ESA木星冰衛(wèi)星探測(cè)器（JUICE）探測(cè)任務(wù)工程問(wèn)題淺析

曹鴻謙，張正峰，馬繼楠，韓承志

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

0 引 言

太陽(yáng)系巨行星探測(cè)任務(wù)受到國(guó)際航天界的廣泛關(guān)注。木星是太陽(yáng)系最大的行星，木星及其衛(wèi)星探測(cè)令人充滿期待——對(duì)木星及其衛(wèi)星磁層、大氣層與相互關(guān)系的探索，有助于人類了解太陽(yáng)系巨行星的演變過(guò)程，并且發(fā)現(xiàn)適合生物的環(huán)境與可能存在的生命痕跡。特別是木衛(wèi)三，作為木星最大的衛(wèi)星，為可能的生物生存提供了天然環(huán)境條件，其周圍特殊的磁場(chǎng)與輻射環(huán)境也值得關(guān)注。

作為目前攜帶科學(xué)載荷重量最大、最先進(jìn)的深空探測(cè)器，木星冰衛(wèi)星探測(cè)器的發(fā)射必將帶來(lái)新的科學(xué)收獲。在該飛行器的總體設(shè)計(jì)上，構(gòu)型布局、軌道設(shè)計(jì)、能源選擇、科學(xué)載荷配置等方面有諸多亮點(diǎn)值得關(guān)注與借鑒。探測(cè)器成功發(fā)射后，冰衛(wèi)星探測(cè)雷達(dá)天線展開與故障處置過(guò)程也能夠?yàn)轭愃迫蝿?wù)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及在軌故障處理提供參考。

木星冰衛(wèi)星探測(cè)器攜帶的科學(xué)載荷類型多、科學(xué)目標(biāo)高，得到多個(gè)國(guó)家的廣泛參與。在世界航天快速發(fā)展、深空探測(cè)任務(wù)備受關(guān)注的21世紀(jì)20年代，其發(fā)射將帶給航天科技、空間科學(xué)等領(lǐng)域新的期待，并積累工程任務(wù)經(jīng)驗(yàn)，也為中國(guó)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)帶來(lái)思考、啟發(fā)與借鑒。

1 任務(wù)目標(biāo)及研發(fā)背景

木星冰衛(wèi)星探測(cè)器（JUICE）作為ESA《宇宙愿景2015—2025》（Cosmic Vision 2015-2025）規(guī)劃中的L1級(jí)任務(wù)[1-2]而備受重視，也受到國(guó)際航天界廣泛關(guān)注。作為繼伽利略號(hào)、朱諾號(hào)后的第3個(gè)木星探測(cè)飛行器，JUICE探測(cè)器將瞄準(zhǔn)多個(gè)未知領(lǐng)域開展探索。該任務(wù)旨在探測(cè)巨行星木星及其冰衛(wèi)星，尤其關(guān)注木星冰衛(wèi)星的地下海洋資源，以探索氣態(tài)巨行星的形成、地外生命可能存在的痕跡等太陽(yáng)系演化過(guò)程，進(jìn)而有望在行星演化科學(xué)與空間生物科學(xué)等領(lǐng)域做出重大科學(xué)突破。

圖1 JUICE探測(cè)器在軌飛行狀態(tài)示意圖

具體而言，JUICE任務(wù)的探索目標(biāo)為木星及其三大衛(wèi)星（木衛(wèi)二Europa、木衛(wèi)三Ganymede和木衛(wèi)四Callisto），它將探索木星的復(fù)雜環(huán)境，探究其冰衛(wèi)星是否有可能作為生命棲息地，并將其作為氣態(tài)巨行星的演化原型研究宇宙中的類木行星系統(tǒng)。任務(wù)過(guò)程中，JUICE探測(cè)器將飛越木星系衛(wèi)星達(dá)35次之多[3]。值得一提的是，在任務(wù)的最后階段，探測(cè)器將環(huán)繞木衛(wèi)三進(jìn)行探測(cè)，用于發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三海洋中可能存在的生命痕跡——JUICE探測(cè)器將成為首顆地外行星衛(wèi)星的環(huán)繞探測(cè)器。

