王帥 張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

2023年4月14日，歐洲航天局（ESA）的“木星冰衛(wèi)星探索者”（JUICE）探測器搭乘阿里安-5（Ariane-5）運載火箭發(fā)射升空。JUICE 任務(wù)將對木星及木星的3 顆冰衛(wèi)星——木衛(wèi)三（Ganymede）、木衛(wèi)四（Callisto）和木衛(wèi)二（Europa）進行詳盡觀測，揭秘冰衛(wèi)星的宜居性，探測木星系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境，推進人類對外太陽系的探索。

1 任務(wù)背景

早在2004年，ESA 開始制定歐洲未來十年的空間探索目標(biāo)，并最終形成了《宇宙愿景2015—2025》，明確了4 個科學(xué)主題：生命和行星形成的條件是什么？太陽系是如何工作的？宇宙的基本規(guī)律是什么？宇宙是如何開始的，它是由什么組成的？圍繞這些科學(xué)主題，ESA 征集并遴選出大型（L 級）、中型（M 級）、小型（S 級）和快速（F 級）任務(wù)，于2012年選定JUICE 作為首項大型任務(wù)，也被稱為“L1任務(wù)”。

JUICE 任務(wù)引入了國際合作，NASA 和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）均為有效載荷提供了硬件，NASA 還直接提供了一臺科學(xué)有效載荷。JUICE 探測器由空中客車防務(wù)與航天公司（ADS）領(lǐng)導(dǎo)的一個工業(yè)聯(lián)合體根據(jù)ESA 的要求建造，開發(fā)階段始于2015年，到2022年完成。

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

JUICE 任務(wù)將研究木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)二等木星冰衛(wèi)星的宜居性，揭示生命是否可以在宇宙的不同環(huán)境中出現(xiàn)，并對木星及其復(fù)雜環(huán)境進行研究，將木星系統(tǒng)作為宇宙中氣態(tài)巨行星的原型進行研究，增進對于太陽系演化的理解，解決《宇宙愿景2015—2025》的前兩個科學(xué)主題，并揭開以下5 個關(guān)鍵謎團：①木星的海洋世界是什么樣的？②木衛(wèi)三為什么如此獨特？③木星系統(tǒng)中有生命嗎？④木星復(fù)雜的環(huán)境是如何塑造其衛(wèi)星的，以及衛(wèi)星如何影響木星復(fù)雜的環(huán)境？⑤一顆典型的氣態(tài)巨行星是什么樣的？是如何形成的？工作原理是什么？

圍繞上述科學(xué)目標(biāo)，JUICE 任務(wù)將重點探索兩個方面：①冰衛(wèi)星的宜居性，表征木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)二的海洋、冰殼、組成、表面、環(huán)境和活動；②更廣泛的木星系統(tǒng)，探測木星的大氣層、磁環(huán)境、環(huán)系統(tǒng)和其他衛(wèi)星（包括木衛(wèi)一）。

（1）冰衛(wèi)星宜居性

JUICE 的探測重點是描述可能導(dǎo)致木星冰衛(wèi)星出現(xiàn)宜居環(huán)境的條件，特別聚焦于木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)二這3 顆具有內(nèi)部海洋的衛(wèi)星。其中，木衛(wèi)三是JUICE 任務(wù)的主要探測目標(biāo)，木衛(wèi)四和木衛(wèi)二的研究則將有助于進行對比研究。

探測木衛(wèi)三（延伸至木衛(wèi)四）的主要科學(xué)目標(biāo)是：表征海洋層，探測內(nèi)部海洋；繪制地表地形、地質(zhì)和成分圖；研究冰殼物理特性；表征內(nèi)部質(zhì)量分布、內(nèi)部動力學(xué)和演變；調(diào)查外逸層；研究木衛(wèi)三內(nèi)部磁場及其與木星磁層的相互作用。

探測木衛(wèi)二的重點是探索生命所必需的化學(xué)物質(zhì)，包括有機分子，以及了解木衛(wèi)二表面特征的形成和非水冰物質(zhì)的組成。此外，JUICE 將首次進行木衛(wèi)二的表層以下探測，包括首次確定最近活動區(qū)域的冰殼最小厚度。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，改善設(shè)施條件：2020年末，全省農(nóng)村社會福利服務(wù)中心100%符合《養(yǎng)老機構(gòu)服務(wù)質(zhì)量基本規(guī)范》的基本要求，床位利用率達到70%以上，委托社會力量運營管理的達到40%以上。

（2）更廣泛的木星系統(tǒng)

