國(guó)外木星探測(cè)任務(wù)進(jìn)展與分析

高博宇 陳忠貴 周文艷

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

木星是太陽(yáng)系中質(zhì)量最大、磁場(chǎng)最強(qiáng)的行星，也是太陽(yáng)系中具有最多衛(wèi)星的行星，根據(jù)目前的深空探測(cè)成果，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四可能存在冰下海洋，有可能演化出生命。木星探測(cè)已經(jīng)成為國(guó)際上深空探測(cè)的重點(diǎn)方向，通過(guò)對(duì)木星及其衛(wèi)星展開(kāi)探測(cè)研究，能提升我們對(duì)于太陽(yáng)系早期演化、木星磁場(chǎng)起源和地外生命的認(rèn)知。至今國(guó)外已經(jīng)有多顆探測(cè)器對(duì)木星開(kāi)展了飛越探測(cè)，美國(guó)的伽利略號(hào)和朱諾號(hào)則對(duì)木星開(kāi)展了環(huán)繞探測(cè)，規(guī)劃中的木星冰月探測(cè)者(JUICE)任務(wù)和歐羅巴快帆(Europa Clipper)任務(wù)計(jì)劃通過(guò)環(huán)繞或多次飛越的方式開(kāi)展木星衛(wèi)星探測(cè)。我國(guó)計(jì)劃在2030年實(shí)施木星探測(cè)任務(wù)，將要開(kāi)展方案深化論證和關(guān)鍵技術(shù)研究[1]。

本文分析了國(guó)外已實(shí)施和在研的4個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，介紹了各自的任務(wù)目標(biāo)以及攜帶的科學(xué)探測(cè)設(shè)備。隨后對(duì)這4個(gè)任務(wù)的探測(cè)工程進(jìn)行分析，包括在運(yùn)載火箭約束下的地木轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)、木星系內(nèi)探測(cè)軌道設(shè)計(jì)以及采用的通信頻段和下行速率，以此分析目前我國(guó)實(shí)施木星探測(cè)能力，對(duì)未來(lái)木星探測(cè)任務(wù)提出了建議。

1 國(guó)外研究概述

隨著人們對(duì)木星認(rèn)識(shí)的提升和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，木星探測(cè)任務(wù)目標(biāo)和探測(cè)手段逐漸發(fā)展變化。表1總結(jié)了國(guó)際上的木星系探測(cè)任務(wù)[2-8]，總體可分為3個(gè)階段。第一階段以木星飛越為主要探測(cè)手段，包括先驅(qū)者10號(hào)、11號(hào)任務(wù)和旅行者1號(hào)、2號(hào)任務(wù)，以及后續(xù)的尤利西斯號(hào)、卡西尼號(hào)和新視野號(hào)，這一階段獲取了有關(guān)木星磁場(chǎng)和大氣的探測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)木星衛(wèi)星進(jìn)行了遠(yuǎn)距離探測(cè)。第二階段以木星環(huán)繞探測(cè)為主，包括伽利略號(hào)和朱諾號(hào)兩個(gè)探測(cè)任務(wù)。伽利略號(hào)對(duì)整個(gè)木星系開(kāi)展了綜合探測(cè)，獲得了木星大氣的詳細(xì)數(shù)據(jù)，對(duì)4顆伽利略衛(wèi)星開(kāi)展飛越觀測(cè)，并確定了木星的磁層結(jié)構(gòu)。2011年發(fā)射的朱諾號(hào)是第2個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)器，科學(xué)目標(biāo)集中在木星大氣、磁場(chǎng)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上。第三階段任務(wù)包括正在規(guī)劃中的木星冰月探測(cè)者任務(wù)和歐羅巴快帆任務(wù)。將更頻繁的利用木星衛(wèi)星進(jìn)行借力飛行，采用連續(xù)飛越或環(huán)繞等方式來(lái)對(duì)木星衛(wèi)星開(kāi)展詳細(xì)探測(cè)，主要研究木星衛(wèi)星的表面結(jié)構(gòu)和成分，并對(duì)其宜居性進(jìn)行評(píng)估。

表1 國(guó)外木星系探測(cè)任務(wù)概況Table 1 Overview of Jovian exploration missions

2 探測(cè)任務(wù)目標(biāo)分析

2.1 伽利略號(hào)任務(wù)目標(biāo)