JUICE探測(cè)器的任務(wù)規(guī)劃最早可追溯至2008年，當(dāng)時(shí)ESA與NASA商議合作開展“外行星旗艦探索任務(wù)”（Outer planet flagship mission），并確定“木衛(wèi)二－木星系統(tǒng)任務(wù)”（EJSM-Laplace）作為伽利略號(hào)的后續(xù)任務(wù)[4]。該任務(wù)計(jì)劃對(duì)木星冰衛(wèi)星開展探測(cè)，包含NASA負(fù)責(zé)研制的“木衛(wèi)二軌道器”（Jupiter Europa orbiter，JEO）和ESA研制的“木衛(wèi)三軌道器”（Jupiter Ganymede orbiter，JGO），兩個(gè)探測(cè)器分別發(fā)射，獨(dú)立開展探測(cè)任務(wù)。2011年，雙方終止合作。2012年，木星冰衛(wèi)星探索任務(wù)作為ESA《宇宙愿景2015—2025》的首個(gè)大型（L級(jí)）項(xiàng)目列入規(guī)劃，經(jīng)費(fèi)預(yù)算約16億歐元；NASA將木衛(wèi)二的探索任務(wù)更名為“木衛(wèi)二－快船”（Europa Clipper）[5]。

盡管ESA與NASA終止了早期的任務(wù)合作，在JUICE探測(cè)器的研制過(guò)程中國(guó)際合作仍發(fā)揮了重要作用。該探測(cè)器由空中客車防務(wù)與航天公司抓總研制，NASA、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）及以色列航天局（ISA）等多個(gè)國(guó)家（地區(qū)）航天機(jī)構(gòu)都有參與，其科學(xué)載荷由6個(gè)歐美國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)提供[6]。

2 任務(wù)介紹

2.1 發(fā)射過(guò)程

JUICE探測(cè)器于歐洲中部夏令時(shí)2023年4月14日14時(shí)14分在法屬圭亞那航天發(fā)射場(chǎng)由阿麗亞娜5（Ariane 5）重型運(yùn)載火箭成功發(fā)射。15時(shí)04分，澳大利亞新諾西亞地面站捕獲到探測(cè)器的信號(hào)，15時(shí)33分，探測(cè)器長(zhǎng)27 m的太陽(yáng)翼打開[7]。在發(fā)射后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，JUICE攜帶的監(jiān)視相機(jī)拍攝了第1組空間照片[8]。自4月17日開始，其有效載荷逐步展開，并進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)，直至5月12日，所有載荷都順利正常部署。

2.2 衛(wèi)星平臺(tái)

JUICE探測(cè)器的本體尺寸為4.09 m×2.86 m×4.35 m，展開后總包絡(luò)大小為16.8 m×27.1 m×13.7 m，主要由1個(gè)立方體艙體和2副大太陽(yáng)翼組成，艙體上向外伸展出的載荷還有冰衛(wèi)星探測(cè)雷達(dá)天線（RIME，16 m長(zhǎng)）、磁強(qiáng)計(jì)展開架（J-MAG，10.6 m長(zhǎng)）及半徑2.54 m的高增益天線（HGA）[3]。

JUICE探測(cè)器的總質(zhì)量約為6070 kg，其中干質(zhì)量2420 kg（含科學(xué)載荷質(zhì)量280 kg），另有3650 kg的化學(xué)推進(jìn)劑。

JUICE探測(cè)器的系統(tǒng)組成如圖2所示[9]。

圖2 JUICE結(jié)構(gòu)拆解圖[9]

