伍曉京 張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)“朱諾”木星探測(cè)器變軌故障與影響

Failure and Influence of NASA Juno Maneuver

伍曉京 張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

“朱諾”（Juno）是美國(guó)的木星探測(cè)器，是繼“伽利略”（Galileo）木星探測(cè)器后的全球第二個(gè)木星探測(cè)器，于2011年8月5日由宇宙神-5（Atlas-5）運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角發(fā)射。任務(wù)目標(biāo)是研究木星的起源與演變，探測(cè)木星大氣、引力場(chǎng)、磁場(chǎng)以及磁球?qū)樱{(diào)查木星上是否存在冰巖芯，確定木星上水的含量，并尋找氧氣。

“朱諾”采用了先進(jìn)的太陽(yáng)電池陣技術(shù)，是在以往探測(cè)過(guò)木星的深空探測(cè)器中首個(gè)使用太陽(yáng)電池陣的探測(cè)器，在采用太陽(yáng)電池陣的深空探測(cè)器中飛行距離最遠(yuǎn)。此外，“朱諾”探測(cè)器還針對(duì)木星嚴(yán)苛的輻射環(huán)境，首次采用了電子元器件輻射防護(hù)裝置。

2016年7月4日，“朱諾”歷經(jīng)近5年的飛行，成功抵達(dá)木星并進(jìn)入木星軌道。2016年10月，“朱諾”原計(jì)劃進(jìn)行變軌，然而由于燃料增壓系統(tǒng)閥門(mén)故障，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）決定推遲變軌時(shí)間，并稱不變軌并不會(huì)影響“朱諾”的探測(cè)成果。2017年2月18日，美國(guó)宣布“朱諾”木星探測(cè)器將保持在當(dāng)前的53天軌道上運(yùn)行直至任務(wù)結(jié)束，不再按原計(jì)劃變軌至14天軌道。實(shí)際上，由于變軌失敗，“朱諾”原計(jì)劃于2018年2月結(jié)束的主任務(wù)將由計(jì)劃的繞木星30余圈減少到10余圈，探測(cè)木星同一位置的頻率比原計(jì)劃大大降低，探測(cè)成果將受到影響。且從2019年起，“朱諾”將長(zhǎng)時(shí)間位于木星陰影區(qū)，超出了原先的設(shè)計(jì)上限，在此期間太陽(yáng)電池翼無(wú)法對(duì)星上電池組充電，可能使電池組發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞甚至失效。

1 “朱諾”探測(cè)器變軌故障事件還原

“朱諾”于2011年8月5日發(fā)射，2016年7月4日進(jìn)入木星軌道，一直工作正常，原計(jì)劃在2016年10月19日接近木星時(shí)進(jìn)行主發(fā)動(dòng)機(jī)的最后一次點(diǎn)火，使探測(cè)器由周期為53天的“捕獲軌道”進(jìn)入周期為14天的“科學(xué)軌道”，正式進(jìn)入科學(xué)探測(cè)階段。然而在點(diǎn)火前不到一周，NASA稱，由于“朱諾”燃料增壓系統(tǒng)上的2個(gè)閥門(mén)存在問(wèn)題，推遲“朱諾”的點(diǎn)火操作?！爸熘Z”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人瑞克·里巴肯在2016年10月14日的一份聲明中指出，遙測(cè)信號(hào)顯示兩個(gè)在點(diǎn)火中起關(guān)鍵作用的氦氣單向閥在前一天地面發(fā)出一段指令時(shí)沒(méi)有按預(yù)期工作。閥門(mén)應(yīng)該在數(shù)秒鐘之內(nèi)打開(kāi)，但實(shí)際上卻花了數(shù)分鐘才打開(kāi)。因此需要在主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前進(jìn)一步弄清楚問(wèn)題所在。

當(dāng)時(shí)NASA官員表示，下一次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的可能時(shí)間是在“朱諾”下一次抵達(dá)近木點(diǎn)時(shí)，即2016年12月11日?！爸熘Z”團(tuán)隊(duì)原計(jì)劃只使用探測(cè)器上9個(gè)科學(xué)設(shè)備中的一部分在原計(jì)劃的木星飛越過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)。但由于閥門(mén)故障，所有儀器都被啟動(dòng)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員表示，即使“朱諾”無(wú)法進(jìn)入14天軌道，仍然能收集到有關(guān)木星的數(shù)據(jù)。