木星是太陽系巨行星的原型，也是目前已知環(huán)繞其他恒星運行的眾多巨行星的原型。了解木星系統(tǒng)并揭示其發(fā)展歷史，從起源到可能出現(xiàn)的宜居環(huán)境，將幫助人類更好地了解氣態(tài)巨行星及其衛(wèi)星是如何形成和演化的。此外，還將對類似木星的系外行星系統(tǒng)中生命存在的可能性提供新的線索。

JUICE 任務(wù)還將側(cè)重于表征木星系統(tǒng)中多樣性的活動，并調(diào)查木星系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)雜互動。其中，對木星大氣層的研究將集中于對其結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和組成的研究，調(diào)查不斷演變的天氣系統(tǒng)以及不同層之間能量、動量和物質(zhì)的輸送機制；對木星磁層的研究將包括木星盤的三維特性，磁層、電離層和熱層內(nèi)的耦合過程等，幫助闡明極光和無線電發(fā)射及其對太陽風(fēng)的反應(yīng)；還將研究衛(wèi)星與磁層的相互作用、“伽利略衛(wèi)星”的重力耦合以及長期潮汐演化等。

系統(tǒng)組成與有效載荷

（1）系統(tǒng)組成

JUICE 探測器發(fā)射質(zhì)量6070kg， 干質(zhì)量2420kg，發(fā)射時折疊尺寸為4.09m×2.86m×4.35m，在軌部署后尺寸為16.8m×27.1m×13.7m。采用三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，搭載10 塊太陽能電池板和直徑2.5m的高增益天線，探測器兩側(cè)各有5 塊太陽能電池板，每塊太陽能電池板的尺寸約為2.5m×3.5m，部署成兩個十字形陣列，總面積約85m2。

JUICE 探測器結(jié)構(gòu)

探測器設(shè)計的主要約束因素為木星周圍的高輻射環(huán)境、木星周圍陽光缺乏、距離地球遙遠、嚴(yán)酷的高溫和低溫等任務(wù)挑戰(zhàn)。針對高輻射運行環(huán)境，探測器主體由防護罩包裹，以保護內(nèi)部的敏感電子設(shè)備；針對距離太陽遙遠、陽光不充足的問題，探測器裝備了85m2的大型太陽能電池板，并且配備的電池可以保障探測器在陰影下生存5h 以上；針對距離地球遙遠、信號往返時間長達近2h 的問題，探測器搭載了2.5m 天線用于信息回傳，并且擁有強大的星載計算機以獨立解決一些問題；針對任務(wù)過程中將經(jīng)歷+250 ～-230℃的極端溫度環(huán)境，探測器裝備了保持內(nèi)部溫度穩(wěn)定的新型多層隔熱層。

（2）有效載荷

JUICE 探測器攜帶了10 臺科學(xué)探測儀器，包括有史以來飛往外太陽系最強大的遙感、行星物理和原位探測有效載荷。探測器還將開展“行星無線電干涉儀和多普勒實驗”（PRIDE），該實驗將利用探測器的標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)，結(jié)合地球上的射電望遠鏡，使用甚長基線干涉測量法精確測量探測器位置和速度，以研究木星和冰衛(wèi)星的重力場。此外，探測器還將攜帶一個輻射監(jiān)測器（RADEM），用于跟蹤探測器受到的輻射量，同時也用于科學(xué)研究。

遙感載荷包（木星系統(tǒng)綜合觀測相機、衛(wèi)星和木星成像光譜儀、紫外成像光譜儀、亞毫米波儀器）覆蓋了從紫外到亞毫米波長的成像和光譜成像能力；行星物理載荷包包括用于探測衛(wèi)星表面和表層以下的木衛(wèi)三激光高度計和冰衛(wèi)星探測雷達，以及用于探測木星及其衛(wèi)星大氣并測量其重力場的無線電科學(xué)實驗裝置；原位載荷包包含一套強大的粒子環(huán)境研究儀器、木星磁強計以及無線電和等離子波調(diào)查儀器。

任務(wù)過程

探測器于2023年4月14日發(fā)射，預(yù)計于2031年7月飛抵木星，在此期間將經(jīng)過一系列的地球、地月系統(tǒng)和金星的引力輔助飛行，包括2024年8月的地月系統(tǒng)引力輔助飛行，2025年8月的金星引力輔助飛行，2026年9月的地球引力輔助飛行，2029年1月的地球引力輔助飛行。