1）探測(cè)器將結(jié)構(gòu)、防護(hù)與熱控系統(tǒng)歸為一個(gè)分系統(tǒng)（SSTS）[10]。探測(cè)器內(nèi)部構(gòu)型布局緊湊，外部采用箱板式結(jié)構(gòu)，中心為直徑1.666 m的承力筒，四周箱板采用框架式結(jié)構(gòu)板，為碳纖維增強(qiáng)鋁制蜂窩狀結(jié)構(gòu)，并涂有鉛層以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射的屏蔽；內(nèi)部同時(shí)設(shè)有熱控流體回路，以實(shí)現(xiàn)熱流的均勻分布，探測(cè)器外部設(shè)置有熱控多層隔熱組件。

2）電子系統(tǒng)設(shè)備主要安裝在±X面?zhèn)劝鍍?nèi)部，以實(shí)現(xiàn)集中分布，便于進(jìn)行溫度控制，并可以集中進(jìn)行輻射防護(hù)。探測(cè)器巧妙地利用動(dòng)量輪和電池作為防輻射屏蔽層。-Y側(cè)安裝有磁強(qiáng)計(jì)（J-MAG）的校準(zhǔn)線圈，中增益天線（MGA）采用雙軸結(jié)構(gòu)形式（φ=0.5 m）。

3）探測(cè)器共有兩副太陽(yáng)翼，由砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)電池陣列組成，分別安裝在±Y側(cè)板上。每側(cè)太陽(yáng)翼有5塊2.5 m×3.5 m的太陽(yáng)能電池板，呈十字形排列[3]。太陽(yáng)翼總面積約85 m2，盡管遠(yuǎn)離太陽(yáng)約8億千米，仍能產(chǎn)生850 W功率以支持任務(wù)實(shí)施。

4）探測(cè)器采用三軸穩(wěn)定控制方式，由反作用動(dòng)量輪和推進(jìn)系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。推進(jìn)系統(tǒng)的兩個(gè)燃料儲(chǔ)箱（單個(gè)1630 L）安裝于承力筒內(nèi)部，旁邊連有高壓氣瓶。探測(cè)器采用雙組元化學(xué)燃料推進(jìn)系統(tǒng)，配置有450 N發(fā)動(dòng)機(jī)，以及4對(duì)22 N推力器和6對(duì)10 N推力器，用于軌道和姿態(tài)控制。

5）探測(cè)器通信使用直徑2.54 m的高增益天線，布置在-X軸方向，可以實(shí)現(xiàn)X波段和Ka波段的通信；探測(cè)器自身數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力為1.25 Tb，下行數(shù)據(jù)量不小于1.4 Gbit/天。

2.3 有效載荷

JUICE探測(cè)器攜帶有10臺(tái)/套科學(xué)載荷[11-12]，來(lái)自意大利（3）、瑞典（2）、德國(guó)（2）、法國(guó)（1）、美國(guó)（1）、英國(guó)（1）等6個(gè)國(guó)家，載荷總質(zhì)量在已有的星際探測(cè)任務(wù)中最重。在軌期間，各類科學(xué)載荷將開展光學(xué)成像、紫外成像、亞毫米波探測(cè)、潮汐與形貌變化、磁場(chǎng)測(cè)量、粒子環(huán)境測(cè)量、放射性環(huán)境測(cè)量等探測(cè)[13]。

科學(xué)載荷設(shè)備大多放置在+Z面附近，其中光學(xué)載荷主要指向+Z方向。JUICE探測(cè)器還將利用測(cè)控通信系統(tǒng)和地基甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）系統(tǒng)對(duì)航天器的位置和速度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定，并研究木星和冰衛(wèi)星的重力場(chǎng)。

圖3 JUICE探測(cè)器攜帶載荷布局示意圖[3]

2.4 飛行軌道設(shè)計(jì)

