历时五年飞行 美国“朱诺”号探测器成功进入木星轨道

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[摘要]美国宇航局宣布，在太空飞行近五年的“朱诺”号探测器成功进入木星轨道，成为一颗环绕木星运动的人造卫星。

“朱诺”号进入木星内圈卫星艺术效果图

腾讯太空讯（桂林、乔辉）北京时间今天中午，美国宇航局召开新闻发布会，宣布已在太空飞行4年11个月的“朱诺”号成功进入木星轨道，这是自2003年“伽利略”号结束木星探测任务以后，13年来首颗绕木星工作的探测器。

“朱诺”号运行在穿越木星南北两极的大椭圆轨道上，轨道最低点距离木星云层顶端不足5000公里，人类将首次在如此近距离之下获取木星云层高清晰图像。

“朱诺”号由美国洛克希德•马丁公司研制，耗资11亿美元。“朱诺”号也是自上世纪90年代“伽利略”号之后，第二颗木星人造卫星，预期在轨工作时间为20个月，绕木星飞行37圈。有意思的是，“朱诺”号抵达木星时，美国时间为7月4日，而这一天恰好是美国建国240周年。

木星是太阳系最大最重的行星，其质量是太阳系第二大行星土星的2.5倍，其他七颗行星质量加起来仍远轻于木星，同时木星也被认为是太阳系最早形成的行星，拥有太阳系形成之初的很多线索。

“朱诺”号将在20个月的任务期间重点研究木星磁层、两极极光与内部结构，观察木星多变的云层，确定木星水的含量以及是否有岩石核心，揭晓木星形成与太阳系演化诸多谜团。此外，还将测量木星的自转对周围时空的拖拽效应（frame-dragging），对爱因斯坦的广义相对论进行检验。这种效应此前已在围绕地球运行的“引力探测器B”上测量到，但由于系统故障，精度不够理想。

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“朱诺”号是NASA新疆界计划中前往木星的一艘探测器，于2011年8月5日发射升空，2016年7月5日进入环绕木星轨道，它是第一艘使用太阳能为能源拜访木星的探测器。

进入木星轨道的程序

““朱诺”号插入木星轨道演示

“朱诺”号在北京时间7月4日凌晨2点飞越木卫四轨道，随后在北京时间7月4日19时、7月5日凌晨1时30分、5时15分分别飞越木卫三、木卫二、木卫一的轨道。

北京时间7月5日早晨9时16分，“朱诺”号开始缓慢调转姿态，进入轨道进入状态。72分钟后，它以更快的转速进入轨道进入状态。

在10时41分，“朱诺”号切换到它的低增益天线并微调探测器姿态。在主发动机点火前22分钟，“朱诺”号的自转由一分钟2圈变为一分钟5圈，这样有助于稳定其姿态进入木星轨道。

上午11时18分，“朱诺”开始启动主发动机，进行约35分钟的点火减速，飞行速度降低0.542千米/秒，“朱诺”号被木星引力俘获，进入环绕木星的工作轨道。在发动机点火结束后，“朱诺”号的自转从一分钟5圈降至一分钟2圈，并转向面对太阳打开主天线工作。

在被木星引力俘获后，“朱诺”号进入一个环绕周期为53.5天的大椭圆轨道，并绕木星运行两圈，这样的轨道有助于“朱诺”号节省电力。“朱诺”号会在今年10月19日进行最后一次轨道调整，进入一个环绕周期为14天的椭圆轨道，之后便开始完全展开科学探测任务。

此外，因为目前木星距离地球有8.49亿公里之遥，NASA接收到“朱诺”号在木星轨道发回的信号有48分钟的延迟。

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“朱诺”如何与地球通讯？

位于美国加州的70米口径的天线，是DNS的重要组成部分。

“朱诺”探测器利用分布于世界的美国深空探测网（DNS）与地球进行通讯，指令和数据的吞吐量可达每秒50兆。

部署在加州、西班牙马德里以及澳洲的大型射电望远镜

深空探测网是世界上最强大的深空通信系统，其设施分别位于美国加州、西班牙马德里以及澳洲。深空网涵盖了太阳系内几乎所有的探索项目，目前在火星轨道和地面上的火星车和轨道探测器，还有最著名的行星际探测器旅行者系列等等。
“朱诺”携带多样“武器”

