美国“朱诺”探测器成功进入木星轨道

张扬眉 （北京空间科技信息研究所）

美国“朱诺”探测器成功进入木星轨道

张扬眉 （北京空间科技信息研究所）

美国时间2016年7月4日，美国“朱诺”（Juno）木星探测器历经近5年的飞行，终于成功抵达木星并进入木星轨道，总飞行距离达到2.83×109km。美国时间2016年7月10日，美国航空航天局（NASA）公布了“朱诺”传回的首张照片。“朱诺”进入木星轨道后，将在木星大椭圆极轨道上工作约20个月，围绕木星飞行37圈。按NASA目前的计划，“朱诺”将于2018年2月结束任务，届时将离轨并撞向木星表面。

“朱诺”于2011年8月5日由宇宙神－5（Atlas-5）运载火箭从卡纳维拉尔角发射。任务目标是研究木星的起源与演变，探测木星大气、引力场、磁场以及磁球层，调查木星上是否存在冰岩芯，确定木星上水的含量，并寻找氧气。

“朱诺”是继美国“伽利略”（Galileo）木星探测器后的全球第二个木星探测器，采用了先进的太阳电池阵技术，是在以往探测过木星的深空探测器中首个使用太阳电池阵的探测器，也是深空探测史上飞行距离最远的采用太阳电池阵的探测器。此外，“朱诺”还针对木星严苛的辐射环境，首次采用了电子元器件辐射防护装置。

1 项目背景

朱诺在古罗马神话中是天神朱庇特（Jupiter）的妻子，地位相当于希腊神话中的主神宙斯的妻子赫拉。该探测器名称的含义是，天神朱庇特拉起了帷幕隐藏他的恶作剧，但他的妻子朱诺能够看穿云雾，看见朱庇特（木星）的真正本质。

“朱诺”是NASA“新疆域计划”（New Frontier Program）中的第2个探测器，项目总成本为11亿美元，包括探测器研发、科学仪器、发射服务、任务运行、科学研究与中继支持。项目由美国喷气推进实验室（JPL）管理，项目首席专家为美国西南研究院的斯科特·波顿。该项目所属的“新疆域计划”由马歇尔航天飞行中心（MSFC）管理。探测器由洛马公司（LM）制造。任务发射管理由NASA肯尼迪航天中心的“发射服务计划”（Launch Services Program）负责。

2 探测目标

木星是太阳系从太阳向外的第5颗行星，也是目前已知最大的太阳系行星，人类对其已经进行了数百年的观测和研究，但至今大量有关木星的基本问题尚未得到答案。1610年，天文学家伽利略首次对木星进行了详细的观测，并发现了木星的4颗大卫星，这几颗木星卫星后来被称为“伽利略”卫星。自1972年起，先驱者－10（Pioneer-10）、旅行者－1和2 （Voyager-1和2）、“伽利略”、“新视野”（New Horizons）等探测器对木星进行了一些探测活动，发现木星的组成情况和科学家们之前猜测的并不一样。至今，人们对于木星以及关于太阳系起源的大量问题仍未解决，其中关于木星的基本问题如下：

1）木星是如何形成的？

2）木星上有多少水或氧气？

3）木星的内部结构是怎样的？

4）木星是否有固体核？如果有，固体核有多大？

5）木星巨大的磁场是如何产生的？

6）木星深层内部运动是如何影响木星的大气特征的？

7）木星极光传播能量的物理过程是怎样的？

8）木星的两极看上去是怎样的？

“朱诺”的主要探测目标是揭示木星的形成和演变过程。探测器在大椭圆极轨道上工作，将观测木星的引力场和磁场，研究木星大气动力学和组成，探索木星内部结构、大气和磁气圈的情况，将木星作为巨行星的原型理解木星的起源和演变，并有助于我们理解太阳系和其他恒星周围的行星系统的起源。

3 “朱诺”的主要性能参数

“朱诺”的发射质量为3625kg，干质量为1593kg，燃料和氧化剂总质量为2032kg。主平台为直径3.5m、高3.5m的六边形柱体结构，3个太阳电池翼从柱体侧面伸出。平台舱顶部中央装有0.8m×0.8m×0.6m的钛合金防辐射屏蔽装置，厚度约1cm，质量150kg，该装置将探测器的中央处理系统、数据处理设备以及电子单元保护起来，以抵御木星辐射影响。推进系统包括1个双组元发动机和12个单元肼推力器，其中645N双组元发动机用于主推进机动；12个单元肼推力器用于自旋控制及辅助轨道修正。电源系统采用3个总面积约60m2的太阳翼（每个太阳电池翼尺寸为9m×2.65m，太阳电池阵单元为18698个）和2个55A ·h的锂离子蓄电池组。在地球轨道附近时，太阳电池翼功率约为14kW；在木星轨道上时，太阳电池翼功率约为400W。该探测器自旋稳定，在任务的不同阶段，有不同的自旋速率；其中巡航阶段为1r/min，科学观测阶段为2r/min，在主发动机点火机动期间为5r/min。主任务通信采用X频段，装有高增益天线、低增益天线和螺旋天线，地面通信采用NASA深空网的70m天线；探测器还为引力科学实验提供Ka频段双工链路。探测器运行于高倾角木星椭圆极轨道，远木点为39个木星半径，近木点为1.06个木星半径。

