古有「嫦娥」奔月，今有「朱諾」尋夫
阿盟說
五年奔波，「朱諾」終於和他的丈夫「朱庇特」團聚。關於「朱諾號」你知道多少？王燕老師這篇文章全面細緻地講解了木星探測器「朱諾號」的探測任務、性能特點以及本任務的意義。重磅好文，不容錯過！
撰文：王燕（上海航天第808研究所）
美國東部時間2016年7月4日23時18分（北京時間7月5日11時18分），美國第二顆木星環繞探測器「朱諾號」在歷經5年的艱難征程之後，終將抵達此次旅途目的地——木星，投入讓她魂牽夢繞的「夫君星」的懷抱。
飛向木星的「朱諾」號
在古希臘神話中，朱庇特是眾神之王，具有掌管宇宙之無上權威。而其妻「朱諾」，則是婚姻的守護神。「朱諾」號木星探測器全稱為JＵpiter Nearpolar Orbiter，縮寫為JUNO，取朱庇特之妻之意。在此次的「朱諾」任務中，搭載了三個樂高玩偶，分別是朱庇特夫婦和伽利略。朱庇特手持閃電杖，象徵著至高無上的權威；朱諾手持放大鏡，貌似要看透這世間一切；伽利略秉承科學家一貫嚴謹作風，一手握著望遠鏡，另一手舉著木星。這三位和木星有著淵源的人物就這樣踏上了旅途。
「朱諾」號上攜帶的三個樂高玩偶（左：伽利略；中：朱諾；右：朱庇特）
「朱諾」是繼「伽利略」之後的第二顆木星環繞探測器。1989年美國發射了「伽利略」號木星探測器，實現了對木星大氣環境、引力場、磁層、極光的探測。此外，在環繞木星期間，實現多次飛越木衛一、木衛二、木衛三和木衛四。
除了對木星環繞探測之外，早在40多年前，美國就相繼開展了木星系的飛越探測。1973年12月「先驅者10」最先與木星交會，首次發回了木星的近距離照片，並提供了關於木星磁場、大氣成分等資料。之後，「先驅者11」、「旅行者1」和「旅行者2」、尤利西斯、卡西尼-惠更斯土星探測器、新視野冥王星探測器，都在飛行過程中造訪過木星，開展了可見光和紅外成像、粒子和磁場等探測活動。
「朱諾」木星探測器是美國「新邊疆」（New Frontier）系列的第二次任務。第一項任務是「新視野」號（New Horizon），第三項任務是源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器（OSIRIS-REx）。「朱諾」任務2005年5月入選「新邊疆」計劃，原計劃2009年發射，然而由於非技術原因推遲到2011年發射。
木星——彰顯王者風範
木星是太陽系內質量和體積最大行星，頗具王者風範。主要特點是遠距離、大質量、強輻射、氣態星、多衛星，這些物理特點對於探測器的設計也帶來一定影響。
遠距離。木星是太陽系從內向外的第五顆行星，木星與太陽平均距離為5.2AU，是地球的5倍，因此接收到的光照只有地球的1/25。
大質量。木星是太陽系內最大的行星，又稱為「巨行星」，其質量是地球質量的318.1倍，也是太陽系內其他行星總質量的2.5倍。表面重力加速度為22.5g-26.3g，約是地球的2.5倍。
強輻射。木星具有強大磁場，在太陽風的作用下，形成了環繞木星的輻射帶，類似於地球的范艾倫輻射帶。由於木星磁場覆蓋範圍廣，自轉周期快（9.9小時），木衛一釋放的等離子體也與木星一起高速共轉，形成一個繞木衛一軌道的冷等離子體環面。
氣態星。木星是個氣態行星，沒有實體表面，木星大氣層很厚，約達3000公里，其表面呈漩渦狀、明顯分帶、色彩艷麗，著名的大紅斑（木星表面一個巨大的氣旋風暴）已經持續了300多年。在大氣層之下有一層厚達27000公里的液態氫，再下面是金屬氫。在木星中心，極高的壓力產生了一個重元素內核，相當於地球質量的10-15倍。
木星全景圖
多衛星。迄今為止，發現了67顆木星衛星，其中最大的四顆分別為木衛一、木衛二、木衛三和木衛四，它們於1610年由伽利略首次發現，因此又稱為「伽利略」衛星。
木衛一、木衛二、木衛三、木衛四
朱諾——肩負神聖使命
「朱諾」木星探測器肩負著神聖的科學使命。其目的是通過探測木星，從而了解太陽系的起源和演化。
