朱诺号木星探测器是美国宇航局“新疆界计划”实施的第二个探测项目(第一个项目是已于2006年发射的新地平线号探测器)。“朱诺”由美国洛克希德·马丁公司建造,宇航局下属喷气推进实验室负责整个探测任务的运行。2011年8月5日12时25分,朱诺号木星探测器从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角点火升空,开始踏上远征木星之旅。2016年1月13日下午2点(北京时间1月14日凌晨3点),美国朱诺号打破依靠太阳能提供能源的探测器最远航行记录,当时它距离太阳约7.93亿千米,相比较地球到太阳的距离只有约1.5亿千米。美国航天局宣布,“朱诺”木星探测器已进入木星磁层,按照预期2016年7月4日进入绕木星运行轨道。

中文名
朱诺号木星探测器
外文名
Juno
发射日期
2011年8月5日
入轨时间
2016年8月
制造商
洛克希德·马丁公司
运载火箭
Atlas V
探测对象
木星
耗资
11亿美元

1简介

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“朱诺”号木星探测器是NASA“新疆界计划”的探测项目,2011年8月5日从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角点火升空,开始踏上远征木星之旅。2017年7月4日,“朱诺”号已在木星轨道上飞行整整一年,绕行轨道达1.145亿公里。

2名称由来

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探测器的名字“朱诺”是罗马神话中天神朱庇特的妻子。朱庇特施展法力用云雾遮住自己,但是朱诺却能看透这些云雾,了解朱庇特的真面目,因此探测器取这个名字也是借用其寓意,希望它能解开这颗云遮雾绕的气态巨行星隐藏的秘密。

3整体配置

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“朱诺”由美国洛克希德·马丁公司建造,宇航局下属喷气推进实验室负责整个探测任务的运行。“朱诺”是美国宇航局“新疆界”计划实施的第二个探测项目。

自旋稳定

朱诺是一艘采用自旋稳定的太阳能飞船,设计采用大椭圆极轨道方案以避开木星强大的辐射带。整个项目的设计思路是全部采用成熟技术,项目全部采用现成的科学设备,不需要新研发新技术。

对于朱诺而言,和美国宇航局早期的“先驱者”飞船一样,自旋将增强飞船指向的稳定性并方便地面控制。在发射后一直到太阳能帆板展开之前的这一段时间内,朱诺飞船的自转将由仍然与飞船连接在一起的火箭上面级完成。整个项目期间朱诺的自转速度也是有变化的:在巡航阶段自转速率是每分钟1圈,科学考察阶段是每分钟2圈,主引擎工作调姿阶段会临时性改为每分钟5圈。

为了简化设计并减少质量,朱诺搭载的所有设备都是固定安装的。当围绕木星运行时,随着飞船自转,所有设备在一圈的时间内会将木星在其观测视野中扫过一次。当飞船处于每分钟2圈的工作状态时,在朱诺飞船从木星一个极地上空飞到另一端的极地上空的两个小时时间内,相关科学设备将扫过木星400次。

推进系统

为了控制重量并增加冗余设计,朱诺飞船采用双模式推进系统,包括一台使用两种推进剂的主引擎以及多台使用单一推进剂的调姿发动机。

朱诺飞船上安装的一台Leros-1b主发动机是一台645牛顿双推进剂引擎,使用联氨-四氧化二氮推进剂。其发动机喷口被固定在探测器后部,主要作用是较大的轨道调整和减速制动等。

除了主发动机之外,探测器上还安装了12台推力较小的调姿发动机,它们的存在让飞船在三维空间进行姿态调整成为可能,同时它们也会被用于进行较小的轨道调整。

命令与数据处理

朱诺探测器的命令与数据处理系统采用一台RAD750型飞行处理器,自带256M闪存及128MDRAM本地存储。

电子保护舱

为了保护敏感的电子设备,朱诺飞船首次采用了辐射防护电子舱,这一设计未来对于同样前往高强度辐射环境执行任务的探测项目具有参考价值。这个采用钛金属制成的防辐射电子舱大小和一辆SUV型轿车后部的行李箱相当,其防护层厚度超过1厘米。飞船的指令与数据系统(相当于探测器的大脑)、电力与数据分发系统(相当于心脏)以及大约20套其他电子设备就被安装在其中,整个电子舱的重量超过200公斤。

