ESA木星冰卫星探测器（JUICE）探测任务工程问题浅析

曹鸿谦，张正峰，马继楠，韩承志

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

0 引 言

太阳系巨行星探测任务受到国际航天界的广泛关注。木星是太阳系最大的行星，木星及其卫星探测令人充满期待——对木星及其卫星磁层、大气层与相互关系的探索，有助于人类了解太阳系巨行星的演变过程，并且发现适合生物的环境与可能存在的生命痕迹。特别是木卫三，作为木星最大的卫星，为可能的生物生存提供了天然环境条件，其周围特殊的磁场与辐射环境也值得关注。

作为目前携带科学载荷重量最大、最先进的深空探测器，木星冰卫星探测器的发射必将带来新的科学收获。在该飞行器的总体设计上，构型布局、轨道设计、能源选择、科学载荷配置等方面有诸多亮点值得关注与借鉴。探测器成功发射后，冰卫星探测雷达天线展开与故障处置过程也能够为类似任务的设计、验证及在轨故障处理提供参考。

木星冰卫星探测器携带的科学载荷类型多、科学目标高，得到多个国家的广泛参与。在世界航天快速发展、深空探测任务备受关注的21世纪20年代，其发射将带给航天科技、空间科学等领域新的期待，并积累工程任务经验，也为中国未来深空探测任务带来思考、启发与借鉴。

1 任务目标及研发背景

木星冰卫星探测器（JUICE）作为ESA《宇宙愿景2015—2025》（Cosmic Vision 2015-2025）规划中的L1级任务[1-2]而备受重视，也受到国际航天界广泛关注。作为继伽利略号、朱诺号后的第3个木星探测飞行器，JUICE探测器将瞄准多个未知领域开展探索。该任务旨在探测巨行星木星及其冰卫星，尤其关注木星冰卫星的地下海洋资源，以探索气态巨行星的形成、地外生命可能存在的痕迹等太阳系演化过程，进而有望在行星演化科学与空间生物科学等领域做出重大科学突破。

图1 JUICE探测器在轨飞行状态示意图

具体而言，JUICE任务的探索目标为木星及其三大卫星（木卫二Europa、木卫三Ganymede和木卫四Callisto），它将探索木星的复杂环境，探究其冰卫星是否有可能作为生命栖息地，并将其作为气态巨行星的演化原型研究宇宙中的类木行星系统。任务过程中，JUICE探测器将飞越木星系卫星达35次之多[3]。值得一提的是，在任务的最后阶段，探测器将环绕木卫三进行探测，用于发现木卫三海洋中可能存在的生命痕迹——JUICE探测器将成为首颗地外行星卫星的环绕探测器。

JUICE探测器的任务规划最早可追溯至2008年，当时ESA与NASA商议合作开展“外行星旗舰探索任务”（Outer planet flagship mission），并确定“木卫二－木星系统任务”（EJSM-Laplace）作为伽利略号的后续任务[4]。该任务计划对木星冰卫星开展探测，包含NASA负责研制的“木卫二轨道器”（Jupiter Europa orbiter，JEO）和ESA研制的“木卫三轨道器”（Jupiter Ganymede orbiter，JGO），两个探测器分别发射，独立开展探测任务。2011年，双方终止合作。2012年，木星冰卫星探索任务作为ESA《宇宙愿景2015—2025》的首个大型（L级）项目列入规划，经费预算约16亿欧元；NASA将木卫二的探索任务更名为“木卫二－快船”（Europa Clipper）[5]。

尽管ESA与NASA终止了早期的任务合作，在JUICE探测器的研制过程中国际合作仍发挥了重要作用。该探测器由空中客车防务与航天公司抓总研制，NASA、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）及以色列航天局（ISA）等多个国家（地区）航天机构都有参与，其科学载荷由6个欧美国家的科研机构提供[6]。

