天后揭秘行星王

罗马神话中的朱庇特虽然情人和崇拜者众多，妻子却只有朱诺一个。传说朱庇特施展法力在自身的四周拉起了云彩而隐藏其中，美丽而智慧的朱诺却可以看穿云雾洞察真相，揭露朱庇特的真面目。这也正是地球上天文学家们研究木星（朱庇特）的目标和愿望。木星被厚厚的云层包围，成年累月地刮着可怕的风暴。风暴之下隐藏着些什么？木星的真面目如何？“夫人”朱诺也许能够一探究里，揭露这颗巨星的秘密。因此，科学家们为他们的这个木星探测器取名为朱诺号。

朱诺号并不是第一个飞向木星的人造航天器。在她之前，已经有8个航天器拜访过木星。两个“旅行者”、两个“先驱者”、“伽利略”、“尤利西斯”，“卡西尼”、“新视野”、等。“朱诺”号是造访木星的第9位地球来客，也是第2位被指派“常驻”木星轨道的人造航天器。

除了“伽利略号”之外，“朱诺”之前的大多数航天器去到木星，只是为了“顺访”和“加油”。木星家大业大，接待个把客人不在话下，还可以顺便给客人来个“引力助推”，施舍一点能量，增大速度，让它们顺利到达目的地，完成人类赋予的使命。

当然，在“顺访”的过程中，航天器也偷拍几张木星的照片，测量一些有关木星的数据，传回给地球上的主人，加上常驻木星的“伽利略号”定期发回的观测结果。这些宝贵的信息大大加深了人类对木星的认识。别的不说，人类发现的木星卫星的数目从1位数增加到了67，其中绝大多数都是这些前期造访者的功劳。

朱诺号的前任使者伽利略号，也算敬忠职守，设计者原来只给它预订了两年左右的“绕木”工作任务。但伽利略号从1989年到2003年，“绕木”8年，总共服务14年后，最后因为诸多问题“光荣退役”后“壮烈牺牲”，永远消失在木星的大气层中。之后，这个位置空缺了数年，直到朱诺号。伽利略号还记录了1994年舒梅克·利维九号彗星撞木星的天文奇观，这是人类第一次观察到太阳系内两个天体碰撞事件。

朱诺号虽然长相不如朱诺天后那般美丽，却是“集智慧于一身”。她看起来像一架三个叶片的大风车，见图1。与人类比较起来，朱诺号高大威武，重量不轻（3.6吨），仅仅是位于中心处的“大脑”部分，直径便有3.5m，与一个汽车拖箱的尺寸相当。三块巨大的太阳能电池板：每一块长9米，宽2.65米。

图1：朱诺号结构

这3.6吨的重量，都是些什么呢？其中的2吨左右，是燃料和氧化剂。探测器飞行需要能量，特别是在整个轨道转换过程中，需要进行数次速度变换，这些供给速度变化所需的燃料，都是精打细算而放置的。其余的重量，包括9台测量所需的科学仪器：微波辐射计、木星极光红外成像仪、先进星光罗盘、木星极光分布实验、木星高能粒子探测仪、无线电及等离子波探测器、紫外成像光谱仪和朱诺相机。还有磁强计被安置在一根太阳能帆板的顶部（图1），以便尽可能地远离飞船本体，以避免飞船自身其他设备工作时产生的磁场干扰磁强计对木星磁场信号的测量。

此外，为了防止木星的强辐射，科学家让朱诺戴上一个沉重的“头盔”：约0.8厘米厚的钛合金板制成的抗辐射电子防护罩，总重约为200千克。头盔保护着探测器的大脑（指令与数据系统）和心脏（电力系统等）。

即使对航天器的每一克重量都需要斤斤计较的情况下，科学家们仍然不失幽默地使朱诺尽量人性化，让她带上了三尊乐高人像（是铝制品而不是普通塑料制成的乐高）。他们分别是：手持望远镜探索木星的伽利略、用放大镜明察秋毫的朱诺、以及手握闪电的朱庇特，如图1所示。

巡航五年被俘获

图2：朱诺号的轨道

不要忽略了研究朱诺号“奔向木星”的运行轨道，其中隐藏着许多奥秘^【1】。

图2a显示的是朱诺号被木星俘获之前的轨道，这段路程她走了5年，最终目的只是为了在木星附近工作1年多！

2011年，朱诺号从地球奔向太空。两年零两个月之后，她返回到离地559公里的高度，与地球擦身而过。为什么要再次返回地球附近？如此设计有两个目的：第一个目的是，要借力于地球之引力“弹跳”一下！从图2a的轨道曲线可见，朱诺号第一次离开地球后，只到达金星轨道的位置就转弯了，距离木星的轨道还远着呢。实际上，那是因为在发射升空的1年之后（图2a中标志在2012年8月附近的小白点），轨道设计人员让她作了一次“深空变轨”，也许她那时候的速度还不够到达木星？总之，这次轨道变换使她转回头飞向地球。然后，地球的引力助推，使朱诺号获得了7.3 km/s的速度增量！因此，第二次飞离地球的朱诺号（图2a中2013年的蓝点）来势汹汹，似乎“卯足了劲”，向着图2a中最下面显示的木星轨道冲去。

