朱诺号木星探测器

朱诺号木星探测器（英文名：JUpiter Near-polar Orbiter）是美国宇航局“新疆界计划”实施的第二个探测项目。^[7]朱诺号是迄今运行轨道最接近木星的人类探测器，其绕木星轨道距离木星云层顶端最近处约4100千米。^[4]

朱诺号木星探测器由美国洛克希德-马丁公司建造，项目总投资大约11亿美元，包括探测器研发、科学载荷、发射服务、运行经费、科学数据处理与测控支持等相关服务费用。^[4]

朱诺号木星探测器的主要目标是了解木星的气源和演化。NASA的研究团队给朱诺配了9套科学仪器，其中的8台科学仪器分别为：MAG（磁强计），MWRz（微波辐射计），GS（重力科学），WAVES（无线电及等离子波探测器），JEDI（木星高能粒子探测仪），JADE（木星极光分布实验），UVS（紫外线成像光谱仪）以及JIRAM（木星极光红外成像仪）设备；最后一个JunoCam相机则主要是一台用于教育和公众宣传目的。^[8]

朱诺号发现，木星冰冷的卫星木卫二每24小时可产生1000吨氧气。这足够100万人呼吸一天，但比之前想象的要少得多。^[9]在木星上发现了当时所知最强的飓风，大小与地球相近。^[10]朱诺号在探索过程中发现了木星含水量之谜，首次提供了有关木星大气中水含量的科学结果；^[11]发现了环绕木星两极的巨大气旋；^[12]发现超强的磁场等。^[13]

“朱诺”(JUNO)，JUNO为“木星近极轨道器”(JUpiter Near-polar Orbiter) 的缩写，作为新疆界计划的第二个任务，也被称为“新疆界二号”。这是以罗马神话中万神之王“朱庇特”(Jupiter)的妻子，女神“朱诺”的名字命名的。女神朱诺拥有穿透云雾，洞察真相的力量，非常适合用于本次探测任务的命名。科学家们希望这艘飞船也将能够看穿木星厚厚的大气和云层，洞察其内部结构。^[1]

朱诺号探测器的主要使命是考察木星的形成和演化过程。使用经过检验的成熟技术，朱诺装备一系列先进设备，并在一个极轨轨道上运行，对木星的引力场、磁场大气结构和成分进行探测，并观察木星内部结构、大气与磁场各方之间的相互关联。通过这些研究，科学家们将加深我们对于木星形成与演化的理解，并基于此，加深我们对于整个太阳系诞生过程和机制的了解。^[1]

朱诺号任务将为美国宇航局所有科学主题的核心科学问题提供答案：地球-太阳系统、太阳系和宇宙。实现朱诺号目标将极大地增进我们对木星真实性质的了解，以及我们对围绕其他太阳系中遥远恒星运行的类似于木星的行星的了解。生命本身的起源可能与像我们这样的太阳系诞生和演化的特殊条件有着至关重要的联系。利用这次木星任务的数据，科学家将更深入地了解这些条件及其与人类起源的联系。^[14]

朱诺号也将研究驱动木星大气环流的对流和模式。朱诺号的其它仪器也将收集有关木星重力场、极性和磁层的资料。^[1]

2011年8月5日，朱诺号木星探测器在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地SLC-41发射台发射升空，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。^[1]

朱诺探测器先后两次使用其主引擎，分别在2011年8月30日和2012年9月3日两次启动主引擎进行了轨道修正，再度接近地球轨道，借由地球的重力助推提升速度。^[16][1]2013年10月9日，朱诺号木星探测器从地球发射到地球飞掠，此时探测器已飞行了16亿公里，地球飞掠时距离地面最近500公里。^[1]

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，此时探测器已飞行了28亿公里。^[1]同时，朱诺号木星探测器执行木星轨道切入(JOI)动作，进入这颗太阳系最大行星的轨道，成为其人造卫星。^[1]

朱诺号木星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。^[1]10月19日，朱诺号木星探测器实施其最后一次主要变轨，速度下降350m/s，来实现进入周期约为14天的科学轨道。^[8]由于木星的高速自转，它的形状严重偏离正球体，而是呈一扁球形。这种不对称的质量分布将持续的作用于朱诺号的轨道，迫使其轨道平面不断进动、轨道周期不断缩短、近木点高度不断增加。^[8]

2017年7月，朱诺号航天器在首飞越木星大红斑时收集的数据表明，大红斑宽度为10000英里（16000 公里），是地球宽度的1.3倍。^[17]