2 任务介绍

2.1 发射过程

JUICE探测器于欧洲中部夏令时2023年4月14日14时14分在法属圭亚那航天发射场由阿丽亚娜5（Ariane 5）重型运载火箭成功发射。15时04分，澳大利亚新诺西亚地面站捕获到探测器的信号，15时33分，探测器长27 m的太阳翼打开[7]。在发射后的几个小时内，JUICE携带的监视相机拍摄了第1组空间照片[8]。自4月17日开始，其有效载荷逐步展开，并进入试运行状态，直至5月12日，所有载荷都顺利正常部署。

2.2 卫星平台

JUICE探测器的本体尺寸为4.09 m×2.86 m×4.35 m，展开后总包络大小为16.8 m×27.1 m×13.7 m，主要由1个立方体舱体和2副大太阳翼组成，舱体上向外伸展出的载荷还有冰卫星探测雷达天线（RIME，16 m长）、磁强计展开架（J-MAG，10.6 m长）及半径2.54 m的高增益天线（HGA）[3]。

JUICE探测器的总质量约为6070 kg，其中干质量2420 kg（含科学载荷质量280 kg），另有3650 kg的化学推进剂。

JUICE探测器的系统组成如图2所示[9]。

图2 JUICE结构拆解图[9]

1）探测器将结构、防护与热控系统归为一个分系统（SSTS）[10]。探测器内部构型布局紧凑，外部采用箱板式结构，中心为直径1.666 m的承力筒，四周箱板采用框架式结构板，为碳纤维增强铝制蜂窝状结构，并涂有铅层以实现对辐射的屏蔽；内部同时设有热控流体回路，以实现热流的均匀分布，探测器外部设置有热控多层隔热组件。

2）电子系统设备主要安装在±X面侧板内部，以实现集中分布，便于进行温度控制，并可以集中进行辐射防护。探测器巧妙地利用动量轮和电池作为防辐射屏蔽层。-Y侧安装有磁强计（J-MAG）的校准线圈，中增益天线（MGA）采用双轴结构形式（φ=0.5 m）。

3）探测器共有两副太阳翼，由砷化镓（GaAs）太阳电池阵列组成，分别安装在±Y侧板上。每侧太阳翼有5块2.5 m×3.5 m的太阳能电池板，呈十字形排列[3]。太阳翼总面积约85 m2，尽管远离太阳约8亿千米，仍能产生850 W功率以支持任务实施。

4）探测器采用三轴稳定控制方式，由反作用动量轮和推进系统作为执行机构。推进系统的两个燃料储箱（单个1630 L）安装于承力筒内部，旁边连有高压气瓶。探测器采用双组元化学燃料推进系统，配置有450 N发动机，以及4对22 N推力器和6对10 N推力器，用于轨道和姿态控制。

5）探测器通信使用直径2.54 m的高增益天线，布置在-X轴方向，可以实现X波段和Ka波段的通信；探测器自身数据存储能力为1.25 Tb，下行数据量不小于1.4 Gbit/天。

2.3 有效载荷

JUICE探测器携带有10台/套科学载荷[11-12]，来自意大利（3）、瑞典（2）、德国（2）、法国（1）、美国（1）、英国（1）等6个国家，载荷总质量在已有的星际探测任务中最重。在轨期间，各类科学载荷将开展光学成像、紫外成像、亚毫米波探测、潮汐与形貌变化、磁场测量、粒子环境测量、放射性环境测量等探测[13]。

科学载荷设备大多放置在+Z面附近，其中光学载荷主要指向+Z方向。JUICE探测器还将利用测控通信系统和地基甚长基线干涉（VLBI）系统对航天器的位置和速度进行精准测定，并研究木星和冰卫星的重力场。

图3 JUICE探测器携带载荷布局示意图[3]

2.4 飞行轨道设计

JUICE探测器作为深空探测领域中一次举世瞩目的飞行任务，在轨道设计上也创新地利用了多次借力飞行，如图4所示[9]。值得注意的是，JUICE探测器将首次利用地-月系统进行借力飞行加速。

按照设计，JUICE探测器于2023年4月发射，在随后为期八年的飞行期间，将经历4次借力飞行，分别于地球和金星附近完成，以实现向木星系的飞越。第一次飞越将在2024年8月实施，JUICE探测器将在飞越地球1天半后飞越月球，随后探测器将于2025年8月抵达金星，并于2026年9月和2029年1月两次飞越地球，最终于2031年7月抵达木星轨道[14]。