太阳能发电

木星距离太阳比地球远5倍,因此在木星附近接收到的太阳能功率大约仅有地球附近的1/25。朱诺将是首个在如此遥远的距离上使用太阳能为动力的飞船,因此朱诺飞船的太阳能帆板面积必须尽可能的大,以便产生足够多的电力。

朱诺之所以敢于采用这样大胆的方案,得益于在过去20年间太阳能晶片在发电效率上超过50%的提升。另外,根据设计,朱诺飞船的能耗功率本身也是非常低的,这是一艘能源效率很高的飞船。

朱诺飞船的3根太阳能帆板从其六边形的本体伸出,使展开太阳能帆板后的飞船宽度超过20米。这些太阳能帆板在太空展开后,一直到任务结束,除了在飞掠地球期间的数分钟时间内,都将一直保持正对太阳的方向。当然,和其他飞船一样,为了能够放进火箭整流罩内,在发射时,太阳能帆板都是处于折叠状态的。

“朱诺”号探测器携带着3块太阳能板,每块宽2.7米,长10米,大小相当于拖拉机的拖车。升空后一个小时内,3块太阳能板将慢慢展开,这让“朱诺”号看起来像一台巨型的风车,媒体形象地把这3块太阳能板称为“太阳能翅膀”。2017年4月,也就是环绕木星轨道飞行9个月后,“朱诺”号将超过欧洲航天局的“罗塞塔”号彗星探测器,成为单纯依靠太阳能动力飞行里程最长的航天器。

“朱诺”号太阳能板可提供14千瓦的电力,但进入木星轨道后,提供的电力仅为400瓦,只能点亮少量电灯泡。因此,“朱诺”号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”号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。

4携带设备

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“朱诺”上装有9台探测设备,包括一部广角彩色摄像机,可以向地球发回彩******像。当朱诺号进入轨道后,红外线及微波探测仪器将会测量来自木星大气层深处的热辐射源。这些观测将会补充

及证实先前对木星成分的研究包括探测水及氧的分布。此外,这也会帮助了解木星的起源。朱诺号也会研究造成木星大气层诸多形态及现象的环流。同时,其他仪器会对木星的引力场及两极磁层的数据进行采集。整个朱诺号任务安排在2017年10月完毕届时探测船将已环绕木星33圈,最后会离开轨道并堕入木星中。

这种太阳能电池板具有高效的光能利用率,这也决定了其尺寸庞大:长度达到8.9米,宽度2.7米。足以为五只标准灯泡提供电力,如果太阳能电池板面对太阳的角度进行优化,最大可产生12-14千瓦的电力。由于木星以及卫星附近具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,穿过木卫二欧罗巴,向外拓展650000公里所以包括太阳能电池板在内的各种外设和内设都要做好各种屏蔽辐射的处理以承受强烈的X射线的照射。

太阳能电池板太阳能电池板

朱诺还将使用其通讯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。

朱诺飞船携带的载荷中包括29台感受器,它们将数据传输给9台载荷。其中的8台科学载荷——包括MAG,MWRz,重力科学,WAVES,JEDI,JADE,UVS以及JIRAM设备被归为科学载荷;最后一个JunoCam相机则主要是一台用于教育和公众宣传目的的载荷。

由于朱诺采用的是大椭圆轨道,在其运行时有时候会距离木星很远,有时候则会很近,因此绝大部分的科学探测任务将在轨道上最接近木星的大约3个小时内进行,当然在轨道上其他位置时也会进行校准、一些远距离观测以及磁场探测等科学探测工作。

Gravity Science——重力科学载荷

重力科学载荷将赋予朱诺探测器对木星引力场的探测能力,据此我们将探查木星的内部结构。

朱诺探测器上安装的两台发射机应答器分别在X波段和Ka波段工作,它们能够接收来自地球上美国宇航局深空网(DSN)系统向飞船发送的信号并立即向地球返回一个对应信号。这些回传信号在抵达地球时,地面科学家们将对信号频率进行分析,由于木星引力场的局部性差异,这些信号将显示轻微的频率变化,这种变化反应了木星内部结构的差异。Ka波段应答器设备由意大利航天局提供。

