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來源：互聯(lián)網(wǎng)

朱諾號木星探測器（英文名：JUpiter Near-polar Orbiter）是美國航空航天局“新疆界計劃”實施的第二個探測項目。朱諾號是迄今運行軌道最接近木星的人類探測器，其繞木星軌道距離木星云層頂端最近處約4100千米。

朱諾號木星探測器由洛克希德·馬丁公司建造，項目總投資大約11億美元，包括探測器研發(fā)、科學載荷、發(fā)射服務、運行經(jīng)費、科學數(shù)據(jù)處理與測控支持等相關服務費用。

朱諾號木星探測器的主要目標是了解木星的氣源和演化。NASA的研究團隊給朱諾配了9套科學儀器，其中的8臺科學儀器分別為：MAG（磁強計），MWRz（微波輻射計），GS（重力科學），WAVES（無線電及等離子波探測器），JEDI（木星高能粒子探測儀），JADE（木星極光分布實驗），UVS（紫外線成像光譜儀）以及JIRAM（木星極光紅外成像儀）設備；最后一個JunoCam相機則主要是一臺用于教育和公眾宣傳目的。

朱諾號發(fā)現(xiàn)，木星冰冷的衛(wèi)星木衛(wèi)二每24小時可產(chǎn)生1000噸氧氣。這足夠100萬人呼吸一天，但比之前想象的要少得多。在木星上發(fā)現(xiàn)了當時所知最強的熱帶氣旋，大小與地球相近。朱諾號在探索過程中發(fā)現(xiàn)了木星含水量之謎，首次提供了有關木星大氣中水含量的科學結果；發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞木星兩極的巨大氣旋；發(fā)現(xiàn)超強的磁場等。

名稱由來

“朱諾”(JUNO)，JUNO為“木星近極軌道器”(JUpiter Near-polar Orbiter) 的縮寫，作為新疆界計劃的第二個任務，也被稱為“新疆界二號”。這是以羅馬神話中萬神之王“朱庇特”(Jupiter)的妻子，女神“朱諾”的名字命名的。女神朱諾擁有穿透云霧，洞察真相的力量，非常適合用于本次探測任務的命名。科學家們希望這艘飛船也將能夠看穿木星厚厚的大氣和云層，洞察其內部結構。

任務規(guī)劃

朱諾號探測器的主要使命是考察木星的形成和演化過程。使用經(jīng)過檢驗的成熟技術，朱諾裝備一系列先進設備，并在一個極軌軌道上運行，對木星的引力場、磁場大氣結構和成分進行探測，并觀察木星內部結構、大氣與磁場各方之間的相互關聯(lián)。通過這些研究，科學家們將加深我們對于木星形成與演化的理解，并基于此，加深我們對于整個太陽系誕生過程和機制的了解。

朱諾號任務將為美國航空航天局所有科學主題的核心科學問題提供答案：地球太陽系統(tǒng)、太陽系和宇宙。實現(xiàn)朱諾號目標將極大地增進我們對木星真實性質的了解，以及我們對圍繞其他太陽系中遙遠恒星運行的類似于木星的行星的了解。生命本身的起源可能與像我們這樣的太陽系誕生和演化的特殊條件有著至關重要的聯(lián)系。利用這次木星任務的數(shù)據(jù)，科學家將更深入地了解這些條件及其與人類起源的聯(lián)系。

朱諾號也將研究驅動木星大氣環(huán)流的對流和模式。朱諾號的其它儀器也將收集有關木星重力場、極性和磁層的資料。

探測歷程

前往木星

2011年8月5日，朱諾號木星探測器在美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地SLC-41發(fā)射臺發(fā)射升空，發(fā)射時地球木星距離：7.16億公里，信號以光速傳播單程需要39分50秒。

朱諾探測器先后兩次使用其主引擎，分別在2011年8月30日和2012年9月3日兩次啟動主引擎進行了軌道修正，再度接近地球軌道，借由地球的重力助推提升速度。2013年10月9日，朱諾號木星探測器從地球發(fā)射到地球飛掠，此時探測器已飛行了16億公里，地球飛掠時距離地面最近500公里。

2016年7月5日，進入木星軌道，入軌時地球木星之間距離約8.69億公里，信號以光速傳播單程需要48分19秒。從發(fā)射到進入木星軌道，此時探測器已飛行了28億公里。同時，朱諾號木星探測器執(zhí)行木星軌道切入(JOI)動作，進入這顆太陽系最大行星的軌道，成為其人造衛(wèi)星。

