0 引 言
国外已实施的涉及木星系探测的任务共10次，其中9次为美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）主导实施，1次为欧洲航天局（European Space Agency，ESA）主导实施。处于研制阶段的任务共1次，由NASA主导实施。这些任务中，以木星系统为主探测对象的任务包含伽利略号探测器（Galileo）、朱诺号探测器（Juno）、木星冰卫星探测器（Jupiter Icy Moons Explorer，JUICE）、木卫二快帆探测器（Europa Clipper），其中木星冰卫星探测器由ESA主导，已于2023年4月14日成功发射。木卫二快帆探测器由NASA主导，计划于2024年10月发射。在天问一号自主火星探测任务成功后，中国计划继续实施行星探测工程，将要完成木星系探测关键技术攻关[7]。
本文分析了木星冰卫星探测任务，对该任务的科学目标、有效载荷、飞行轨道设计等进行了介绍；结合任务设计约束，介绍了木星冰卫星探测器方案；在此基础上，给出了一种木星系探测任务设想，并对我国木星系探测任务提出建议。
1 木星冰卫星探测任务设计
1.1 任务概述
木星冰卫星探测器，是ESA“2015—2025宇宙展望计划”的第一个大型任务，也是一项专门进行木星系探测的任务，将对木星及木卫二、木卫三、木卫四三颗天然冰卫星进行深度探测。
2008年，NASA和ESA开始考虑合作探测巨行星卫星系统，并提出了两个任务概念：木卫二木星系统任务（Europa Jupiter System Mission，EJSM）[8-9]和土卫六土星系统任务（Titan Saturn System Mission，TSSM）[10]，其中EJSM任务中选。该任务的参考架构由两个独立的部分组成，分别是由欧洲航天局研制、发射和运行的木星木卫三轨道器（Jupiter Ganymede Orbiter，JGO）和由美国航空航天局研制、发射和运行的木星木卫二轨道器（Jupiter Europa Orbiter，JEO）[11]。这两个航天器拥有互补的轨道和有效载荷，可以进行协同观测。由于成本远超预期，NASA最终放弃了JEO。
ESA将JGO重新设计为木星冰卫星探测器（Jupiter Icy Moons Explorer，JUICE）。2014年，该方案获得了ESA空间方案委员会采用，进入研制阶段。JUICE任务总成本约为15亿美元。2015年，空客公司中标成为该项目主承包商，启动航天器制造。在接下来的5年里，阿里安-5火箭被选为运载工具，科学仪器完成研制与交付，木星冰卫星探测器开始进行集成与试验。
1.2 科学目标
木星冰卫星探测器瞄准五项科学问题[12]：（1）木卫三；（2）冰卫星的海洋世界；（3）木星复杂的环境与木卫之间的相互影响；（4）气态巨行星的形成与演化；（5）木星系统中是否曾经存在过或存在生命。围绕上述问题，木星冰卫星探测器具有多项科学目标。
木星冰卫星探测器将确定卫星冰面以下液态水海洋的特征。这将有助于理解化学和热能的可能来源和循环，从而能够调查表面和地下海洋的演变和化学成分，并能够评估随着时间的推移影响木星卫星及其环境的过程。对木星卫星系统多样性的研究将通过远程收集关于木卫一和较小卫星的额外信息得到加强。
木星冰卫星探测任务将研究木星系统的多样性过程，这些过程在地质时间尺度上为冰冷的卫星提供稳定的环境，包括伽利略卫星之间的引力耦合及其对整个系统的长期潮汐影响。
木星冰卫星探测器将对木星的大气层、磁层及其与卫星的相互作用进行广泛的新研究，以进一步加强对木星系统演化和动力学的理解。
1.3 有效载荷
| 缩写 | 全称 |
| JANUS | Jovis，Amorum ac Natorum Undique Scrutator |
| MAJIS | Moons and Jupiter Imaging Spectrometer |
| UVS | UV imaging Spectrograph |
| SWI | Sub-millimeter Wave Instrument |
| GALA | Ganymede Laser Altimeter |
| RIME | Radar for Icy Moon Exploration |
| 3GM | Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons |
| PEP | Particle Environment Package |
| J-MAG | Magnetometer for JUICE |
| RPWI | Radio & Plasma Wave Investigation |