Magnetometer:磁强计

磁强计将让朱诺飞船能够绘制木星磁场的详细三维立体结构图。

朱诺飞船搭载的磁强计是一类磁通门探测器,其可以对木星磁场的强度和磁感线方向进行探测。该系统中自带的“先进恒星导航仪”将为系统提供磁强计自身方位朝向的信息。和其他探测器一样,朱诺飞船的磁强计设备被安装在三根伸出的太阳能帆板中的一根的顶部,以便尽可能地远离飞船本体。这样做主要是为了避免飞船自身其他设备工作时产生的磁场干扰磁强计对木星磁场信号的测量。

另外,为了进一步修正飞船自身设备对木星磁场信号测量可能产生的干扰,朱诺安装了两台磁强计,一台距离飞船本体大约10米,另一台则距离大约12米,通过对这两台设备获得数据的对比,科学家们能够准确剔除掉来自飞船设备的干扰信号。朱诺的磁强计设备由美国宇航局戈达德空间飞行中心设计和制造,而“先进恒星导航仪”设备则由丹麦技术大学设计和制造。

MWR——微波辐射计

朱诺的微波辐射计设备将穿透木星的云层,揭示其深部大气的结构,成分和运动情况。其最大穿透深度可以达到相当于地球上1000倍大气压强深处,大约相当于木星云层顶向下深入550公里。

微波辐射计系统包括6台独立的辐射计,用于测量来自6层不同云层的微波信号。每个辐射计都拥有一根从飞船本体的六边形舱体向外伸出的天线。每根这样的天线都与一根数据线相连接,最后接入电子舱内部的接收器。该设备由美国宇航局喷气推进实验室(JPL)设计并制造。

JEDI——木星高能粒子探测器

木星高能粒子探测器对空间中的高能粒子进行探测并观察它们与木星磁场之间的相互租用。

JEDI设备包括3台相同的感受器,每台都拥有6个离子和6个电子观测通道。这台设备将与微波辐射计以及JADE(木星极光分布实验)设备联合工作,对木星极区上空的情况进行探测,尤其关注木星强烈而明显的南北极光。

这台设备由美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)设计并制造。

JADE——木星极光分布实验

“木星极光分布实验”设备将与朱诺搭载的部分其他设备合作,研究造成木星极光产生的粒子运动和机制过程。

“木星极光分布实验”设备包括一台电子舱并附带4台感受器,其中的3台用于探测飞船周围环境中的电子,第四台主要用于识别带正电的氢、氦、氧和硫等元素的离子。当探测器从木星极光上空飞过时,这些设备将能够识别冲入木星极区上空大气的粒子类型有哪些。

这台设备由美国宇航局西南研究所设计并制造。

WAVES——等离子体电波设备

等离子体电波设备将测量木星磁层内部的无线电波与等离子体波信号,这将帮助我们理解木星磁场(magnetic field)、大气层(atmosphere)和磁层(magnetosphere)之间的相互关联。

等离子体电波设备包含一个V型天线,高度约4米。这台设备由美国艾奥瓦大学研制并制造。

JIRAM——木星红外极光绘图仪

木星红外极光绘图仪将对木星极光周围的大气进行观察,帮助科学家理解磁场与极光之间的关联。这台设备将能够探测木星云层下方大约50~70公里深度的情况,那里的大气压力大约是地球上海平面高度气压的5~7倍。

木星红外极光绘图仪包括一台相机以及一台光谱仪,后者能够将光线分解为各单一组成波段,类似三棱镜。而相机将获取红外波段影像,这是热辐射波段,波长范围大概是在2~5微米左右,这一波长要比肉眼可见的波段长3~7倍。

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并制造,并得到意大利空间局的资助。

UVS——紫外成像光谱仪

紫外成像光谱仪将拍摄木星极光的紫外波段图像。与JADE以及JEDI设备共同协作,它们将能够帮助科学家们理解木星极光,粒子流和磁场之间的相互作用。

紫外成像光谱仪包括两个独立的部分:一台安装在防辐射电子舱上的专用望远镜/光谱仪。其中的望远镜主要用于为光谱仪采集光线。而另一部分则是该设备的电子设备部分,其位于飞船的电子设备舱内部。紫外成像光谱仪由美国宇航局西南研究所研制并制造。

JunoCam——朱诺相机

朱诺相机将拍摄可见光波段木星的彩******像。

朱诺相机将有能力获取木星大气和极区上空的广角图像。这一设备从设计之初就被定位为用于公众科普用途的全彩色相机。公众将有机会亲身参与从原始数据生成图像产品的过程并帮助挑选该相机拍摄的目标。

