木星冰月探测器：“一杯果汁”飞上天

法国当地时间2023年4月14日09:14，欧空局最新的星际任务木星冰月探测器用阿里安5火箭从库鲁发射升空，准备开始为期8年的木星之旅。不过刚进入太空不久，木星冰月探测器就出了大毛病，主要科学仪器之一的长杆天线不能展开。经过六个星期的折腾，欧空局终于解决了问题。那么，木星冰月探测器是要干啥用呢？

木星冰月探测器艺术想象图

木星冰月探测器的科学目标

和很多深空科学任务一样，木星冰月探测器（JUICE）的全名并不是单词的那个意思，JUICE是木星冰月探测器的缩写，JU来自木星的前两个首字母，IC是单词“冰”的前两个字母，E当然就是探测器了。这个词和“果汁”一模一样，因此欧空局在对外宣传的时候，特意使用了一个带吸管的果汁杯形象。

探测木星及伽利略卫星

按照欧空局的说法，木星冰月探测器是人类新一轮大胆的外太阳系任务。利用一套强大的遥感、地球物理和原位仪器，探测木星及木卫三、木卫四和木卫二，以发现更多相关信息，特别是考察木星系统过去有没有生命，未来会不会产生生命。木星冰月探测器将深入监测木星复杂的磁、辐射和等离子体环境及其与卫星的相互作用，深入研究这个气态巨行星系统。

木星是太阳系巨行星的原型，也是目前已知的、围绕其他恒星运行的众多巨行星的模型。木星一共有92颗卫星，但其中有及4颗卫星是1610年意大利天文学家伽利略用望远镜首先发现的，其名字按照次序分别为“艾奥”（Io）、“欧罗巴”（Europa）、“加尼美得”（Ganymede）和“卡里斯托”（Callisto）。有时候也按照与木星的距离依次命名为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。这4颗卫星被人们统称为伽利略卫星。其中与3颗卫星，人们推测它们内部存在海洋。

木星冰月探测器要探测的伽利略系统示意图

了解木星系并揭示其历史，从其起源到可能出现的宜居环境，将使我们更好地了解气态巨行星及其卫星是如何形成和演化的，还能为类木星系外行星系统中出现生命的可能性提供新的线索。

探究冰卫星与生命的谜团

木星冰月探测器将解决欧空局宇宙愿景计划的两个主题：行星形成和生命出现的条件是什么？太阳系是如何运作的？

木星冰月探测器的重点，是探测可能导致木星结冰卫星中出现宜居环境的条件，特别强调木卫三、木卫二和木卫四这3个海洋世界。木卫三之所以被确定为详细调查的对象，是因为它为分析冰世界的性质、进化和潜在宜居性提供了一个自然实验室。

对木卫三和木卫四，木星冰月探测器的主要科学目标是：海洋层的特征和假定的地下海洋的探测；地表地形、地质和成分测绘；冰壳物理特性研究；内部质量分布、动力学和内部演变的特征；外逸层调查；木卫三的固有磁场及其与木星磁层相互作用的研究。

对于木卫二的探测来说，重点是生命所必需的化学物质，包括有机分子，以及了解表面特征的形成和非水冰材料的组成。此外，木星冰月探测器将首次对木卫二进行地下探测，包括首次确定最近活动区域的冰壳最小厚度。

该任务还将重点研究木星大气层，侧重于对其结构、动力学和成分的研究。从云顶到热层，研究木星的环流、气象、化学和结构。这些观测将在足够长的时间基线上进行，具有广泛的纬度覆盖范围，以研究不断演变的天气系统以及不同层之间能量、动量和物质的传输机制。

木星磁层的重点将包括研究它的三维特性，以及深入研究磁层、电离层和热层内的耦合过程。极光和无线电发射及其对太阳风的反应将被阐明。在木星的卫星系统内，木星冰月探测器还将研究卫星与磁层的相互作用、引力耦合。