大氣成分。探測木星大氣層的起源與演化；測量木星大氣層氫/氧比例；測量木星大氣層氮/氫比例。
大氣結構。探測與氣象、大氣成分、溫度闊線、雲層不透明度以及大氣動態學相關的木星深層大氣變化。
磁層。探測木星磁場的精細化結構，提供內部結構等相關信息；繪製木星全球磁場圖；確定磁譜；研究磁場的變化。
引力場。通過探測木星內部質量分布探測其引力場。
極區磁層。探測木星3維極區磁層和極光。
2011年8月5日，「朱諾」在卡納維拉爾角空軍發射基地由宇宙神V551火箭發射升空。在5年的地—木轉移期間，「朱諾」採用了兩次深空機動和一次地球借力飛行。兩次深空機動時間為2012年8月30日和2012年9月14日。2013年10月9日，與地球相遇，藉助地球引力飛行。2016年7月4日抵達木星軌道。被木星捕獲後，「朱諾」首先進入軌道周期為53.5天，近木點高度為4500公里的大橢圓環木軌道。在下一次運行到近木點時，發動機點火降低遠木點高度，進入軌道周期為14天的觀測軌道，即近木點1.06Rj（Rj為木星半徑）、遠木點39Rj的大橢圓木星極軌道。在該觀測軌道上，「朱諾」將繞木星飛行36圈，開展為期一年的觀測。
「朱諾」借力飛行軌跡
「朱諾」是迄今為止飛行距離最遠的太陽能深空探測器。起飛質量3625公斤；電源分系統採用3個2.6米*8.9米太陽電池翼、2個55Ah的鋰離子蓄電池供電，平均功率為460W-490W；姿控系統採用自旋穩定，自旋速率每分鐘1~5轉（rpm）可調。姿態敏感器包括2個恆星基準單元、2個慣性測量單元和2個自旋太陽敏感器；推進系統採用雙模推進，雙組元推進劑為四氧化二氮/肼，單組元推進模式用於自旋、軌道修正。
「朱諾」 展開後跨度20米，與校車相當
「朱諾」木星探測器構型圖
「朱諾」搭載了9類科學儀器。主要有：磁力計（MAG）、微波輻射計（MWR）、重力科學裝置（GS）、木星高能粒子探測儀（JEDI）、木星極光分布試驗裝置（JADE）、紫外線光譜儀（UVS）、無線電和等離子體波試驗裝置（Waves）、可見光相機（JunoCam）、紅外極光光譜儀（JIRAM）。
「朱諾」攜帶的九類科學載荷
性能——出類拔萃，當仁不讓
1
獨特的觀測軌道設計技術
軌道捕獲（JOI）階段。木星捕獲是第二項關鍵時序，對於整個任務的成敗起著至關重要的作用。捕獲時序是從捕獲前4天開始到捕獲後一小時結束。美國東部時間7月4日21點16分，「朱諾」開始逐漸偏離對日定向，調整為入軌姿態。72分鐘後，加快了入軌調姿的速度。22點41分，「朱諾」低增益天線開始工作，開始執行精確姿態調整。主發動機點火前22分鐘，即22點56分，「朱諾」逐漸加快自旋速度，由每分鐘2轉（rpm）加速至每分鐘5轉，為點火捕獲作最後的衝刺。23點18分捕獲開始，65N的主發動機Leros-1b需持續點火35分鐘，將飛行速度降低到542米/秒。在「朱諾」被木星捕獲後，自旋速率又由每分鐘5轉恢復到每分鐘2轉，重新對日定向，高增益天線開始工作。捕獲完成後，進入軌道傾角為90度、軌道周期為53.5天的大橢圓捕獲軌道。原計劃的捕獲軌道周期為107天，並運行1軌。發射後，更改了捕獲軌道設計，將其縮短至53.5天，並運行2軌。這種策略可以減少主發動機點火時間（原計劃為點火60分鐘）。從捕獲前5天開始，所有科學儀器關閉，為捕獲做準備。捕獲後50小時，所有儀器開始加電。在捕獲軌道運行期間，地面人員可以有充足的時間進行儀器校準，為獲取科學數據做好準備。
執行捕獲程序中的「朱諾」
軌道周期減少機動（PRM）階段。在進入53.5天的捕獲軌道，並成功運行2軌之後，10月19日將執行軌道周期減少機動（Period Reduction Maneuver, PRM）。PRM是最後一次啟動主發動機，也是最大的一次機動，整個過程將持續126小時。在近木點附近，主發動機點火22分鐘，速度增量約為350米/秒。通過執行PRM，可以將53.5天的捕獲軌道周期降為14天的科學觀測軌道。