朱诺相机的硬件设备是基于美国好奇号火星车的下降相机而设计的。而其使用的部分软件则源自最初为火星奥德赛以及火星勘测轨道器(MRO)设计的程序代码。该设备由美国马林空间科学系统公司提供。

5探测计划

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“朱诺号”主要的科研目标包括绘制木星的内部结构、构成成分、引力和磁场。这些信息将帮助人类了解,木星和太阳系的其他部分如何形成和发展。

最初的计划提出,在最终的14天轨道中,“朱诺号”环绕木星飞行超过30次。太空飞船在每次接近木星时将收集到最重要的数据,而在大部分情况下,“朱诺号”与木星的距离都较远。

朱诺承担着重要的科学观测任务,为达成相关目标,飞船采取木星极轨道,飞行高度很低,它需要飞的非常低,以便获取精确的引力场测量数据。这样的轨道设计可以避免进入危险性最高的辐射区域,从而最大限度保护飞船的安全。木星的辐射带分布有点类似地球上空的范艾伦辐射带,但其强度要强得多。

朱诺探测器在围绕木星运行过程中,最近时距离木星云层顶部仅有不到5000公里,每11天围绕木星运行一周,考察任务预计将在2018年2月20日结束,届时飞船将主动受控坠入木星大气层焚毁。

2011年8月5日,朱诺发射升空,发射地点为美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地SLC-41发射台;发射时地球-木星距离:7.16亿公里,信号以光速传播单程需要39分50秒;

2013年10月9日,地球引力弹弓,从地球发射到地球飞掠,探测器飞行距离:16亿公里,地球飞掠时距离地面最近500公里;

2016年7月5日,进入木星轨道,入轨时地球-木星之间距离约8.69亿公里,信号以光速传播单程需要48分19秒;从发射到进入木星轨道,探测器飞行距离:28亿公里;

2018年2月,任务结束。

6教育计划

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作为公众教育计划的一部分,朱诺探测器还将携带3个乐高玩偶一起飞向木星,这三个小人分别是罗马神话中的天神朱庇特(注:Jupiter,即英语中的木星),朱庇特的妻子朱诺(Juno,即探测器的名字),以及意大利著名天文学家伽利略,他对木星的观测做出过重要的开创性贡献,包括发现了木星的4颗最大的卫星,它们现在被称为"伽利略卫星"。

事实上,首颗围绕木星运行的探测器便被命名为"伽利略号",除此之外,此次朱诺探测器还将携带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。

7探测历程

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进入轨道

美国航天局宣布,2011年8月发射升空的“朱诺”木星探测器已进入木星磁层,按照预期2016年7月4日进入绕木星运行轨道。

美国航天局发表声明说,“朱诺”木星探测器此前一直在行星际太阳风主导的环境中穿行。几天前,其搭载的科学仪器探测到了“朱诺”周围的粒子和磁场变化,显示“朱诺”已进入低密度的木星磁层环境。

据介绍,历经5年飞行后,“朱诺”木星探测器目前正从木星北极方向靠近木星。通过实施制动程序,“朱诺”将按照预定时间于7月4日进入绕木星运行轨道,开始探索木星和太阳系形成之谜。

美国哈勃太空望远镜拍摄到的最新木星图片显示,木星“展示”出绚丽的蓝色极光,发生极光区域的直径比地球直径还要大。科学家称,这似乎是木星正在“举行焰火派对”欢迎“朱诺”光临。

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,成分和太阳极其相似。科学家认为,木星是太阳系最古老的行星,在太阳形成后就已诞生,通过研究木星可以追溯太阳系历史的源头。

“朱诺”上装有9台探测设备,包括一部广角彩色摄像机,可以向地球发回彩******像。抵达木星轨道后,“朱诺”将于20个月内绕木星运行37圈,用搭载设备探测木星内部结构、大气成分、大气对流状况和磁场等,所获得的信息将通过高增益天线发回地球。

在“朱诺”之前,美国曾于1989年发射过专门探测木星的“伽利略”号探测器,获得了大量有关木星的探测数据。“伽利略”号已于2003年9月按程序坠毁在木星上。

阀门问题

NASA于2016年10月14日公布了“朱诺号”阀门存在的问题。当时的问题导致操作员推迟了太空飞船最后引擎的点火。这一操作原本将在“朱诺号”接近木星时完成。这将使“朱诺号”围绕木星的轨迹从当前的53天椭圆形轨道切换至14天轨道,即最终的科研轨道。

