朱諾入軌木星：飛行5年之久的朱諾探測器到底是啥？
「朱諾」探測器於2011年發射升空，2016年7月5日抵達木星。朱諾探測器在圍繞木星運行過程中，最近時距離木星雲層頂部僅有不到5000公里，每11天圍繞木星運行一周，考察任務預計將在2018年2月20日結束，屆時飛船將主動受控墜入木星大氣層焚毀。
【亞太日報訊】美國航空航天局(NASA)的「朱諾」(Juno)木星探測器即將結束其為期5年的漫漫太空飛行，北京時間7月5日上午11時18分將執行木星軌道切入(JOI)動作，從而進入這顆太陽系最大行星的軌道，成為其人造衛星。
「朱諾」探測器於2011年發射升空，2016年7月5日抵達木星。在發射升空之後，朱諾探測器先後兩次使用其主引擎，分別在2011年8月30日和2012年9月3日兩次啟動主引擎進行了軌道修正。
朱諾承擔著重要的科學觀測任務，為達成相關目標，飛船採取木星極軌道，飛行高度很低，它需要飛的非常低，以便獲取精確的引力場測量數據。這樣的軌道設計可以避免進入危險性最高的輻射區域，從而最大限度保護飛船的安全。木星的輻射帶分布有點類似地球上空的范艾倫輻射帶，但其強度要強得多。
朱諾探測器在圍繞木星運行過程中，最近時距離木星雲層頂部僅有不到5000公里，每11天圍繞木星運行一周，考察任務預計將在2018年2月20日結束，屆時飛船將主動受控墜入木星大氣層焚毀。
一、關於朱諾任務的基本情況
(一)命名：
本次任務被命名為「朱諾」(JUNO)這是以羅馬神話中萬神之王「朱庇特」(Jupiter)的妻子，女神「朱諾」的名字命名的。女神朱諾擁有穿透雲霧，洞察真相的力量，非常適合用於本次探測任務的命名。科學家們希望這艘飛船也將能夠看穿木星厚厚的大氣和雲層，洞察其內部結構。
(二)飛船基本參數
飛船本體：高3.5米，直徑3.5米(太陽能帆板收起)
太陽能帆板：單塊太陽能帆板尺寸：9米X2.65米，總受光面積超過60平米，其中一共包含18698塊太陽能晶元單體；總發電量：地球軌道附近約14千瓦，木星軌道附近約400瓦；
質量：發射質量為3625公斤，其中包括飛船本身質量1593公斤，1280公斤的燃料以及752公斤的氧化劑。
(三)發射火箭
宇宙神V551型火箭，即火箭一級採用一枚宇宙神火箭芯級，捆綁5枚固體助推火箭，再配置半人馬座上面級構成，搭載載荷之後的總高度大約60米，加註燃料後總重量約574噸。
(四)項目期間的一些里程碑標誌
1)時間：2011年8月5日
事件：朱諾發射升空
發射地點：美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地SLC-41發射台；發射時地球-木星距離：7.16億公里，信號以光速傳播單程需要39分50秒；
2)時間：2013年10月9日
事件：地球引力彈弓
從地球發射到地球飛掠，探測器飛行距離：16億公里，地球飛掠時距離地面最近500公里；
3)時間：2016年7月5日
事件：進入木星軌道
入軌時地球-木星之間距離約8.69億公里，信號以光速傳播單程需要48分19秒；
從發射到進入木星軌道，探測器飛行距離：28億公里；
4)時間：2018年2月
事件：任務結束
(五)項目投資
朱諾項目總投資大約11億美元，包括探測器研發、科學載荷、發射服務、運行經費、科學數據處理與測控支持等相關服務費用。
二、探測器基本情況
朱諾是一艘採用自旋穩定的太陽能飛船，設計採用大橢圓極軌道方案以避開木星強大的輻射帶。整個項目的設計思路是全部採用成熟技術，項目全部採用現成的科學設備，不需要新研發新技術。