JUICE探測(cè)器作為深空探測(cè)領(lǐng)域中一次舉世矚目的飛行任務(wù)，在軌道設(shè)計(jì)上也創(chuàng)新地利用了多次借力飛行，如圖4所示[9]。值得注意的是，JUICE探測(cè)器將首次利用地-月系統(tǒng)進(jìn)行借力飛行加速。

按照設(shè)計(jì)，JUICE探測(cè)器于2023年4月發(fā)射，在隨后為期八年的飛行期間，將經(jīng)歷4次借力飛行，分別于地球和金星附近完成，以實(shí)現(xiàn)向木星系的飛越。第一次飛越將在2024年8月實(shí)施，JUICE探測(cè)器將在飛越地球1天半后飛越月球，隨后探測(cè)器將于2025年8月抵達(dá)金星，并于2026年9月和2029年1月兩次飛越地球，最終于2031年7月抵達(dá)木星軌道[14]。

JUICE探測(cè)器飛行任務(wù)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)見表1。

表1 JUICE探測(cè)器飛行任務(wù)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)

圖4 JUICE探測(cè)器在軌飛行過(guò)程[9]

JUICE探測(cè)器進(jìn)入木星軌道后，逐步開展探測(cè)任務(wù)。探測(cè)器將通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)和借力飛行，先后飛越木衛(wèi)二、木衛(wèi)四，最后進(jìn)入環(huán)木衛(wèi)三的橢圓軌道。

JUICE探測(cè)器將兩次飛越木衛(wèi)二，在約400 km高度軌道上進(jìn)行探測(cè)。受限于木衛(wèi)二的強(qiáng)磁場(chǎng)影響，探測(cè)器在木衛(wèi)二軌道附近停留時(shí)間較短。探測(cè)器計(jì)劃飛越木衛(wèi)四21次，軌道高度約為200 km。作為離木星最遠(yuǎn)的衛(wèi)星，木衛(wèi)四與木衛(wèi)二自然條件相異，其坑坑洼洼的表面被認(rèn)為具有悠久的歷史，在其冰層下面可能富含水資源。

在環(huán)繞木衛(wèi)三之前，JUICE探測(cè)器將完成12次木衛(wèi)三飛越[15]，最近距離約420 km。在進(jìn)入目標(biāo)軌道的過(guò)程中，先后變換為5000 km、500 km的圓軌道，完成測(cè)繪和探測(cè)任務(wù)后降低至200 km軌道[16]。

2.5 環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

JUICE探測(cè)器在任務(wù)過(guò)程中將經(jīng)受四重考驗(yàn)——強(qiáng)輻射照射、低能源供給、長(zhǎng)距離通信和復(fù)雜空間環(huán)境。

尤其在防空間輻射干擾和熱控實(shí)施方面，JUICE探測(cè)器采取了以下2項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

（1）木星系周邊有很強(qiáng)的空間輻射，主要是磁層中的束縛電子影響，較太陽(yáng)質(zhì)子高出幾個(gè)量級(jí)。針對(duì)強(qiáng)輻射環(huán)境，JUICE探測(cè)器采用多種防輻射與屏蔽設(shè)計(jì)[17]，除了采用常規(guī)的多層導(dǎo)電材料包覆外，還將電子敏感器件盡可能放置在兩個(gè)頂板（分別位于±X側(cè)，圖5紅框中所示）中間，頂板使用含鉛防護(hù)的加強(qiáng)碳纖維材料；此外，還在較為薄弱的電子器件上采用鋁或鉭金屬實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)式”防護(hù)。

圖5 工程師正在安裝含鉛防護(hù)頂板（紅線框內(nèi)）[17]

同時(shí)，科研人員在JUICE探測(cè)器上安裝了一臺(tái)高能電子輻射檢測(cè)儀（RADEM，如圖6所示），用來(lái)檢測(cè)探測(cè)器上接收到的高能電子輻射，該傳感器可與探測(cè)器上攜帶的磁強(qiáng)計(jì)、粒子探測(cè)儀、等離子體探測(cè)儀等其他儀器進(jìn)行交叉驗(yàn)證，對(duì)空間輻射模型與在軌環(huán)境進(jìn)行確認(rèn)。