朱諾號木星探測器在圍繞木星運行過程中，最近時距離木星云層頂部僅有不到5000公里，每11天圍繞木星運行一周。10月19日，朱諾號木星探測器實施其最后一次主要變軌，速度下降350m/s，來實現(xiàn)進入周期約為14天的科學軌道。由于木星的高速自轉，它的形狀嚴重偏離正球體，而是呈一扁球形。這種不對稱的質量分布將持續(xù)的作用于朱諾號的軌道，迫使其軌道平面不斷進動、軌道周期不斷縮短、近木點高度不斷增加。

探測木星

2017年7月，朱諾號航天器在首飛越木星大紅斑時收集的數(shù)據(jù)表明，大紅斑寬度為10000英里（16000 公里），是地球寬度的1.3倍。

朱諾號通過以足夠的分辨率繪制引力場和磁場圖來揭示木星的歷史，以約束木星的內部結構、磁場源區(qū)和深層對流的性質。通過深入木星大氣層探測，朱諾號確定了這些帶和區(qū)域的穿透深度。朱諾號首次對木星極磁層的三維結構進行了調查和探索。

2021年2月，美國航空航天局宣布，朱諾號的任務期將再次延長，直到2025年9月或是壽命結束，以對木星系統(tǒng)——包括木星、木衛(wèi)以及木星環(huán)展開全面探測。朱諾號的拓展任務涉及42次額外運行軌道，其中包括近距離飛掠木星北極氣旋，飛掠木衛(wèi)三、木衛(wèi)二和木衛(wèi)一，以及首次探索微弱的木星環(huán)。這將使朱諾號成為全面探測木星系統(tǒng)的探測器，并為下一代木星系統(tǒng)探測任務——NASA的歐羅巴快艇探測器和歐洲航天局的木星冰衛(wèi)星探測器的實施提供寶貴數(shù)據(jù)。

2021年6月8日，朱諾號木星探測器近距離拍攝木衛(wèi)三的照片傳回。“朱諾”號與木衛(wèi)三表面的最近距離小于1038 公里，這是有史以來最接近木衛(wèi)三的飛行。10月28日，朱諾號木星探測器幫助科學家們確認，大紅斑不僅僅存在于上層表面，還向內延伸了數(shù)百公里。2022年9月29日，美國朱諾號木星探測器近距離飛越木星衛(wèi)星木衛(wèi)二，并首次向地球傳回它為木衛(wèi)二拍攝的照片。10月，美國航空航天局探測木星的朱諾號探測器拍攝了其最詳細的冰層覆蓋、承載海洋的衛(wèi)星木衛(wèi)二的圖像。12月17日，美國宇航局在公布的一份新聞稿中，分享了使用“朱諾號”木星極光紅外成像儀（Jovian Infrared Auroral Mapper，JIRAM）在2022年夏天拍攝的木衛(wèi)一火山表面圖片。2023年4月8日，朱諾號完成了第50次近距離飛越木星。

朱諾號于2023年12月和2024年2月極其近距離地飛越了木衛(wèi)一，進入距離表面約930英里（1,500 公里）的范圍，獲得了木衛(wèi)一北緯的第一張?zhí)貙憟D像。

參考資料：

飛船詳情

總體設計

飛船尺寸

飛船本體：高3.5米，直徑3.5米（太陽能帆板收起）。發(fā)射質量為3625公斤，其中包括飛船本身質量1593公斤，1280公斤的燃料以及752公斤的氧化劑。

飛船的形狀為六角形，具有兩層結構。該車輛的甲板、中央圓柱體和角撐板采用復合面板和夾子結構。?朱諾號的起飛質量為3625公斤，并配備了多種子系統(tǒng)。朱諾號是自旋穩(wěn)定航天器，不使用反作用輪來保持其姿態(tài)。在任務的不同階段，旋轉速度從1到5rpm不等。

結構

推進器

朱諾號推進器包括1個主發(fā)動機和3個調姿發(fā)動機12個反推噴口。朱諾號采用單一推進劑反應控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安裝在4個火箭發(fā)動機模塊上的12個RCS噴氣機組成。RCS將用于控制探測器的方向并執(zhí)行軌跡修正操作。

朱諾號采用雙推進劑主發(fā)動機（Leros-1b 發(fā)動機），使用和四氧化二氮進行推進，并提供645牛頓的推力。它固定在航天器主體上，發(fā)動機罩封閉在防碎片罩內，它會在發(fā)動機點火前縮回。