“朱诺”的有效载荷包括引力科学实验装置（Gravity Science）、磁强计（MAG）、微波辐射计（MWR）、木星高能粒子探测仪（JEDI）、木星极光分布实验装置（JADE）、无线电和等离子体波探测仪（Waves）、紫外成像光谱仪（UVS）、木星红外极光成像仪（JIRAM）以及“朱诺”相机（JunoCam）。

“朱诺”探测器有效载荷分布图

“朱诺”有效载荷

4 “朱诺”飞行历程

“朱诺”飞行历程如下表。

“朱诺”飞行历程

5 “朱诺”特点分析

采用大量成熟技术，降低成本，提高任务成功率

由于成本的限制，“朱诺”任务采用了大量成熟的、已经过飞行验证的技术，可降低成本，提高任务成功率。例如探测器携带的“朱诺”相机，其硬件基于“火星科学实验室”（MSL）的下降相机的设计，软件则基于“火星奥德赛”（Mars Odyssey）和“火星勘测轨道器”（MRO）的设计。

采用高效、节能且能抵御辐射的太阳电池翼为探测器提供电能

“朱诺”是首个在离太阳如此远的距离上采用太阳能供电的航天器，因此太阳电池翼的表面积必须足够大，才能提供足够的电能。

“朱诺”的太阳电池阵单元的设计非常先进，比传统的硅质太阳电池阵单元的效率高50%，且可以耐受高强度的辐射。此外，“朱诺”携带的科学仪器也非常节能。“朱诺”的任务设计避免了进入木星阴影区域，在木星极轨道上运行也使得探测器只受到最小程度的辐射。

“朱诺”探测器飞行轨道图（该飞行轨道图中的时间为原计划时间，可能与实际情况有出入。）

针对木星任务进行专门设计，首次携带电子元器件辐射防护装置

由于木星的磁场和辐射带比地球强得多，NASA喷气推进实验室为探测器设计了专用的防辐射屏蔽装置，并通过特殊的结构设计、特定的飞行轨道来降低辐射对仪器的影响。

为防御辐射，“朱诺”的电子器件都安装在一个钛金属盒内，里面安装了探测器的指令与数据处理装置、电源与数据分发单元以及其他20余种电子组件。

附录：曾经探测过木星的深空探测器

1972年，NASA发射先驱者－10。1973年，该探测器成为第一个穿越小行星带、飞越木星的航天器。探测器飞越木星时探测到的剧烈辐射令人吃惊。

1973年，NASA发射先驱者-11，该探测器飞到距离木星云层顶部34000km处，研究了木星磁场和大气，拍摄了木星及其卫星的图像。

1977年，NASA发射旅行者－1和2。1979年，旅行者－1和2发现了木星黯淡的光环系统，以及数颗新卫星和木卫一“伊娥”（Io）表面的火山活动。

1989年，NASA发射“伽利略”木星探测器。“伽利略”是首个长期详细研究木星大气、观测木星全球结构以及磁场的探测器，探测到木星有一个光环系统。“伽利略”也是首个进入外行星大气的探测器，“伽利略”进行了三次扩展任务，对木卫一、木卫二、木卫三和木卫四进行了研究。此外，“伽利略”探测器还观测到舒梅克-列维9（Shoemaker-Levy 9）彗星撞向木星南半球的现象。

1990年，欧洲航天局（ESA）和NASA联合发射“尤利西斯”（Ulysses）太阳探测器。该探测器进行了木星借力飞行，飞越了木星，其搭载的仪器研究了木星的强烈磁场和辐射。

1997年，NASA和ESA联合发射“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）土星探测器。该探测器在到达土星之前，须先飞越金星、地球和木星。在飞越木星的过程中，项目团队测试了探测器的仪器和运行情况。

2006年，NASA发射“新视野”冥王星探测器。该探测器进行了木星借力飞行，以进入飞向冥王星的轨道。2007年初开始，探测器对木星进行了为期5个月的观测，2007年2月28日，探测器与木星的距离达到最近。

2011年，NASA发射“朱诺”木星探测器。2016年7 月4日，“朱诺”成功进入绕木星轨道。

NASA Juno Entered Jupiter Orbit Successfully