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(fā)射。任務(wù)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?qū)?，調(diào)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(shù)，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(huán)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(jīng)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(tǒng)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(wù)結(jié)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(jié)束的主任務(wù)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(qū)，超出了原先的設(shè)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)上的2個閥門存在問題，推遲“朱諾”的點火操作?！爸熘Z”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(guān)鍵作用的氦氣單向閥在前一天地面發(fā)出一段指令時沒有按預期工作。閥門應該在數(shù)秒鐘之內(nèi)打開，但實際上卻花了數(shù)分鐘才打開。因此需要在主發(fā)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(fā)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?！爸熘Z”團隊原計劃只使用探測器上9個科學設(shè)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(guān)木星的數(shù)據(jù)。

“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(shù)據(jù)質(zhì)量沒有影響。任務(wù)在這一點上其實很靈活?！爸熘Z”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(qū)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(shù)據(jù)就是證明，并預計10月19日的飛越收集的數(shù)據(jù)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(diào)整為14天周期，是因為我們想更快地獲得科學探測結(jié)果，但實際上并沒有強制要求要那樣做?！?/p>

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(xiàn)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(jiān)視器導致的星上計算機重啟，與“朱諾”推進系統(tǒng)閥門的問題無關(guān)。

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(shè)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?yōu)?.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(wù)結(jié)束，這表示其已放棄原先的變軌計劃。至此，“朱諾”已經(jīng)環(huán)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(fā)、科學儀器、發(fā)射服務(wù)、任務(wù)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(wù)發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(tǒng)的起源。

探測器主要性能參數(shù)

“朱諾”探測器發(fā)射質(zhì)量為3625kg，干質(zhì)量為1593kg，燃料和氧化劑總質(zhì)量為2032kg。主平臺為直徑3.5m、高3.5m的六邊形柱體結(jié)構(gòu)，3個太陽電池翼從柱體側(cè)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(zhì)量150kg，該裝置將探測器的中央處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及電子單元保護起來，以抵御木星輻射影響。推進系統(tǒng)包括1臺雙組元發(fā)動機和12個單元肼推力器，其中645N雙組元發(fā)動機主要用于變軌機動；12個單組元推力器用于姿態(tài)控制及輔助軌道修正。電源系統(tǒng)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(wěn)定，在任務(wù)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(fā)動機點火機動期間為5r/min。主任務(wù)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(wǎng)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(qū)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(wù)期間繞木星運行的圈數(shù)由計劃的每兩星期一圈變?yōu)槊?3天一圈，因此探測器繞木星的總?cè)?shù)會比原計劃大大減少，探測木星同一區(qū)域的頻率也大為降低，獲得的科學數(shù)據(jù)將會受到影響。

“朱諾”14天軌道的設(shè)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(xù)供電，將有6h的時間位于木星的陰影區(qū)中，在此期間，太陽電池翼將無法為電池組充電。而當初設(shè)計探測器時并未考慮要承受如此長時間在木星陰影區(qū)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(wù)?！熘Z’的基本任務(wù)是以5000km的近木點距離繞木星運行32圈?！薄叭绻覀儽３衷?3天軌道，在第20圈時，探測器將經(jīng)歷6h的木星食，然而探測器并未進行相應的設(shè)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(fā)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(wǎng)站上并未提到上述幾點問題，而是引用NASA分管科學任務(wù)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(xù)它激動人心的旅程?！盢ASA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。