（2）JUICE探測(cè)器采用多種方式實(shí)現(xiàn)熱控設(shè)計(jì)[18]。探測(cè)器外部鋪設(shè)有多層隔熱組件材料，總面積超過(guò)45 m2。多層隔熱組件包含25層聚酰亞胺隔膜，其安裝與探測(cè)器結(jié)構(gòu)板距離約為20 mm，以實(shí)現(xiàn)熱輻射隔離。針對(duì)多年在軌飛行過(guò)程中不同的熱環(huán)境條件，探測(cè)器各部位采取不同的防熱措施。

同時(shí)，探測(cè)器有效利用高增益天線進(jìn)行熱控。該天線位于面向太陽(yáng)的-X軸，表面涂有白漆，可以阻擋陽(yáng)光照射。多層隔離、低熱導(dǎo)率支座和隔熱墊等也被用于實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)。

在探測(cè)器內(nèi)部，所有設(shè)備安裝在L型熱管上方，以形成良好的熱傳導(dǎo)。外部光學(xué)設(shè)備與遙感設(shè)備采取被動(dòng)熱控措施，并且與探測(cè)器本體實(shí)現(xiàn)熱隔離安裝。

圖6 JUICE探測(cè)器RADEM傳感器[17]

圖7 RIME天線示意圖[19]

圖8 RIME天線鉸鏈（左）與熱刀結(jié)構(gòu)（右）

3 天線故障情況與處置情況

探測(cè)器入軌后，太陽(yáng)翼和中增益天線順利展開。隨后各科學(xué)載荷逐步開機(jī)，直至5月全部部署到位，并進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)[19]。然而RIME天線在4月17日展開過(guò)程中遇到困難，經(jīng)采取一系列處理措施后，于5月12日展開到位。

RIME天線用于探測(cè)木星冰衛(wèi)星的地表及地下約9 km內(nèi)的結(jié)構(gòu)，研究氣態(tài)巨行星周邊可供生存的環(huán)境，進(jìn)而探究太陽(yáng)系的形成過(guò)程[20-21]。天線由多段組成，其初始狀態(tài)如圖7~圖9所示，在發(fā)射過(guò)程中為折疊放置狀態(tài)。根據(jù)公開資料，其固定方式采用熱刀機(jī)構(gòu)。

RIME天線的設(shè)計(jì)展開過(guò)程如圖10所示，其連接處采用彈性鉸鏈，在固定熱刀解鎖后各關(guān)節(jié)依次彈開，完全展開后的RIME天線應(yīng)由8段組成，其中展開部分為6段，另兩段重疊（如圖10紅框所示）。

圖10 RIME天線展開過(guò)程示意圖[19]

圖11為展開過(guò)程的細(xì)節(jié)（對(duì)應(yīng)圖10(c)），其中紅圈處為天線的兩個(gè)關(guān)節(jié)，整根天線共有6個(gè)類似的關(guān)節(jié)，它們是RIME天線正常展開的保障。

圖11 RIME天線展開過(guò)程細(xì)節(jié)圖[19]

RIME雷達(dá)的首次展開動(dòng)作于4月17日開始，在折疊天線的第一次展開過(guò)程中，僅有兩側(cè)的第一部分展開。圖12依次展示了(a)鎖定釋放前，(b)鎖定釋放后，(c)第一段部署完成后，(d)嘗試部署第二段和第三段，(e)天線未完全展開狀態(tài)的圖像畫面。從圖中可見，RIME天線的其余4段仍舊折疊在一起[19,23]。

圖12 RIME雷達(dá)嘗試展開過(guò)程[22]

