国外木星探测任务进展与分析

高博宇 陈忠贵 周文艳

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

木星是太阳系中质量最大、磁场最强的行星，也是太阳系中具有最多卫星的行星，根据目前的深空探测成果，木卫二、木卫三、木卫四可能存在冰下海洋，有可能演化出生命。木星探测已经成为国际上深空探测的重点方向，通过对木星及其卫星展开探测研究，能提升我们对于太阳系早期演化、木星磁场起源和地外生命的认知。至今国外已经有多颗探测器对木星开展了飞越探测，美国的伽利略号和朱诺号则对木星开展了环绕探测，规划中的木星冰月探测者(JUICE)任务和欧罗巴快帆(Europa Clipper)任务计划通过环绕或多次飞越的方式开展木星卫星探测。我国计划在2030年实施木星探测任务，将要开展方案深化论证和关键技术研究[1]。

本文分析了国外已实施和在研的4个木星环绕探测任务，介绍了各自的任务目标以及携带的科学探测设备。随后对这4个任务的探测工程进行分析，包括在运载火箭约束下的地木转移轨道设计、木星系内探测轨道设计以及采用的通信频段和下行速率，以此分析目前我国实施木星探测能力，对未来木星探测任务提出了建议。

1 国外研究概述

随着人们对木星认识的提升和科学技术的发展，木星探测任务目标和探测手段逐渐发展变化。表1总结了国际上的木星系探测任务[2-8]，总体可分为3个阶段。第一阶段以木星飞越为主要探测手段，包括先驱者10号、11号任务和旅行者1号、2号任务，以及后续的尤利西斯号、卡西尼号和新视野号，这一阶段获取了有关木星磁场和大气的探测数据，并对木星卫星进行了远距离探测。第二阶段以木星环绕探测为主，包括伽利略号和朱诺号两个探测任务。伽利略号对整个木星系开展了综合探测，获得了木星大气的详细数据，对4颗伽利略卫星开展飞越观测，并确定了木星的磁层结构。2011年发射的朱诺号是第2个木星环绕探测器，科学目标集中在木星大气、磁场以及内部结构上。第三阶段任务包括正在规划中的木星冰月探测者任务和欧罗巴快帆任务。将更频繁的利用木星卫星进行借力飞行，采用连续飞越或环绕等方式来对木星卫星开展详细探测，主要研究木星卫星的表面结构和成分，并对其宜居性进行评估。

表1 国外木星系探测任务概况Table 1 Overview of Jovian exploration missions

2 探测任务目标分析

2.1 伽利略号任务目标

伽利略号是NASA第一个木星环绕探测任务，探测目标可分为三大类：①探测木星大气成分和物理性质；②探测木星卫星的化学成分和物理性质；③探测木星磁层的结构和动力学特性[9]。表2给出了伽利略号任务具体的科学探测目标。

表2 伽利略号任务探测目标Table 2 Objectives of Galileo mission

伽利略号携带的科学探测仪器可分为三大类，如表3所示。场和粒子探测器主要安装在探测器自旋部分，消旋部分则为遥感设备提供稳定的探测平台[4]。

表3 伽利略号探测设备Table 3 Instrument of Galileo

2.2 朱诺号任务目标

朱诺号的任务目标是了解木星的起源和进化，帮助科学家了解太阳系的起源问题。朱诺号主要针对4个主题进行探测[6]。

(1)起源：确定木星大气中的水含量，了解木星形成机制。

(2)内部：精确绘制木星重力场和磁场结构，揭示木星内部结构。

(3)大气：研究所有纬度的大气成分、温度结构、云层运动和其他特性，探测深度超过100 bar。

(4)磁场：描绘木星极区磁场和极光的三维结构。

表4列出了朱诺号携带的9台探测设备[10], 所有的仪器都固定在探测器上，探测器以每分钟2圈的速度自旋。

表4 朱诺号探测设备Table 4 Instrument of Juno

2.3 木星冰月探测者探测任务

木星冰月探测者是欧洲航天局第一个木星环绕探测任务，目标是探测木星的3颗冰卫星，对它们的环境和潜在宜居性进行比较。表5给出了木星冰月探测者任务具体的科学探测目标[11]。