1)為什麼採用自旋穩定設計？
對於朱諾而言，和美國宇航局早期的「先驅者」飛船一樣，自旋將增強飛船指向的穩定性並方便地面控制。在發射後一直到太陽能帆板展開之前的這一段時間內，朱諾飛船的自轉將由仍然與飛船連接在一起的火箭上面級完成。整個項目期間朱諾的自轉速度也是有變化的：在巡航階段自轉速率是每分鐘1圈，科學考察階段是每分鐘2圈，主引擎工作調姿階段會臨時性改為每分鐘5圈。
為了簡化設計並減少質量，朱諾搭載的所有設備都是固定安裝的。當圍繞木星運行時，隨著飛船自轉，所有設備在一圈的時間內會將木星在其觀測視野中掃過一次。當飛船處於每分鐘2圈的工作狀態時，在朱諾飛船從木星一個極地上空飛到另一端的極地上空的兩個小時時間內，相關科學設備將掃過木星400次。
2)推進系統
為了控制重量並增加冗餘設計，朱諾飛船採用雙模式推進系統，包括一台使用兩種推進劑的主引擎以及多台使用單一推進劑的調姿發動機。
朱諾飛船上安裝的一台Leros-1b主發動機是一台645牛頓雙推進劑引擎，使用聯氨-四氧化二氮推進劑。其發動機噴口被固定在探測器後部，主要作用是較大的軌道調整和減速制動等。
除了主發動機之外，探測器上還安裝了12台推力較小的調姿發動機，它們的存在讓飛船在三維空間進行姿態調整成為可能，同時它們也會被用於進行較小的軌道調整。
3)命令與數據處理
朱諾探測器的命令與數據處理系統採用一台RAD750型飛行處理器，自帶256M快閃記憶體及128MDRAM本地存儲。
4)電子保護艙
為了保護敏感的電子設備，朱諾飛船首次採用了輻射防護電子艙，這一設計未來對於同樣前往高強度輻射環境執行任務的探測項目具有參考價值。這個採用鈦金屬製成的防輻射電子艙大小和一輛SUV型轎車後部的行李箱相當，其防護層厚度超過1厘米。飛船的指令與數據系統(相當於探測器的大腦)、電力與數據分發系統(相當於心臟)以及大約20套其他電子設備就被安裝在其中，整個電子艙的重量超過200公斤。
5)太陽能發電
木星距離太陽比地球遠5倍，因此在木星附近接收到的太陽能功率大約僅有地球附近的1/25。朱諾將是首個在如此遙遠的距離上使用太陽能為動力的飛船，因此朱諾飛船的太陽能帆板面積必須儘可能的大，以便產生足夠多的電力。
朱諾之所以敢於採用這樣大膽的方案，得益於在過去20年間太陽能晶元在發電效率上超過50%的提升。另外，根據設計，朱諾飛船的能耗功率本身也是非常低的，這是一艘能源效率很高的飛船。
朱諾飛船的3根太陽能帆板從其六邊形的本體伸出，使展開太陽能帆板後的飛船寬度超過20米。這些太陽能帆板在太空展開後，一直到任務結束，除了在飛掠地球期間的數分鐘時間內，都將一直保持正對太陽的方向。當然，和其他飛船一樣，為了能夠放進火箭整流罩內，在發射時，太陽能帆板都是處於摺疊狀態的。
三、朱諾飛船的科學載荷
朱諾飛船攜帶的載荷中包括29台感受器，它們將數據傳輸給9台載荷。其中的8台科學載荷——包括MAG，MWRz，重力科學，WAVES，JEDI，JADE，UVS以及JIRAM設備被歸為科學載荷；最後一個JunoCam相機則主要是一台用於教育和公眾宣傳目的的載荷。
由於朱諾採用的是大橢圓軌道，在其運行時有時候會距離木星很遠，有時候則會很近，因此絕大部分的科學探測任務將在軌道上最接近木星的大約3個小時內進行，當然在軌道上其他位置時也會進行校準、一些遠距離觀測以及磁場探測等科學探測工作。
