杂志汇太空探索

在太空中飞行了近5年的美国“朱诺”木星探测器终于在美国独立日当天、美国东部时间7月4日23时53分（北京时间7月5日11时53分）成功进入木星轨道，总飞行距离达到28.3亿千米。它将花费大约20个月左右的时间对这颗巨型气态行星进行全方位的考察，探测木星厚厚云层下方的极光现象，并对木星的起源、内部结构、大气以及磁场等相关数据进行探测，2018年2月结束探测。

飞行历程

美国新一代木星探测器——“朱诺”于2011年8月5日升空，它先围绕太阳飞行了2年，然后于2013年10月回到地球附近做了一次地球借力飞越，再用3年时间飞往木星。

在“朱诺”加速通过太阳系时，有三股力量在拖拽着它——太阳、地球和木星。多数情况下，太阳对“朱诺”轨道的改变影响最大。2016年6月2日，“朱诺”穿越了木星与太阳的引力边界，即跨越了木星与太阳的引力平衡点，此后，对其产生最大影响的天体变成了木星，使得“朱诺”不再回头，一路飞向它最终的目的地—木星。

“朱诺”的名字来自于古希腊与古罗马神话，传说中的上天之神朱庇特( Jupiter，即木星的英文)用云彩遮掩自己，隐藏自己的真容，但他的妻子—朱诺女神却拥有神奇的力量，能够穿透遮掩朱庇特的云雾，洞察其背后的真相。美国航宇局选用这个名字来为这艘木星探测器命名，也是希望它能够拨开遮掩木星的重重迷雾，揭示其背后的真正本质。

有趣的是，“朱诺”还携带了价值1.5万美元的3个与木星“关系匪浅”的乐高玩具升空：代表发现木星4个卫星的意大利天文学家伽利略、罗马神话中的天神朱庇特、朱庇特的妻子朱诺。与普通乐高积木不同，它们不是塑料，而是由铝加工而成，确保能承受艰苦的太空旅程的同时，不会干扰探测器上仪器的正常运作。另外，“朱诺”还携带了一块由意大利航天局提供的伽利略箴言铭牌，上面有伽利略的头像，以及当年伽利略观测木星时纪录的笔记原文，由环氧基树脂牢牢粘合在“朱诺”的推进器上。

此前，美国曾用“伽利略”等探测器对木星进行研究，但“朱诺”的任务是对木星内部结构进行调查，其轨道将穿过木星的南北磁极，这是此前深空探测器没有抵达的地方，科学家认为这里拥有木星强磁力和高能粒子的环境，能够收集到更多关于木星磁场和重力场、内部环境的数据。

重任在身

“朱诺”项目共耗资11亿美元，研制工作花了8年时间，是马歇尔空间飞行中心“新疆域”计划的第2个探测器，第1个是“新视野”号冥王星探测器，已于2015年7月抵达冥王星，对这颗太阳系边缘的矮行星及其4颗卫星展开首次近距离考察工作。“新疆域”计划的第3个项目是计划于2016年发射升空的“起源光谱释义资源识别安全风化层探测器”（OSIRIS-Rex），它将对小行星1999RQ36进行考察并取样返回。2011年8月5日“朱诺”发射升空

随“朱诺”升空探访木星的3个小玩偶：朱庇特(右)、朱诺(中)和伽利略

“朱诺”携带的一块由意大利航天局提供的伽利略箴言铭牌，上面有伽利略的头像以及当年伽利略观测木星时纪录的笔记原文自1972年起，“先驱者”10号、“旅行者”1号和2号、“伽利略”、“新视野”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。现在，仍有许多木星的问题没有搞清楚。例如，木星上有多少水或氧气？木星巨大的磁场是如何产生的？木星的两极看上去是怎样的？等等。

“朱诺”的主要探测目标是揭示木星的形成和演变过程，它也是继美国1989年发射专门探测木星的“伽利略”之后世界第2个专用木星探测器。“伽利略”环绕木星飞行了34圈，对木星的大气层进行了测量，还发现了木星卫星地下液态盐水的存在证据，并观测到木星卫星上大规模的火山爆发等，获得了大量有关木星的探测数据，最后于2003年9月按程序坠毁在木星上。“朱诺”绕木星轨道飞行37圈，随后也将有意坠向木星，以免同木星的卫星相撞，影响未来对木星的卫星上生命的探测。

“朱诺”计划在木星大椭圆极轨道上的辐射带内环绕，这比此前任何一个空间探测器都要靠近木星，它将详细探测这一巨型气体行星的内部构造、重力场、极光、大气结构、磁场、是否存在水以及固体内核等情况，调查木星是否存在一个固体内核，绘制木星的高强度磁场图，测量其深层大气中的水分和氨的成分，并对木星上的极光现象进行观察，研究木星大气动力学和组成，揭开木星上大量天然气起源之谜，将木星作为巨行星的原型理解木星的起源和演变，为了解太阳系和周围行星系统的起源提供参考。

木星是太阳系内体积和质量最大、自转最快的一颗气态行星。它的成分和太阳极其相似，科学家认为它是太阳系最古老的行星，在太阳形成后就已诞生，即首个形成的行星，对木星的探测有可能使人类了解早期太阳系的秘密。