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“朱诺”搭载有多项科学仪器，旨在帮助科学家们了解木星的磁层与内部结构，以及它是如何形成与演化的，搭载的仪器包括：
微波辐射计：利用微波研究木星大气深层结构，测量大气中水与氧的含量，使用6个独立的辐射计测量木星的热排放。
可见光相机：因为木星破坏性的辐射和磁场，它可能只在绕行木星的前7圈轨道中运作。
紫外线成像光谱仪与极光红外成像仪：通过紫外和红外相机拍摄木星大气和极光，分析知晓木星高层大气的组成成分。
木星高能粒子探测仪：它将测量氢、氦、氧气、硫和其它离子在木星极区磁层的能量和角分布。
重力科学探测器：研究并绘制木星重力场图，分析木星的质量分布。
射电及等离子波探测器：确认木星极光电流区域和木星无线电波辐射，测量极光粒子加速时通过极光区域的无线电和等离子光谱。
木星极光分布实验：解析木星极光的等离子结构。

未发射前的“朱诺”号，“朱诺”号的成功对木星探测带来的影响是深远的，因为可以选择更经济的太阳能作为能源，而不是昂贵的核能。

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首个依靠太阳能作为能源前往木星的探测器

“朱诺”与篮球场的大小对比

“朱诺”号是世界第一艘完全依靠太阳能作为能源前往木星的探测器，发射于2011年8月。而木星距离太阳最远可超过8亿千米，那里的光照强度只有地球的4%，在这样遥远的距离使用太阳能是非常具有挑战性，过去四十年前往木星的探测器全部依靠核电池RTG提供能源。
近些年随着技术进步，太阳帆板光电转化率得到明显提高，“朱诺”号使用的砷化镓太阳能电池总面积约70平方米，在距太阳1.5亿公里的地球轨道能够提供14千瓦的电力，而在距离太阳7.8亿公里的木星轨道依旧能提供405瓦的电力，这使得“朱诺”号成为首个依靠太阳能抵达木星的探测器。
在今年1月14日凌晨3点，“朱诺”号打破依靠太阳能提供能源的探测器最远航行记录，当时它距离太阳约7.93亿千米。此前该记录的保持者是欧空局的罗塞塔号探测器，它在2012年11月创下了依靠太阳能为能源，最远航行至距离太阳7.92亿千米的地方，当时罗塞塔号正在前往丘留莫夫－格拉西缅科彗星的途中。

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为什么选择飞越两极的轨道

与伽利略号近木星赤道面的飞行轨道不同，“朱诺”号将是在绕木星两极的极轨道上工作。然而木星的强辐射对探测器将是一个大威胁，并将影响“朱诺”号探测任务的方方面面，这一点特别体现在它绕木星的运行轨道上。

数据显示，在木星云层顶端与环绕木星的辐射带之间有一个空隙。为了在任务期间最大限度地避免探测器暴露在强辐射中，“朱诺”号的飞行轨道将不停的穿越这个空隙，以确保自身安全并完成预定科学目标。此外，科学家有设计钛金属罩保护“朱诺”号内部的电子器件，避免强辐射的破坏。另外，绕木星两极的大椭圆轨道已经尽可能避免了探测器落入木星影子里，让“朱诺”号尽可能多的获得光照。
距离木星最近的主探测器
木星直径约14万公里，“朱诺”号任务期间距离木星云顶最近距离将仅有4100公里，而木星最近的卫星--木卫十六，它离木星有12.8万公里，相比之下“朱诺”号距离木星实在是太近了，能够拍到包括大红斑在内的木星云层高清细节。

伽利略号在1995年12月7日向木星大气层释放了一个340千克的钛制大气探针，它以大约2575千米的时速，在大气层中下降了约150千米，在它被压力和高温（23倍地球大气压，153℃）摧毁前，搜集了57.6分钟的资料，该任务揭露氢在木星大气层占90%，风速超过1000千米/时。