轨道设计

星际探测器的设计当中，轨道设计是优先考虑的，它也决定了探测器的总体设计。木星冰月探测器的任务，是观测木星和它的三颗卫星木卫四、木卫三和木卫二。

木星冰月探测器于2015年进入研发阶段，2017年通过了初步设计审查。作为一种空间探测器，研制进度算是中规中矩。按照原计划，木星冰月探测器在2022年6日发射，2029年抵达木星系统，其间要经历7年的行星际飞行，先后掠飞经过金星、地球和火星，随后对木星进行3年的探测，其间要对木星最大的卫星木卫三进行掠飞探测，持续29个月。不过可能是因为新冠疫情的影响，木星冰月探测器的发射推迟到了2023年4月，虽然晚了10个月，但是比“火星生命”的运气还是好多了。如此，木星冰月探测器终于能够实施人类历史上首次木卫三的轨道捕获。

运往发射场的木星冰月探测器

木星冰月探测器携带了10台仪器，通过SpaceWire网络连接到1T比特大容量存储器，再把数据传回地球。因此，各种仪器和存储设备的设计，都要满足电磁兼容性和指向精度要求。同时，木星冰月探测器还要携带好几吨推进剂，展开85平方米的太阳能帆板。在前往木星的过程中，由于通信距离遥远、极端温度变化、恶劣的辐射环境、木星位置的太阳光照微弱，对系统设计要求很苛刻。另外，木星轨道捕获、木卫三轨道捕获和木卫三轨道圆化等轨道机动，对时间节点的把握非常关键。这都对任务提出了严峻的挑战。

从地球到木星

木星冰月探测器的轨道，是欧洲空间运行中心任务分析团队设计的，与欧空局项目组、空中客车团队一起做了优化。设计的主要指标是：最大限度地提高发射时的干质量，将总质量保持在发射器的能力范围内，并最小化转移持续时间；同时要兼顾其他任务限制，如总辐射剂量、最小太阳距离和最大日食持续时间。

按照原计划，2022年6月发射是最优方案。木星冰月探测器发射后，将进入直接逃逸轨道，脱离地球引力场。大约1年后，它将执行第一次重力变轨，从地球上方12700千米的高度飞过，前往金星。然后将在金星上方9500千米的位置上进行第二次重力辅助变轨。随后木星冰月探测器将再次飞回地球，进行第三次重力辅助变轨，预计高度为1900千米；之后前往火星变轨，可能接近到1100千米。再返回地球变轨，距离大概3900千米。经过这么一番折腾之后，木星冰月探测器就不再回头，直奔木星而去了。

发射大约7年零4个月后，木星冰月探测器将到达木星附近。这时必须执行关键任务轨迹机动即木星轨道捕获，以实现围绕木星的高度椭圆轨道。在木星轨道捕获前几个小时，要飞越木卫三，距离可能接近400千米。飞越和木星轨道捕获都旨在降低航天器的速度，以实现目标轨道。在木星轨道捕获后6个月，需要在轨道的远木点附近执行近木点提升机动。

木星冰月探测器绕木星飞行想象图

轨道设计在很大程度上决定了木星冰月探测器的设计。比如说，它与太阳的距离在0.64天文单位（最接近太阳时）到5.5天文单位不等，导致温度变化范围很大。它到地球的距离决定了必须实施周期为1小时20分钟的自转；木星远离太阳，导致电力资源有限；木星被恶劣的辐射环境包围，在组件和材料选择时需要特别小心。木星轨道捕获航天器自主性设计是关键驱动因素之一，这引出了全新的故障操作概念，在任务的关键阶段，即使严重故障会影响某些必需的航天器功能，也可以实施机动。而在其他情况下（非任务关键阶段），这种严重的故障只会导致进入安全模式，中断任务并等待地面干预。

木星冰月探测器掠过木卫三想象图

上面说的最优选项，如今已经无法实现了。按照现在的官方说法，它将在2031年7月与木星系统交会。

木星之旅

在木星之旅期间，木星冰月探测器将访问木星的3颗卫星木卫二、木卫三和木卫四，在低至20千米的高度进行400多次飞越。因为辐射环境的限制，木星冰月探测器只能在木卫二上空执行两次飞越。在近木点，可以对木星进行详细观测。通过一系列对木卫四的飞掠，可以对绕木星飞行的轨道倾角先增后减，更好地观测木星两极。绕木卫三轨道运行在对4颗卫星进行大约3年的巡视后，木星冰月探测器将执行另一项关键任务，进入环绕木卫三的椭圆轨道。先形成一个高度为5000千米的圆轨道，然后变成椭圆轨道，近点可以降低到500千米，最后形成一个极轨道。轨道平面与太阳方向的夹角缓慢演变，为木卫三观测提供了各种照明条件。