“朱諾”計(jì)劃變軌示意圖

“朱諾”項(xiàng)目首席專家斯科特·波頓稱，軌道周期對(duì)“朱諾”飛越木星時(shí)收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量沒(méi)有影響。任務(wù)在這一點(diǎn)上其實(shí)很靈活。“朱諾”是在近木點(diǎn)實(shí)施大部分科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，因此無(wú)論軌道周期為53天還是14天，“朱諾”的探測(cè)區(qū)域是大致相同的。他還表示，在2016年8月27日的首次飛越中收集到的數(shù)據(jù)就是證明，并預(yù)計(jì)10月19日的飛越收集的數(shù)據(jù)情況會(huì)很相似。波頓還說(shuō)：“即使‘朱諾’停留在53天周期的軌道上，繞木星的每一圈仍然和14天軌道具有相同的價(jià)值。我們最初想將軌道調(diào)整為14天周期，是因?yàn)槲覀兿敫斓孬@得科學(xué)探測(cè)結(jié)果，但實(shí)際上并沒(méi)有強(qiáng)制要求要那樣做?！?/p>

所謂“禍不單行”，2016年10月18日，即“朱諾”以5000km近距離飛越木星的前一天，星上軟件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致星上計(jì)算機(jī)重啟，探測(cè)器進(jìn)入安全模式。而當(dāng)時(shí)NASA官員表示，這是由軟件性能監(jiān)視器導(dǎo)致的星上計(jì)算機(jī)重啟，與“朱諾”推進(jìn)系統(tǒng)閥門(mén)的問(wèn)題無(wú)關(guān)。

2016年10月24日，“朱諾”恢復(fù)運(yùn)行模式。里巴肯表示，“朱諾”目前看起來(lái)一切正常，并對(duì)所有指令都有所回應(yīng)。預(yù)計(jì)會(huì)在1 1月初開(kāi)啟探測(cè)器上的設(shè)備，為12月的飛越做好準(zhǔn)備。

為準(zhǔn)備2016年12月11日的飛越，“朱諾”進(jìn)行了一次“軌道匹配”，小型推力器點(diǎn)火31min，將速度變?yōu)?.3km/h。

然而2017年2月18日，NASA宣布，“朱諾”將停留在目前的53天軌道上直至2018年2月主任務(wù)結(jié)束，這表示其已放棄原先的變軌計(jì)劃。至此，“朱諾”已經(jīng)環(huán)繞木星運(yùn)行了4圈。

2 “朱諾”探測(cè)器基本情況

項(xiàng)目背景

“朱諾”探測(cè)器是NASA“新疆域計(jì)劃”（New Frontier Program）的第2個(gè)探測(cè)器，項(xiàng)目總成本為11億美元，包括探測(cè)器研發(fā)、科學(xué)儀器、發(fā)射服務(wù)、任務(wù)運(yùn)行、科學(xué)研究與中繼支持。項(xiàng)目由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）管理，項(xiàng)目首席專家為美國(guó)西南研究院的斯科特·波頓。該項(xiàng)目所屬的“新疆域計(jì)劃”由馬歇爾航天飛行中心（MSFC）管理，探測(cè)器由洛馬公司（LM）制造，任務(wù)發(fā)射管理由NASA肯尼迪航天中心負(fù)責(zé)。

探測(cè)目標(biāo)

“朱諾”的主要探測(cè)目標(biāo)是揭示木星的形成和演變過(guò)程。探測(cè)器在大橢圓極軌道上工作，觀測(cè)木星的引力場(chǎng)和磁場(chǎng)，研究木星大氣動(dòng)力學(xué)和組成，探測(cè)木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大氣和磁氣圈的情況，研究木星的起源和演變，有助于人類理解太陽(yáng)系和其他恒星周圍的行星系統(tǒng)的起源。

探測(cè)器主要性能參數(shù)

“朱諾”探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量為3625kg，干質(zhì)量為1593kg，燃料和氧化劑總質(zhì)量為2032kg。主平臺(tái)為直徑3.5m、高3.5m的六邊形柱體結(jié)構(gòu)，3個(gè)太陽(yáng)電池翼從柱體側(cè)面伸出。平臺(tái)艙頂部中央裝有0.8m×0.8m×0.6m的鈦合金防輻射屏蔽裝置，厚度約1cm，質(zhì)量150kg，該裝置將探測(cè)器的中央處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及電子單元保護(hù)起來(lái)，以抵御木星輻射影響。推進(jìn)系統(tǒng)包括1臺(tái)雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)和12個(gè)單元肼推力器，其中645N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于變軌機(jī)動(dòng)；12個(gè)單組元推力器用于姿態(tài)控制及輔助軌道修正。電源系統(tǒng)采用3個(gè)總面積約60m2的太陽(yáng)電池翼（每個(gè)太陽(yáng)電池陣尺寸為9m×2.65m，太陽(yáng)電池陣單元為18698個(gè)）和2個(gè)55A·h的鋰離子蓄電池組。在地球軌道附近時(shí)，太陽(yáng)電池翼功率約為14kW；在木星軌道上時(shí)，太陽(yáng)電池翼功率約為400W。該探測(cè)器自旋穩(wěn)定，在任務(wù)的不同階段，有不同的速率自旋；其中巡航階段為1r/min，科學(xué)觀測(cè)階段為2r/min，在主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火機(jī)動(dòng)期間為5r/min。主任務(wù)通信采用X頻段，裝有高增益天線、低增益天線和螺旋天線，地球上采用NASA深空網(wǎng)的70m天線與其通信；探測(cè)器還為引力科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供Ka頻段雙工鏈路。探測(cè)器運(yùn)行于木星橢圓極軌道，遠(yuǎn)木點(diǎn)為39個(gè)木星半徑，近木點(diǎn)為1.06個(gè)木星半徑。