為了控制空間方向并進行小幅軌跡修正，朱諾號總共配備了12個反應控制系統(tǒng)推進器（RCS）。 RCS使用肼進行催化推進。推進器安裝在四個發(fā)動機模塊上，并允許三軸姿態(tài)控制。三個發(fā)動機（一臺軸向發(fā)動機和兩臺側向發(fā)動機）安裝在一個模塊上。兩個模塊位于前甲板，一個位于后甲板。REM塔能夠提供中等速度增量，足以滿足75m/s的脫軌燃燒速度。

太陽能電池板

太陽能電池板的尺寸龐大：長度達到8.9米，寬度2.7米。足以為五只標準燈泡提供電力，如果太陽能電池板面對太陽的角度進行優(yōu)化，最大可產(chǎn)生12-14千瓦的電力。

巨大的太陽能電池板折疊成發(fā)射狀態(tài)，并于前往木星的途中再次展開。朱若號探測器是首個在距離據(jù)地球如此之遠（木星與地球距離是地球到太陽距離的4倍：超過6.4億公里）的宇宙空間中以太陽能作為主要能源的航天器。

通訊部件

朱諾號的遠距離通訊系統(tǒng)與新視野號有比卡西尼號更多的共同點。朱諾號支援音效故障信號的巡航模式，但預計它很少會使用。通訊是透過深空網(wǎng)絡的70米天線利用X波段直接連結。

科學載荷

朱諾飛船攜帶的載荷中包括29臺傳感器，它們將數(shù)據(jù)傳輸給9臺載荷。其中的8臺科學載荷——包括MAG，MWRz，重力科學，WAVES，JEDI，JADE，UVS以及JIRAM設備被歸為科學載荷；最后一個JunoCam相機則主要是一臺用于教育和公眾宣傳目的的載荷。

重力科學載荷

重力科學載荷（Gravity Science）將賦予朱諾探測器對木星引力場的探測能力。朱諾探測器上安裝的兩臺發(fā)射機應答器分別在X波段和Ka波段工作，它們能夠接收來自地球上美國航空航天局深空網(wǎng)(DSN)系統(tǒng)向飛船發(fā)送的信號并立即向地球返回一個對應信號。這些回傳信號在抵達地球時，地面科學家們將對信號頻率進行分析，由于木星引力場的局部性差異，這些信號將顯示輕微的頻率變化，這種變化反應了木星內部結構的差異。Ka波段應答器設備由意大利航天局提供。

磁強計

磁強計（Magnetometer）將讓朱諾飛船能夠繪制木星磁場的詳細三維立體結構圖。朱諾飛船搭載的磁強計是一類磁通門探測器，其可以對木星磁場的強度和磁感線方向進行探測。該系統(tǒng)中自帶的“先進恒星導航儀”將為系統(tǒng)提供磁強計自身方位朝向的信息。和其他探測器一樣，朱諾飛船的磁強計設備被安裝在三根伸出的太陽能帆板中的一根的頂部，以便盡可能地遠離飛船本體。這樣做主要是為了避免飛船自身其他設備工作時產(chǎn)生的磁場干擾磁強計對木星磁場信號的測量。

另外，為了進一步修正飛船自身設備對木星磁場信號測量可能產(chǎn)生的干擾，朱諾安裝了兩臺磁強計，一臺距離飛船本體大約10米，另一臺則距離大約12米，通過對這兩臺設備獲得數(shù)據(jù)的對比，科學家們能夠準確剔除掉來自飛船設備的干擾信號。朱諾的磁強計設備由美國宇航局戈達德空間飛行中心設計和制造，而“先進恒星導航儀”設備則由丹麥技術大學設計和制造。

微波輻射計

朱諾的微波輻射計（MWR）設備將穿透木星的云層，揭示其深部大氣的結構，成分和運動情況。其最大穿透深度可以達到相當于地球上1000倍大氣壓強深處，大約相當于木星云層頂向下深入550公里。

微波輻射計系統(tǒng)包括6臺獨立的輻射計，用于測量來自6層不同云層的微波信號。每個輻射計都擁有一根從飛船本體的六邊形艙體向外伸出的天線。每根這樣的天線都與一根數(shù)據(jù)線相連接，最后接入電子艙內部的接收器。該設備由美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)設計并制造。

