開展科考任務。如圖1所示[10]，朱諾號將環繞木星運行35圈，在第4次、第8次、第16次、第32次環繞后相鄰軌跡間隔分別為90°、45°、22.5°、11.25°[6]。星下點的經度間隔通過調整軌道的近木點時刻實現，為此每次飛越近木點后朱諾號都要執行一次軌道機動。

圖1 近木點軌跡的全球覆蓋(木星北極俯視圖)Fig.1 Global coverage from a net of perijove passes(Jupiter north pole view)

3)木星冰月探測者探測軌道

木星冰月探測者在一次木衛三飛越后執行木星捕獲機動，隨后通過二次木衛三飛越進一步降低軌道能量。木星冰月探測者任務主要分為3個階段：木衛二探測階段、木星高緯度地區探測階段和木衛三環繞階段。木衛二探測階段利用木衛四與木衛二的連續借力飛行，實現對木衛二南北半球的中緯度地區探測。木星高緯度地區探測階段通過多次木衛四借力飛行抬高軌道傾角，實現木星高緯度地區觀測。木衛三環繞階段通過多次木衛三、木衛四飛越降低探測器與木衛三的相對速度，以185 m/s的木衛三捕獲機動進入環木衛三軌道。隨后利用木星攝動改變探測器軌道偏心率，從不同方位對木衛三進行觀測，最終進入500 km環木衛三圓軌道[11]。

4)歐羅巴快帆探測軌道

歐羅巴快帆在一次木衛三飛越后執行木星捕獲機動，再通過4次木衛三飛越進一步降低軌道能量，進入木衛二飛越探測階段。

探測器采用一種特殊的共振軌道設計對木衛二展開飛越探測，這一方案命名為飛越軌道面旋轉方案(crank-over-the-top，COT)[16]。每施行一次COT方案，探測器就可對一半的木衛二球面進行探測，星下點軌跡如圖2所示。

圖2 COT方案木衛二飛越軌道的星下點軌跡Fig.2 Europa COT nadir groundtracks

由于木衛二被木星潮汐鎖定，匯合點相同情況下探測器飛越木衛二時光照情況變化不大。因此在2～3次COT軌道后，探測器將使用花瓣式旋轉(Petal Rotation)軌道，通過一系列木衛四、木衛三飛越和非共振轉移軌道，將探測器和木衛二的匯合點過渡至木衛二軌道的另一端，使之前的木衛二陰影面變為光照面，再通過2～3次COT軌道進行探測。圖3給出了一種木衛二科學探測軌道方案[17]，包括兩次COT軌道(藍、青)、Petal Rotation軌道(棕)、匯合點過渡軌道(橙)和最后兩次COT軌道(紫紅、綠)。

圖3 木衛二科學探測軌道Fig.3 Europa science tour trajectory

各個探測任務的木星環繞軌道設計表現出以下特點和發展趨勢。

1)木星極區觀測與木星衛星觀測難以同時進行

除木星冰月探測者任務外，其他3個木星探測任務均沒有同時進行木星極區觀測與木星衛星觀測，這主要是因為木星極區探測與木星衛星觀測對探測器軌道傾角的要求相矛盾。木星冰月探測者任務雖能對木星高緯度地區展開探測，但探測時間短且距離遠。

2)利用木星衛星借力飛行降低燃料消耗

木星衛星公轉周期短，使得低傾角的木星探測器可以多次利用木星衛星借力飛行降低燃料消耗。木星的4顆伽利略衛星中，木衛三質量最大，借力效果最好，木星冰月探測者和歐羅巴快帆都多次利用木衛三借力調整軌道。在木星捕獲軌道中，出于安全考慮通常只安排一次木星衛星借力飛行。

3)全面覆蓋探測成為木星探測主流

針對單個天體的覆蓋探測可以對該天體的物質組成分布、結構、磁場和地質活動有更加全面地了解。目前只有朱諾號完成了對木星的覆蓋觀測，針對木星衛星的探測任務則如表9所示，木衛二、木衛三已有多次飛越、環繞探測計劃，木衛一和木衛四還沒有專門的探測任務。

表9 伽利略衛星探測任務概況Table 9 Overview of Galilean satellites exploration missions

3.3 通信系統分析

通信系統主要包括天線站和探測器天線子系統兩部分。表10列出了NASA和歐洲航天局深空站的天線站組成，其中新諾舍天線站在改裝后具備Ka頻段信號接收能力。

表10 天線站情況Table 10 Antenna station conditions

表11列出了各個木星環繞探測器的天線直徑和平均下行速率，其中木星冰月探測者每天通信窗口8小時，通信數據量1.4 Gbit[15]。歐羅巴快帆整個任務期間總下行6.7 TB數據，總任務時長則按10.23年計算[12]。隨著深空探測技術的發展，木星探測器能攜帶的科學探測儀器越來越多，每次飛越所取得的探測數據量也更多，與之相對，探測器環繞木星的軌道周期更短，使得數據采集間隔更加短暫，這要求探測器采用更高的頻段作為下行數據載波，以增大數據傳輸速率。

表11 木星環繞探測器采用的高增益天線Table 11 HGA for Jovian orbiter

4 我國探測任務分析

根據《2016中國的航天》白皮書，我國將要開展木星系及行星穿越探測的方案深化論證和關鍵技術攻關。參考國外木星探測任務方案，對我國木星探測任務進行分析。

4.1 我國木星探測任務目標和初步規劃

作為世界上第5個木星環繞探測任務，我國要在各國木星探測任務的基礎上，瞄準具有特色的任務目標，在國內深空探測領域和國際木星探測領域取得突破。

(1)行星際空間探測。探測器在前往木星的過程中，可以利用探測器上搭載的儀器開展行星際空間探測，主要分為兩類，對太陽風、磁場和行星際塵埃的原位探測，以及在飛躍行星、小行星時開展遙感探測。行星際空間探測可提高我們對于太陽系空間環境、行星和小行星的認知，為我國下一步深空探測任務提供參考。