木星冰月探测器掠过木卫二想象图

在任务结束时，木星冰月探测器将会撞向木卫三表面。

科学仪器

木星冰月探测器携带了大量仪器，欧空局自称“这是有史以来飞往外太阳系的最强大遥感和地球物理有效载荷”，具体包括10台专用科学仪器，以及一台辐射监测仪、一台行星射电干涉仪及多普勒实验仪器。

木星冰月探测器的科学设备分布

**木星和伽利略卫星的重力和地球物理学套件（3GM）。**这是一个无线电套件，包括Ka频段转发器、超稳定振荡器和高精度加速度计。它们将研究木卫三的重力场、冰卫星上内部海洋的范围，以及木星及其卫星的中性大气和电离层的结构。无线电科学软件包包括Ka转发器和超稳定振荡器。

**木卫三激光高度计（GALA）。**将研究木卫三的潮汐变形和冰卫星表面的地形。

**光学相机系统（JANUS）。**研究木星卫星的全球、区域和本地特征和过程，并绘制木星云层的地图。JANUS有13个滤镜，视场角为1.3度。它在木卫三上的分辨率可达2.4米，在木星上的分辨率约为10千米。需要注意的是，它的名字不是什么缩写，而是罗马人的门神。

**磁力计（J-MAG）。**它配备了传感器来表征木星磁场及其与木卫三磁场的相互作用，并研究冰卫星的地下海洋。它的传感器分别布置在航天器内外。

**卫星和木星成像光谱仪（MAJIS）。**它是一种超光谱成像光谱仪，用于观测木星上的对流层云特征和次要物体，并用于表征结冰卫星表面的冰和矿物。它将覆盖0.4微米~5.7微米的可见光和红外波长，光谱分辨率为3纳米~7纳米。木卫三的空间分辨率将高达25米，木星的空间分辨率约为100千米。

**粒子环境实验套件（PEP）。**它包括一组传感器，用于表征木星系统和冰卫星的等离子体环境。将测量能量范围从小于0.001eV到大于1MeV的正负离子、电子、外层中性气体、热等离子体和高能中性原子的密度和通量，并具有全角度覆盖。卫星外逸层的组成将以超过1000的分辨率进行测量。

**冰卫星探测雷达（RIME）。**它的电磁波可以穿透冰层，用于研究冰下结构，探测深度可以达到9千米。前段时间发生险情的就是它。

冰卫星探测雷达在地面测试展开

冰卫星探测雷达在地面完全展开

**无线电和等离子体波调查仪（RPWI）。**将使用一套传感器和探测器来表征木星及其冰卫星的无线电发射和等离子体环境。它将开展四类实验，采用两个朗缪尔探针，用于测量频率高达1.6兆赫的直流电场矢量，并表征热等离子体和中高频接收器，以及用于测量频率范围为80千赫~45兆赫电磁波中电场和磁场的天线。

**亚毫米探测仪（SWI）。**将研究木星大气层的温度结构、成分和动力学，以及冰卫星的外逸层和表面。它是一种使用30厘米天线的外差光谱仪，工作在1080吉赫~1275吉赫和530吉赫~601吉赫两个光谱范围内。

**紫外成像光谱仪（UVS）。**用于表征冰卫星外逸层的组成和动力学，研究木星极光，并研究行星高层大气的组成和结构。该仪器将进行近点观测，以及太阳和恒星掩星探测。紫外成像光谱仪将覆盖55纳米~210纳米的波长范围，光谱分辨率<0.6纳米。木卫三的空间分辨率将达到0.5千米，木星的空间分辨率最高可达250千米。

**辐射监测器（RADEM）。**可以跟踪木星冰月探测器经受的辐射剂量，同时也用于科学目的。

**行星射电干涉仪和多普勒实验（PRIDE）。**将使用木星冰月探测器的标准遥测系统和甚长基线干涉测量法对航天器位置和速度进行精确测量，以研究木星和冰卫星的重力场。

惹麻烦的冰卫星探测雷达

在上文中，我们看到了冰卫星探测雷达（RIME）的名字。在飞行过程中，就是这个冰卫星探测雷达让木星冰月探测器遇到了险情，如果不能解决，就会断送最主要的科学目标。

冰卫星探测雷达从机械结构上说，是一对三节棍，伸展在探测器上方的两侧。在发射之前，这对三节棍是收拢起来的，各自并成一束。进入太空后，解除约束，它就会伸展开来，成为一根直棍。在地面测试期间，空客和欧空局的科研人员对这一对三节棍做了相当认真的测试。展开机构的可靠性更是测试的重中之重。他们采取的测试手段在宇航领域很常见，但是业外人士未必熟悉。那就是用一只氦气球吊着三节棍最外面那一节，模拟微重力环境，然后释放天线，看它能不能顺利伸展。根据空客发布的视频，三节棍的伸展过程还是很顺利的。