表5 木星冰月探测者探测目标Table 5 Objectives of JUICE mission

木星冰月探测者携带三类探测仪器，如表6所示。其中无线电科学实验与无线电干涉和多普勒实验利用通信设备进行。

表6 木星冰月探测者探测设备Table 6 Instrument of JUICE mission

2.4 欧罗巴快帆探测任务

欧罗巴快帆的目标是研究木卫二的宜居性，具体的研究目标如下[12]。

(1)冰壳和海洋：分析木卫二冰壳和地下水系统的特性，包括非均质性、冰下海洋特性以及地表-冰层-海洋之间的交换过程。

(2)成分：调查木卫二物质组成和化学成分，分析冰下海洋的宜居性。

(3)地质：调查表面特征的形成过程，对有科学价值的区域开展分析。

(4)最近活动：寻找正在进行的地质活动，特别是羽流和热异常现象，对其进行分析研究。

表7列出了欧罗快帆携带的9种探测仪器，同样的，欧罗巴快帆也将利用通信设备进行重力科学调查，以确认木卫二是否拥有全球性的冰下海洋。

表7 欧罗巴快帆探测设备Table 7 Instrument of Europa Clipper

2.5 小结

综合2.1～2.4节内容，各个探测任务的任务目标表现出以下特点和发展趋势。

1)首次木星探测任务目标多样化

伽利略号和木星冰月探测者作为NASA和欧洲航天局的首次木星环绕探测任务，任务目标囊括木星大气、磁场和木星卫星，让各国对木星系统有了全面了解，为后续任务打下坚实基础。

2)木卫探测成为主流

未来木星探测任务目标集中在木星冰卫星上，携带红外、紫外光谱仪与穿冰雷达等遥感设备和磁强计、粒子探测仪等原位探测设备，并利用无线电通信开展木星冰卫星的结构、成分与宜居性研究。

3)对木星深层大气、木卫四的探测仍有不足

针对木星大气，朱诺号和伽利略号已取得了丰富的科学探测成果。但国际上对木星大气运动的垂直结构、大气深层中水和氨的组分以及木星内部结构的了解还依然有限[13]。木星卫星中，木卫二、木卫三已有专门的探测任务，但同样存在冰下海洋的木卫四还未有专门的探测任务。

3 探测工程分析

木星探测任务是个复杂的系统工程，其中在运载火箭约束下各任务的地木转移轨道设计、木星系内探测轨道设计以及通信系统是最主要的工程难点。以下针对4个木星环绕探测任务，对这些工程难点进行梳理归纳。

3.1 行星际转移轨道与运载火箭分析

木星距离地球遥远，对木星探测器使用的行星际转移轨道和运载火箭提出了更为严苛的要求。表8列出了各个探测器的地木转移轨道和采用的运载火箭[4,10,14-15]。从表8中可以看出，木星探测器通常通过多次行星借力到达木星，地球和金星的借力效果更好。在火箭运载能力有限的情况下，探测器可通过增加借力次数，以行星际飞行时间延长为代价减少发射剩余速度的平方(C3)。随着运载火箭技术的发展，木星探测器的质量约束逐渐放宽，未来两艘木星探测器发射质量都达到了5 t的级别。

表8 木星环绕探测器采用的行星际转移轨道和运载火箭Table 8 Interplanetary cruise and launch vehicle for Jovian orbiter

3.2 木星探测轨道分析

1)伽利略号探测轨道

伽利略号在木星捕获机动前，以890 km的高度飞越了木卫一，帮助探测器节省了大量的燃料。整个任务期间，伽利略号一共环绕木星飞行了34圈，每圈都对一颗木星卫星进行飞越观测，并借助飞越瞄准下一颗木星卫星。出于对航天器安全的考虑，在伽利略号主要任务期间，探测器并未对处于高辐射带范围内的木卫一和木卫二进行过多探测。主任务结束后，探测器才在之后的扩展任务中对木卫二和木卫一开展专门的探测研究。

2)朱诺号探测轨道

朱诺号直接通过木星捕获机动进入周期53.5天的椭圆轨道，计划进行先期探测后再进入周期11天的科学探测轨道，后由于推进系统故障，NASA决定直接在目前53.5天的轨道上开展科考任务。如图1所示[10]，朱诺号将环绕木星运行35圈，在第4次、第8次、第16次、第32次环绕后相邻轨迹间隔分别为90°、45°、22.5°、11.25°[6]。星下点的经度间隔通过调整轨道的近木点时刻实现，为此每次飞越近木点后朱诺号都要执行一次轨道机动。

图1 近木点轨迹的全球覆盖(木星北极俯视图)Fig.1 Global coverage from a net of perijove passes(Jupiter north pole view)

3)木星冰月探测者探测轨道

木星冰月探测者在一次木卫三飞越后执行木星捕获机动，随后通过二次木卫三飞越进一步降低轨道能量。木星冰月探测者任务主要分为3个阶段：木卫二探测阶段、木星高纬度地区探测阶段和木卫三环绕阶段。木卫二探测阶段利用木卫四与木卫二的连续借力飞行，实现对木卫二南北半球的中纬度地区探测。木星高纬度地区探测阶段通过多次木卫四借力飞行抬高轨道倾角，实现木星高纬度地区观测。木卫三环绕阶段通过多次木卫三、木卫四飞越降低探测器与木卫三的相对速度，以185 m/s的木卫三捕获机动进入环木卫三轨道。随后利用木星摄动改变探测器轨道偏心率，从不同方位对木卫三进行观测，最终进入500 km环木卫三圆轨道[11]。

