美國“朱諾”木星探測器變軌故障與影響

伍曉京 張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

美國“朱諾”木星探測器變軌故障與影響

Failure and Influence of NASA Juno Maneuver

伍曉京 張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

“朱諾”（Juno）是美國的木星探測器，是繼“伽利略”（Galileo）木星探測器后的全球第二個木星探測器，于2011年8月5日由宇宙神-5（Atlas-5）運載火箭從卡納維拉爾角發射。任務目標是研究木星的起源與演變，探測木星大氣、引力場、磁場以及磁球層，調查木星上是否存在冰巖芯，確定木星上水的含量，并尋找氧氣。

“朱諾”采用了先進的太陽電池陣技術，是在以往探測過木星的深空探測器中首個使用太陽電池陣的探測器，在采用太陽電池陣的深空探測器中飛行距離最遠。此外，“朱諾”探測器還針對木星嚴苛的輻射環境，首次采用了電子元器件輻射防護裝置。

2016年7月4日，“朱諾”歷經近5年的飛行，成功抵達木星并進入木星軌道。2016年10月，“朱諾”原計劃進行變軌，然而由于燃料增壓系統閥門故障，美國國家航空航天局（NASA）決定推遲變軌時間，并稱不變軌并不會影響“朱諾”的探測成果。2017年2月18日，美國宣布“朱諾”木星探測器將保持在當前的53天軌道上運行直至任務結束，不再按原計劃變軌至14天軌道。實際上，由于變軌失敗，“朱諾”原計劃于2018年2月結束的主任務將由計劃的繞木星30余圈減少到10余圈，探測木星同一位置的頻率比原計劃大大降低，探測成果將受到影響。且從2019年起，“朱諾”將長時間位于木星陰影區，超出了原先的設計上限，在此期間太陽電池翼無法對星上電池組充電，可能使電池組發生嚴重損壞甚至失效。

1 “朱諾”探測器變軌故障事件還原

“朱諾”于2011年8月5日發射，2016年7月4日進入木星軌道，一直工作正常，原計劃在2016年10月19日接近木星時進行主發動機的最后一次點火，使探測器由周期為53天的“捕獲軌道”進入周期為14天的“科學軌道”，正式進入科學探測階段。然而在點火前不到一周，NASA稱，由于“朱諾”燃料增壓系統上的2個閥門存在問題，推遲“朱諾”的點火操作。“朱諾”項目負責人瑞克·里巴肯在2016年10月14日的一份聲明中指出，遙測信號顯示兩個在點火中起關鍵作用的氦氣單向閥在前一天地面發出一段指令時沒有按預期工作。閥門應該在數秒鐘之內打開，但實際上卻花了數分鐘才打開。因此需要在主發動機點火前進一步弄清楚問題所在。

當時NASA官員表示，下一次發動機點火的可能時間是在“朱諾”下一次抵達近木點時，即2016年12月11日。“朱諾”團隊原計劃只使用探測器上9個科學設備中的一部分在原計劃的木星飛越過程中進行觀測。但由于閥門故障，所有儀器都被啟動。項目團隊成員表示，即使“朱諾”無法進入14天軌道，仍然能收集到有關木星的數據。

“朱諾”計劃變軌示意圖

“朱諾”項目首席專家斯科特·波頓稱，軌道周期對“朱諾”飛越木星時收集到的科學數據質量沒有影響。任務在這一點上其實很靈活。“朱諾”是在近木點實施大部分科學探測活動，因此無論軌道周期為53天還是14天，“朱諾”的探測區域是大致相同的。他還表示，在2016年8月27日的首次飛越中收集到的數據就是證明，并預計10月19日的飛越收集的數據情況會很相似。波頓還說：“即使‘朱諾’停留在53天周期的軌道上，繞木星的每一圈仍然和14天軌道具有相同的價值。我們最初想將軌道調整為14天周期，是因為我們想更快地獲得科學探測結果，但實際上并沒有強制要求要那樣做。”

所謂“禍不單行”，2016年10月18日，即“朱諾”以5000km近距離飛越木星的前一天，星上軟件出現故障，導致星上計算機重啟，探測器進入安全模式。而當時NASA官員表示，這是由軟件性能監視器導致的星上計算機重啟，與“朱諾”推進系統閥門的問題無關。

2016年10月24日，“朱諾”恢復運行模式。里巴肯表示，“朱諾”目前看起來一切正常，并對所有指令都有所回應。預計會在1 1月初開啟探測器上的設備，為12月的飛越做好準備。

為準備2016年12月11日的飛越，“朱諾”進行了一次“軌道匹配”，小型推力器點火31min，將速度變為9.3km/h。

然而2017年2月18日，NASA宣布，“朱諾”將停留在目前的53天軌道上直至2018年2月主任務結束，這表示其已放棄原先的變軌計劃。至此，“朱諾”已經環繞木星運行了4圈。