在前2幅圖像中，RIME天線隨著解鎖裝置的釋放而移動(dòng)。第3張圖中，可見上部第一段消失，表明已成功展開至180°的水平狀態(tài)；第4張圖記錄了天線第二和第三段嘗試展開的過(guò)程，可能被天線另一側(cè)的安裝支架阻擋，未能展開（不在本相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)）；第5張圖中，探測(cè)器磁強(qiáng)計(jì)展開架部署過(guò)程中的振動(dòng)，進(jìn)一步推動(dòng)RIME天線展開，根據(jù)估算，天線移動(dòng)約5 cm（圖中白色箭頭所示）。

飛控人員推測(cè)，可能在熱刀裝置釋放過(guò)程中有小卡銷（tiny stuck pin）對(duì)其他部分形成卡滯。為了使卡銷脫離，飛控人員先后嘗試了2種方式：1）啟動(dòng)JUICE探測(cè)器發(fā)動(dòng)機(jī)，為其提供推力，繼而產(chǎn)生振動(dòng)促使卡銷運(yùn)動(dòng)；2）調(diào)整探測(cè)器姿態(tài)，使RIME天線朝向太陽(yáng)加熱，通過(guò)機(jī)構(gòu)受熱膨脹促使卡銷活動(dòng)。通過(guò)探測(cè)器攜帶的監(jiān)視相機(jī)，可以看到RIME天線產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，但并沒(méi)有彈開[22]。

5月12日，飛控人員解鎖了支架附近的非爆炸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（NEA），希望利用其產(chǎn)生的沖擊能將卡銷移動(dòng)數(shù)毫米，促使RIME天線松開。由圖13所示的震蕩曲線可以看出，其中一側(cè)天線在展開過(guò)程中來(lái)回?cái)[動(dòng)，隨后穩(wěn)定到伸展位置[24]。

圖13 NEA驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作后測(cè)量到的震蕩曲線[24]

圖14展示了RIME天線的一側(cè)在受到?jīng)_擊后展開的過(guò)程。

圖14 RIME天線的一端展開過(guò)程[24]

飛控團(tuán)隊(duì)通過(guò)解鎖支架上的另一個(gè)非爆炸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得RIME天線另一側(cè)完全展開到位，其過(guò)程圖15如所示[24]。

圖15 RIME天線另一側(cè)展開過(guò)程[24]

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，完全展開后的RIME天線信號(hào)強(qiáng)度較展開前增大1000倍（30 dB），天線功能可正常運(yùn)行[25]。

圖16 RIME天線展開前后信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比[25]

4 啟發(fā)與思考

自1973年NASA發(fā)射先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)器對(duì)木星展開探測(cè)以來(lái)，50年間，先后有先驅(qū)者11號(hào)、旅行者1號(hào)、旅行者2號(hào)、尤利西斯號(hào)、伽利略號(hào)、卡西尼-惠根斯號(hào)、新視野號(hào)、朱諾號(hào)等9次木星相關(guān)探測(cè)任務(wù)，其中多為NASA主導(dǎo)。除了伽利略號(hào)與朱諾號(hào)執(zhí)行環(huán)繞木星探測(cè)任務(wù)外，其他8次任務(wù)均為飛越。JUICE探測(cè)器是ESA《宇宙愿景2015—2025》中的L級(jí)重要任務(wù)，有望成為木衛(wèi)三的人造衛(wèi)星，在人類深空探測(cè)史上尚屬首次。該任務(wù)盡管仍在開始階段，就目前已有的發(fā)射與在軌運(yùn)行過(guò)程，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域任務(wù)規(guī)劃、飛行器設(shè)計(jì)也有諸多啟示。

4.1 飛行軌道設(shè)計(jì)

深空探測(cè)任務(wù)中探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)利用天體借力的理論早已形成，具體的發(fā)射窗口對(duì)應(yīng)的軌道特點(diǎn)是任務(wù)高效執(zhí)行的關(guān)鍵。科學(xué)合理地利用地外天體運(yùn)行相位，可以實(shí)現(xiàn)高效的軌道轉(zhuǎn)移，從而有效節(jié)約推進(jìn)劑與時(shí)間成本。

