朱諾探測器:項目背景,探測目標,主要性能參數,有效載荷,飛行歷程,特點分析,相關新

“朱諾”(Juno)探測器是NASA“新疆域計畫”的第2個探測器，於2011年8月5日由宇宙神-5運載火箭發射。任務目標是探測木星大氣、引力場、磁場以及磁球層．調查木星上是否存在冰岩芯，確定木星上水的含量，並尋找氧氣的存在。

“朱諾”是繼美國“伽利略”（Galileo)木星探測器後的全球第二個木星探測器，採用了先進的太陽電池陣技術，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採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境，首次採用了電子元器件輻射防護裝置。

基本介紹

中文名：朱諾探測器
外文名：Juno
國家：美國
發射時間：2011年
運載器：宇宙神-5運載火箭
主要功能：木星探測

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項目背景

朱諾在古羅馬神話中是天神朱庇特（Jupiter) 的妻子，地位相當於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雲霧，看見朱庇特（木星）的真正本質。

“朱諾”是NASA“新疆域計畫” （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、科學儀器、發射服務、任務運行、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“新疆域計畫”由馬歇爾航天飛行中心（MSFC)管理。探測器由洛馬公司（LM)製造。任務發射管理由NASA 甘迺迪航天中心的“發射服務計畫” （Launch Services Program)負責。

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，人類對其已經進行了數百年的觀測和研究，但至今大量有關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，並發現了木星的4顆大衛星，這幾顆木星衛星後來被稱為“伽利略”衛星。自1972年起，先驅者-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，發現木星的組成情況和科學家們之前猜測的並不一樣。至今，人們對於木星以及關於太陽系起源的大量問題仍未解決，其中關於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) 木星的內部結構是怎樣的？

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生的？

6)木星深層內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，探索木星內部結構、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，並有助於我們理解太陽系和其他恆星周圍的行星系統的起源。

主要性能參數

探測器質量為1500kg，主平台為直徑3.5m、高3.5m的六邊形柱體結構，3副太陽翼從柱體側面伸出。平台艙頂部中央裝有0.8m×0.8m×0.6m的鈦合金防輻射禁止裝置，厚度約1cm，質量150kg，該裝置將探測器的中央處理系統、數據處理設備以及電子單元屏罩起來，以抵禦木星輻射影響。推進系統包括1個雙組元發動機和12個單元肼推力器，其中645N雙組元發動機用於主推進機動；12個單元推力器用於自旋控制及輔助軌道修正。電源系統採用3個總面積約60m2的太陽翼和2個55A·h的鋰離子蓄電池組。在地球軌道附近時，太陽翼功率為18kW；在木星軌道上時，太陽翼功率為400W。探測器採用自旋穩定，在任務的不同階段，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，在主發動機點火機動期間為5r/min。主任務通信採用X頻段，裝有高增益天線、低增益天線和螺旋天線，地面採用NASA深空網的70m天線；探測器還為引力科學實驗提供Ka頻段雙工鏈路。探測器運行於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。

有效載荷

探測器的有效載荷包括微波輻射計、木星紅外光譜儀/成像儀、磁通脈衝磁力計、木星高能粒子探測儀、木星極光分布試驗裝置、紫外光譜儀、高級恆星羅盤、無線電和電漿波試驗裝置、“朱諾”相機以及引力實驗裝置。詳見下表。

“朱諾”有效載荷

有效載荷名稱	參數和功能	研製單位
引力科學實驗裝置	測量木星的引力場，揭示木星的內部結構	義大利航天局
磁強計	安裝在探測器其中1個太陽翼的最遠端，繪製木星磁場的詳細三維分布圖	NASA戈達德航天飛行中心
微波輻射計	探測木星雲層頂部，研究可見雲層頂部下方550km處的大氣的結構、運動和化學組成	NASA噴氣推進實驗室
木星高能粒子探測儀	包括3個相同的敏感器單元，將測量穿過空間的高能粒子，研究這些高能粒子是如何與木星磁場相互作用的	美國約翰·霍普金斯大學套用物理實驗室
木星極光分布實驗裝置	研究木星的極光現象，包括4個敏感器的電子元件盒，其中3個敏感器用於探測探測器周圍的電子，1個用於探測帶正電的氫離子、氦離子、氧離子和硫離子探測器飛越極光上方時，儀器將捕捉來自木星磁場線並墜入木星大氣中的粒子	美國西南研究院
無線電和電漿波探測儀	測量木星大氣中的無線電和電漿波，有助於我們理解磁場、大氣和磁氣圈之間的相互作用	美國愛荷華大學
紫外成像光譜儀	該儀器將拍攝木星極光的紫外圖像，與木星極光分布實驗裝置和木星高能粒子探測儀共同測量形成極光的粒子，有助於理解極光、形成極光的粒子流以及磁氣圈之間的關係	美國西南研究院
木星紅外極光成像儀	研究極光中間和周圍的木星大氣，有助於我們理解極光之間的相互作用，該儀器可探測雲層頂端以下50~70km的大氣，該處的大氣壓比地球海平面的大氣壓高5~7倍	義大利國家天體物理學研究所
“朱諾”相機	拍攝木星雲層頂部的可見光彩色照片，該儀器的設計目的是拍攝可供公眾參與修改的木星圖像	馬林航天科學系統公司

飛行歷程

“朱諾”飛行歷程如下表。

“朱諾”飛行歷程

階段	開始時間	持續時間/天
發射前	發射前3天，2011-08-02	3
發射	發射前0.75h，2011-08-05	2.3
內巡航1	發射後2.3天，2011-08-08	61
內巡航2	發射後63天，2011-10-08	598
內巡航3	發射後661天，2013-05-28	161
安靜巡航	發射後822天，2013-11-05	791
木星接近	木星軌道插入前182天，2016-01-05	178
木星軌道插入	木星軌道插入前4天，2016-07-01	4
軌道捕獲	木星軌道插入前1h，2016-07-05	106
周期縮短機動	周期縮短機動前18h，2016-10-19	1
繞木星第1、2圈	周期縮短機動前11h，2016-10-20	20
科學探測	2016-11-09	336
離軌	2017-10-11	5.5
註：該時間為計畫時間，可能與實際情況有出入。

特點分析

1、採用大量成熟技術，降低成本，提高任務成功率

由於成本的限制，“朱諾”任務採用了大量成熟的、已經過飛行驗證的技術，可降低成本，提髙任務成功率。例如探測器攜帶的“朱諾”相機，其硬體基於“火星科學實驗室”（MSL)的下降相機的設計，軟體則基於“火星奧德賽” （Mars Odyssey) 和“火星勘測軌道器”（MRO)的設計。

2、採用高效、節能且能抵禦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採用太陽能供電的太空飛行器，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計非常先進，比傳統的矽質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能。“朱諾”的任務設計避免了進入木星陰影區域，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。

3、針對木星任務進行專門設計，首次攜帶電子元器件輻射防護裝置

由於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計了專用的防輻射禁止裝置，並通過特殊的結構設計、特定的飛行軌道來降低輻射對儀器的影響。

為防禦輻射，“朱諾”的電子器件都安裝在一個鈦金屬盒內，裡面安裝了探測器的指令與數據處理裝置、電源與數據分發單元以及其他20餘種電子組件。

朱諾探測器