4)欧罗巴快帆探测轨道

欧罗巴快帆在一次木卫三飞越后执行木星捕获机动，再通过4次木卫三飞越进一步降低轨道能量，进入木卫二飞越探测阶段。

探测器采用一种特殊的共振轨道设计对木卫二展开飞越探测，这一方案命名为飞越轨道面旋转方案(crank-over-the-top，COT)[16]。每施行一次COT方案，探测器就可对一半的木卫二球面进行探测，星下点轨迹如图2所示。

图2 COT方案木卫二飞越轨道的星下点轨迹Fig.2 Europa COT nadir groundtracks

由于木卫二被木星潮汐锁定，汇合点相同情况下探测器飞越木卫二时光照情况变化不大。因此在2～3次COT轨道后，探测器将使用花瓣式旋转(Petal Rotation)轨道，通过一系列木卫四、木卫三飞越和非共振转移轨道，将探测器和木卫二的汇合点过渡至木卫二轨道的另一端，使之前的木卫二阴影面变为光照面，再通过2～3次COT轨道进行探测。图3给出了一种木卫二科学探测轨道方案[17]，包括两次COT轨道(蓝、青)、Petal Rotation轨道(棕)、汇合点过渡轨道(橙)和最后两次COT轨道(紫红、绿)。

图3 木卫二科学探测轨道Fig.3 Europa science tour trajectory

各个探测任务的木星环绕轨道设计表现出以下特点和发展趋势。

1)木星极区观测与木星卫星观测难以同时进行

除木星冰月探测者任务外，其他3个木星探测任务均没有同时进行木星极区观测与木星卫星观测，这主要是因为木星极区探测与木星卫星观测对探测器轨道倾角的要求相矛盾。木星冰月探测者任务虽能对木星高纬度地区展开探测，但探测时间短且距离远。

2)利用木星卫星借力飞行降低燃料消耗

木星卫星公转周期短，使得低倾角的木星探测器可以多次利用木星卫星借力飞行降低燃料消耗。木星的4颗伽利略卫星中，木卫三质量最大，借力效果最好，木星冰月探测者和欧罗巴快帆都多次利用木卫三借力调整轨道。在木星捕获轨道中，出于安全考虑通常只安排一次木星卫星借力飞行。

3)全面覆盖探测成为木星探测主流

针对单个天体的覆盖探测可以对该天体的物质组成分布、结构、磁场和地质活动有更加全面地了解。目前只有朱诺号完成了对木星的覆盖观测，针对木星卫星的探测任务则如表9所示，木卫二、木卫三已有多次飞越、环绕探测计划，木卫一和木卫四还没有专门的探测任务。

表9 伽利略卫星探测任务概况Table 9 Overview of Galilean satellites exploration missions

3.3 通信系统分析

通信系统主要包括天线站和探测器天线子系统两部分。表10列出了NASA和欧洲航天局深空站的天线站组成，其中新诺舍天线站在改装后具备Ka频段信号接收能力。

表10 天线站情况Table 10 Antenna station conditions

表11列出了各个木星环绕探测器的天线直径和平均下行速率，其中木星冰月探测者每天通信窗口8小时，通信数据量1.4 Gbit[15]。欧罗巴快帆整个任务期间总下行6.7 TB数据，总任务时长则按10.23年计算[12]。随着深空探测技术的发展，木星探测器能携带的科学探测仪器越来越多，每次飞越所取得的探测数据量也更多，与之相对，探测器环绕木星的轨道周期更短，使得数据采集间隔更加短暂，这要求探测器采用更高的频段作为下行数据载波，以增大数据传输速率。

表11 木星环绕探测器采用的高增益天线Table 11 HGA for Jovian orbiter

4 我国探测任务分析

根据《2016中国的航天》白皮书，我国将要开展木星系及行星穿越探测的方案深化论证和关键技术攻关。参考国外木星探测任务方案，对我国木星探测任务进行分析。

4.1 我国木星探测任务目标和初步规划

作为世界上第5个木星环绕探测任务，我国要在各国木星探测任务的基础上，瞄准具有特色的任务目标，在国内深空探测领域和国际木星探测领域取得突破。

(1)行星际空间探测。探测器在前往木星的过程中，可以利用探测器上搭载的仪器开展行星际空间探测，主要分为两类，对太阳风、磁场和行星际尘埃的原位探测，以及在飞跃行星、小行星时开展遥感探测。行星际空间探测可提高我们对于太阳系空间环境、行星和小行星的认知，为我国下一步深空探测任务提供参考。