JUICE任務(wù)過(guò)程中，巧妙地利用多次地-月系統(tǒng)引力、金星引力和木星引力借力飛行，其中地-月系統(tǒng)借力在深空探測(cè)任務(wù)中尚屬首次，其新穎的設(shè)計(jì)給未來(lái)的任務(wù)帶來(lái)啟示與借鑒。

4.2 防故障設(shè)計(jì)與預(yù)案設(shè)計(jì)

飛行器在軌故障將影響任務(wù)成功實(shí)施。盡管可以通過(guò)多種手段實(shí)現(xiàn)故障排除，但其過(guò)程總有不必要的人力、精力與時(shí)間的消耗。對(duì)于機(jī)械類產(chǎn)品部件，很難通過(guò)地面飛控手段進(jìn)行故障排除與修復(fù)。以JUICE探測(cè)器經(jīng)歷的RIME天線展開故障為例，該天線在探測(cè)器發(fā)射時(shí)采用彈性鉸鏈折疊方式固定，在軌過(guò)程中靠其本身的彈性與剛度展開。采用記憶合金等機(jī)械結(jié)構(gòu)或許更有利于實(shí)現(xiàn)折疊天線的展開。

有文章報(bào)道[26]，自1961年以來(lái)，機(jī)構(gòu)類展開故障在太陽(yáng)能帆板、天線、桿件與繩索類產(chǎn)品中頻發(fā)，結(jié)構(gòu)的膨脹/收縮、表面附著力、粘滯、剛度變化等力學(xué)特性是其主要影響因素。對(duì)應(yīng)地，在機(jī)械故障的處理方面，可以利用外界沖擊或振動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、火工品、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生）施加激勵(lì)，或利用飛行器姿態(tài)控制、熱分布特性等方式實(shí)現(xiàn)故障的有效處置，類似方法在RIME天線展開過(guò)程中均有涉及。此外，如能兼顧重量、成本和可靠性，還應(yīng)考慮加入主動(dòng)解鎖/展開方式，盡管較為復(fù)雜，但更為可控，在飛行過(guò)程中出現(xiàn)意外，還可以通過(guò)地面飛控手段施加補(bǔ)救措施。

同時(shí)，總體方案設(shè)計(jì)的可靠性、地面試驗(yàn)驗(yàn)證的有效性、故障預(yù)案設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)排查的全面性也至關(guān)重要；對(duì)于深空復(fù)雜的空間環(huán)境與熱環(huán)境，在重力補(bǔ)償條件和熱模擬條件下展開地面試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)機(jī)構(gòu)功能性能進(jìn)行測(cè)試，保證飛行任務(wù)期間工作順利開展。

4.3 科學(xué)探測(cè)設(shè)計(jì)與載荷配置方面

伽利略號(hào)攜帶有相機(jī)、近紅外分光儀、磁強(qiáng)儀、測(cè)云儀、大氣結(jié)構(gòu)儀等17種科學(xué)儀器，開展木星大氣層結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、溫度等特征的研究；朱諾號(hào)攜帶有9臺(tái)，開展木星引力探測(cè)、極光（等離子體環(huán)境）探測(cè)、高能粒子分布、磁強(qiáng)、微波輻射、紫外成像等特性研究。

對(duì)比以往環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，JUICE探測(cè)器攜帶有10臺(tái)科學(xué)載荷，總質(zhì)量達(dá)280 kg。作為首個(gè)ESA主導(dǎo)的木星系探測(cè)項(xiàng)目，載荷種類可算豐富。從載荷角度分析，該任務(wù)有以下點(diǎn)特色：

