美国“朱诺”木星探测器变轨故障与影响

伍晓京 张扬眉 （北京空间科技信息研究所）

美国“朱诺”木星探测器变轨故障与影响

Failure and Influence of NASA Juno Maneuver

伍晓京 张扬眉 （北京空间科技信息研究所）

“朱诺”（Juno）是美国的木星探测器，是继“伽利略”（Galileo）木星探测器后的全球第二个木星探测器，于2011年8月5日由宇宙神-5（Atlas-5）运载火箭从卡纳维拉尔角发射。任务目标是研究木星的起源与演变，探测木星大气、引力场、磁场以及磁球层，调查木星上是否存在冰岩芯，确定木星上水的含量，并寻找氧气。

“朱诺”采用了先进的太阳电池阵技术，是在以往探测过木星的深空探测器中首个使用太阳电池阵的探测器，在采用太阳电池阵的深空探测器中飞行距离最远。此外，“朱诺”探测器还针对木星严苛的辐射环境，首次采用了电子元器件辐射防护装置。

2016年7月4日，“朱诺”历经近5年的飞行，成功抵达木星并进入木星轨道。2016年10月，“朱诺”原计划进行变轨，然而由于燃料增压系统阀门故障，美国国家航空航天局（NASA）决定推迟变轨时间，并称不变轨并不会影响“朱诺”的探测成果。2017年2月18日，美国宣布“朱诺”木星探测器将保持在当前的53天轨道上运行直至任务结束，不再按原计划变轨至14天轨道。实际上，由于变轨失败，“朱诺”原计划于2018年2月结束的主任务将由计划的绕木星30余圈减少到10余圈，探测木星同一位置的频率比原计划大大降低，探测成果将受到影响。且从2019年起，“朱诺”将长时间位于木星阴影区，超出了原先的设计上限，在此期间太阳电池翼无法对星上电池组充电，可能使电池组发生严重损坏甚至失效。

1 “朱诺”探测器变轨故障事件还原

“朱诺”于2011年8月5日发射，2016年7月4日进入木星轨道，一直工作正常，原计划在2016年10月19日接近木星时进行主发动机的最后一次点火，使探测器由周期为53天的“捕获轨道”进入周期为14天的“科学轨道”，正式进入科学探测阶段。然而在点火前不到一周，NASA称，由于“朱诺”燃料增压系统上的2个阀门存在问题，推迟“朱诺”的点火操作。“朱诺”项目负责人瑞克·里巴肯在2016年10月14日的一份声明中指出，遥测信号显示两个在点火中起关键作用的氦气单向阀在前一天地面发出一段指令时没有按预期工作。阀门应该在数秒钟之内打开，但实际上却花了数分钟才打开。因此需要在主发动机点火前进一步弄清楚问题所在。

当时NASA官员表示，下一次发动机点火的可能时间是在“朱诺”下一次抵达近木点时，即2016年12月11日。“朱诺”团队原计划只使用探测器上9个科学设备中的一部分在原计划的木星飞越过程中进行观测。但由于阀门故障，所有仪器都被启动。项目团队成员表示，即使“朱诺”无法进入14天轨道，仍然能收集到有关木星的数据。

“朱诺”计划变轨示意图

“朱诺”项目首席专家斯科特·波顿称，轨道周期对“朱诺”飞越木星时收集到的科学数据质量没有影响。任务在这一点上其实很灵活。“朱诺”是在近木点实施大部分科学探测活动，因此无论轨道周期为53天还是14天，“朱诺”的探测区域是大致相同的。他还表示，在2016年8月27日的首次飞越中收集到的数据就是证明，并预计10月19日的飞越收集的数据情况会很相似。波顿还说：“即使‘朱诺’停留在53天周期的轨道上，绕木星的每一圈仍然和14天轨道具有相同的价值。我们最初想将轨道调整为14天周期，是因为我们想更快地获得科学探测结果，但实际上并没有强制要求要那样做。”

所谓“祸不单行”，2016年10月18日，即“朱诺”以5000km近距离飞越木星的前一天，星上软件出现故障，导致星上计算机重启，探测器进入安全模式。而当时NASA官员表示，这是由软件性能监视器导致的星上计算机重启，与“朱诺”推进系统阀门的问题无关。

2016年10月24日，“朱诺”恢复运行模式。里巴肯表示，“朱诺”目前看起来一切正常，并对所有指令都有所回应。预计会在1 1月初开启探测器上的设备，为12月的飞越做好准备。

为准备2016年12月11日的飞越，“朱诺”进行了一次“轨道匹配”，小型推力器点火31min，将速度变为9.3km/h。

然而2017年2月18日，NASA宣布，“朱诺”将停留在目前的53天轨道上直至2018年2月主任务结束，这表示其已放弃原先的变轨计划。至此，“朱诺”已经环绕木星运行了4圈。