科学家们让航天器返回地球的另一个目的是：可以正好利用这段时间，趁机就近测试检查一遍其上的仪器设备。探测器到太空中游览了一圈，飞行了2年，就像是新研制成功的飞机作了一次现实环境下的飞行演习，设计者们需要近距离考察一下：是否有什么异常情况发生了？如果有的话可能还来得及纠正，如此才能让朱诺号为木星的探测任务做好充分的准备。

地球的引力助推是关键的一步。朱诺号携带了燃料，也可以依靠燃烧它们来获得速度，但燃料有限，烧掉就没了，2吨左右也只能为探测器带来2km/s的速度改变，将此数据比较刚才所言的7.3 km/s速度增量，这种技术的优越性显而易见。

另一个节约航天器能源的方法是使用太阳能电池板，朱诺号在这点上也创下了距离最远使用太阳能的记录（7.93亿千米），之前到达这个距离的大多数航天器是利用核能发电。木星离太阳的距离是日地距离的5.2倍左右，因为太阳能量的辐射遵从平方反比率，同样大小的太阳能电池板在木星处接受到的光能就只有地球处的1/25，即4%左右。这就是为什么朱诺号有三块尺寸巨大的风车叶片的原因，那上面总共放置了1.8万个太阳能电池，它们能为绕木运行的朱诺号提供500瓦左右的电力。

2016年7月4日，朱诺号到达了木星轨道。但“到达”并不意味着她从此后就会自动地绕着木星转圈。实际上，对朱诺而言，这是一个命运攸关的时刻，她必须经受一个快速降低速度的过程，以便利用这个唯一的机会被木星俘获。该任务由航天器的主引擎燃烧35分钟而顺利完成。如果燃烧时间太短或太长，不能使朱诺号被木星俘获的话，她便只能绕行太阳直到终老“碌碌无为度过余生”，而不能绕着木星转，也创造不成丰功伟绩了！

最后，美国独立节的礼炮声结束之际，朱诺号终于传来了表明她“一切顺利，成功入轨”的特殊声调无线电信号，使美国NASA实验室的人员欣喜无比，欢呼雀跃！

图2b是朱诺成功地被木星俘获后的“绕木轨道”。开始的两圈被设计为周期为53.5天的“俘获轨道”，让“朱诺”在环绕木星的长椭圆轨道上喘喘气。这样做可以节约燃料，因为立即变轨到科学轨道需要很大的速度改变，同时也便于调整仪器并进行远距离观测。如此运行两圈（107天）之后，“朱诺”将实施最后一次变轨，进入周期14天的工作轨道。

轨道密布似罗网

完成两圈的“俘获轨道”后，科学家们计划让“朱诺”以周期14天的轨道环绕木星“工作”33圈（第4-36圈）。这33圈的轨道不是简单地重复，由于进动的原因，每次的轨道比上次都会偏离一点点，使得探测器能够从稍微不同的角度和位置来观测木星。这使得整体的轨道图，像春蚕吐丝蜘蛛织网那样，密密麻麻地将木星包围其中。

朱诺号绕木轨道的进动是由于木星的质量、质量分布、以及木星自身的高速旋转等多种原因造成的。广义相对论预言了德西特进动与冷泽-提尔苓进动。德西特进动是中央质量存在所产生的影响，也被称为测地线进动，而冷泽-提尔苓进动（Lense-ThirringPrecession）^【2】则是因为中央质量的旋转造成的，以冷泽和提尔苓两位奥地利物理学家命名。测量冷泽-提尔苓效应，以此进一步验证广义相对论，也是朱诺号的科学任务之一。

木星引起的轨道进动也对朱诺的“健康”造成负面效应。木星迫使朱诺号的轨道平面不断改变、周期不断缩短、近木点的高度不断增加，从开始时4147公里的高度，第36圈时将增加到7950公里。近木点越高越靠近极区，辐射将越强烈。根据计算结果估计，在朱诺的32条科学轨道中，后面16条受到的总辐射剂量，将是前面16条的总剂量的4倍，以至于对更后面的轨道而言，朱诺号将超过能够承受的最大辐射剂量而使某些仪器无法正常工作。

巧钻空隙避磁场

如图3a所示，朱诺号的33条科学轨道像一个网兜一样，将整个木星包围其中，再加上朱诺号本身的绕轴自转，方便各个仪器有机会在不同的位置和角度对木星进行测量，得到更为全面的资料。

图3：在木星磁场中钻空子

木星的强大磁场在其周围形成强大的辐射带，如图3b所示。为了减少辐射，科学家为“朱诺”号量身打造了一个“钛装甲”来保护朱诺的关键部位。这个盔甲能将其遭受的辐射强度减弱800倍，另外，电子设备中的处理器和电路也都预先经过了特殊的防辐射处理：一颗RAD750型抗辐射处理器可应对100万倍足以致人死地的辐射剂量；抗辐射加固电路和传感器屏蔽装置能进一步减弱辐射对电子设备的影响。即便如此，这些防辐射措施仍然不够，朱诺号执行科学任务的过程中，高能电子仍有可能穿透头盔，产生二次光子和粒子喷射，导致“朱诺”号彻底瘫痪。