科學觀測軌道階段。在執行完PRM之後，11月2日，朱諾進入了14天科學觀測軌道（原計劃11天），即第3軌。11月16日，「朱諾」運行到第4軌，正式的科學觀測從第4軌—36軌。科學觀測軌道分為兩種觀測模式，即微波輻射計軌道模式（MWR）和重力科學軌道模式（GRAV）。第4軌為微波輻射計軌道模式，第5軌為重力科學軌道模式。
「朱諾」科學運行軌道
兩種觀測模式下的運行軌道
微波輻射計軌道模式的主要特點是：（1）在近木點附近進行6小時的微波輻射計觀測；（2）持續進行磁場和粒子的觀測；（3）在非近木點進行定標和其他科學觀測；（4）在過近木點之後4小時進行軌道小幅修正機動（Orbit Trim Maneuver, OTM）（小於3米/秒）；（5）下傳近木點附近的觀測數據。在通過近木點的數個小時中，各類載荷儀器開展工作。可見光相機（JunoCam）和紅外極光光譜儀（JIRAM）將收集光譜和圖像數據；紫外光譜儀（UVS）、木星極光分布試驗裝置（JADE）、木星高能粒子探測儀（JEDI）、無線電和等離子體波試驗裝置（Waves）將收集高速科學數據。在非近木點時，可進行校準以及遠離木星的科學觀測。
在重力科學軌道模式中，也將在近木點附近進行6小時的重力科學觀測，其主要特點與微波輻射計軌道模式一致。在此期間，儘管並不位於最佳觀測位置，但微波輻射計（MWR）、紅外極光光譜儀（JIRAM）、可見光相機（JunoCam）等儀器仍然可以收集數據。
微波輻射計軌道模式和重力科學模式
「朱諾」運行軌道輻射環境
降軌階段。降軌程序始於第36軌前1小時，終於第37軌。為了滿足行星保護的要求，確保「朱諾」不污染木衛二（或者其他伽利略衛星），需要在遠木點附近執行降軌機動。至此，在運行1年後，「朱諾」完成任務，以撞擊木星的方式結束使命。
2
先進的太陽能電池技術
「朱諾」是首個採用太陽能供電的深空探測器。與早先的先驅者-10/11、旅行者、尤利西斯、卡西尼-惠更斯、伽利略、新視野號不同，以上均採用了同位素熱電發生器（RTG）供電。「朱諾」之所以採用太陽能發電，其主要原因是鈈-238短缺。美國國家研究委員會（NRC）一份調查報告顯示，自上世紀80年代以來，美國就未能有足夠的鈈-238供給，只能向俄羅斯採購。但是俄羅斯的供給也不足，導致NASA在「好奇號」火星任務之後，就面臨嚴重的鈈-238短缺問題。
木星距離太陽為5AU，「朱諾」獲取的太陽能只有地球軌道的4%。因此，需要表面積足夠大的太陽電池陣，最大程度滿足載荷的用電需求。在經過輻射、低密度和低溫的木星環境試驗後，將「朱諾」的太陽電池陣展開面積由最初設計的45平方米增加到60平方米，成為僅次於羅塞塔第二大太陽電池陣，滿足了木星科學觀測直至任務結束的供電需求。「朱諾」的電源系統採用三片2.6米*8.9米的三結砷化鎵太陽電池翼，總質量達340公斤，呈360度分布在六邊體的衛星平台周圍，電池陣翼展20米。兩展太陽電池翼由4塊太陽片組成，另一展則為3塊太陽片，尾部安裝了磁力計（MAG）。這種設計既能保證磁力計遠離衛星平台，又能保持三塊太陽電池翼的結構平衡。觀測任務期間，太陽電池陣的輸出功率不小於400W；日食期間，兩個55安時的鋰離子蓄電池可以進行補充供電。
測試中的太陽電池翼
在軌展開的太陽電池翼
3
巧妙的防輻射設計技術
在木星探測期間，「朱諾」太陽電池玻璃蓋片累計的空間輻射總劑量達100兆拉德（Mrad），頂層隔板（Top Deck）的輻射總劑量達11兆拉德（Mrad）。為了保護探測器內部電子元器件不受空間輻射的影響，必須採用高強度的抗輻設計。
「朱諾」設計了一種獨特的鈦合金拱形防護罩，將電子元器件設置於其中，可將輻射總劑量降到25千拉德（Krad）。該防護罩既要容納全部組件，又要儘可能的減少質量，同時也要充分考慮集成和測試，以及其他人為因素。拱形防護罩位於探測器頂部隔板中央，面積約1平方米，質量180公斤。材料選擇的是鉭蜂窩材料（Tantalum Sandwich Material），可以提供最大限度的防護，且質量最輕。該防護罩還需考慮熱控因素，能夠抵禦熱環境（近地環境）和深冷環境（5.4AU）。此外，還需解決電磁干涉和電磁兼容方面的問題。因此，拱形防護罩的設計非常具有挑戰性。