2 “朱诺”探测器基本情况

项目背景

“朱诺”探测器是NASA“新疆域计划”（New Frontier Program）的第2个探测器，项目总成本为11亿美元，包括探测器研发、科学仪器、发射服务、任务运行、科学研究与中继支持。项目由美国喷气推进实验室（JPL）管理，项目首席专家为美国西南研究院的斯科特·波顿。该项目所属的“新疆域计划”由马歇尔航天飞行中心（MSFC）管理，探测器由洛马公司（LM）制造，任务发射管理由NASA肯尼迪航天中心负责。

探测目标

“朱诺”的主要探测目标是揭示木星的形成和演变过程。探测器在大椭圆极轨道上工作，观测木星的引力场和磁场，研究木星大气动力学和组成，探测木星内部结构、大气和磁气圈的情况，研究木星的起源和演变，有助于人类理解太阳系和其他恒星周围的行星系统的起源。

探测器主要性能参数

“朱诺”探测器发射质量为3625kg，干质量为1593kg，燃料和氧化剂总质量为2032kg。主平台为直径3.5m、高3.5m的六边形柱体结构，3个太阳电池翼从柱体侧面伸出。平台舱顶部中央装有0.8m×0.8m×0.6m的钛合金防辐射屏蔽装置，厚度约1cm，质量150kg，该装置将探测器的中央处理系统、数据处理设备以及电子单元保护起来，以抵御木星辐射影响。推进系统包括1台双组元发动机和12个单元肼推力器，其中645N双组元发动机主要用于变轨机动；12个单组元推力器用于姿态控制及辅助轨道修正。电源系统采用3个总面积约60m2的太阳电池翼（每个太阳电池阵尺寸为9m×2.65m，太阳电池阵单元为18698个）和2个55A·h的锂离子蓄电池组。在地球轨道附近时，太阳电池翼功率约为14kW；在木星轨道上时，太阳电池翼功率约为400W。该探测器自旋稳定，在任务的不同阶段，有不同的速率自旋；其中巡航阶段为1r/min，科学观测阶段为2r/min，在主发动机点火机动期间为5r/min。主任务通信采用X频段，装有高增益天线、低增益天线和螺旋天线，地球上采用NASA深空网的70m天线与其通信；探测器还为引力科学实验提供Ka频段双工链路。探测器运行于木星椭圆极轨道，远木点为39个木星半径，近木点为1.06个木星半径。

“朱诺”探测器的有效载荷包括引力科学实验装置（Gravity Science）、磁强计（MAG）、微波辐射计（MWR）、木星高能粒子探测仪（JEDI）、木星极光分布实验装置（JADE）、无线电和等离子体波探测仪（Waves）、紫外成像光谱仪（UVS）、木星红外极光成像仪（JIRAM），以及“朱诺”相机（JunoCam）。

3 故障影响

探测频率比原计划大为降低，科学探测成果将受影响探测器将长时间在木星阴影区运行，将严重影响太阳电池翼为电池组供电

由于未按预期缩短运行周期，“朱诺”在整个任务期间绕木星运行的圈数由计划的每两星期一圈变为每53天一圈，因此探测器绕木星的总圈数会比原计划大大减少，探测木星同一区域的频率也大为降低，获得的科学数据将会受到影响。

“朱诺”14天轨道的设计，可保证其3个太阳电池翼总能接收到太阳光。但如果“朱诺”保持在53天轨道上运行，从2019年开始，即“朱诺”开始其第20圈53天轨道时，太阳电池翼将无法保持持续供电，将有6h的时间位于木星的阴影区中，在此期间，太阳电池翼将无法为电池组充电。而当初设计探测器时并未考虑要承受如此长时间在木星阴影区运行的情况。

在变轨失败后，波顿对记者表示，如果变轨最终不成功，“朱诺”的探测活动会受到影响，“实际上，我们还是希望能够使‘朱诺’进入14天轨道，以完成基本任务。‘朱诺’的基本任务是以5000km的近木点距离绕木星运行32圈。”“如果我们保持在53天轨道，在第20圈时，探测器将经历6h的木星食，然而探测器并未进行相应的设计，因此温度将会变得过低，电池组会失效，且不清楚是否能够恢复。”此外，波顿还告诉记者，项目团队有很多时间来解决探测器主发动机的问题，或找出一种使探测器不受木星阴影影响的方法。

然而，当NASA宣布“朱诺”将停留在目前轨道上之后，NASA在其官方网站上并未提到上述几点问题，而是引用NASA分管科学任务部的副局长托马斯·祖布辛的话，“我们放弃点火是一件正确的事情，使‘朱诺’得以继续它激动人心的旅程。”NASA还表示，更长的轨道赋予“朱诺”新机会去深度探测被木星磁场包围的空间，增加了“朱诺”的价值。此外，“朱诺”每圈运行遭受的辐射时间也会更短。