所以。为了进一步减少朱诺号受到的整体辐射量，还必须在朱诺的轨道上做文章。

如图3b所示，朱诺号走的是“长椭圆极地轨道”，每一条轨道都是又扁又长，近木点与木星表面非常靠近（只有木星半径的1.06倍，木星半径大约7万公里）；远木点则大约为木星半径的39倍。因此，科学轨道上只有“近木点”的一小段靠近木星，轨道的其余部分大都远离辐射带，这样可以减缓辐射剂量的积累速度，让“朱诺”存活足够长的时间，完成20个月的科学探测。

用望远镜细观木星的辐射带（图3c），科学家们发现在木星环形辐射带与木星之间，存在一个无（少）辐射的缝隙区域。这是许多星体周围环形辐射带的特点，地球磁层也有类似的现象。对木星而言，这个缝隙有数千公里。不过，相比起几百万公里的轨道而言，该缝隙只能算是一个“针孔”。因此，科学家在设计朱诺号的“绕木”轨道的时候，巧妙地利用这个空隙，让探测器从极区俯冲而下，犹如穿“针眼”一样穿过它。瞄准针孔穿针引线，说起来容易实现起来还是很困难的，况且，朱诺号的飞行速度很快，每秒钟就飞过70公里。但无论如何，专家们必须利用这个天赐良机，他们有精准的理论基础，准确的计算技术作保证，克服这些困难。这样一来，“朱诺”既能避免来自木星辐射带的粒子暴击，又能使自已与木星靠得足够近，在每条轨道上都有那么几小时（8小时左右）的时间，进行宝贵的科学探测，将这个“星王丈夫”看得清清楚楚！

从刚才的说法看来，朱诺的工作效率好像不高，14天的轨道上只有几小时做测量！其实不然，当朱诺位于近日点附近，离木星只有5000千米左右。一旦离开近日点，“朱诺号”将飞升到木卫四的轨道之外，距木星约1900万千米。但是，在离木星不那么近的地方，也还是可以得到许多有用信息的。因此，朱诺号这段时间也没闲着，仍然有很多事要干，比如说，进行一些远距离的测量，收集引力场及磁场的资料，和地球上的“主人”定期进行通信会话，发送情报等。还有一件最重要的事情，就是利用这段时间调整三个大叶片的方向，让上面的太阳能电池阵列有最充足的阳光照射而充满电。此外，还得进行一定的轨道机动，以尽可能地调整下一次的轨道到避免辐射最有利的经度位置，为下一圈的轨道任务做好准备。

快速自转有玄机

朱诺号在飞行过程中，不停地自转以保持飞行方向的稳定。这是基于角动量守恒理论，类似陀螺，高速绕轴自转的物体有保持转轴方向不变的趋势。并且，在朱诺的整个旅程中，自转的速率不断变化。最开始的巡航路途遥远漫长，稳定性要求小一些，自转速度每分钟只有1转，在被木星俘获之后，轨道周期变小，自转速度变成每分钟2转。当实施变轨而点燃主引擎时，自转速度提高到每分钟5转来保证更好的稳定性。

除了加强稳定性之外，自转的优越性还包括设计简单，在旋转1圈的过程中使得所有的科学仪器都转了360度，这样相当于一个全方位自动扫描。

终点冲刺自杀亡

地球微生物的生命力异常顽强，任何人造的航天器都可能携带着某种微生物。这样将会给航天器光临过的天体造成“污染”。目前，科学家们正在探测木卫二、木卫三和木卫四等卫星上，是否有生命存在的迹象。如果朱诺号不小心撞到了这些卫星上，便会“混淆视听”，扰乱科学家们在地球外的生命探测计划，特别是当朱诺号工作一段时间之后，遭受的辐射剂量逐渐积累，科学仪器也将一个接一个地丧失工作能力，失去控制，出错的几率大增。为了避免意料之外的事故发生，还不如让朱诺号完成任务后主动谢幕，自杀身亡。

因此，这便是朱诺在第37个绕木周期的“工作任务”：计划在2018年2月20日飞船时间11:39，朱诺将用尽它的最后一点“力气”，将自己撞向木星，全身投入木星的怀抱，粉身碎骨、坠落消失在木星的大气层中。

（朱诺号的任务中包括了对广义相对论的检验，下一篇中将介绍广义相对论在航天技术中的应用和验证。）

参考文献：

【1】Juno Mission & Trajectory Design– Juno - Spaceflight101，http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design/

【2】 Iorio, L. (August 2010)."Juno, the angular momentum of Jupiter and the Lense–Thirringeffect". New Astronomy. 15 (6): 554–560. arXiv:0812.1485

本文是同步发表在微信号“知识分子”和“太空联盟”系列文章《星星背后的物理》之11