1)Gravity Science——重力科學載荷
重力科學載荷將賦予朱諾探測器對木星引力場的探測能力，據此我們將探查木星的內部結構。
朱諾探測器上安裝的兩台發射機應答器分別在X波段和Ka波段工作，它們能夠接收來自地球上美國宇航局深空網(DSN)系統向飛船發送的信號並立即向地球返回一個對應信號。這些回傳信號在抵達地球時，地面科學家們將對信號頻率進行分析，由於木星引力場的局部性差異，這些信號將顯示輕微的頻率變化，這種變化反應了木星內部結構的差異。Ka波段應答器設備由義大利航天局提供。
2)Magnetometer:磁強計
磁強計將讓朱諾飛船能夠繪製木星磁場的詳細三維立體結構圖。
朱諾飛船搭載的磁強計是一類磁通門探測器，其可以對木星磁場的強度和磁感線方向進行探測。該系統中自帶的「先進恆星導航儀」將為系統提供磁強計自身方位朝向的信息。和其他探測器一樣，朱諾飛船的磁強計設備被安裝在三根伸出的太陽能帆板中的一根的頂部，以便儘可能地遠離飛船本體。這樣做主要是為了避免飛船自身其他設備工作時產生的磁場干擾磁強計對木星磁場信號的測量。
另外，為了進一步修正飛船自身設備對木星磁場信號測量可能產生的干擾，朱諾安裝了兩台磁強計，一台距離飛船本體大約10米，另一台則距離大約12米，通過對這兩台設備獲得數據的對比，科學家們能夠準確剔除掉來自飛船設備的干擾信號。朱諾的磁強計設備由美國宇航局戈達德空間飛行中心設計和製造，而「先進恆星導航儀」設備則由丹麥技術大學設計和製造。
3)MWR——微波輻射計
朱諾的微波輻射計設備將穿透木星的雲層，揭示其深部大氣的結構，成分和運動情況。其最大穿透深度可以達到相當於地球上1000倍大氣壓強深處，大約相當於木星雲層頂向下深入550公里。
微波輻射計系統包括6台獨立的輻射計，用於測量來自6層不同雲層的微波信號。每個輻射計都擁有一根從飛船本體的六邊形艙體向外伸出的天線。每根這樣的天線都與一根數據線相連接，最後接入電子艙內部的接收器。該設備由美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)設計並製造。
4)JEDI——木星高能粒子探測器
木星高能粒子探測器對空間中的高能粒子進行探測並觀察它們與木星磁場之間的相互租用。
JEDI設備包括3台相同的感受器，每台都擁有6個離子和6個電子觀測通道。這台設備將與微波輻射計以及JADE(木星極光分布實驗)設備聯合工作，對木星極區上空的情況進行探測，尤其關注木星強烈而明顯的南北極光。
這台設備由美國約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室(APL)設計並製造。
5)JADE——木星極光分布實驗
「木星極光分布實驗」設備將與朱諾搭載的部分其他設備合作，研究造成木星極光產生的粒子運動和機制過程。
「木星極光分布實驗」設備包括一台電子艙並附帶4台感受器，其中的3台用於探測飛船周圍環境中的電子，第四台主要用於識別帶正電的氫、氦、氧和硫等元素的離子。當探測器從木星極光上空飛過時，這些設備將能夠識別沖入木星極區上空大氣的粒子類型有哪些。
這台設備由美國宇航局西南研究所設計並製造。
6)WAVES——等離子體電波設備
等離子體電波設備將測量木星磁層內部的無線電波與等離子體波信號，這將幫助我們理解木星磁場(magnetic field)、大氣層(atmosphere)和磁層(magnetosphere)之間的相互關聯。