(2)木星系统空间环境探测。木星系统空间环境探测以原位探测为主，主要通过磁强计、等离子体探测器、粒子探测器、无线电波对木星磁场、等离子体环境、粒子分布和引力场进行探测。可提升我国对木星空间环境的认知，获取更精确的木星磁场、引力场模型，为以后的木星飞越、环绕任务打下基础。

(3)木星大气探测。木星大气探测目标是研究木星大气成分、结构和动力学特性，主要依靠遥感设备和木星大气进入器开展研究。我国首次木星探测任务应以遥感探测为主，考虑携带一次性木星大气进入器或风动力飞行器对木星高纬度地区或极区进行探测。

(4)木星卫星探测。木星卫星探测主要集中在研究木星卫星表面成分和地下结构，分析其与木星磁场的相互作用。我国可针对木卫四开展环绕探测，分析其潜在宜居性，并对木卫二、木卫三开展飞越探测，获取地形地貌数据，完善引力场和磁场模型，为后续木星探测打下基础。另外，可在完成主要探测目标的前提下，对木星其他卫星展开飞越探测，扩充科学探测成果。

4.2 我国木星探测的关键技术

由于木星距离遥远，空间环境复杂，木星探测任务相比月球探测、火星探测技术难度更大。我国木星探测任务面临的技术难题主要有以下4项。

1)轨道设计

木星探测任务轨道可分为行星际转移轨道和木星系内轨道两部分。行星际转移轨道设计主要受限于运载火箭的运载能力。对比我国现役火箭运载能力，以2029年EVEEJ转移轨道为例，长征三号乙、长征七号甲均具备发射2.5吨级木星探测器的能力，其中长征三号乙运载能力略弱，可考虑增加行星借力次数。长征五号运载能力介于阿丽亚娜5-ECA和重型猎鹰之间，具备执行5吨级木星探测器的能力。木星卫星众多，探测器将受到多体引力摄动，增大了轨道设计难度。木星系内探测目标众多，但木星附近辐射环境恶劣，探测轨道需要根据任务目标进行分析和设计，在保征探测器安全的情况下尽可能扩充探测成果。

2)测控通信技术

在木星探测整个任务过程中，地面需要与探测器进行不间断通信，确认探测器状态，发布控制指令，接收科学数据。由于木星距离遥远，探测器通信功率受限，通信信号强度微弱且数据传输速率低下。NASA和欧洲航天局都已建成全球范围的深空网，并计划在未来木星探测任务中综合使用X和Ka频段进行通信。目前我国深空网初步建成，X频段深空测控体系已在火星探测任务中进行了验证，但Ka频段测控能力尚需完善。

3)电源系统技术

木星探测器电源系统有两个选择，温差同位素电池和太阳能电池。温差同位素电池具有更好的环境适应能力，我国目前也已经在嫦娥四号上应用5瓦级同位素电源，但同位素电池具有潜在的核泄漏风险，对火箭发射和地球飞掠时的安全性要求更高。我国太阳能电池技术成熟度更高，已经多次应用在月球、火星任务中。但太阳能电池在木星的强辐射环境下工作，需要结合木星探测轨道设计，进行相应的防辐射设计[18]。

4)航天器自主管理

木星与地球间通信延时高达34 min，在对木星开展环绕探测时，地面无法对探测器进行实时遥测遥控，要求探测器具有极强的自主管理能力，确保探测任务正常实施。由于长时间的太空飞行和木星的高辐射环境，还要求探测器具备足够的故障处理能力，已实施的伽利略号和朱诺号探测器都出现过机构故障或系统故障，伽利略号出现过高增益天线无法打开、数据记录磁带卡带、导航系统失效等问题，朱诺号在行星际飞行过程中多次进入安全模式[19]，推进系统也发生过故障。目前我国已成功实施火星着陆任务，验证我国航天器自主管理能力达到了国际先进水平，之后应针对木星特殊的空间环境，完善探测器故障诊断、处理能力，在机构和轨道设计上确保足够的冗余。

5 结束语

本文调研了国际上已实施或在研的木星环绕探测任务，指出随着运载火箭技术的发展，木星探测器质量上限随之提高，目前以5吨级探测器为主流，探测目标则主要集中在木星卫星上，木卫二、木卫三已有专属的探测任务。为了处理精细探测所产生的庞大数据量，未来各任务都采用了Ka下行频段，地面深空站也具备了相应的数据接收能力。我国已经具备了实施木星探测任务的初步条件，建议以长征五号作为运载火箭，将木星引力环境和木卫四作为主要探测目标，考虑木星磁场环境和借力飞行策略，进一步完善木星探测轨道设计。同时完善我国深空网Ka频段通信能力，增大数据传输速率和提高定轨精度。建议以太阳能电池板作为木星探测器能量来源，在月球和火星任务电源系统设计的基础上，根据木星光照环境，改进太阳能电池设计，完善抗辐射性能。并完善探测器故障诊断、处理能力，提高系统可靠性，保证足够的设计冗余。