朱諾號木星探測器

　　澎湃新聞記者 王心馨 綜合報道

　　7月4日是美國的獨立日，今年美國人民除了歡度國慶日外，還有一件值得他們驕傲和自豪的事，那就是NASA發送的朱諾太空探測器成功進入木星軌道。這次朱諾進入木星軌道的背後，創造了一系列不可思議的工程學奇跡，澎湃新聞(www.thepaper.cn)根據NASA資料，以及科普中國、中國科學院國家天文台劉博洋文章整理如下：

　　1796天，27億公裏的飛行

　　在太空飛行59個月，跨越了27億公裏後，這個價值11.3億美元的“朱諾”號成功進入木星軌道。這也是自2003年“伽利略”號結束木星探測任務以後，人類13年來首顆繞木星工作的探測器。

　　15萬英裏/小時，有史以來最快的人造飛船

　　隨著“朱諾”接近木星，木星的巨大引力將加速飛船的運行，使其達到15萬英裏/時的速度。這也讓“朱諾”成為了有史以來速度最快的人造飛船之一。

　　除此之外，這個NASA花重金打造的人造探測器還創下兩個第一：第一個太陽能驅動的奔向木星的探測器;第一個繞著木星兩極軌道飛行的人造探測器。

　　工作人員鼓掌慶祝朱諾號成功進入木星軌道

　　承受木星表面輻射量：相當於照射超過一億次的口腔X光

　　以羅馬神話中眾神之王朱庇特(Jupiter)命名的木星，不是一顆平庸的行星。它的質量比太陽系中所有其他行星之和更大。它外核的液態金屬氫電流賦予了它強大的磁場(磁矩為地球的2萬倍)，仿佛在太陽風的洪流中撐起了一把巨傘。這把叫做“木星磁層”的彗狀巨傘，足以裝下數個太陽，其長尾遠及4個天文單位(6億公裏)外的土星軌道——這使的木星磁層成為太陽系中，除太陽風在星際介質中淘出的氣泡“日球層”之外，最大的連續結構。如果我們能在地球上目視木星磁層，我們會發現它比日月盤面還要大5倍以上。

　　新視野號拍攝的木星。科普中國 圖

　　在木星巨大的潮汐力下，木星持續的火山活動每年向其周圍注入數千萬噸二氧化硫，這些氣體隨即便被電離成為硫離子、氧離子、電子組成的等離子體，並在木星磁場的禁錮下隨木星一同轉動，形成溫度可達百萬度、拱衛木星的等離子體環，向外延展達數十個木星半徑(200餘萬公裏)。在距離木星較近處，等離子體波與等離子體環中電子的相互作用將電子加速到接近光速，產生強烈的同步輻射——這裏被叫做“輻射帶”。

　　“輻射帶”對於朱諾號來說，是其在任務中必須飛躍的“死亡帶”

　　木星磁層結構及視尺度示意圖。 Neil Tyson et al., 'One Universe', Joseph Henry Press圖 科普中國 圖

　　9分鍾內完成繞地球飛行

　　朱諾在進入木星軌道時需要完成的挑戰最大，這是一次生死攸關的任務。為了確保朱諾能順利進入木星軌道， NASA提前5天關閉了探測器上的所有設備，直到它到達兩天後才會再次打開。因為一旦遇到意外，飛行探測器將只能劃過木星，消失在宇宙空間裏，有去無回。

　　“朱諾”入軌時，其最大速度達到的16.5萬英裏/時——這一速度能讓“朱諾”9分鍾內完成繞地球飛行，隨後，朱諾號的引擎會著火從而把速度降下來。這時候事情就會變得非常棘手。

　　215倍音速進入木星軌道

　　“朱諾”飛船重量達到3500磅，將以215倍音速的速度繞圈飛行。要想讓速度降下來，發動機需要燃燒35分鍾，需要17600磅的燃油來支持燃燒。

　　擁有金屬鈦外殼，有史以來最堅硬的飛船

　　既要應對木星巨大的輻射量，還要承受高溫，這對於朱諾號的外殼提出了挑戰。

　　NASA選擇的是1厘米厚的金屬鈦殼，總重180千克。朱諾號絕大部分科學儀器都在鈦殼的保護下，使其遭受的輻射強度減弱800倍，至電子器件可承受水平以下。

　　它的形狀采用的是略顯複古的自旋穩定方案，以節省反應輪所占用的發射質量，為更厚實的鈦殼、更多的科學儀器和更充沛的推進劑讓出空間。

　　NASA研究人員稱，盡管朱諾是有史以來最堅硬的飛船，若發動機在燃燒時受到木星周圍碎片、塵埃的影響，也會讓這次的任務功虧一簣。盡管此前做了相關的測試模型，但正在飛行時，不確定的因素太多。