伽利略號(hào)是NASA第一個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，探測(cè)目標(biāo)可分為三大類(lèi)：①探測(cè)木星大氣成分和物理性質(zhì)；②探測(cè)木星衛(wèi)星的化學(xué)成分和物理性質(zhì)；③探測(cè)木星磁層的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性[9]。表2給出了伽利略號(hào)任務(wù)具體的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。

表2 伽利略號(hào)任務(wù)探測(cè)目標(biāo)Table 2 Objectives of Galileo mission

伽利略號(hào)攜帶的科學(xué)探測(cè)儀器可分為三大類(lèi)，如表3所示。場(chǎng)和粒子探測(cè)器主要安裝在探測(cè)器自旋部分，消旋部分則為遙感設(shè)備提供穩(wěn)定的探測(cè)平臺(tái)[4]。

表3 伽利略號(hào)探測(cè)設(shè)備Table 3 Instrument of Galileo

2.2 朱諾號(hào)任務(wù)目標(biāo)

朱諾號(hào)的任務(wù)目標(biāo)是了解木星的起源和進(jìn)化，幫助科學(xué)家了解太陽(yáng)系的起源問(wèn)題。朱諾號(hào)主要針對(duì)4個(gè)主題進(jìn)行探測(cè)[6]。

(1)起源：確定木星大氣中的水含量，了解木星形成機(jī)制。

(2)內(nèi)部：精確繪制木星重力場(chǎng)和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，揭示木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(3)大氣：研究所有緯度的大氣成分、溫度結(jié)構(gòu)、云層運(yùn)動(dòng)和其他特性，探測(cè)深度超過(guò)100 bar。

(4)磁場(chǎng)：描繪木星極區(qū)磁場(chǎng)和極光的三維結(jié)構(gòu)。

表4列出了朱諾號(hào)攜帶的9臺(tái)探測(cè)設(shè)備[10], 所有的儀器都固定在探測(cè)器上，探測(cè)器以每分鐘2圈的速度自旋。

表4 朱諾號(hào)探測(cè)設(shè)備Table 4 Instrument of Juno

2.3 木星冰月探測(cè)者探測(cè)任務(wù)

木星冰月探測(cè)者是歐洲航天局第一個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，目標(biāo)是探測(cè)木星的3顆冰衛(wèi)星，對(duì)它們的環(huán)境和潛在宜居性進(jìn)行比較。表5給出了木星冰月探測(cè)者任務(wù)具體的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)[11]。

表5 木星冰月探測(cè)者探測(cè)目標(biāo)Table 5 Objectives of JUICE mission

木星冰月探測(cè)者攜帶三類(lèi)探測(cè)儀器，如表6所示。其中無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)與無(wú)線電干涉和多普勒實(shí)驗(yàn)利用通信設(shè)備進(jìn)行。

表6 木星冰月探測(cè)者探測(cè)設(shè)備Table 6 Instrument of JUICE mission

2.4 歐羅巴快帆探測(cè)任務(wù)

歐羅巴快帆的目標(biāo)是研究木衛(wèi)二的宜居性，具體的研究目標(biāo)如下[12]。

(1)冰殼和海洋：分析木衛(wèi)二冰殼和地下水系統(tǒng)的特性，包括非均質(zhì)性、冰下海洋特性以及地表-冰層-海洋之間的交換過(guò)程。

(2)成分：調(diào)查木衛(wèi)二物質(zhì)組成和化學(xué)成分，分析冰下海洋的宜居性。

(3)地質(zhì)：調(diào)查表面特征的形成過(guò)程，對(duì)有科學(xué)價(jià)值的區(qū)域開(kāi)展分析。

(4)最近活動(dòng)：尋找正在進(jìn)行的地質(zhì)活動(dòng)，特別是羽流和熱異常現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行分析研究。

表7列出了歐羅快帆攜帶的9種探測(cè)儀器，同樣的，歐羅巴快帆也將利用通信設(shè)備進(jìn)行重力科學(xué)調(diào)查，以確認(rèn)木衛(wèi)二是否擁有全球性的冰下海洋。

表7 歐羅巴快帆探測(cè)設(shè)備Table 7 Instrument of Europa Clipper

2.5 小結(jié)

綜合2.1～2.4節(jié)內(nèi)容，各個(gè)探測(cè)任務(wù)的任務(wù)目標(biāo)表現(xiàn)出以下特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1)首次木星探測(cè)任務(wù)目標(biāo)多樣化

