木星冰卫星探测任务分析与我国木星探测建议
木星冰卫星探测任务分析与我国木星探测建议
木星是太阳系中体积最大、质量最大、磁场最强的行星，其庞大的卫星系统中，木卫二、木卫三、木卫四等冰卫星因其可能存在的地下海洋而成为探测地外生命的重要目标。本文将介绍欧洲航天局主导的木星冰卫星探测器（JUICE）任务的设计与科学目标，并结合我国现状，提出木星系探测任务的建议。
木星冰卫星探测任务设计
任务概述
木星冰卫星探测器是欧洲航天局（ESA）"2015—2025宇宙展望计划"的第一个大型任务，旨在对木星及木卫二、木卫三、木卫四三颗天然冰卫星进行深度探测。最初，NASA和ESA曾考虑合作实施木卫二木星系统任务（EJSM），但因成本问题，NASA最终放弃了木卫二轨道器（JEO）项目。ESA将木星木卫三轨道器（JGO）重新设计为木星冰卫星探测器（JUICE），并于2014年获得批准进入研制阶段，总成本约为15亿美元。
科学目标
木星冰卫星探测器瞄准五项科学问题：木卫三的性质、冰卫星的海洋世界、木星复杂的环境与木卫之间的相互影响、气态巨行星的形成与演化、木星系统中是否曾经存在或存在生命。其中，木卫三被确定为重点探测目标，因为它为分析冰冷世界的性质、演变和潜在可居住性提供了一个天然实验室。
有效载荷
木星冰卫星探测器携带10台先进的科学仪器和1个使用航天器无线电系统和地面仪器进行的试验。这些有效载荷能够解决任务的所有科学目标，从木星大气层和等离子体环境的原位测量，到对木卫三、木卫二和木卫四三颗冰卫星的表面和内部进行远程观测。
图 1 载荷在平台上的安装示意
飞行轨道
木星冰卫星探测器的飞行轨道包含地球至木星转移、木星系内飞行两个阶段。采用"行星引力辅助"技术，通过多次借力的方式到达木星，飞行序列为地球（发射）—地球—金星—地球—火星—地球—木星（抵达），预计于2029年10月抵达木星。在木星系内，探测器将对三颗伽利略卫星进行飞越探测，并于2034年12月进入绕木卫三的轨道进行探测。
木星冰卫星探测器方案分析
总体方案
木星冰卫星探测器发射质量约6吨，采用三轴稳定控制平台，配备2.5米高增益天线，每天可下传不少于1.4GB数据。推进系统采用双组元化学推进，配置一台425N主发动机、8台20N推力器和12台10N推力器。
图 3 木星冰卫星探测器(图源：欧洲航天局网站)
能源供给
木星冰卫星探测器采用太阳能供电，配置两组五块基板构成的太阳翼，总面积达85平方米，寿命末期可提供约820W电能。每个太阳翼由5块基板组成，展开后呈现十字形，每组太阳翼配有驱动机构，可实现一维转动。
图 4 木星冰卫星探测器的太阳翼
辐射防护
木星系强辐射环境是探测任务面临的主要挑战之一。探测器采用承力筒结构，在承力筒两侧对称布置了屏蔽舱，将大部分电子设备放置其中，以抵御木星的强辐射环境。
图 5 木星冰卫星探测器屏蔽舱设计
热控保障
木星冰卫星探测器采用被动热控为主的热控手段，以高增益天线作为遮阳屏，天线正面喷涂白漆，背面包覆多层。探测器外部最大限度地包覆多层，多层包覆面积超过40平方米。整星设置多处散热面，确保在极端环境下正常工作。
木星系探测任务关键难点分析
木星系探测任务面临的主要难点包括：
- 强辐射防护：木星的辐射环境远比地球恶劣，需要对探测器进行特殊设计。
- 轨道设计：木星卫星众多，增加了轨道设计难度。
- 能源供给：在木星的强辐射、低光照、低温环境下，需要特殊的能源解决方案。
- 自主管理：由于通信时延较长，探测器需要具备极强的自主管理能力。
木星系探测任务设想
结合我国运载火箭发射能力和探测器科学载荷与推进剂携带能力，地球至木星转移飞行过程需采用行星借力策略。抵达木星后，木星系内轨道设计主要考虑科学目标和辐射防护。从辐射防护角度分析，越靠近木星，辐射环境越恶劣。在轨道设计中，应减少探测器在辐射恶劣区域中的滞留时间，确保探测器的安全。
我国木星系探测任务建议
针对木星系探测任务，我们提出以下建议：
- 加强顶层任务规划，实行差异化探测思路，聚焦尚属空白的研究内容。
- 加速关键技术攻关，突破技术瓶颈，完善我国迈向更远深空的技术能力体系。
- 注重创新与自主可控，在核心技术方面注重自主可控，并做好充分验证。
- 关注科学原创成果输出，设计并研制新型科学载荷，获取更多原创性科学发现。
- 积极开展国际合作，借鉴其他国家的经验，为我国木星系探测任务的实施提供支撑。
木星系探测科学意义重大，但任务周期长、难度大、技术风险高。随着欧洲、美国等地区和国家木星系探测任务的加速推进，在天问一号火星探测任务成功的基础上，迈向更远深空、开展木星系探测是重要发展方向。加快论证先进、有特色且可行的木星系探测任务，及时开展任务部署与实施，将为我国迈向外太阳系及更远宇宙、建设科技强国和航天强国等目标提供坚实基础。