表1 JUICE 探測器的有效載荷

抵達木星后，探測器將圍繞木星飛行，在此期間完成木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)二的多次飛越。2032年7月，探測器將對木衛(wèi)二進行僅有的兩次飛越，重點探測非水冰物質(zhì)的組成，以及首次對冰衛(wèi)星進行表層下探測。2032-2034年探測器利用木衛(wèi)四提高其軌道傾角約為30°，以研究木星更高緯度的區(qū)域和環(huán)境，頻繁的木衛(wèi)四飛越將對木衛(wèi)四進行多方面的觀測。2034年12月，探測器將進入木衛(wèi)三環(huán)繞軌道，最初軌道高度為5000km，2035年進入高度500km 的圓軌道，最終在2035年底撞擊木衛(wèi)三表面，屆時整個任務(wù)結(jié)束。探測器在抵達木星6 個月前，就將開始其科學(xué)探測階段。

JUICE 轉(zhuǎn)移軌道圖

JUICE 任務(wù)將由任務(wù)運行中心（MOC）和科學(xué)運行中心（SOC）組成的ESA 地面段規(guī)劃和運行。JUICE 科學(xué)操作將使用一個地面站，在執(zhí)行任務(wù)時能夠同時進行X 和K 頻段操作。JUICE 的數(shù)據(jù)將保存在可免費訪問的“行星科學(xué)檔案”（PSA）中。

3 任務(wù)特點分析

首個環(huán)繞其他行星衛(wèi)星運行的探測器

JUICE 任務(wù)不僅將加深對于木星系統(tǒng)的理解，還將首次環(huán)繞木衛(wèi)三運行，成為全球首個環(huán)繞月球以外行星衛(wèi)星運行的探測器。對木星系統(tǒng)的探測從天文學(xué)家伽利略發(fā)現(xiàn)木星的4 顆最大衛(wèi)星，到20 世紀(jì)70年代以來一系列深空探測任務(wù)的探測，再到JUICE及“木衛(wèi)二快帆”等任務(wù)的進一步深度表征，經(jīng)歷了從地球遙感觀測到近距離遙感詳細探測的階段變化，后續(xù)還將迎來木星衛(wèi)星的表面著陸甚至深層探測任務(wù)，探測的深度和復(fù)雜度不斷加大。JUICE 屬于首次專門針對木星冰衛(wèi)星進行詳查的任務(wù)，選擇木衛(wèi)三的原因包括：①木衛(wèi)三是太陽系中體積最大、質(zhì)量最大的衛(wèi)星，也是唯一一顆具有內(nèi)部磁場的衛(wèi)星，并擁有巨大的內(nèi)部海洋；②相比于更具生命潛力的木衛(wèi)二，木衛(wèi)三距離木星更遠，輻射環(huán)境相對沒有那么惡劣，不過JUICE 將兩次飛越木衛(wèi)二，以開展木衛(wèi)二的內(nèi)部探測和木星衛(wèi)星對比研究。

采用行星際任務(wù)史上最大的太陽能電池板

JUICE 裝備了行星際任務(wù)歷史上最大的太陽能電池板，總面積達到了85m2，以收集足夠的能量用于探測器運行。由于木星距離太陽遙遠，其附近光照強度遠低于地球附近。為此，從人類開啟外太陽系探測以來，探測木星及以遠區(qū)域的探測器多采用核電源，包括“旅行者”（Voyager）、“伽利略”（Galileo）、“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）、“新視野”（New Horizons）等。直到2011年NASA 發(fā)射了首個采用太陽能電池板的木星探測器——“朱諾”（Juno），利用高效、節(jié)能且能抵御輻射的60m2太陽能電池板為探測器供電。利用太陽能電池板可以避免采用核電源涉及的航天器復(fù)雜設(shè)計和裝配等問題。

應(yīng)用極其復(fù)雜的多次引力輔助飛行軌道

JUICE 應(yīng)用了極其復(fù)雜的飛行軌道，在地球到木星系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移飛行階段通過多次行星引力輔助飛行降低轉(zhuǎn)移所需能量，在科學(xué)運行階段多次飛越木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)二，并通過衛(wèi)星引力輔助飛行，以實現(xiàn)探測和改變軌道兩大目標(biāo)。在地球到木星系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移飛行軌道中，JUICE 采用了地月系統(tǒng)-金星-地球-地球的借力序列，并且首次應(yīng)用“月球-地球引力輔助”（LEGA），即在進行地球引力輔助飛行1.5 天后再執(zhí)行一次月球引力輔助飛行，以大幅度降低燃料消耗。在木星環(huán)繞探測階段，JUICE 不僅進行冰衛(wèi)星的飛越探測，還將利用木衛(wèi)三引力輔助飛行減小軌道插入能量、降低軌道遠拱點高度，利用木衛(wèi)四引力輔助飛行降低探測器速度、增加軌道傾角。過往的探測任務(wù)未應(yīng)用過如此復(fù)雜的多次引力輔助飛行軌道，因此JUICE 任務(wù)對于軌道設(shè)計與探測器控制提出了非常高的要求。