　　1秒誤差

　　從今天整個過程來看，一切進行得很順利，朱諾點燃發動機的時間幾乎和預測的一致，只差了一秒。但整個事件確定的時間要比實際發生慢48分鍾，原因是從朱諾從木星發回到地球的信息需要48分鍾。

　　左：Atlas V 551火箭;右：朱諾號，可見球形的燃料倉和底部的主發動機。科普中國 圖

　　對於朱諾號來說，去一趟木星並不容易。先要克服地球重力，飛離地球後還得克服太陽引力;靠近木星後，還得自燃發動機來減速進入木星軌道;在繞著木星飛行時，還得小心避免木星周圍的強輻射和碎片區。

　　朱諾號返回地球進行引力彈射時對地球和月球拍攝的系列畫面。科普中國 圖

　　7300米/秒的加速度

　　除了借力自身攜帶的燃料外，地球也在朱諾這一路的飛行中提供了幫助。朱諾號在2011年8月26日飛向木星。到了2013年10月9日，飛出地球兩年後的朱諾號，與地球相距僅559公裏擦身而過。在地球的引力彈射作用下，朱諾號獲得了7.3 km/s的加速度，這才具備了飛往木星的能力。也正是在這段飛經地球前後的時間裏，朱諾號抓緊開機測試了它所攜帶的科學儀器，為前進木星做好准備。

 

　　科普中國 圖

　　接下去，朱諾號將進入周期53.5天的木星俘獲軌道。如此繞行兩周之後，2016年10月19日，朱諾號將實施其最後一次主要變軌，用350 m/s的速度改變預算，來實現進入周期約為14天的科學軌道。

　　上：木星軌道接入、俘獲軌道、科學軌道等階段;下：科學軌道的進動。科普中國 圖

　　繞木星37圈

　　朱諾號將繞木星飛行37圈。其中有32圈極為關鍵。首先朱諾需要用8圈實現對木星表面每隔48°經度的8個窄條的觀測;再用8圈將觀測區域間隔縮小到24°;再用16圈將其縮小到12°。在每一圈科學軌道的約兩周時間之內，朱諾號只有最接近木星的6-8個小時才能有效的開展科學觀測;但這32圈科學軌道編織的“鳥籠”，足以把整個木星表面納入囊中。

　　科學軌道中，近木點前後實際開展科學觀測的軌道區間示意圖，綠色和藍色分別表示前16圈和後16圈。 NASA/JPL/Caltech圖 科普中國 圖

　　由於木星的高速自轉，它的形狀嚴重偏離正球體，而是呈一扁球形。這種不對稱的質量分布將持續的作用於朱諾號的軌道，迫使其軌道平面不斷進動、軌道周期不斷縮短、近木點高度不斷增加——是的，木星在一步步把朱諾號推向輻射帶的烈焰。到第36圈，朱諾號近木點高度已經從4147公裏增加到7950公裏，每軌所受輻射劑量也隨之增加了數倍：前16條科學軌道受到的總輻射劑量僅為後16條的1/4。

　　藍線表示朱諾號承受的總輻射劑量隨繞木軌道數的增加而增加的預期。科普中國 圖

　　“我們官方的科學收集階段開始於十月份，但我們已經找到方法盡早地收集數據。”朱諾號首席研究員博爾頓說，“當你討論太陽系裏最大的一個星體時，這非常好，但很多東西都是從我們這裏看到的，也是我們在做的。”

　　9套科學儀器

　　朱諾號的主要目標是了解木星的氣源和演化。NASA的研究團隊給朱諾配了9套科學儀器，其中的8台科學儀器分別為：MAG，MWRz，重力科學，WAVES，JEDI，JADE，UVS以及JIRAM設備;最後一個JunoCam相機則主要是一台用於教育和公眾宣傳目的。

　　1.GravityScience——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。

　　2.Magnetometer：磁強計

　　磁強計將讓朱諾飛船能夠繪制木星磁場的詳細三維立體結構圖。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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(magneticfield)、大氣層(atmosphere)和磁層(magnetosphere)之間的相互關聯。

　　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公裏深度的情況，那裏的大氣壓力大約是地球上海平面高度氣壓的5-7倍。

　　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。

　　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。

　　三個樂高人偶

 

　　還有個小花絮，朱諾號還搭載了三個樂高人偶。分別代表伽利略、朱庇特(羅馬神話的木星之神)和他的妻子朱諾，朱諾手執放大鏡作為追求真理的標志，朱庇特手握閃電的標記，伽利略則帶著他的望遠鏡和木星模型。為了捱過太空旅行的極端條件，這三個人偶是鋁制的。朱諾號還帶了一塊向伽利略致敬的銘牌前往木星，這個銘牌描繪的是伽利略在1610年1月觀測木星的手稿，以及伽利略的肖像。