伽利略號(hào)和木星冰月探測(cè)者作為NASA和歐洲航天局的首次木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，任務(wù)目標(biāo)囊括木星大氣、磁場(chǎng)和木星衛(wèi)星，讓各國(guó)對(duì)木星系統(tǒng)有了全面了解，為后續(xù)任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2)木衛(wèi)探測(cè)成為主流

未來(lái)木星探測(cè)任務(wù)目標(biāo)集中在木星冰衛(wèi)星上，攜帶紅外、紫外光譜儀與穿冰雷達(dá)等遙感設(shè)備和磁強(qiáng)計(jì)、粒子探測(cè)儀等原位探測(cè)設(shè)備，并利用無(wú)線電通信開(kāi)展木星冰衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)、成分與宜居性研究。

3)對(duì)木星深層大氣、木衛(wèi)四的探測(cè)仍有不足

針對(duì)木星大氣，朱諾號(hào)和伽利略號(hào)已取得了豐富的科學(xué)探測(cè)成果。但國(guó)際上對(duì)木星大氣運(yùn)動(dòng)的垂直結(jié)構(gòu)、大氣深層中水和氨的組分以及木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解還依然有限[13]。木星衛(wèi)星中，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三已有專(zhuān)門(mén)的探測(cè)任務(wù)，但同樣存在冰下海洋的木衛(wèi)四還未有專(zhuān)門(mén)的探測(cè)任務(wù)。

3 探測(cè)工程分析

木星探測(cè)任務(wù)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中在運(yùn)載火箭約束下各任務(wù)的地木轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)、木星系內(nèi)探測(cè)軌道設(shè)計(jì)以及通信系統(tǒng)是最主要的工程難點(diǎn)。以下針對(duì)4個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，對(duì)這些工程難點(diǎn)進(jìn)行梳理歸納。

3.1 行星際轉(zhuǎn)移軌道與運(yùn)載火箭分析

木星距離地球遙遠(yuǎn)，對(duì)木星探測(cè)器使用的行星際轉(zhuǎn)移軌道和運(yùn)載火箭提出了更為嚴(yán)苛的要求。表8列出了各個(gè)探測(cè)器的地木轉(zhuǎn)移軌道和采用的運(yùn)載火箭[4,10,14-15]。從表8中可以看出，木星探測(cè)器通常通過(guò)多次行星借力到達(dá)木星，地球和金星的借力效果更好。在火箭運(yùn)載能力有限的情況下，探測(cè)器可通過(guò)增加借力次數(shù)，以行星際飛行時(shí)間延長(zhǎng)為代價(jià)減少發(fā)射剩余速度的平方(C3)。隨著運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，木星探測(cè)器的質(zhì)量約束逐漸放寬，未來(lái)兩艘木星探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量都達(dá)到了5 t的級(jí)別。

表8 木星環(huán)繞探測(cè)器采用的行星際轉(zhuǎn)移軌道和運(yùn)載火箭Table 8 Interplanetary cruise and launch vehicle for Jovian orbiter

3.2 木星探測(cè)軌道分析

1)伽利略號(hào)探測(cè)軌道

伽利略號(hào)在木星捕獲機(jī)動(dòng)前，以890 km的高度飛越了木衛(wèi)一，幫助探測(cè)器節(jié)省了大量的燃料。整個(gè)任務(wù)期間，伽利略號(hào)一共環(huán)繞木星飛行了34圈，每圈都對(duì)一顆木星衛(wèi)星進(jìn)行飛越觀測(cè)，并借助飛越瞄準(zhǔn)下一顆木星衛(wèi)星。出于對(duì)航天器安全的考慮，在伽利略號(hào)主要任務(wù)期間，探測(cè)器并未對(duì)處于高輻射帶范圍內(nèi)的木衛(wèi)一和木衛(wèi)二進(jìn)行過(guò)多探測(cè)。主任務(wù)結(jié)束后，探測(cè)器才在之后的擴(kuò)展任務(wù)中對(duì)木衛(wèi)二和木衛(wèi)一開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的探測(cè)研究。