啟示——展科學宏圖，樹技術豐碑
1
開展木星系探測是宇宙探索的重要途徑
通過開展木星探測，能夠有助於了解太陽的起源和演化，以及增加人類對於類木行星的了解與認知。木星與太陽有著非常相似的結構和組成，大質量、氣態星、高壓強、富含氫和氧。在木星的中心，極高的壓力產生了一個比地球質量大得多的重元素核。如果木星質量再增加80倍，就有可能成為一顆和太陽一樣的恆星。美國早年的深空探測器已經取得了豐富成果。「先驅者-10」在木星13萬公里處飛越時，拍攝了300多幅木星及其衛星的照片，提供了木星第一幅近距離圖像，首次發現木星是顆氣態星，發現了木星強大的磁場和巨大的輻射帶，分析了木星大氣環流；「旅行者-1」在距離木星27.8萬公里處飛越，首次發回了木星高清彩色照片，分析了木衛一到木衛五5顆衛星的情況；「伽利略」發回了1.4萬張木星照片，首次從木星軌道上探測了木星的大氣成分，首次發現了木星大氣層中的氨，首次拍攝到了彗星Shoemaker-Lvvy9撞擊木星的壯觀景象。此外，首次發現木衛二有海水和生命的可能，並記錄了木衛一上火山活動。通過開展木星系飛越和環繞探測，逐步揭開了這顆巨行星及其衛星的神秘面紗，拓展了人類對未知疆域的認知。
2
開展木星系探測是發展空間核能技術的重要機遇
與火星、金星等類地行星不同，對於木星這類遠距離、複雜空間環境的地外行星，木星探測器極大地受到能源因素制約，因此必須加強空間核能技術的開發和應用。核電源，又稱放射性同位素電源，具有體積小、重量輕、長壽命的特點，其能量大小不受外界環境溫度、壓力、磁場等影響，尤其適應於晝夜溫差大的惡劣環境。木星距離太陽5AU，接收到的太陽能只有地球的1/25，採用鈈-238同位素溫差電池技術是木星探測器能源系統的必然發展趨勢。從上世紀中葉起，美國先後在「先驅者-10/11」、「旅行者-1/2」、「伽利略」、「卡西尼－惠更斯」等探測器中使用了同位素溫差電池，在「先驅者號」上安裝了４個30Ｗ的放射性同位素電池；在「海盜號」火星著陸器上安裝了2個35W的放射性同位素電池；在2011年發射的「好奇號」火星車上也採用了同位素溫差電池，從而擯棄了勇氣號/機遇號太陽電池翼的設計，使得火星車設計壽命長達14年，遠高於太陽能電池技術。我國首個空間核電源應用於嫦娥三號月球著陸器上，可以抵禦月球極端溫差環境。因此，對於木星系探測，更是提出了對未來核電源技術的迫切開發需求，也必然帶動中國空間核能技術的發展。
3
開展木星系探測是提升軌道設計技術的重要挑戰
對於木星以遠的深空探測任務，採用傳統的霍曼轉移軌道無法滿足任務需求。據初步估算，從地球直接轉移至木星所需的C3發射能量為77.3km2/s2，到達木星的C3能量約為31.8 km2/s2，這對於火箭的運載能力有著極高的要求。伽利略號曾計劃採用大型火箭發射直接進入地-木轉移軌道，然而受運載能力的限制，轉而採用金星-地球-地球借力飛行的方式。「朱諾」也是採用了兩次深空機動、一次地球借力飛行的方式實現了地-木轉移。對於木星以遠的深空探測任務，通過行星借力飛行的軌道設計，可以顯著降低對總的速度增量的需求，從而降低了對運載發射能力的需求。此外，對於木星環繞探測任務，「朱諾」設計了獨特的科學觀測軌道，將初始近木點設置在木星赤道面附近，遠木點設置在39Rj的非輻射帶，主要的科學觀測在飛過近木點的6個小時內完成，巧妙地避開了木星強大的輻射區域，又實現了木星近距離觀測。因此，開展木星以遠深空任務非霍曼轉移軌道的研究和針對木星環繞任務的科學觀測設計，將極大提升我國深空探測軌道設計能力。
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