充分考慮行星保護對于任務(wù)的各項要求

JUICE 任務(wù)包括多次飛越木衛(wèi)四、木衛(wèi)三和木衛(wèi)二，所有這些衛(wèi)星均具有生命存在的潛在可能，受到不同程度的行星保護，任務(wù)研制和實施時需要避免地球和這些天體之間出現(xiàn)交叉生物污染。JUICE 是專門探測冰衛(wèi)星的首次任務(wù)，為此進行了精心的任務(wù)設(shè)計，以滿足行星保護的要求。針對木衛(wèi)二，行星保護規(guī)則要求探測器與木衛(wèi)二的碰撞概率小于10-4，或者進行主動生物負載減少措施，使污染可能性小于10-4，JUICE 采取了第一項措施，分析探測器在飛行期間發(fā)生故障時與木衛(wèi)二發(fā)生碰撞的可能性，并以此倒推對探測器可靠性的要求，最終證明可靠性滿足行星保護要求，同時也考慮了飛越木衛(wèi)二時探測器失控時的策略。針對木衛(wèi)三，行星保護規(guī)則要求生物到達木衛(wèi)三內(nèi)部海洋的可能性小于10-4，目前看沒有跡象表明木衛(wèi)三上的深層內(nèi)部海洋可能與冰面接觸，因此行星保護規(guī)則允許探測器墜毀在木衛(wèi)三，如果屆時發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三表層與內(nèi)部海洋存在物質(zhì)交換機制，可能會對任務(wù)探測計劃進行修改。

研制和實施中引入了多層面的國際合作

JUICE 任務(wù)由ESA 獨立牽頭實施，盡管在任務(wù)層面沒有開展國際合作，但在載荷研制層面、探測和研究層面與美國和日本開展了廣泛的合作。載荷研制層面，美國提供了10 個有效載荷中的1 個，并且美國和日本為多個有效載荷提供了硬件。任務(wù)協(xié)同探測層面，JUICE 將與NASA 的“木衛(wèi)二快帆”任務(wù)同時在木星系統(tǒng)中工作，后者將重點關(guān)注木衛(wèi)二，這為科學(xué)探測提供了一個協(xié)同增效的機會。為最大限度地提高兩次任務(wù)的科學(xué)成果，兩個任務(wù)的科學(xué)團隊每年將組織一次聯(lián)席會議，并且保持定期聯(lián)系，還成立了一個指導(dǎo)小組，專門負責(zé)協(xié)同探測與研究方面的合作。此外，JUICE 與正在開展的“朱諾”木星探測任務(wù)也將實現(xiàn)探測上的互補，“朱諾”重點關(guān)注木星低層大氣，而JUICE 則將探測上層大氣，進一步豐富對木星大氣的探測。

4 總結(jié)

JUICE 任務(wù)開啟了首次木星冰衛(wèi)星探測，將進一步豐富人類對巨行星系統(tǒng)的認知，推動空間科學(xué)的發(fā)展。JUICE 任務(wù)采用了多項尖端技術(shù)，不僅將帶動載人、深空探測等任務(wù)的發(fā)展，還將助推通信、推進、能源等領(lǐng)域的發(fā)展，中大型太陽能電池板的開發(fā)、尖端探測載荷的研制、復(fù)雜探測軌道設(shè)計、航天器自主控制技術(shù)等均將推動和牽引未來航天的快速發(fā)展。此外，防輻射技術(shù)、極端環(huán)境長工作壽命元器件都將增強航天器的生存能力，提升空間資產(chǎn)成本效益。任務(wù)也拉開了巨行星系統(tǒng)新一輪的探測熱潮，NASA 計劃于2024年發(fā)射“木衛(wèi)二快帆”任務(wù)，于2027年發(fā)射“蜻蜓”（Dragonfly）土衛(wèi)六探測任務(wù)。并且，2022年NASA“新版”行星科學(xué)和天體生物學(xué)十年調(diào)查對探測目標(biāo)的關(guān)注，已從進行中的火星采樣返回，轉(zhuǎn)向以天王星為代表的巨行星，優(yōu)先級最高的3 個旗艦級任務(wù)分別關(guān)注天王星、土衛(wèi)二、木衛(wèi)二；ESA發(fā)布的最新科學(xué)探測規(guī)劃——《航程2050》將首項大型任務(wù)的主題定為外太陽系冰衛(wèi)星，冰衛(wèi)星將成為ESA 未來探索的重心，ESA 已開始考慮下一次前往冰衛(wèi)星的任務(wù)。巨行星系統(tǒng)探測已經(jīng)成為科學(xué)前沿探索的重點。