(2)木星系統空間環境探測。木星系統空間環境探測以原位探測為主，主要通過磁強計、等離子體探測器、粒子探測器、無線電波對木星磁場、等離子體環境、粒子分布和引力場進行探測。可提升我國對木星空間環境的認知，獲取更精確的木星磁場、引力場模型，為以后的木星飛越、環繞任務打下基礎。

(3)木星大氣探測。木星大氣探測目標是研究木星大氣成分、結構和動力學特性，主要依靠遙感設備和木星大氣進入器開展研究。我國首次木星探測任務應以遙感探測為主，考慮攜帶一次性木星大氣進入器或風動力飛行器對木星高緯度地區或極區進行探測。

(4)木星衛星探測。木星衛星探測主要集中在研究木星衛星表面成分和地下結構，分析其與木星磁場的相互作用。我國可針對木衛四開展環繞探測，分析其潛在宜居性，并對木衛二、木衛三開展飛越探測，獲取地形地貌數據，完善引力場和磁場模型，為后續木星探測打下基礎。另外，可在完成主要探測目標的前提下，對木星其他衛星展開飛越探測，擴充科學探測成果。

4.2 我國木星探測的關鍵技術

由于木星距離遙遠，空間環境復雜，木星探測任務相比月球探測、火星探測技術難度更大。我國木星探測任務面臨的技術難題主要有以下4項。

1)軌道設計

木星探測任務軌道可分為行星際轉移軌道和木星系內軌道兩部分。行星際轉移軌道設計主要受限于運載火箭的運載能力。對比我國現役火箭運載能力，以2029年EVEEJ轉移軌道為例，長征三號乙、長征七號甲均具備發射2.5噸級木星探測器的能力，其中長征三號乙運載能力略弱，可考慮增加行星借力次數。長征五號運載能力介于阿麗亞娜5-ECA和重型獵鷹之間，具備執行5噸級木星探測器的能力。木星衛星眾多，探測器將受到多體引力攝動，增大了軌道設計難度。木星系內探測目標眾多，但木星附近輻射環境惡劣，探測軌道需要根據任務目標進行分析和設計，在保征探測器安全的情況下盡可能擴充探測成果。

2)測控通信技術

在木星探測整個任務過程中，地面需要與探測器進行不間斷通信，確認探測器狀態，發布控制指令，接收科學數據。由于木星距離遙遠，探測器通信功率受限，通信信號強度微弱且數據傳輸速率低下。NASA和歐洲航天局都已建成全球范圍的深空網，并計劃在未來木星探測任務中綜合使用X和Ka頻段進行通信。目前我國深空網初步建成，X頻段深空測控體系已在火星探測任務中進行了驗證，但Ka頻段測控能力尚需完善。

3)電源系統技術

木星探測器電源系統有兩個選擇，溫差同位素電池和太陽能電池。溫差同位素電池具有更好的環境適應能力，我國目前也已經在嫦娥四號上應用5瓦級同位素電源，但同位素電池具有潛在的核泄漏風險，對火箭發射和地球飛掠時的安全性要求更高。我國太陽能電池技術成熟度更高，已經多次應用在月球、火星任務中。但太陽能電池在木星的強輻射環境下工作，需要結合木星探測軌道設計，進行相應的防輻射設計[18]。

4)航天器自主管理

木星與地球間通信延時高達34 min，在對木星開展環繞探測時，地面無法對探測器進行實時遙測遙控，要求探測器具有極強的自主管理能力，確保探測任務正常實施。由于長時間的太空飛行和木星的高輻射環境，還要求探測器具備足夠的故障處理能力，已實施的伽利略號和朱諾號探測器都出現過機構故障或系統故障，伽利略號出現過高增益天線無法打開、數據記錄磁帶卡帶、導航系統失效等問題，朱諾號在行星際飛行過程中多次進入安全模式[19]，推進系統也發生過故障。目前我國已成功實施火星著陸任務，驗證我國航天器自主管理能力達到了國際先進水平，之后應針對木星特殊的空間環境，完善探測器故障診斷、處理能力，在機構和軌道設計上確保足夠的冗余。

5 結束語

本文調研了國際上已實施或在研的木星環繞探測任務，指出隨著運載火箭技術的發展，木星探測器質量上限隨之提高，目前以5噸級探測器為主流，探測目標則主要集中在木星衛星上，木衛二、木衛三已有專屬的探測任務。為了處理精細探測所產生的龐大數據量，未來各任務都采用了Ka下行頻段，地面深空站也具備了相應的數據接收能力。我國已經具備了實施木星探測任務的初步條件，建議以長征五號作為運載火箭，將木星引力環境和木衛四作為主要探測目標，考慮木星磁場環境和借力飛行策略，進一步完善木星探測軌道設計。同時完善我國深空網Ka頻段通信能力，增大數據傳輸速率和提高定軌精度。建議以太陽能電池板作為木星探測器能量來源，在月球和火星任務電源系統設計的基礎上，根據木星光照環境，改進太陽能電池設計，完善抗輻射性能。并完善探測器故障診斷、處理能力，提高系統可靠性，保證足夠的設計冗余。