等離子體電波設備包含一個V型天線，高度約4米。這台設備由美國艾奧瓦大學研製並製造。
7)JIRAM——木星紅外極光繪圖儀
木星紅外極光繪圖儀將對木星極光周圍的大氣進行觀察，幫助科學家理解磁場與極光之間的關聯。這台設備將能夠探測木星雲層下方大約50~70公里深度的情況，那裡的大氣壓力大約是地球上海平面高度氣壓的5~7倍。
木星紅外極光繪圖儀包括一台相機以及一台光譜儀，後者能夠將光線分解為各單一組成波段，類似三稜鏡。而相機將獲取紅外波段影像，這是熱輻射波段，波長範圍大概是在2~5微米左右，這一波長要比肉眼可見的波段長3~7倍。
木星紅外極光繪圖儀由義大利國家天體物理學研究所研製並製造，並得到義大利空間局的資助。
8)UVS——紫外成像光譜儀
紫外成像光譜儀將拍攝木星極光的紫外波段圖像。與JADE以及JEDI設備共同協作，它們將能夠幫助科學家們理解木星極光，粒子流和磁場之間的相互作用。
紫外成像光譜儀包括兩個獨立的部分：一台安裝在防輻射電子艙上的專用望遠鏡/光譜儀。其中的望遠鏡主要用於為光譜儀採集光線。而另一部分則是該設備的電子設備部分，其位於飛船的電子設備艙內部。紫外成像光譜儀由美國宇航局西南研究所研製並製造。
9)JunoCam——朱諾相機
朱諾相機將拍攝可見光波段木星的彩色圖像。
朱諾相機將有能力獲取木星大氣和極區上空的廣角圖像。這一設備從設計之初就被定位為用於公眾科普用途的全彩色相機。公眾將有機會親身參與從原始數據生成圖像產品的過程並幫助挑選該相機拍攝的目標。
朱諾相機的硬體設備是基於美國好奇號火星車的下降相機而設計的。而其使用的部分軟體則源自最初為火星奧德賽以及火星勘測軌道器(MRO)設計的程序代碼。該設備由美國馬林空間科學系統公司提供。
四、木星基本情況
「如果你將太陽系中的一切全都放一起(不算太陽)，它們全都可以被塞進木星內部。」這句話最好地體現了木星最顯著的特點，那就是大。木星是太陽系中質量最大的天體(太陽不算)，它被以羅馬神話中萬神之王「朱庇特」的名字命名。早在17世紀，義大利天文學家伽利略就通過早期的望遠鏡觀察到木星擁有4顆較大的衛星，這四顆木星衛星現在被統一稱作「伽利略衛星」。除了這4顆大衛星之外，木星還擁有許多超過60顆較小的衛星，就像一個小型的微縮太陽系。從成分上看，木星更像一顆恆星，事實也的確如此，如果木星質量再增加大約80倍，它就能變成一顆真正的恆星。
觀察木星，最引人注意的是它色彩的豐富和細節多樣的大氣結構。我們看到的大部分木星雲層，其成分主要是氨，水冰構成的雲層在更深的位置上，偶爾可以在一些大氣空洞處被觀察到。木星上非常明顯的「雲帶」是由高空大氣中強烈的東西方向強風所形成的。在這樣的橫向雲帶中間則存在著一些風暴系統，很多都可以持續存在很多年，其中最有名的是大紅斑，這個巨大的風暴系統已經持續穩定存在超過300年以上。就在前幾年，木星上又出現了一個小紅斑，其大小大約是大紅斑的一半左右。
木星的成分與太陽相近，主要是氫和氦。隨著深入木星大氣的深度增加，大氣壓強持續增強，溫度也逐漸升高，在一定的深度上氫會被壓縮成為一種近似液體的物質。在大約相當於木星1/3半徑深度上，這裡的氫物質已經在極端高溫高壓環境下具備了液體性質，可以導電，被稱作「金屬氫」。科學家們認為，正是在這一層具有導電性能的金屬氫層發生的流動翻滾運動產生了木星強大的磁場。在木星內核區域，極端的壓強環境下可能存在一個由更重的金屬組成的內核，其直徑可能超過整個地球。