2016年10月20日消息,美国宇航局(NASA)的“朱诺号”太空飞船在不到一周时间里第二次发生故障。目前,“朱诺号”位于木星附近。

进入保护性“安全模式”

NASA官员表示,“朱诺号”于美国东部时间2016年10月19日凌晨1:47进入了保护性的“安全模式”,导致无法收集任何数据。“朱诺号”于10月19日第二次接近木星。

“朱诺号”项目经理里克·尼巴肯(Rick Nybakken)在公告中表示:“在进入安全模式时,太空飞船距离接近木星的最近点还有超过13个小时。我们距离木星更强的辐射带和磁场还有相当远的距离。太空飞船保持健康状态,我们正启动标准的恢复程序。”

NASA官员表示,一次“软件性能监控”导致太空飞船计算机发生重启,随后“朱诺号”进入了安全模式。这与“朱诺号”推进系统阀门的问题无关。

NASA官员表示,下一次点火的时间窗口将是在12月11日,即“朱诺号”下一次接近木星时。

8其他木星探测器

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名字:先驱者10号;发射时间:1972年3月3日;任务类型:飞掠

名字:先驱者11号;发射时间:1973年4月6日;任务类型:飞掠

先驱者11号飞掠木星后,又来到土星。

名字:旅行者1号;发射时间:1979年3月5日;任务类型:飞掠

名字:旅行者2号;发射时间:1977年8月20日;任务类型:飞掠

旅行者2号飞掠木星、土星和天王星后,又来到海王星。

名字:尤利西斯号;发射时间:1990年10月6日;任务类型:飞掠

名字:卡西尼-惠更斯号;发射时间:1997年10月15日;任务类型:飞掠

名字:新地平线号;发射时间:2006年1月19日;任务类型:飞掠

名字:伽利略号;发射时间:1989年10月18日;任务类型:环绕

以上是曾经造访过木星的探测器,其中,只有伽利略号采取了环绕木星轨道的方式。

9首次近观木星“大红斑”

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北京时间7月11日上午9时55分,美国国家航空航天局(NASA)的“朱诺”号木星探测器经过近木点,正式飞掠太阳系著名风暴系统——木星“大红斑”,将在其上空约9000公里的地方飞过。NASA一位发言人称:“这将是人类首次近距离观察这个巨大的风暴,这场风暴从1830年就已经被人类发现,它或许已经存在了超过350年。”

“大红斑”是一种涡旋风暴,对它的观测持续了几百年。借助卫星和地基望远镜的观测,我们已经知道,风暴的直径比地球还大,但却呈现不断缩小的趋势。它一直是木星最为鲜明的标志物,科学家和天文爱好者对它的形成和发展,充满了好奇心。

当“朱诺”号经过近木点时,再飞行11分钟33秒,大约飞行39771公里,就直接位于“大红斑”的上方。此时,“朱诺”号探测器载荷的9个仪器将同时启动,这些设备将透过云层获取“大红斑”多项数据,重点考察其风暴深度,以及涡旋的运行机制。

在“朱诺”号执行任务期间,为了与其协同观测,一批地基观测设备一并将“目光”对准了这位太阳系行星之王,获得了木星及其“大红斑”的系列图像,取得了重要的木星大气数据和系列成果。

其中,今年5月18日,夏威夷毛纳基山上,美国大学天文联盟建设的双子座北部望远镜和日本国家天文台在那里建造的昴星望远镜,同时以不同波长的高分辨率“望向”木星,最新观测结果补充了此前获得的木星大气动力学研究成果。

NASA官网此前报道称,双子座北部望远镜通过特殊的近红外滤光片观察木星,发现其大气中显露出甲烷和氢气的混合物;而昴星望远镜的冷中红外相机和光谱仪,则对木星大气不同高度的温度比较敏感,观察结果显示,在“大红斑”内部,越向中心越冷阴多云,外缘则更暖和,但其西北部地区异常动荡和混乱。

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朱诺号木星探测器 图册

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  • 更新时间:2017-07-12
  • 创建者:zhangxuewei
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