木星有巨厚的大气层，在这样的条件下氢会被压缩成一种称为“金属氢”的奇异形态，它可能是木星强大磁场的来源。由于这个强大的磁场和高能粒子相互作用，产生了太阳系中最明亮的极光。“朱诺”能直接对这些高能粒子进行取样，并通过紫外波段观测木星的极光现象。对于这样一颗和地球迥然不同行星极光现象的深入研究将帮助人类更好地理解极光现象产生的本质。

由于云层阻挡，科学家目前看不到木星的深处，但他们想知道，木星云层中那些色彩斑斓的云带、大红斑、大白斑究竟向下延伸到多少深度？它们是怎么形成的？“朱诺”将进行木星全球大气运动情况观测，首次测量其深层气流的运动速度。并探测各不同云层深度上的化学成分、温度等数据。

木星形成于太阳系早期，因而能够捕获大量尚未散去的气体物质，但是这一过程具体是如何进行的，却存在争议。木星究竟是首先形成了一个原始“星子”(较小的原始行星)并借助其引力捕获周边物质，还是一团不稳定的尘埃云直接产生了塌缩并形成了木星？现在还无法分辨这两个理论孰是孰非。如果“朱诺”能帮科学家加深对这一方面的了解，在未来也将极大地有助于了解其他行星，包括地球最初的形成模式。通过对木星的引力场合磁场的测量，“朱诺”将揭示木星的内部构造和测出其可能存在的固体内核的质量。

总体设计

美国航宇局的喷气推进实验室负责“朱诺”项目的管理，洛马公司是“朱诺”探测器的主承包商，意大利航天局为探测器提供红外光谱仪设备以及一部分无线电科学实验设备。

“朱诺”采用自旋稳定方式，质量为3627千克，其中约一半是燃料，它采用了大量成熟技术，以降低成本、提高任务成功率。

“朱诺”装有一台LEROS-1b发动机，用于轨道中途修正和木星轨道切入制动。进入木星轨道后，“朱诺”先进入一条78天的极轨道，随后主发动机点火，使“朱诺”进入周期为11天的高倾角木星极轨道，以便其在一年任务周期内完成对木星的全球覆盖观测。

“朱诺”的探测轨道距木星云顶的最近距离为5000千米，比以往任何航天器都更接近木星，因而便于开展观测，但同时也使其面临木星强辐射环境的危险。为此，探测器上的敏感仪器和电子设备被封装在一个“圆顶”—防辐射罩内。防辐射罩采用高强度钛合金制成，暴露在外的感应装置则使用足以抵御宇宙射线和电荷侵袭的特殊材料。

“朱诺”的通信系统携带有高增益天线、低增益天线和位于后舱板的螺旋天线；采用R S -422接口，包括低速异步接口和高速同步接口；用X频段进行测控，并用K a频段为引力科学实验提供双工链路。

“朱诺”采用双模式推进分系统，其中双推进剂模式（四氧化二氮/肼）用于主变速机动，单推进剂模式（肼）用于自旋、运动及轨道修正。

与以往空间探测器不同，“朱诺”上最重要的探测仪器—微波辐射计以及天线与信号接收器是分离的，通过射频线传输信息，这主要是为了将探测器重要部件受到的辐射影响减到最低。

新的亮点

“朱诺”的关键技术有二：一是星象跟踪仪需在木星严酷的辐射环境中工作；二是超敏感太阳电池要尽可能多地收集太阳光。尤其是后者，“朱诺”使用特殊的太阳能电池，它能在木星弱光和低温的环境中工作。

与美国以往发射的“先驱者”、“旅行者”、 “伽利略”、“卡西尼”等深空探测器采用同位素热电发生器提供能量不同，“朱诺”由3个拖车大小的高效太阳电池翼提供电力，是首个在距地球如此之远的宇宙空间中以太阳能作为主要能源的航天器。

“朱诺”是迄今人类发射的依靠太阳能驱动、预计飞行距离最远的空间探测器。2017年4月，也就是环绕木星轨道飞行9个月后，它将超过欧空局的“罗塞塔”彗星探测器，成为单纯依靠太阳能动力飞行里程最长的航天器。木星距太阳的距离比地球远约6.44亿千米，那里的光照强度只有地球的1/25，那么为何采用太阳电池翼供电呢？其主要原因是：

一是其太阳电池翼尺寸庞大：长8.9米，宽2.7米，共使用18698片太阳能电池，可提供14千瓦的电力，但进入木星轨道后，提供的电力仅为400瓦，因此，“朱诺”上的科学仪器和机载计算机均高度节能，同时研究团队还为“朱诺”精心设计了环绕木星运行的轨道，使其尽可能多地接收阳光。与核能发电相比，用太阳能为“朱诺”提供电源既经济又加快了研究的步伐，同时能做到环保。

二是“朱诺”的任务设计避免了进入木星阴影，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。从发射到任务末期，“朱诺”能够持续获得阳光的照射，仅在地球飞越的10分钟期间无阳光照射。