2)朱諾號(hào)探測(cè)軌道

朱諾號(hào)直接通過(guò)木星捕獲機(jī)動(dòng)進(jìn)入周期53.5天的橢圓軌道，計(jì)劃進(jìn)行先期探測(cè)后再進(jìn)入周期11天的科學(xué)探測(cè)軌道，后由于推進(jìn)系統(tǒng)故障，NASA決定直接在目前53.5天的軌道上開(kāi)展科考任務(wù)。如圖1所示[10]，朱諾號(hào)將環(huán)繞木星運(yùn)行35圈，在第4次、第8次、第16次、第32次環(huán)繞后相鄰軌跡間隔分別為90°、45°、22.5°、11.25°[6]。星下點(diǎn)的經(jīng)度間隔通過(guò)調(diào)整軌道的近木點(diǎn)時(shí)刻實(shí)現(xiàn)，為此每次飛越近木點(diǎn)后朱諾號(hào)都要執(zhí)行一次軌道機(jī)動(dòng)。

圖1 近木點(diǎn)軌跡的全球覆蓋(木星北極俯視圖)Fig.1 Global coverage from a net of perijove passes(Jupiter north pole view)

3)木星冰月探測(cè)者探測(cè)軌道

木星冰月探測(cè)者在一次木衛(wèi)三飛越后執(zhí)行木星捕獲機(jī)動(dòng)，隨后通過(guò)二次木衛(wèi)三飛越進(jìn)一步降低軌道能量。木星冰月探測(cè)者任務(wù)主要分為3個(gè)階段：木衛(wèi)二探測(cè)階段、木星高緯度地區(qū)探測(cè)階段和木衛(wèi)三環(huán)繞階段。木衛(wèi)二探測(cè)階段利用木衛(wèi)四與木衛(wèi)二的連續(xù)借力飛行，實(shí)現(xiàn)對(duì)木衛(wèi)二南北半球的中緯度地區(qū)探測(cè)。木星高緯度地區(qū)探測(cè)階段通過(guò)多次木衛(wèi)四借力飛行抬高軌道傾角，實(shí)現(xiàn)木星高緯度地區(qū)觀測(cè)。木衛(wèi)三環(huán)繞階段通過(guò)多次木衛(wèi)三、木衛(wèi)四飛越降低探測(cè)器與木衛(wèi)三的相對(duì)速度，以185 m/s的木衛(wèi)三捕獲機(jī)動(dòng)進(jìn)入環(huán)木衛(wèi)三軌道。隨后利用木星攝動(dòng)改變探測(cè)器軌道偏心率，從不同方位對(duì)木衛(wèi)三進(jìn)行觀測(cè)，最終進(jìn)入500 km環(huán)木衛(wèi)三圓軌道[11]。

4)歐羅巴快帆探測(cè)軌道

歐羅巴快帆在一次木衛(wèi)三飛越后執(zhí)行木星捕獲機(jī)動(dòng)，再通過(guò)4次木衛(wèi)三飛越進(jìn)一步降低軌道能量，進(jìn)入木衛(wèi)二飛越探測(cè)階段。

探測(cè)器采用一種特殊的共振軌道設(shè)計(jì)對(duì)木衛(wèi)二展開(kāi)飛越探測(cè)，這一方案命名為飛越軌道面旋轉(zhuǎn)方案(crank-over-the-top，COT)[16]。每施行一次COT方案，探測(cè)器就可對(duì)一半的木衛(wèi)二球面進(jìn)行探測(cè)，星下點(diǎn)軌跡如圖2所示。

圖2 COT方案木衛(wèi)二飛越軌道的星下點(diǎn)軌跡Fig.2 Europa COT nadir groundtracks

由于木衛(wèi)二被木星潮汐鎖定，匯合點(diǎn)相同情況下探測(cè)器飛越木衛(wèi)二時(shí)光照情況變化不大。因此在2～3次COT軌道后，探測(cè)器將使用花瓣式旋轉(zhuǎn)(Petal Rotation)軌道，通過(guò)一系列木衛(wèi)四、木衛(wèi)三飛越和非共振轉(zhuǎn)移軌道，將探測(cè)器和木衛(wèi)二的匯合點(diǎn)過(guò)渡至木衛(wèi)二軌道的另一端，使之前的木衛(wèi)二陰影面變?yōu)楣庹彰妫偻ㄟ^(guò)2～3次COT軌道進(jìn)行探測(cè)。圖3給出了一種木衛(wèi)二科學(xué)探測(cè)軌道方案[17]，包括兩次COT軌道(藍(lán)、青)、Petal Rotation軌道(棕)、匯合點(diǎn)過(guò)渡軌道(橙)和最后兩次COT軌道(紫紅、綠)。