JUICE探测器飞行任务计划节点见表1。

表1 JUICE探测器飞行任务计划节点

图4 JUICE探测器在轨飞行过程[9]

JUICE探测器进入木星轨道后，逐步开展探测任务。探测器将通过轨道机动和借力飞行，先后飞越木卫二、木卫四，最后进入环木卫三的椭圆轨道。

JUICE探测器将两次飞越木卫二，在约400 km高度轨道上进行探测。受限于木卫二的强磁场影响，探测器在木卫二轨道附近停留时间较短。探测器计划飞越木卫四21次，轨道高度约为200 km。作为离木星最远的卫星，木卫四与木卫二自然条件相异，其坑坑洼洼的表面被认为具有悠久的历史，在其冰层下面可能富含水资源。

在环绕木卫三之前，JUICE探测器将完成12次木卫三飞越[15]，最近距离约420 km。在进入目标轨道的过程中，先后变换为5000 km、500 km的圆轨道，完成测绘和探测任务后降低至200 km轨道[16]。

2.5 环境防护设计

JUICE探测器在任务过程中将经受四重考验——强辐射照射、低能源供给、长距离通信和复杂空间环境。

尤其在防空间辐射干扰和热控实施方面，JUICE探测器采取了以下2项创新设计：

（1）木星系周边有很强的空间辐射，主要是磁层中的束缚电子影响，较太阳质子高出几个量级。针对强辐射环境，JUICE探测器采用多种防辐射与屏蔽设计[17]，除了采用常规的多层导电材料包覆外，还将电子敏感器件尽可能放置在两个顶板（分别位于±X侧，图5红框中所示）中间，顶板使用含铅防护的加强碳纤维材料；此外，还在较为薄弱的电子器件上采用铝或钽金属实现“点式”防护。

图5 工程师正在安装含铅防护顶板（红线框内）[17]

同时，科研人员在JUICE探测器上安装了一台高能电子辐射检测仪（RADEM，如图6所示），用来检测探测器上接收到的高能电子辐射，该传感器可与探测器上携带的磁强计、粒子探测仪、等离子体探测仪等其他仪器进行交叉验证，对空间辐射模型与在轨环境进行确认。

（2）JUICE探测器采用多种方式实现热控设计[18]。探测器外部铺设有多层隔热组件材料，总面积超过45 m2。多层隔热组件包含25层聚酰亚胺隔膜，其安装与探测器结构板距离约为20 mm，以实现热辐射隔离。针对多年在轨飞行过程中不同的热环境条件，探测器各部位采取不同的防热措施。

同时，探测器有效利用高增益天线进行热控。该天线位于面向太阳的-X轴，表面涂有白漆，可以阻挡阳光照射。多层隔离、低热导率支座和隔热垫等也被用于实现热防护。

在探测器内部，所有设备安装在L型热管上方，以形成良好的热传导。外部光学设备与遥感设备采取被动热控措施，并且与探测器本体实现热隔离安装。

图6 JUICE探测器RADEM传感器[17]

图7 RIME天线示意图[19]

图8 RIME天线铰链（左）与热刀结构（右）

3 天线故障情况与处置情况

探测器入轨后，太阳翼和中增益天线顺利展开。随后各科学载荷逐步开机，直至5月全部部署到位，并进入试运行状态[19]。然而RIME天线在4月17日展开过程中遇到困难，经采取一系列处理措施后，于5月12日展开到位。

RIME天线用于探测木星冰卫星的地表及地下约9 km内的结构，研究气态巨行星周边可供生存的环境，进而探究太阳系的形成过程[20-21]。天线由多段组成，其初始状态如图7~图9所示，在发射过程中为折叠放置状态。根据公开资料，其固定方式采用热刀机构。

RIME天线的设计展开过程如图10所示，其连接处采用弹性铰链，在固定热刀解锁后各关节依次弹开，完全展开后的RIME天线应由8段组成，其中展开部分为6段，另两段重叠（如图10红框所示）。

图10 RIME天线展开过程示意图[19]