此前有过近距离探测木星的是伽利略号于1995年12月7日释放的子探测器，该探测器在释放后直接冲入木星稠密高温的大气深处，并在烧毁前尽可能多发回木星大气的相关数据。它在接近木星大气层前记录到了辐射峰值，随后是一个没有辐射的空白区域。这些数据给了我们进一步的证据证明木星与辐射带之间存在空隙。不过它在云层内仅工作了57分钟的时间。今天来看这个探测器使用的仪器较为原始，甚至有些像盖革计数器。而“朱诺”号携带最新的科学仪器，并将至少37次近距离飞掠木星云层顶端，这会大大增加人类对木星大气和内部结构的认识。

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“伽利略”号的继任者

在太阳系八大行星中，木星是除地球与火星之外被研究最多的行星，也是人类探测器前往外太阳系必被造访的行星。在“朱诺”号之前，一共有8艘探测器造访过木星，包括一颗环绕木星的人造卫星“伽利略”号，以及飞掠过木星、借助木星强大引力加速前往太阳系其他区域的七艘探测器（先驱者10号、11号，旅行者1号、2号，尤利西斯号、卡西尼号、新视野号）。

但是想要详尽的了解一颗行星，光靠飞掠的匆匆一瞥是远远不够的，必须成为一颗人造卫星绕其飞行才有充裕的时间去研究。虽然20多年前伽利略号成功进入环绕木星轨道，但因润滑剂失效导致伞状主增益天下展开失败，此后仅依靠备用的低增益天线发回数据，使整个探测任务大打折扣。

伽利略号从1995年至2003年在环绕木星的轨道上，提供了木星磁场的全面资料，在赤道平面距离木星最远达到100个木星半径的距离。虽然伽利略号成功在木星严苛辐射环境下存活下来，但它携带的陀螺仪误差变得越来越大。在伽利略号旋转和不旋转的部分之间产生了电弧，有好几次使探测器进入安全模式，导致第16、18、和33轨道周期的资料全部损失掉。辐射也导致伽利略号的超稳定石英震荡器的相位偏移。在2003年坠入木星大气层前，NASA声称“伽利略”号完成了约80%的科学任务。

时隔13年，木星再次迎来新的专属人造卫星，而这次“朱诺”号将获取最近距离的木星图像，获得更多木星的探测数据，完成伽利略号未完成的任务。

“朱诺”与“朱庇特”的花边

我们都知道木星有四颗行星尺度的大卫星，它们都以希腊或罗马神话里木星之神的情人命名：木卫一（伊俄）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（盖尼米德）、木卫四（卡里斯托），而“朱诺”号（Juno）是以木星之神“朱庇特”的妻子来命名的，可谓非常诙谐。在任务结束后，“朱诺”将坠入木星大气，与“朱庇特”永不分离。

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伽利略的笔记与距离地球最远的人偶玩具

“朱诺”号带有一块向伽利略致敬的铭牌前往木星。

“朱诺”号携带的这个铭牌描绘的是伽利略在1610年1月观测木星的手稿，以及伽利略的肖像。文字描述了发现伽利略卫星的过程，内容如下：“在11日它是这样的形态，最靠近木星的这颗星只有其它几颗的一半大小，并且也非常靠近其它的几颗星，而在前一天晚上这三颗星看起来是一样的，彼此间的距离也相等。所以，很明显在木星周围有三颗运动着的星，是在这之前未曾见到的。”

“朱诺”号搭载了三个乐高人偶。

“朱诺”号搭载了三个乐高人偶，目的是吸引更多青少年关注太空探索。这三个人偶分别代表伽利略、朱庇特（罗马神话的木星之神）和他的妻子“朱诺”，朱诺手执放大镜作为追求真理的标志，朱庇特手握闪电的标记，伽利略则带着他的望远镜和木星模型。
大多数乐高玩具是塑胶做的，然而为了捱过太空旅行的极端条件，这三个人偶是铝制的。“朱诺”号自发射起到抵达木星一共航行了28亿公里，这三个乐高玩具也创造了一项纪录：距离地球最远的人偶。
在结束任务后，“伽利略”、“朱庇特”和“朱诺”将和探测器一起受控坠入木星大气，避免污染存在冰下海洋的三颗木星大卫星。