圖3 木衛(wèi)二科學(xué)探測(cè)軌道Fig.3 Europa science tour trajectory

各個(gè)探測(cè)任務(wù)的木星環(huán)繞軌道設(shè)計(jì)表現(xiàn)出以下特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1)木星極區(qū)觀測(cè)與木星衛(wèi)星觀測(cè)難以同時(shí)進(jìn)行

除木星冰月探測(cè)者任務(wù)外，其他3個(gè)木星探測(cè)任務(wù)均沒(méi)有同時(shí)進(jìn)行木星極區(qū)觀測(cè)與木星衛(wèi)星觀測(cè)，這主要是因?yàn)槟拘菢O區(qū)探測(cè)與木星衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)探測(cè)器軌道傾角的要求相矛盾。木星冰月探測(cè)者任務(wù)雖能對(duì)木星高緯度地區(qū)展開(kāi)探測(cè)，但探測(cè)時(shí)間短且距離遠(yuǎn)。

2)利用木星衛(wèi)星借力飛行降低燃料消耗

木星衛(wèi)星公轉(zhuǎn)周期短，使得低傾角的木星探測(cè)器可以多次利用木星衛(wèi)星借力飛行降低燃料消耗。木星的4顆伽利略衛(wèi)星中，木衛(wèi)三質(zhì)量最大，借力效果最好，木星冰月探測(cè)者和歐羅巴快帆都多次利用木衛(wèi)三借力調(diào)整軌道。在木星捕獲軌道中，出于安全考慮通常只安排一次木星衛(wèi)星借力飛行。

3)全面覆蓋探測(cè)成為木星探測(cè)主流

針對(duì)單個(gè)天體的覆蓋探測(cè)可以對(duì)該天體的物質(zhì)組成分布、結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)和地質(zhì)活動(dòng)有更加全面地了解。目前只有朱諾號(hào)完成了對(duì)木星的覆蓋觀測(cè)，針對(duì)木星衛(wèi)星的探測(cè)任務(wù)則如表9所示，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三已有多次飛越、環(huán)繞探測(cè)計(jì)劃，木衛(wèi)一和木衛(wèi)四還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的探測(cè)任務(wù)。

表9 伽利略衛(wèi)星探測(cè)任務(wù)概況Table 9 Overview of Galilean satellites exploration missions

3.3 通信系統(tǒng)分析

通信系統(tǒng)主要包括天線站和探測(cè)器天線子系統(tǒng)兩部分。表10列出了NASA和歐洲航天局深空站的天線站組成，其中新諾舍天線站在改裝后具備Ka頻段信號(hào)接收能力。

表10 天線站情況Table 10 Antenna station conditions

表11列出了各個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)器的天線直徑和平均下行速率，其中木星冰月探測(cè)者每天通信窗口8小時(shí)，通信數(shù)據(jù)量1.4 Gbit[15]。歐羅巴快帆整個(gè)任務(wù)期間總下行6.7 TB數(shù)據(jù)，總?cè)蝿?wù)時(shí)長(zhǎng)則按10.23年計(jì)算[12]。隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，木星探測(cè)器能攜帶的科學(xué)探測(cè)儀器越來(lái)越多，每次飛越所取得的探測(cè)數(shù)據(jù)量也更多，與之相對(duì)，探測(cè)器環(huán)繞木星的軌道周期更短，使得數(shù)據(jù)采集間隔更加短暫，這要求探測(cè)器采用更高的頻段作為下行數(shù)據(jù)載波，以增大數(shù)據(jù)傳輸速率。

表11 木星環(huán)繞探測(cè)器采用的高增益天線Table 11 HGA for Jovian orbiter

4 我國(guó)探測(cè)任務(wù)分析

根據(jù)《2016中國(guó)的航天》白皮書(shū)，我國(guó)將要開(kāi)展木星系及行星穿越探測(cè)的方案深化論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。參考國(guó)外木星探測(cè)任務(wù)方案，對(duì)我國(guó)木星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行分析。

4.1 我國(guó)木星探測(cè)任務(wù)目標(biāo)和初步規(guī)劃

作為世界上第5個(gè)木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，我國(guó)要在各國(guó)木星探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)具有特色的任務(wù)目標(biāo)，在國(guó)內(nèi)深空探測(cè)領(lǐng)域和國(guó)際木星探測(cè)領(lǐng)域取得突破。