2 “朱諾”探測器基本情況

項目背景

“朱諾”探測器是NASA“新疆域計劃”（New Frontier Program）的第2個探測器，項目總成本為11億美元，包括探測器研發、科學儀器、發射服務、任務運行、科學研究與中繼支持。項目由美國噴氣推進實驗室（JPL）管理，項目首席專家為美國西南研究院的斯科特·波頓。該項目所屬的“新疆域計劃”由馬歇爾航天飛行中心（MSFC）管理，探測器由洛馬公司（LM）制造，任務發射管理由NASA肯尼迪航天中心負責。

探測目標

“朱諾”的主要探測目標是揭示木星的形成和演變過程。探測器在大橢圓極軌道上工作，觀測木星的引力場和磁場，研究木星大氣動力學和組成，探測木星內部結構、大氣和磁氣圈的情況，研究木星的起源和演變，有助于人類理解太陽系和其他恒星周圍的行星系統的起源。

探測器主要性能參數

“朱諾”探測器發射質量為3625kg，干質量為1593kg，燃料和氧化劑總質量為2032kg。主平臺為直徑3.5m、高3.5m的六邊形柱體結構，3個太陽電池翼從柱體側面伸出。平臺艙頂部中央裝有0.8m×0.8m×0.6m的鈦合金防輻射屏蔽裝置，厚度約1cm，質量150kg，該裝置將探測器的中央處理系統、數據處理設備以及電子單元保護起來，以抵御木星輻射影響。推進系統包括1臺雙組元發動機和12個單元肼推力器，其中645N雙組元發動機主要用于變軌機動；12個單組元推力器用于姿態控制及輔助軌道修正。電源系統采用3個總面積約60m2的太陽電池翼（每個太陽電池陣尺寸為9m×2.65m，太陽電池陣單元為18698個）和2個55A·h的鋰離子蓄電池組。在地球軌道附近時，太陽電池翼功率約為14kW；在木星軌道上時，太陽電池翼功率約為400W。該探測器自旋穩定，在任務的不同階段，有不同的速率自旋；其中巡航階段為1r/min，科學觀測階段為2r/min，在主發動機點火機動期間為5r/min。主任務通信采用X頻段，裝有高增益天線、低增益天線和螺旋天線，地球上采用NASA深空網的70m天線與其通信；探測器還為引力科學實驗提供Ka頻段雙工鏈路。探測器運行于木星橢圓極軌道，遠木點為39個木星半徑，近木點為1.06個木星半徑。

“朱諾”探測器的有效載荷包括引力科學實驗裝置（Gravity Science）、磁強計（MAG）、微波輻射計（MWR）、木星高能粒子探測儀（JEDI）、木星極光分布實驗裝置（JADE）、無線電和等離子體波探測儀（Waves）、紫外成像光譜儀（UVS）、木星紅外極光成像儀（JIRAM），以及“朱諾”相機（JunoCam）。

3 故障影響

探測頻率比原計劃大為降低，科學探測成果將受影響探測器將長時間在木星陰影區運行，將嚴重影響太陽電池翼為電池組供電

由于未按預期縮短運行周期，“朱諾”在整個任務期間繞木星運行的圈數由計劃的每兩星期一圈變為每53天一圈，因此探測器繞木星的總圈數會比原計劃大大減少，探測木星同一區域的頻率也大為降低，獲得的科學數據將會受到影響。

“朱諾”14天軌道的設計，可保證其3個太陽電池翼總能接收到太陽光。但如果“朱諾”保持在53天軌道上運行，從2019年開始，即“朱諾”開始其第20圈53天軌道時，太陽電池翼將無法保持持續供電，將有6h的時間位于木星的陰影區中，在此期間，太陽電池翼將無法為電池組充電。而當初設計探測器時并未考慮要承受如此長時間在木星陰影區運行的情況。

在變軌失敗后，波頓對記者表示，如果變軌最終不成功，“朱諾”的探測活動會受到影響，“實際上，我們還是希望能夠使‘朱諾’進入14天軌道，以完成基本任務。‘朱諾’的基本任務是以5000km的近木點距離繞木星運行32圈。”“如果我們保持在53天軌道，在第20圈時，探測器將經歷6h的木星食，然而探測器并未進行相應的設計，因此溫度將會變得過低，電池組會失效，且不清楚是否能夠恢復。”此外，波頓還告訴記者，項目團隊有很多時間來解決探測器主發動機的問題，或找出一種使探測器不受木星陰影影響的方法。

然而，當NASA宣布“朱諾”將停留在目前軌道上之后，NASA在其官方網站上并未提到上述幾點問題，而是引用NASA分管科學任務部的副局長托馬斯·祖布辛的話，“我們放棄點火是一件正確的事情，使‘朱諾’得以繼續它激動人心的旅程。”NASA還表示，更長的軌道賦予“朱諾”新機會去深度探測被木星磁場包圍的空間，增加了“朱諾”的價值。此外，“朱諾”每圈運行遭受的輻射時間也會更短。