朱诺号通过以足够的分辨率绘制引力场和磁场图来揭示木星的历史，以约束木星的内部结构、磁场源区和深层对流的性质。通过深入木星大气层探测，朱诺号确定了这些带和区域的穿透深度。朱诺号首次对木星极磁层的三维结构进行了调查和探索。^[18]

2021年2月，NASA宣布，朱诺号的任务期将再次延长，直到2025年9月或是寿命结束，以对木星系统——包括木星、木卫以及木星环展开全面探测。朱诺号的拓展任务涉及42次额外运行轨道，其中包括近距离飞掠木星北极气旋，飞掠木卫三、木卫二和木卫一，以及首次探索微弱的木星环。这将使朱诺号成为全面探测木星系统的探测器，并为下一代木星系统探测任务——NASA的欧罗巴快艇探测器和ESA的木星冰卫星探测器的实施提供宝贵数据。^[19]

2021年6月8日，朱诺号木星探测器近距离拍摄木卫三的照片传回。“朱诺”号与木卫三表面的最近距离小于1038 公里，这是有史以来最接近木卫三的飞行。^[20]10月28日，朱诺号木星探测器帮助科学家们确认，大红斑不仅仅存在于上层表面，还向内延伸了数百公里。^[21]2022年9月29日，美国朱诺号木星探测器近距离飞越木星卫星木卫二，并首次向地球传回它为木卫二拍摄的照片。^[22]10月，美国宇航局探测木星的朱诺号探测器拍摄了其最详细的冰层覆盖、承载海洋的卫星木卫二的图像。^[23]12月17日，美国宇航局在公布的一份新闻稿中，分享了使用“朱诺号”木星极光红外成像仪（Jovian Infrared Auroral Mapper，JIRAM）在2022年夏天拍摄的木卫一火山表面图片。^[24]2023年4月8日，朱诺号完成了第50次近距离飞越木星。^[25]

朱诺号于2023年12月和2024年2月极其近距离地飞越了木卫一，进入距离表面约930英里（1,500 公里）的范围，获得了木卫一北纬的第一张特写图像。^[26]

参考资料：^{[21][1][27][26]}

飞船本体：高3.5米，直径3.5米（太阳能帆板收起）。^[1]发射质量为3625公斤，其中包括飞船本身质量1593公斤，1280公斤的燃料以及752公斤的氧化剂。^[1]

飞船的形状为六角形，具有两层结构。该车辆的甲板、中央圆柱体和角撑板采用复合面板和夹子结构。 朱诺号的起飞质量为3625公斤，并配备了多种子系统。朱诺号是自旋稳定航天器，不使用反作用轮来保持其姿态。在任务的不同阶段，旋转速度从1到5rpm不等。^[28]

朱诺号推进器包括1个主发动机和3个调姿发动机12个反推喷口。^[28]朱诺号采用单一推进剂反应控制系统，该系统由安装在4个火箭发动机模块上的12个RCS喷气机组成。RCS将用于控制探测器的方向并执行轨迹修正操作。^[28]

朱诺号采用双推进剂主发动机（Leros-1b 发动机），使用肼jǐng和四氧化二氮进行推进，并提供645牛顿的推力。它固定在航天器主体上，发动机罩封闭在防碎片罩内，它会在发动机点火前缩回。^[28]

为了控制空间方向并进行小幅轨迹修正，朱诺号总共配备了12个反应控制系统推进器（RCS）。 RCS使用肼进行催化推进。推进器安装在四个发动机模块上，并允许三轴姿态控制。三个发动机（一台轴向发动机和两台侧向发动机）安装在一个模块上。两个模块位于前甲板，一个位于后甲板。REM塔能够提供中等速度增量，足以满足75m/s的脱轨燃烧速度。^[28]

太阳能电池板的尺寸庞大：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。^[29]

巨大的太阳能电池板折叠成发射状态，并于前往木星的途中再次展开。朱若号探测器是首个在距离据地球如此之远（木星与地球距离是地球到太阳距离的4倍：超过6.4亿公里）的宇宙空间中以太阳能作为主要能源的航天器。^[29]

朱诺号的远距离通讯系统与新视野号有比卡西尼号更多的共同点。朱诺号支援音效故障信号的巡航模式，但预计它很少会使用。通讯是透过深空网络的70米天线利用X波段直接连结。^[28]

朱诺飞船携带的载荷中包括29台传感器，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。^[1]

重力科学载荷（Gravity Science）将赋予朱诺探测器对木星引力场的探测能力。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。^[1]