(1)行星際空間探測(cè)。探測(cè)器在前往木星的過(guò)程中，可以利用探測(cè)器上搭載的儀器開(kāi)展行星際空間探測(cè)，主要分為兩類(lèi)，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)、磁場(chǎng)和行星際塵埃的原位探測(cè)，以及在飛躍行星、小行星時(shí)開(kāi)展遙感探測(cè)。行星際空間探測(cè)可提高我們對(duì)于太陽(yáng)系空間環(huán)境、行星和小行星的認(rèn)知，為我國(guó)下一步深空探測(cè)任務(wù)提供參考。

(2)木星系統(tǒng)空間環(huán)境探測(cè)。木星系統(tǒng)空間環(huán)境探測(cè)以原位探測(cè)為主，主要通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)、等離子體探測(cè)器、粒子探測(cè)器、無(wú)線電波對(duì)木星磁場(chǎng)、等離子體環(huán)境、粒子分布和引力場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)。可提升我國(guó)對(duì)木星空間環(huán)境的認(rèn)知，獲取更精確的木星磁場(chǎng)、引力場(chǎng)模型，為以后的木星飛越、環(huán)繞任務(wù)打下基礎(chǔ)。

(3)木星大氣探測(cè)。木星大氣探測(cè)目標(biāo)是研究木星大氣成分、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性，主要依靠遙感設(shè)備和木星大氣進(jìn)入器開(kāi)展研究。我國(guó)首次木星探測(cè)任務(wù)應(yīng)以遙感探測(cè)為主，考慮攜帶一次性木星大氣進(jìn)入器或風(fēng)動(dòng)力飛行器對(duì)木星高緯度地區(qū)或極區(qū)進(jìn)行探測(cè)。

(4)木星衛(wèi)星探測(cè)。木星衛(wèi)星探測(cè)主要集中在研究木星衛(wèi)星表面成分和地下結(jié)構(gòu)，分析其與木星磁場(chǎng)的相互作用。我國(guó)可針對(duì)木衛(wèi)四開(kāi)展環(huán)繞探測(cè)，分析其潛在宜居性，并對(duì)木衛(wèi)二、木衛(wèi)三開(kāi)展飛越探測(cè)，獲取地形地貌數(shù)據(jù)，完善引力場(chǎng)和磁場(chǎng)模型，為后續(xù)木星探測(cè)打下基礎(chǔ)。另外，可在完成主要探測(cè)目標(biāo)的前提下，對(duì)木星其他衛(wèi)星展開(kāi)飛越探測(cè)，擴(kuò)充科學(xué)探測(cè)成果。

4.2 我國(guó)木星探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

由于木星距離遙遠(yuǎn)，空間環(huán)境復(fù)雜，木星探測(cè)任務(wù)相比月球探測(cè)、火星探測(cè)技術(shù)難度更大。我國(guó)木星探測(cè)任務(wù)面臨的技術(shù)難題主要有以下4項(xiàng)。

1)軌道設(shè)計(jì)

木星探測(cè)任務(wù)軌道可分為行星際轉(zhuǎn)移軌道和木星系內(nèi)軌道兩部分。行星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)主要受限于運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力。對(duì)比我國(guó)現(xiàn)役火箭運(yùn)載能力，以2029年EVEEJ轉(zhuǎn)移軌道為例，長(zhǎng)征三號(hào)乙、長(zhǎng)征七號(hào)甲均具備發(fā)射2.5噸級(jí)木星探測(cè)器的能力，其中長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載能力略弱，可考慮增加行星借力次數(shù)。長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載能力介于阿麗亞娜5-ECA和重型獵鷹之間，具備執(zhí)行5噸級(jí)木星探測(cè)器的能力。木星衛(wèi)星眾多，探測(cè)器將受到多體引力攝動(dòng)，增大了軌道設(shè)計(jì)難度。木星系內(nèi)探測(cè)目標(biāo)眾多，但木星附近輻射環(huán)境惡劣，探測(cè)軌道需要根據(jù)任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，在保征探測(cè)器安全的情況下盡可能擴(kuò)充探測(cè)成果。

2)測(cè)控通信技術(shù)