1）搭載多種類載荷，對(duì)多天體進(jìn)行探測(cè)，適應(yīng)多目標(biāo)探測(cè)任務(wù)。10臺(tái)載荷覆蓋了遠(yuǎn)場(chǎng)遙感與近場(chǎng)原位測(cè)量，兼顧光學(xué)成像與粒子及能譜測(cè)量，可以全面探測(cè)天體系統(tǒng)特性；幾類載荷的數(shù)據(jù)能相互補(bǔ)充，也各有側(cè)重。

2）探測(cè)任務(wù)科學(xué)性強(qiáng)、載荷性能先進(jìn)、載荷總重也創(chuàng)歷史新高。除了常見的相機(jī)系統(tǒng)與成像光譜儀，探測(cè)器搭載了多臺(tái)（套）雷達(dá)、電磁波測(cè)量?jī)x設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)天體系統(tǒng)地表或大氣分層結(jié)構(gòu)、電磁及等離子體環(huán)境的探測(cè)；載荷中有4臺(tái)為研究木衛(wèi)三特性的儀器，也體現(xiàn)了本次任務(wù)探測(cè)的重點(diǎn)——發(fā)現(xiàn)木星冰衛(wèi)星可能存在的生命跡象。

3）作為ESA主導(dǎo)的深空探測(cè)任務(wù)，JUICE任務(wù)也充分體現(xiàn)了多國(guó)合作的優(yōu)勢(shì)。探測(cè)器研制過(guò)程中，國(guó)際知名科研機(jī)構(gòu)參與度高，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；有利于集中優(yōu)勢(shì)力量，分?jǐn)傃兄瞥杀?，同時(shí)也能做到風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)。

4.4 深空探測(cè)任務(wù)能源選擇

JUICE探測(cè)器的一大亮點(diǎn)在于其攜帶的大面積太陽(yáng)能帆板。盡管遠(yuǎn)離太陽(yáng)，大面積的太陽(yáng)電池陣仍可為飛行任務(wù)提供足夠支撐能量。該探測(cè)器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，木星距離以內(nèi)的深空探測(cè)器，可以優(yōu)先選擇太陽(yáng)能作為動(dòng)力來(lái)源。相比于核動(dòng)力，太陽(yáng)能仍是高效率低成本的能量來(lái)源。

4.5 中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)

根據(jù)中國(guó)行星探測(cè)工程規(guī)劃，將于2030年前后發(fā)射“天問(wèn)四號(hào)”探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)木星和天王星的探測(cè)，其中主探測(cè)器將進(jìn)入木星系，并對(duì)木星衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè)，該任務(wù)將加深人類對(duì)木星系統(tǒng)演化歷程的認(rèn)知。

國(guó)際上深空探測(cè)領(lǐng)域更加注重科學(xué)性與前沿性。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，中國(guó)航天在深空探測(cè)領(lǐng)域積累了較好的技術(shù)基礎(chǔ)，具備了開展瞄準(zhǔn)科學(xué)前沿問(wèn)題開展深空探測(cè)任務(wù)的能力，后續(xù)可根據(jù)空間科學(xué)發(fā)展需求，制定合適的深空探測(cè)任務(wù)規(guī)劃，為未來(lái)的空間科學(xué)研究做出新的貢獻(xiàn)。同時(shí)，也需要廣泛開展國(guó)際合作，實(shí)現(xiàn)共建共享共贏。

5 結(jié)束語(yǔ)

航天科技的快速發(fā)展，牽引人類認(rèn)知宇宙的步伐不斷向前。深空探測(cè)任務(wù)研制周期長(zhǎng)、技術(shù)難度大、創(chuàng)新要求高，科學(xué)成果產(chǎn)出豐碩，任務(wù)意義重大。

JUICE探測(cè)器作為當(dāng)前世界最先進(jìn)的木星系探測(cè)器，將會(huì)有許多前沿的科學(xué)產(chǎn)出。隨著器上各科學(xué)載荷機(jī)構(gòu)的順利展開，JUICE進(jìn)入飛行階段，期待JUICE探測(cè)器8年飛行之旅后的更多精彩表現(xiàn)。