木星擁有太陽系各大行星中最強大的磁場，其強度比地球磁場強2萬倍以上。在木星附近強大磁場作用下，大量帶電粒子被困在其中，形成劇烈的輻射帶，其中主要是大量的電子和各類離子。這些強大的粒子流持續轟擊著木星的衛星和光環。木星磁層在朝向太陽的方向延伸100萬~300萬公里，而在背離太陽的方向延伸則超過10億公里。
在1610年1月7日，義大利科學家伽利略利用一台今天看來相當原始的望遠鏡看到了木星的4顆衛星：木衛一(Io)、木衛二(Europe)、木衛三(Ganymede)、木衛四(Callisto)。今天，這四顆衛星被稱作伽利略衛星。根據最新數據，不包括那些「臨時」衛星，木星一共擁有「正式」衛星64顆，位居太陽系各大行星之首。所謂「臨時」的衛星主要是指那些由於接近木星而被木星強大引力場臨時捕獲的小行星或者彗星，它們往往會圍繞木星運行幾天，幾個月甚至幾年，隨後再離開，繼續它們原先的飛行旅程，或者墜入木星大氣層被焚毀。木星赤道上空有3道細細的光環，它們的亮度遠遠不如土星光環。木星光環的主要成分是非常細小的塵埃顆粒，這些細碎顆粒的來源則可能是小行星與木星衛星之間的碰撞。木星光環最早是在1971年由地面望遠鏡和美國宇航局旅行者1號飛船各自獨立發現的。
木星探測大事記：
1610年：伽利略進行了首次詳細的木星觀測；
1973年：美國宇航局的先驅者-10號飛船成為首個穿越小行星帶的人類航天器，並飛掠木星；
1979年：美國宇航局的旅行者1號和2號飛船發現了木星暗弱的光環，幾顆新的衛星，並發現在木衛一表面存在活火山爆發；
1994年：世界各地的天文學家和美國宇航局的伽利略探測器對「舒梅克-列維9號」彗星撞擊木星南半球的全過程，這是人類首次全程目睹一次天體碰撞；
1995年：美國宇航局的伽利略號飛船攜帶探測器抵達木星，開展首次木星大氣直接探測並對整個木星系統進行了詳細考察；
五、朱諾項目的科學目標概述
木星是目前已知太陽系最大的行星，數百年來人們一直在嘗試對這顆星球進行研究，但關於這顆氣態巨行星，我們仍然有很多基本的問題有待解答。在1995年，美國宇航局的伽利略號探測器抵達木星，其中的一項任務便是向木星大氣中投放一顆小型探測器。其傳回的數據顯示，木星雲層與大氣的構成與科學家們此前所想的有所區別，這表明我們相關的理論模型中可能存在某些偏差。今天，這顆巨大星球厚厚的雲層和劇烈的風暴下方，依舊隱藏著許許多多有關這顆巨大行星的身世，以及整個太陽系形成歷史的未解之謎，以下我們僅列舉其中一小部分我們尚未完全理解的基本問題：
1)木星是如何形成的？
2)木星大氣中含有多少水和氧氣？
3)木星的內部結構究竟如何？
4)木星的自轉更加符合剛體轉動，還是在內部不同深度上存在不同速度的自轉？
5)木星擁有固態內核嗎？如果有，這個內核有多大？
6)木星強大的磁場是如何形成的？
7)木星雲層頂部所見的很多大氣結構向下延伸多多深，它與木星大氣深部運動之間有何關聯？
8)木星極光產生的機制是什麼？
.............。.
此番，朱諾探測器的主要使命是考察木星的形成和演化過程。使用經過檢驗的成熟技術，朱諾裝備一系列先進設備，並在一個極軌軌道上運行，對木星的引力場、磁場大氣結構和成分進行探測，並觀察木星內部結構、大氣與磁場各方之間的相互關聯。通過這些研究，科學家們將加深我們對於木星形成與演化的理解，並基於此，加深我們對於整個太陽系誕生過程和機制的了解。（晨風）
責任編輯：許江山
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