木星高能粒子探測器

朱諾的木星高能粒子探測器（JEDI）對空間中的高能粒子進行探測并觀察它們與木星磁場之間的相互作用。JEDI設備包括3臺相同的感受器，每臺都擁有6個離子和6個電子觀測通道。這臺設備將與微波輻射計以及JADE(木星極光分布實驗)設備聯(lián)合工作，對木星極區(qū)上空的情況進行探測，尤其關注木星強烈而明顯的南北極光。這臺設備由美國約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室(APL)設計并制造。

木星極光分布實驗

“木星極光分布實驗”（JADE）設備將與朱諾搭載的部分其他設備合作，研究造成木星極光產(chǎn)生的粒子運動和機制過程。“木星極光分布實驗”設備包括一臺電子艙并附帶4臺感受器，其中的3臺用于探測飛船周圍環(huán)境中的電子，第四臺主要用于識別帶正電的氫、氦、氧和硫等元素的離子。當探測器從木星極光上空飛過時，這些設備將能夠識別沖入木星極區(qū)上空大氣的粒子類型有哪些。這臺設備由美國航空航天局西南研究所設計并制造。

等離子體電波設備

等離子體電波設備（WAVES）將測量木星磁層內部的無線電波與等離子體波信號，有助于幫助科學家理解木星磁場(magnetic field)、大氣層(atmosphere)和磁層(magnetosphere)之間的相互關聯(lián)。等離子體電波設備包含一個V型天線，高度約4米。這臺設備由美國艾奧瓦大學研制并制造。

木星紅外極光繪圖儀

木星紅外極光繪圖儀（JIRAM）將對木星極光周圍的大氣進行觀察，幫助科學家理解磁場與極光之間的關聯(lián)。這臺設備將能夠探測木星云層下方大約50~70公里深度的情況，那里的大氣壓力大約是地球上海平面高度氣壓的5~7倍。木星紅外極光繪圖儀包括一臺相機以及一臺光譜儀，后者能夠將光線分解為各單一組成波段，類似三棱鏡。而相機將獲取紅外波段影像，這是熱輻射波段，波長范圍大概是在2~5微米左右，這一波長要比肉眼可見的波段長3~7倍。木星紅外極光繪圖儀由意大利國家天體物理學研究所研制并制造，并得到意大利空間局的資助。

紫外成像光譜儀

紫外成像分光光度計（UVS）將拍攝木星極光的紫外波段圖像。與JADE以及JEDI設備共同協(xié)作，它們將能夠幫助科學家們理解木星極光，粒子流和磁場之間的相互作用。紫外成像光譜儀包括兩個獨立的部分：一臺安裝在防輻射電子艙上的專用望遠鏡/光譜儀。其中的望遠鏡主要用于為光譜儀采集光線。而另一部分則是該設備的汽車傳感器部分，其位于飛船的電子設備艙內部。紫外成像光譜儀由美國航空航天局西南研究所研制并制造。

朱諾相機

朱諾相機（JunoCam）將拍攝可見光波段木星的彩色圖像。朱諾相機將有能力獲取木星大氣和極區(qū)上空的廣角圖像。這一設備從設計之初就被定位為用于公眾科普用途的全彩色相機。公眾將有機會親身參與從原始數(shù)據(jù)生成圖像產(chǎn)品的過程并幫助挑選該相機拍攝的目標。

朱諾相機的硬件設備是基于美國好奇號火星探測器的下降相機而設計的。而其使用的部分軟件則源自最初為火星奧德賽以及火星勘測軌道器(MRO)設計的程序代碼。該設備由美國馬林空間科學系統(tǒng)公司提供。

其他載荷

伽利略銘牌

朱諾號宇宙飛船把一塊紀念著名天文學家伽利略·伽利萊·伽利雷的銘牌運送到木星。

該銘牌由意大利航天局提供，尺寸為2.8x2英寸（71x51毫米），由飛行級鋁制成，重6克（0.2盎司）。它用航天器級ep粘合到朱諾號的推進艙。銘牌上的圖案描繪了伽利略的自畫像。它還包括伽利略親手寫的一段他在1610年對木星進行的觀測，存檔于佛羅倫薩國家圖書館。

樂高人像

2011年8月17日，朱諾號宇宙飛船將伽利略·伽利萊、羅馬神朱庇特及其妻子朱諾的 1.5 英寸雕像帶到木星。三個迷你雕像是美國航空航天局與樂高集團合作開發(fā)的聯(lián)合外展和教育計劃的一部分，旨在激勵兒童探索科學、技術、工程和數(shù)學。