在木星探測(cè)整個(gè)任務(wù)過(guò)程中，地面需要與探測(cè)器進(jìn)行不間斷通信，確認(rèn)探測(cè)器狀態(tài)，發(fā)布控制指令，接收科學(xué)數(shù)據(jù)。由于木星距離遙遠(yuǎn)，探測(cè)器通信功率受限，通信信號(hào)強(qiáng)度微弱且數(shù)據(jù)傳輸速率低下。NASA和歐洲航天局都已建成全球范圍的深空網(wǎng)，并計(jì)劃在未來(lái)木星探測(cè)任務(wù)中綜合使用X和Ka頻段進(jìn)行通信。目前我國(guó)深空網(wǎng)初步建成，X頻段深空測(cè)控體系已在火星探測(cè)任務(wù)中進(jìn)行了驗(yàn)證，但Ka頻段測(cè)控能力尚需完善。

3)電源系統(tǒng)技術(shù)

木星探測(cè)器電源系統(tǒng)有兩個(gè)選擇，溫差同位素電池和太陽(yáng)能電池。溫差同位素電池具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力，我國(guó)目前也已經(jīng)在嫦娥四號(hào)上應(yīng)用5瓦級(jí)同位素電源，但同位素電池具有潛在的核泄漏風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)火箭發(fā)射和地球飛掠時(shí)的安全性要求更高。我國(guó)太陽(yáng)能電池技術(shù)成熟度更高，已經(jīng)多次應(yīng)用在月球、火星任務(wù)中。但太陽(yáng)能電池在木星的強(qiáng)輻射環(huán)境下工作，需要結(jié)合木星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)，進(jìn)行相應(yīng)的防輻射設(shè)計(jì)[18]。

4)航天器自主管理

木星與地球間通信延時(shí)高達(dá)34 min，在對(duì)木星開(kāi)展環(huán)繞探測(cè)時(shí)，地面無(wú)法對(duì)探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測(cè)遙控，要求探測(cè)器具有極強(qiáng)的自主管理能力，確保探測(cè)任務(wù)正常實(shí)施。由于長(zhǎng)時(shí)間的太空飛行和木星的高輻射環(huán)境，還要求探測(cè)器具備足夠的故障處理能力，已實(shí)施的伽利略號(hào)和朱諾號(hào)探測(cè)器都出現(xiàn)過(guò)機(jī)構(gòu)故障或系統(tǒng)故障，伽利略號(hào)出現(xiàn)過(guò)高增益天線無(wú)法打開(kāi)、數(shù)據(jù)記錄磁帶卡帶、導(dǎo)航系統(tǒng)失效等問(wèn)題，朱諾號(hào)在行星際飛行過(guò)程中多次進(jìn)入安全模式[19]，推進(jìn)系統(tǒng)也發(fā)生過(guò)故障。目前我國(guó)已成功實(shí)施火星著陸任務(wù)，驗(yàn)證我國(guó)航天器自主管理能力達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，之后應(yīng)針對(duì)木星特殊的空間環(huán)境，完善探測(cè)器故障診斷、處理能力，在機(jī)構(gòu)和軌道設(shè)計(jì)上確保足夠的冗余。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文調(diào)研了國(guó)際上已實(shí)施或在研的木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，指出隨著運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，木星探測(cè)器質(zhì)量上限隨之提高，目前以5噸級(jí)探測(cè)器為主流，探測(cè)目標(biāo)則主要集中在木星衛(wèi)星上，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三已有專(zhuān)屬的探測(cè)任務(wù)。為了處理精細(xì)探測(cè)所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)量，未來(lái)各任務(wù)都采用了Ka下行頻段，地面深空站也具備了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收能力。我國(guó)已經(jīng)具備了實(shí)施木星探測(cè)任務(wù)的初步條件，建議以長(zhǎng)征五號(hào)作為運(yùn)載火箭，將木星引力環(huán)境和木衛(wèi)四作為主要探測(cè)目標(biāo)，考慮木星磁場(chǎng)環(huán)境和借力飛行策略，進(jìn)一步完善木星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)。同時(shí)完善我國(guó)深空網(wǎng)Ka頻段通信能力，增大數(shù)據(jù)傳輸速率和提高定軌精度。建議以太陽(yáng)能電池板作為木星探測(cè)器能量來(lái)源，在月球和火星任務(wù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)木星光照環(huán)境，改進(jìn)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)，完善抗輻射性能。并完善探測(cè)器故障診斷、處理能力，提高系統(tǒng)可靠性，保證足夠的設(shè)計(jì)冗余。