“朱諾”探測(cè)器的有效載荷包括引力科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置（Gravity Science）、磁強(qiáng)計(jì)（MAG）、微波輻射計(jì)（MWR）、木星高能粒子探測(cè)儀（JEDI）、木星極光分布實(shí)驗(yàn)裝置（JADE）、無(wú)線電和等離子體波探測(cè)儀（Waves）、紫外成像光譜儀（UVS）、木星紅外極光成像儀（JIRAM），以及“朱諾”相機(jī)（JunoCam）。

3 故障影響

探測(cè)頻率比原計(jì)劃大為降低，科學(xué)探測(cè)成果將受影響探測(cè)器將長(zhǎng)時(shí)間在木星陰影區(qū)運(yùn)行，將嚴(yán)重影響太陽(yáng)電池翼為電池組供電

由于未按預(yù)期縮短運(yùn)行周期，“朱諾”在整個(gè)任務(wù)期間繞木星運(yùn)行的圈數(shù)由計(jì)劃的每?jī)尚瞧谝蝗ψ優(yōu)槊?3天一圈，因此探測(cè)器繞木星的總?cè)?shù)會(huì)比原計(jì)劃大大減少，探測(cè)木星同一區(qū)域的頻率也大為降低，獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)將會(huì)受到影響。

“朱諾”14天軌道的設(shè)計(jì)，可保證其3個(gè)太陽(yáng)電池翼總能接收到太陽(yáng)光。但如果“朱諾”保持在53天軌道上運(yùn)行，從2019年開(kāi)始，即“朱諾”開(kāi)始其第20圈53天軌道時(shí)，太陽(yáng)電池翼將無(wú)法保持持續(xù)供電，將有6h的時(shí)間位于木星的陰影區(qū)中，在此期間，太陽(yáng)電池翼將無(wú)法為電池組充電。而當(dāng)初設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)并未考慮要承受如此長(zhǎng)時(shí)間在木星陰影區(qū)運(yùn)行的情況。

在變軌失敗后，波頓對(duì)記者表示，如果變軌最終不成功，“朱諾”的探測(cè)活動(dòng)會(huì)受到影響，“實(shí)際上，我們還是希望能夠使‘朱諾’進(jìn)入14天軌道，以完成基本任務(wù)?！熘Z’的基本任務(wù)是以5000km的近木點(diǎn)距離繞木星運(yùn)行32圈?！薄叭绻覀儽３衷?3天軌道，在第20圈時(shí)，探測(cè)器將經(jīng)歷6h的木星食，然而探測(cè)器并未進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，因此溫度將會(huì)變得過(guò)低，電池組會(huì)失效，且不清楚是否能夠恢復(fù)。”此外，波頓還告訴記者，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有很多時(shí)間來(lái)解決探測(cè)器主發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題，或找出一種使探測(cè)器不受木星陰影影響的方法。

然而，當(dāng)NASA宣布“朱諾”將停留在目前軌道上之后，NASA在其官方網(wǎng)站上并未提到上述幾點(diǎn)問(wèn)題，而是引用NASA分管科學(xué)任務(wù)部的副局長(zhǎng)托馬斯·祖布辛的話，“我們放棄點(diǎn)火是一件正確的事情，使‘朱諾’得以繼續(xù)它激動(dòng)人心的旅程?！盢ASA還表示，更長(zhǎng)的軌道賦予“朱諾”新機(jī)會(huì)去深度探測(cè)被木星磁場(chǎng)包圍的空間，增加了“朱諾”的價(jià)值。此外，“朱諾”每圈運(yùn)行遭受的輻射時(shí)間也會(huì)更短。