三是其太阳电池翼的效率要比20年前空间任务采用的硅太阳电池高50%，且可以耐受高强度的辐射。

由于“朱诺”可持续处于太阳照射之下，所以几乎无需进行太阳偏离机动。它在木星轨道可使其太阳电池产生最大功率，并维持稳定的热状态。在无太阳照射期间，由2个锂离子蓄电池提供机动电能。

木星及其卫星附近有强大的高能粒子场，辐射强度超过除了太阳以外任何有人类探测器到达过的地方，辐射带由木星赤道开始，穿过木卫二，向外拓展65万千米。所以，包括太阳电池翼在内的“朱诺”上各种外设和内设，都做了各种屏蔽辐射的处理，以承受强烈的X射线的照射。

木星的磁场和辐射带比地球强得多，为了保护敏感的航天器电子设备，“朱诺”首次携带电子元器件辐射防护装置，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。它具备在高辐射环境下持续工作的性能，可满足地球轨道以远强辐射空间环境的防护需求。对辐射敏感的部件被装在钛金属电子箱内部，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，具有高热扩散性的部件装在电子箱侧板外。

“朱诺”展开太阳电池翼

吊运“朱诺”的防辐射罩和电子箱

测试“朱诺”的巨型太阳电池阵当然，“朱诺”并不是只靠防辐射罩来减少辐射的影响，其特定的绕木轨道使它经过木星的极区，从而可减少与环木星赤道辐射带的接触时间，同时也使用了已经运用于火星辐射环境的抗辐射措施。当然，火星的辐射环境虽然比地球来的严峻，但是没有木星那么残酷，借鉴火星抗辐射环境上的技术，有助于加强探测器防辐射的技术成熟度。

喷气推进实验室在测试防辐射罩时模拟了真实的木星辐射环境，确保原有的设计能符合空间飞行条件以及木星的轨道环境。另外，“朱诺”上的防辐射装置都经过钴元素的伽马射线测试，从而为“朱诺”提供更为可靠的防辐射措施。

探测仪器

为了探测木星，“朱诺”携带了9台科学探测仪器：

紫外成像光谱仪：由一个特定光学组件和一个电子箱组成，能在78纳米～172纳米的电磁波频谱内对木星极光进行拍照和测量，可用来描述木星形态和研究木星极光喷射资源。

木星极光分布试验装置：可测量包括电子的偏航角分布、离子组成和离子空间速度的三维空间分布。除了前置放大器，其他电子装备都由位于防辐射罩下的特定电子箱提供，可用于测量低能量电子和离子，从而研究磁气圈两级和木星极光。

微波辐射计：包括6个天线和接收器，从600MHz、1.2GHz、2.4GHz、4.8GHz、9.6GHz和22GHz共6个频率进行测量，可用于探测木星的大气深度和测量一系列高度的热辐射，从而了解木星大气的动力学机制和化学组成，确定木星的全球水资源。

木星高能粒子探测仪：主要测量电子和离子的能量，从而研究磁气圈两级和木星极光。

无线电和等离子体波试验装置：包括一个测量电场的偶极天线和一个磁场探测线圈，用于测量在木星磁气圈两极的原地等离子体波和无线电波。

磁强计：由磁通门磁力计、标准氦磁力计和高级恒星罗盘组成，用于绘制首张详细的木星磁场图，并考察木星磁场在其两极地区的分布状况，对于木星磁场的考察将极大地帮助科学家们了解木星的内部结构信息。

朱诺相机：由光学头、探测器和前端电子器件的相机头以及图像数据缓冲器和直流电-直流电转换器的电子箱组成，用来获得木星两极地区的高分辨率全景图像，拍摄木星云顶彩色图像。

木星红外极光绘图仪：由意大利国家天体物理学研究所研制，是一个红外光谱仪和成像仪，用于获取木星的高分辨率图像，研究2微米～5微米范围内的大气光谱，对木星上层大气进行红外和分光分析，提供木星极光和大气动态信息，这同样将有助于科学家们了解木星大气的结构情况。

引力科学实验装置：由意大利航天局研制，用于测量木星的引力场，揭示木星的内部结构。

此外，“朱诺”还将使用其通信设备考察木星的重力场，这是其“重力科学实验”项目的一部分。通过发射信号回地球并观察其多普勒效应，科学家们将能够考察木星重力场对信号的影响。

至今已经有多个空间探测器飞向或接近了木星及其卫星，包括“先驱者”10号和11号、“旅行者”1号和2号、“伽利略”、“尤利西斯”、“新视野”空间探测器，其中“伽利略”是真正意义上的第一个木星探测器，其他是顺道观测，走马观花。美国航宇局希望借助“朱诺”上最新的仪器揭开木星云层覆盖下的秘密，进一步研究木星的起源和进化。

“朱诺”或许能帮助人类揭开以下六大谜团：①木星是怎样组成的？②木星上有多少水？③木星表层之下是什么样的？④木星是否有岩核？⑤木星的磁性来源于哪里？⑥木星上的极光现象。

吊装“朱诺”的钛金属电子箱

“朱诺“的有效载荷系统

“朱诺”准备进行热真空试验