研究成果

金屬氫

木星的成分與太陽相近，主要是氫和氦。隨著深入木星大氣的深度增加，大氣壓強持續(xù)增強，溫度也逐漸升高，在一定的深度上氫會被壓縮成為一種近似液體的物質。在大約相當于木星1/3半徑深度上，這里的氫物質已經(jīng)在極端高溫高壓環(huán)境下具備了液體性質，可以導電，被稱作“金屬氫”。科學家們認為，正是在這一層具有導電性能的金屬氫層發(fā)生的流動翻滾運動產(chǎn)生了木星強大的磁場。在木星內核區(qū)域，極端的壓強環(huán)境下可能存在一個由更重的金屬組成的內核，其直徑可能超過整個地球。

木星含水量研究

朱諾號任務首次提供了有關木星大氣中水含量的科學結果。根據(jù)最近發(fā)表在《自然天文學》雜志上的朱諾號研究結果估計，在赤道，水約占木星大氣分子的 0.25%，幾乎是太陽的三倍。這也是自1995年伽利略任務以來首次發(fā)現(xiàn)這顆氣態(tài)巨行星富含水，表明木星與太陽相比可能極其干燥（這種比較不是基于液態(tài)水，而是基于太陽中存在的氧和氫成分）。

木星南極氣旋

2019年11月3日，木星南極出現(xiàn)了一個新的氣旋，同時發(fā)生了大規(guī)模風暴。這是朱諾號第22次飛越這顆氣態(tài)巨行星，在此期間收集了科學數(shù)據(jù)，該航天器僅在距云層頂部2175英里（3500 公里）的高度飛行。這次飛越也標志著任務團隊的勝利，他們的創(chuàng)新措施使太陽能航天器避開了可能導致任務結束的日食。

超強磁場

木星擁有太陽系各大行星中最強大的磁場，其強度比地球磁場強2萬倍以上。在木星附近強大磁場作用下，大量帶電粒子被困在其中，形成劇烈的輻射帶，其中主要是大量的電子和各類離子。這些強大的粒子流持續(xù)轟擊著木星的衛(wèi)星和光環(huán)。木星磁層在朝向太陽的方向延伸100萬~300萬公里，而在背離太陽的方向延伸則超過10億公里。

照片合集

2023年4月8日，朱諾號任務完成了自2016年航天器抵達木星以來第50次近距離飛越木星。美國航空航天局為了慶祝，從朱諾號任務期間拍下的海量照片中選取50張圖片制成圖集，包括來自幾種不同儀器的圖像，以及地球、木星和木星大衛(wèi)星木衛(wèi)三、木衛(wèi)二和木衛(wèi)一的壯觀景色。

世界紀錄

2016年1月，朱諾號創(chuàng)造了第一個世界紀錄，成為“最遠的太陽能載人飛船”，朱諾號飛行距離超過了由歐洲航天局羅塞塔號彗星探測器于2012年10月創(chuàng)造的7.91億公里距離，雖然航行者（Voyager）和新地平線號探測器（New Horizons）走的更遠，但是他們是由核動力發(fā)電。

2016年7月4日，朱諾號創(chuàng)造了第二個世界紀錄。它受到了來自木星的巨大引力，這個氣態(tài)巨行星的巨大引力能夠讓正在移動的探測器速度達到每小時26.5萬公里，這使得朱諾號成為“運行速度最快的宇宙飛船”，從而打破了由太陽神（Helios）1號于1976年4月17日創(chuàng)下的紀錄。

參考資料 >

朱諾將入軌木星:飛行5年之久的朱諾探測器到底是啥?.新浪科技.2024-04-09

science.NASA.2024-04-21

Juno.NASA.2024-04-21

“朱諾”木星探測器成功進入木星軌道.中國科學院.2024-04-09

朱諾號成功進入軌道投入木星的懷抱.科學網(wǎng).2024-04-09

Jupiter’s Juno Mission.NASA.2024-04-21

NASA.美國宇航局探測器在發(fā)射臺出現(xiàn)故障后向木星發(fā)射.2024-04-19

木星探測器朱諾背后的航天工程奇跡:飛了59個月，只晚1秒.澎湃新聞.2024-04-09

宇航_中國航天新聞.中國航天新聞網(wǎng).2024-04-21

NASA – Winds in Jupiter’ s Little Red Spot Almost Twice as Fast as Strongest Hurricane.NASA.2024-04-23

Findings From NASA’ s Juno Update Jupiter Water Mystery.NASA.2024-04-23