全球首个木星冰卫星探测任务分析

王帅 张扬眉 （北京空间科技信息研究所）

2023年4月14日，欧洲航天局（ESA）的“木星冰卫星探索者”（JUICE）探测器搭乘阿里安-5（Ariane-5）运载火箭发射升空。JUICE 任务将对木星及木星的3 颗冰卫星——木卫三（Ganymede）、木卫四（Callisto）和木卫二（Europa）进行详尽观测，揭秘冰卫星的宜居性，探测木星系统的复杂环境，推进人类对外太阳系的探索。

1 任务背景

早在2004年，ESA 开始制定欧洲未来十年的空间探索目标，并最终形成了《宇宙愿景2015—2025》，明确了4 个科学主题：生命和行星形成的条件是什么？太阳系是如何工作的？宇宙的基本规律是什么？宇宙是如何开始的，它是由什么组成的？围绕这些科学主题，ESA 征集并遴选出大型（L 级）、中型（M 级）、小型（S 级）和快速（F 级）任务，于2012年选定JUICE 作为首项大型任务，也被称为“L1任务”。

JUICE 任务引入了国际合作，NASA 和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）均为有效载荷提供了硬件，NASA 还直接提供了一台科学有效载荷。JUICE 探测器由空中客车防务与航天公司（ADS）领导的一个工业联合体根据ESA 的要求建造，开发阶段始于2015年，到2022年完成。

2 任务基本情况

任务目标

JUICE 任务将研究木卫三、木卫四和木卫二等木星冰卫星的宜居性，揭示生命是否可以在宇宙的不同环境中出现，并对木星及其复杂环境进行研究，将木星系统作为宇宙中气态巨行星的原型进行研究，增进对于太阳系演化的理解，解决《宇宙愿景2015—2025》的前两个科学主题，并揭开以下5 个关键谜团：①木星的海洋世界是什么样的？②木卫三为什么如此独特？③木星系统中有生命吗？④木星复杂的环境是如何塑造其卫星的，以及卫星如何影响木星复杂的环境？⑤一颗典型的气态巨行星是什么样的？是如何形成的？工作原理是什么？

围绕上述科学目标，JUICE 任务将重点探索两个方面：①冰卫星的宜居性，表征木卫三、木卫四和木卫二的海洋、冰壳、组成、表面、环境和活动；②更广泛的木星系统，探测木星的大气层、磁环境、环系统和其他卫星（包括木卫一）。

（1）冰卫星宜居性

JUICE 的探测重点是描述可能导致木星冰卫星出现宜居环境的条件，特别聚焦于木卫三、木卫四和木卫二这3 颗具有内部海洋的卫星。其中，木卫三是JUICE 任务的主要探测目标，木卫四和木卫二的研究则将有助于进行对比研究。

探测木卫三（延伸至木卫四）的主要科学目标是：表征海洋层，探测内部海洋；绘制地表地形、地质和成分图；研究冰壳物理特性；表征内部质量分布、内部动力学和演变；调查外逸层；研究木卫三内部磁场及其与木星磁层的相互作用。

探测木卫二的重点是探索生命所必需的化学物质，包括有机分子，以及了解木卫二表面特征的形成和非水冰物质的组成。此外，JUICE 将首次进行木卫二的表层以下探测，包括首次确定最近活动区域的冰壳最小厚度。

优化结构布局，改善设施条件：2020年末，全省农村社会福利服务中心100%符合《养老机构服务质量基本规范》的基本要求，床位利用率达到70%以上，委托社会力量运营管理的达到40%以上。

（2）更广泛的木星系统

木星是太阳系巨行星的原型，也是目前已知环绕其他恒星运行的众多巨行星的原型。了解木星系统并揭示其发展历史，从起源到可能出现的宜居环境，将帮助人类更好地了解气态巨行星及其卫星是如何形成和演化的。此外，还将对类似木星的系外行星系统中生命存在的可能性提供新的线索。

JUICE 任务还将侧重于表征木星系统中多样性的活动，并调查木星系统内的复杂互动。其中，对木星大气层的研究将集中于对其结构、动力学和组成的研究，调查不断演变的天气系统以及不同层之间能量、动量和物质的输送机制；对木星磁层的研究将包括木星盘的三维特性，磁层、电离层和热层内的耦合过程等，帮助阐明极光和无线电发射及其对太阳风的反应；还将研究卫星与磁层的相互作用、“伽利略卫星”的重力耦合以及长期潮汐演化等。

系统组成与有效载荷

（1）系统组成

JUICE 探测器发射质量6070kg， 干质量2420kg，发射时折叠尺寸为4.09m×2.86m×4.35m，在轨部署后尺寸为16.8m×27.1m×13.7m。采用三轴稳定系统，搭载10 块太阳能电池板和直径2.5m的高增益天线，探测器两侧各有5 块太阳能电池板，每块太阳能电池板的尺寸约为2.5m×3.5m，部署成两个十字形阵列，总面积约85m2。