但是到了天上，事情就变了。

在调试的第一周，16米长的冰卫星探测雷达天线没有办法完全释放。木星冰月探测器的外部安装了两个摄像头，可以监视不同部件的状况。从摄像头的视频中，人们发现，冰卫星探测雷达天线还是可以运动的，不过没有完全展开，只达到了设计长度的三分之一。人们推测，有一个很小的销钉没有按设计释放，所以把天线的两个部分卡住了。其实它只要移动几毫米就能解决问题。不过在远离地球的宇宙里，谁能伸手扒拉一下呢？除了这副天线，其他需要展开的设备都表现正常，比如庞大的太阳电池阵、中增益天线和10.6米长的磁力计探杆。

为了把冰卫星探测雷达天线展开，人们考虑了不少办法。比如说，点燃姿控发动机，让木星冰月探测器摇晃几下，或者进行旋转，让天线和支架从阴面转向阳面，用加热变形的方式展开。然而在视频上，人们只能看到三节棍徒劳地振了又振，就是打不开。

到5月12日，经过3个星期的努力，欧空局控制中心传出了好消息，冰卫星探测雷达天线吊杆终于摆脱了那个销钉，成功展开到了16米的设计长度。此前，控制中心尝试了上面说的两种办法，冰卫星探测雷达天线每天都有移动的迹象，但依然没有完全释放。12日当天，控制中心忍无可忍，激活了星上一个叫做“非爆炸执行器”的机械装置，那个顽固的销钉终于被震开了。这个“非爆炸执行器”是一种执行机构，使用弹性元件存储的能量，而非火工品爆炸能量，来产生驱动作用。这个执行器的编号为“6号释放机构”，它激活后产生的阻尼振荡特征，表明天线已经完全释放，然后来回摆动，稳定到锁定位置。随后飞行控制团队激活了另外一个执行器，把第二个卡住的部分也展开，总算解决了问题。

到这时为止，这个小问题已经把飞行控制团队折腾了6个星期。

“这是令人筋疲力尽但非常令人兴奋的6周，”任务运营副经理安吉拉迪茨说。“我们已经面对并克服了各种挑战，以使木星冰月探测器进入正确的状态，以便从木星之旅中获得最好的科学成果”。

冰卫星探测雷达天线展开之后，后续的仪器展开就顺利起来了。所有的太阳能电池板、天线、探测器和吊杆都一步到位。最后展开的是无线电和等离子体波研究用的探针和天线。这副天线要比冰卫星探测雷达天线短很多，位置在它的侧面，包括4个朗缪尔探针和3个无线电波仪器天线，还有另外3个传感器，用来测量木星周围电场和磁场的变化，以及无线电波和冷等离子体。

这个用于无线电和等离子体波研究的探针和天线将是有史以来第一个生成木星周围电场三维图的设备。它将提供关于木星巨大的旋转磁层与大型冰卫星木卫三、木卫四和木卫二之间能量传递的信息。例如，这种能量传递如何驱动木卫三和木星高层大气中的极光。它对低频型号特别灵敏，能够探测到来自冰卫星地下海洋中潮汐和洋流的非常微弱的电磁信号。

在这之后，对木星冰月探测器所携带的仪器的检测将一直持续到7月中旬，为巡航木星做好准备。2024年8月，木星冰月探测器将进行世界上第一次月球-地球重力辅助变轨，1.5天后再飞越地球。

从目前情况来看，木星冰月探测器没有更多的麻烦，可以就此踏上木星之旅了。但是在8年的时间里，谁又能知道它会遇到些什么呢？我们还是非常希望，当它终于在抵达木星的时候，可以为我们发回一些令人惊奇的科学数据。如果木星系统里真的在孕育生命，人类不妨静静地远观一番。