图11为展开过程的细节（对应图10(c)），其中红圈处为天线的两个关节，整根天线共有6个类似的关节，它们是RIME天线正常展开的保障。

图11 RIME天线展开过程细节图[19]

RIME雷达的首次展开动作于4月17日开始，在折叠天线的第一次展开过程中，仅有两侧的第一部分展开。图12依次展示了(a)锁定释放前，(b)锁定释放后，(c)第一段部署完成后，(d)尝试部署第二段和第三段，(e)天线未完全展开状态的图像画面。从图中可见，RIME天线的其余4段仍旧折叠在一起[19,23]。

图12 RIME雷达尝试展开过程[22]

在前2幅图像中，RIME天线随着解锁装置的释放而移动。第3张图中，可见上部第一段消失，表明已成功展开至180°的水平状态；第4张图记录了天线第二和第三段尝试展开的过程，可能被天线另一侧的安装支架阻挡，未能展开（不在本相机视场内）；第5张图中，探测器磁强计展开架部署过程中的振动，进一步推动RIME天线展开，根据估算，天线移动约5 cm（图中白色箭头所示）。

飞控人员推测，可能在热刀装置释放过程中有小卡销（tiny stuck pin）对其他部分形成卡滞。为了使卡销脱离，飞控人员先后尝试了2种方式：1）启动JUICE探测器发动机，为其提供推力，继而产生振动促使卡销运动；2）调整探测器姿态，使RIME天线朝向太阳加热，通过机构受热膨胀促使卡销活动。通过探测器携带的监视相机，可以看到RIME天线产生径向运动，但并没有弹开[22]。

5月12日，飞控人员解锁了支架附近的非爆炸驱动机构（NEA），希望利用其产生的冲击能将卡销移动数毫米，促使RIME天线松开。由图13所示的震荡曲线可以看出，其中一侧天线在展开过程中来回摆动，随后稳定到伸展位置[24]。

图13 NEA驱动器动作后测量到的震荡曲线[24]

图14展示了RIME天线的一侧在受到冲击后展开的过程。

图14 RIME天线的一端展开过程[24]

飞控团队通过解锁支架上的另一个非爆炸驱动机构，使得RIME天线另一侧完全展开到位，其过程图15如所示[24]。

图15 RIME天线另一侧展开过程[24]

根据测量数据，完全展开后的RIME天线信号强度较展开前增大1000倍（30 dB），天线功能可正常运行[25]。

图16 RIME天线展开前后信号强度对比[25]

4 启发与思考

自1973年NASA发射先驱者10号探测器对木星展开探测以来，50年间，先后有先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号、尤利西斯号、伽利略号、卡西尼-惠根斯号、新视野号、朱诺号等9次木星相关探测任务，其中多为NASA主导。除了伽利略号与朱诺号执行环绕木星探测任务外，其他8次任务均为飞越。JUICE探测器是ESA《宇宙愿景2015—2025》中的L级重要任务，有望成为木卫三的人造卫星，在人类深空探测史上尚属首次。该任务尽管仍在开始阶段，就目前已有的发射与在轨运行过程，对相关领域任务规划、飞行器设计也有诸多启示。

4.1 飞行轨道设计

深空探测任务中探测器轨道设计利用天体借力的理论早已形成，具体的发射窗口对应的轨道特点是任务高效执行的关键。科学合理地利用地外天体运行相位，可以实现高效的轨道转移，从而有效节约推进剂与时间成本。

JUICE任务过程中，巧妙地利用多次地-月系统引力、金星引力和木星引力借力飞行，其中地-月系统借力在深空探测任务中尚属首次，其新颖的设计给未来的任务带来启示与借鉴。

4.2 防故障设计与预案设计

飞行器在轨故障将影响任务成功实施。尽管可以通过多种手段实现故障排除，但其过程总有不必要的人力、精力与时间的消耗。对于机械类产品部件，很难通过地面飞控手段进行故障排除与修复。以JUICE探测器经历的RIME天线展开故障为例，该天线在探测器发射时采用弹性铰链折叠方式固定，在轨过程中靠其本身的弹性与刚度展开。采用记忆合金等机械结构或许更有利于实现折叠天线的展开。