JUICE 探测器结构

探测器设计的主要约束因素为木星周围的高辐射环境、木星周围阳光缺乏、距离地球遥远、严酷的高温和低温等任务挑战。针对高辐射运行环境，探测器主体由防护罩包裹，以保护内部的敏感电子设备；针对距离太阳遥远、阳光不充足的问题，探测器装备了85m2的大型太阳能电池板，并且配备的电池可以保障探测器在阴影下生存5h 以上；针对距离地球遥远、信号往返时间长达近2h 的问题，探测器搭载了2.5m 天线用于信息回传，并且拥有强大的星载计算机以独立解决一些问题；针对任务过程中将经历+250 ～-230℃的极端温度环境，探测器装备了保持内部温度稳定的新型多层隔热层。

（2）有效载荷

JUICE 探测器携带了10 台科学探测仪器，包括有史以来飞往外太阳系最强大的遥感、行星物理和原位探测有效载荷。探测器还将开展“行星无线电干涉仪和多普勒实验”（PRIDE），该实验将利用探测器的标准通信系统，结合地球上的射电望远镜，使用甚长基线干涉测量法精确测量探测器位置和速度，以研究木星和冰卫星的重力场。此外，探测器还将携带一个辐射监测器（RADEM），用于跟踪探测器受到的辐射量，同时也用于科学研究。

遥感载荷包（木星系统综合观测相机、卫星和木星成像光谱仪、紫外成像光谱仪、亚毫米波仪器）覆盖了从紫外到亚毫米波长的成像和光谱成像能力；行星物理载荷包包括用于探测卫星表面和表层以下的木卫三激光高度计和冰卫星探测雷达，以及用于探测木星及其卫星大气并测量其重力场的无线电科学实验装置；原位载荷包包含一套强大的粒子环境研究仪器、木星磁强计以及无线电和等离子波调查仪器。

任务过程

探测器于2023年4月14日发射，预计于2031年7月飞抵木星，在此期间将经过一系列的地球、地月系统和金星的引力辅助飞行，包括2024年8月的地月系统引力辅助飞行，2025年8月的金星引力辅助飞行，2026年9月的地球引力辅助飞行，2029年1月的地球引力辅助飞行。

表1 JUICE 探测器的有效载荷

抵达木星后，探测器将围绕木星飞行，在此期间完成木卫三、木卫四和木卫二的多次飞越。2032年7月，探测器将对木卫二进行仅有的两次飞越，重点探测非水冰物质的组成，以及首次对冰卫星进行表层下探测。2032-2034年探测器利用木卫四提高其轨道倾角约为30°，以研究木星更高纬度的区域和环境，频繁的木卫四飞越将对木卫四进行多方面的观测。2034年12月，探测器将进入木卫三环绕轨道，最初轨道高度为5000km，2035年进入高度500km 的圆轨道，最终在2035年底撞击木卫三表面，届时整个任务结束。探测器在抵达木星6 个月前，就将开始其科学探测阶段。

JUICE 转移轨道图

JUICE 任务将由任务运行中心（MOC）和科学运行中心（SOC）组成的ESA 地面段规划和运行。JUICE 科学操作将使用一个地面站，在执行任务时能够同时进行X 和K 频段操作。JUICE 的数据将保存在可免费访问的“行星科学档案”（PSA）中。

3 任务特点分析

首个环绕其他行星卫星运行的探测器

JUICE 任务不仅将加深对于木星系统的理解，还将首次环绕木卫三运行，成为全球首个环绕月球以外行星卫星运行的探测器。对木星系统的探测从天文学家伽利略发现木星的4 颗最大卫星，到20 世纪70年代以来一系列深空探测任务的探测，再到JUICE及“木卫二快帆”等任务的进一步深度表征，经历了从地球遥感观测到近距离遥感详细探测的阶段变化，后续还将迎来木星卫星的表面着陆甚至深层探测任务，探测的深度和复杂度不断加大。JUICE 属于首次专门针对木星冰卫星进行详查的任务，选择木卫三的原因包括：①木卫三是太阳系中体积最大、质量最大的卫星，也是唯一一颗具有内部磁场的卫星，并拥有巨大的内部海洋；②相比于更具生命潜力的木卫二，木卫三距离木星更远，辐射环境相对没有那么恶劣，不过JUICE 将两次飞越木卫二，以开展木卫二的内部探测和木星卫星对比研究。