磁强计（Magnetometer）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。^[1]

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。^[1]

朱诺的微波辐射计（MWR）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。^[1]

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。^[1]

朱诺的木星高能粒子探测器（JEDI）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作用。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。^[1]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。^[1]

“木星极光分布实验”（JADE）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。^[1]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。^[1]

等离子体电波设备（WAVES）将测量木星磁层内部的无线电波与等离子体波信号，有助于帮助科学家理解木星磁场(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。^[1]

木星红外极光绘图仪（JIRAM）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。^[1]

紫外成像光谱仪（UVS）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。^[1]

朱诺相机（JunoCam）将拍摄可见光波段木星的彩色图像。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。^[1]

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。^[1]

朱诺号宇宙飞船把一块纪念著名天文学家伽利略·伽利雷的铭牌运送到木星。^[30]

该铭牌由意大利航天局提供，尺寸为2.8x2英寸（71x51毫米），由飞行级铝制成，重6克（0.2盎司）。它用航天器级环氧树脂粘合到朱诺号的推进舱。铭牌上的图案描绘了伽利略的自画像。它还包括伽利略亲手写的一段他在1610年对木星进行的观测，存档于佛罗伦萨国家图书馆。^[30]

2011年8月17日，朱诺号宇宙飞船将伽利略·伽利莱、罗马神朱庇特及其妻子朱诺的 1.5 英寸雕像带到木星。三个迷你雕像是NASA 与乐高集团合作开发的联合外展和教育计划的一部分，旨在激励儿童探索科学、技术、工程和数学。^[31]

木星的成分与太阳相近，主要是氢和氦。随着深入木星大气的深度增加，大气压强持续增强，温度也逐渐升高，在一定的深度上氢会被压缩成为一种近似液体的物质。在大约相当于木星1/3半径深度上，这里的氢物质已经在极端高温高压环境下具备了液体性质，可以导电，被称作“金属氢”。科学家们认为，正是在这一层具有导电性能的金属氢层发生的流动翻滚运动产生了木星强大的磁场。在木星内核区域，极端的压强环境下可能存在一个由更重的金属组成的内核，其直径可能超过整个地球。^[1][32]

朱诺号任务首次提供了有关木星大气中水含量的科学结果。根据最近发表在《自然天文学》杂志上的朱诺号研究结果估计，在赤道，水约占木星大气分子的 0.25%，几乎是太阳的三倍。这也是自1995年伽利略任务以来首次发现这颗气态巨行星富含水，表明木星与太阳相比可能极其干燥（这种比较不是基于液态水，而是基于太阳中存在的氧和氢成分）。^[11]

2019年11月3日，木星南极出现了一个新的气旋，同时发生了大规模风暴。这是朱诺号第22次飞越这颗气态巨行星，在此期间收集了科学数据，该航天器仅在距云层顶部2175英里（3500 公里）的高度飞行。这次飞越也标志着任务团队的胜利，他们的创新措施使太阳能航天器避开了可能导致任务结束的日食。^[12]

木星拥有太阳系各大行星中最强大的磁场，其强度比地球磁场强2万倍以上。在木星附近强大磁场作用下，大量带电粒子被困在其中，形成剧烈的辐射带，其中主要是大量的电子和各类离子。这些强大的粒子流持续轰击着木星的卫星和光环。木星磁层在朝向太阳的方向延伸100万~300万公里，而在背离太阳的方向延伸则超过10亿公里。^[1]

2023年4月8日，朱诺号任务完成了自2016年航天器抵达木星以来第50次近距离飞越木星。NASA为了庆祝，从朱诺号任务期间拍下的海量照片中选取50张图片制成图集，包括来自几种不同仪器的图像，以及地球、木星和木星大卫星木卫三、木卫二和木卫一的壮观景色。^[33]

2016年1月，朱诺号创造了第一个世界纪录，成为“最远的太阳能宇宙飞船”，朱诺号飞行距离超过了由欧洲航天局罗塞塔号探测器于2012年10月创造的7.91亿公里距离，虽然航行者（Voyager）和新视野号（New Horizons）走的更远，但是他们是由核动力发电。^[34]

2016年7月4日，朱诺号创造了第二个世界纪录。它受到了来自木星的巨大引力，这个气态巨行星的巨大引力能够让正在移动的探测器速度达到每小时26.5万公里，这使得朱诺号成为“运行速度最快的宇宙飞船”，从而打破了由太阳神（Helios）1号于1976年4月17日创下的纪录。^[34]