有文章报道[26]，自1961年以来，机构类展开故障在太阳能帆板、天线、杆件与绳索类产品中频发，结构的膨胀/收缩、表面附着力、粘滞、刚度变化等力学特性是其主要影响因素。对应地，在机械故障的处理方面，可以利用外界冲击或振动（发动机点火、火工品、机构运动等产生）施加激励，或利用飞行器姿态控制、热分布特性等方式实现故障的有效处置，类似方法在RIME天线展开过程中均有涉及。此外，如能兼顾重量、成本和可靠性，还应考虑加入主动解锁/展开方式，尽管较为复杂，但更为可控，在飞行过程中出现意外，还可以通过地面飞控手段施加补救措施。

同时，总体方案设计的可靠性、地面试验验证的有效性、故障预案设计和风险排查的全面性也至关重要；对于深空复杂的空间环境与热环境，在重力补偿条件和热模拟条件下展开地面试验验证，对机构功能性能进行测试，保证飞行任务期间工作顺利开展。

4.3 科学探测设计与载荷配置方面

伽利略号携带有相机、近红外分光仪、磁强仪、测云仪、大气结构仪等17种科学仪器，开展木星大气层结构、磁场、温度等特征的研究；朱诺号携带有9台，开展木星引力探测、极光（等离子体环境）探测、高能粒子分布、磁强、微波辐射、紫外成像等特性研究。

对比以往环绕探测任务，JUICE探测器携带有10台科学载荷，总质量达280 kg。作为首个ESA主导的木星系探测项目，载荷种类可算丰富。从载荷角度分析，该任务有以下点特色：

1）搭载多种类载荷，对多天体进行探测，适应多目标探测任务。10台载荷覆盖了远场遥感与近场原位测量，兼顾光学成像与粒子及能谱测量，可以全面探测天体系统特性；几类载荷的数据能相互补充，也各有侧重。

2）探测任务科学性强、载荷性能先进、载荷总重也创历史新高。除了常见的相机系统与成像光谱仪，探测器搭载了多台（套）雷达、电磁波测量仪设备，可以实现天体系统地表或大气分层结构、电磁及等离子体环境的探测；载荷中有4台为研究木卫三特性的仪器，也体现了本次任务探测的重点——发现木星冰卫星可能存在的生命迹象。

3）作为ESA主导的深空探测任务，JUICE任务也充分体现了多国合作的优势。探测器研制过程中，国际知名科研机构参与度高，实现了强强联手、优势互补；有利于集中优势力量，分摊研制成本，同时也能做到风险共担。

4.4 深空探测任务能源选择

JUICE探测器的一大亮点在于其携带的大面积太阳能帆板。尽管远离太阳，大面积的太阳电池阵仍可为飞行任务提供足够支撑能量。该探测器的设计经验表明，木星距离以内的深空探测器，可以优先选择太阳能作为动力来源。相比于核动力，太阳能仍是高效率低成本的能量来源。

4.5 中国行星探测任务

根据中国行星探测工程规划，将于2030年前后发射“天问四号”探测器，实现对木星和天王星的探测，其中主探测器将进入木星系，并对木星卫星进行探测，该任务将加深人类对木星系统演化历程的认知。

国际上深空探测领域更加注重科学性与前沿性。经过近20年的发展，中国航天在深空探测领域积累了较好的技术基础，具备了开展瞄准科学前沿问题开展深空探测任务的能力，后续可根据空间科学发展需求，制定合适的深空探测任务规划，为未来的空间科学研究做出新的贡献。同时，也需要广泛开展国际合作，实现共建共享共赢。

5 结束语

航天科技的快速发展，牵引人类认知宇宙的步伐不断向前。深空探测任务研制周期长、技术难度大、创新要求高，科学成果产出丰硕，任务意义重大。

JUICE探测器作为当前世界最先进的木星系探测器，将会有许多前沿的科学产出。随着器上各科学载荷机构的顺利展开，JUICE进入飞行阶段，期待JUICE探测器8年飞行之旅后的更多精彩表现。