采用行星际任务史上最大的太阳能电池板

JUICE 装备了行星际任务历史上最大的太阳能电池板，总面积达到了85m2，以收集足够的能量用于探测器运行。由于木星距离太阳遥远，其附近光照强度远低于地球附近。为此，从人类开启外太阳系探测以来，探测木星及以远区域的探测器多采用核电源，包括“旅行者”（Voyager）、“伽利略”（Galileo）、“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）、“新视野”（New Horizons）等。直到2011年NASA 发射了首个采用太阳能电池板的木星探测器——“朱诺”（Juno），利用高效、节能且能抵御辐射的60m2太阳能电池板为探测器供电。利用太阳能电池板可以避免采用核电源涉及的航天器复杂设计和装配等问题。

应用极其复杂的多次引力辅助飞行轨道

JUICE 应用了极其复杂的飞行轨道，在地球到木星系统的转移飞行阶段通过多次行星引力辅助飞行降低转移所需能量，在科学运行阶段多次飞越木卫三、木卫四和木卫二，并通过卫星引力辅助飞行，以实现探测和改变轨道两大目标。在地球到木星系统的转移飞行轨道中，JUICE 采用了地月系统-金星-地球-地球的借力序列，并且首次应用“月球-地球引力辅助”（LEGA），即在进行地球引力辅助飞行1.5 天后再执行一次月球引力辅助飞行，以大幅度降低燃料消耗。在木星环绕探测阶段，JUICE 不仅进行冰卫星的飞越探测，还将利用木卫三引力辅助飞行减小轨道插入能量、降低轨道远拱点高度，利用木卫四引力辅助飞行降低探测器速度、增加轨道倾角。过往的探测任务未应用过如此复杂的多次引力辅助飞行轨道，因此JUICE 任务对于轨道设计与探测器控制提出了非常高的要求。

充分考虑行星保护对于任务的各项要求

JUICE 任务包括多次飞越木卫四、木卫三和木卫二，所有这些卫星均具有生命存在的潜在可能，受到不同程度的行星保护，任务研制和实施时需要避免地球和这些天体之间出现交叉生物污染。JUICE 是专门探测冰卫星的首次任务，为此进行了精心的任务设计，以满足行星保护的要求。针对木卫二，行星保护规则要求探测器与木卫二的碰撞概率小于10-4，或者进行主动生物负载减少措施，使污染可能性小于10-4，JUICE 采取了第一项措施，分析探测器在飞行期间发生故障时与木卫二发生碰撞的可能性，并以此倒推对探测器可靠性的要求，最终证明可靠性满足行星保护要求，同时也考虑了飞越木卫二时探测器失控时的策略。针对木卫三，行星保护规则要求生物到达木卫三内部海洋的可能性小于10-4，目前看没有迹象表明木卫三上的深层内部海洋可能与冰面接触，因此行星保护规则允许探测器坠毁在木卫三，如果届时发现木卫三表层与内部海洋存在物质交换机制，可能会对任务探测计划进行修改。

研制和实施中引入了多层面的国际合作

JUICE 任务由ESA 独立牵头实施，尽管在任务层面没有开展国际合作，但在载荷研制层面、探测和研究层面与美国和日本开展了广泛的合作。载荷研制层面，美国提供了10 个有效载荷中的1 个，并且美国和日本为多个有效载荷提供了硬件。任务协同探测层面，JUICE 将与NASA 的“木卫二快帆”任务同时在木星系统中工作，后者将重点关注木卫二，这为科学探测提供了一个协同增效的机会。为最大限度地提高两次任务的科学成果，两个任务的科学团队每年将组织一次联席会议，并且保持定期联系，还成立了一个指导小组，专门负责协同探测与研究方面的合作。此外，JUICE 与正在开展的“朱诺”木星探测任务也将实现探测上的互补，“朱诺”重点关注木星低层大气，而JUICE 则将探测上层大气，进一步丰富对木星大气的探测。

4 总结

JUICE 任务开启了首次木星冰卫星探测，将进一步丰富人类对巨行星系统的认知，推动空间科学的发展。JUICE 任务采用了多项尖端技术，不仅将带动载人、深空探测等任务的发展，还将助推通信、推进、能源等领域的发展，中大型太阳能电池板的开发、尖端探测载荷的研制、复杂探测轨道设计、航天器自主控制技术等均将推动和牵引未来航天的快速发展。此外，防辐射技术、极端环境长工作寿命元器件都将增强航天器的生存能力，提升空间资产成本效益。任务也拉开了巨行星系统新一轮的探测热潮，NASA 计划于2024年发射“木卫二快帆”任务，于2027年发射“蜻蜓”（Dragonfly）土卫六探测任务。并且，2022年NASA“新版”行星科学和天体生物学十年调查对探测目标的关注，已从进行中的火星采样返回，转向以天王星为代表的巨行星，优先级最高的3 个旗舰级任务分别关注天王星、土卫二、木卫二；ESA发布的最新科学探测规划——《航程2050》将首项大型任务的主题定为外太阳系冰卫星，冰卫星将成为ESA 未来探索的重心，ESA 已开始考虑下一次前往冰卫星的任务。巨行星系统探测已经成为科学前沿探索的重点。