| PRIDE | Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment |
遥感探测设备包括相机JANUS以及覆盖从紫外到亚毫米波长的光谱成像设备MAJIS、UVS、SWI。地球物理探测设备包括用于探索卫星表面和次表面的激光高度计GALA和雷达测深仪RIME，以及用于探测木星及其卫星大气层并进行重力场测量的无线电科学实验3GM。原位探测设备包括用于粒子环境探测仪PEP、磁力计J-MAG和无线电和等离子体波探测仪RPWI。使用地面超长基线干涉测量的试验PRIDE将提供航天器位置并精确确定航天器速度。
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。各有效载荷的类型和探测目标见表2 。
| 载荷 | 类型 | 探测目标 |
| JANUS | 相机 | 地形地貌 |
| MAJIS | 可见-红外光谱仪 | 卫星表面成分、木星大气 |
| UVS | 紫外成像光谱仪 | 卫星外层大气、木星极光 |
| SWI | 亚毫米波光谱仪 | 木星大气、卫星表面及外层大气 |
| GALA | 激光高度计 | 卫星表面地形 |
| RIME | 次表层雷达 | 冰壳次表结构、浅表液态水 |
| 3GM | 无线电科学 | 卫星重力场 |
| PEP | 粒子探测包 | 等离子体 |
| J-MAG | 磁强计 | 木星及卫星磁场 |
| RPWI | 无线电及等离子波 探测仪 | 木星及卫星无线电辐射 及等离子体 |
| PRIDE | 甚长基线干涉测量 | 卫星星历 |
为了保证有精确指向要求的载荷正常工作，木星冰卫星探测器在设计中将该类载荷与星敏感器、光学导航相机一起安装于光学平台上[18]，光学平台如图2 所示。
1.4 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。木星距离地球最远达9.6亿千米。从地球直接往木星发射探测器，可有效缩短地木转移飞行的时间，但对运载火箭的发射能力提出了极高的要求。考虑现役运载的能力，只能发射规模较小的探测器，因此严重约束了探测器的设计空间，降低了科学产出的可能。为了实现发射能力与探测器功能的双赢，在深空探测领域采用了“行星引力辅助”技术，在探测器飞越行星时借助行星的引力对探测器进行加速。
木星冰卫星探测器同样采用了上述策略，其基线轨道设计结果为地球（发射）—地球—金星—地球—火星—地球—木星（抵达），对应的发射窗口为2022年5月，经历约7年4个月的飞行，于2029年10月抵达木星。在实施木星捕获点火制动前，探测器将飞越木卫三并利用其引力进行减速，从而有效降低木星捕获所需的点火速度增量[18]。
木星冰卫星探测器通过阿里安-5运载火箭直接部署至日心轨道，发射C3为9.3 km2/s2。木星冰卫星探测器通过多次借力的方式到达木星，并首次采用地-月系统进行引力加速。借力序列为地月系统—金星—地球—地球，将于2031年7月飞抵木星系开始探测。木星冰卫星探测器在其巡航期间将飞越地球3次，飞越时间分别为2024年8月、2026年9月、2029年1月[12]。
木星冰卫星探测器飞抵木星系统后，将飞越木卫三，然后在近木点执行木星捕获机动。木星系探测任务主要分为两个阶段：木星高纬度地区探测阶段和木卫三环绕探测阶段。木星高纬度地区探测阶段将对三颗伽利略卫星进行飞越探测[19]。2032年7月起，木星冰卫星探测器将两次飞越木卫二，最近距离约400 km，主要目的是测量冰层厚度，试图寻找有机分子和生命迹象。2031—2034年间，木星冰卫星探测器对木卫四进行21次飞越探测，最近距离约200 km。2034年12月，木星冰卫星探测器将进入绕木卫三的轨道进行探测。
2 木星冰卫星探测器方案分析
2.1 总体方案
木星冰卫星探测器发射质量约6 t，干重约2.4 t，如图3 所示。探测器采用三轴稳定控制平台，可满足10台有效载荷设备的需求。电源分系统由两组五块基板构成的太阳翼和锂离子蓄电池组组成，太阳翼总面积达85 m2，探测寿命末期可提供约820 W电能[20]。采用2.5 m高增益天线，工作频段为X和Ka，可满足常规操作、安全模式、无线电科学等上下行操作，每天可下传不少于1.4 GB数据[18,20]。推进系统采用双组元化学推进，配置一台425 N主发动机、8台20 N推力器和12台10 N推力器，在主发动机故障时20 N推力器可作为备份，10 N推力器可用于进行精确的三轴稳定控制[18,20]。主发动机用于实施木星捕获制动、木卫三轨道捕获制动。设置两组屏蔽舱，用于保护电子设备不受木星强辐射环境的影响，并提供合适的热环境。探测器可展开设备包含10.6 m长的伸杆（用于安装磁强计、无线电和等离子体波探测仪）、16 m长的雷达天线以及两维驱动式中增益天线[20]。
2.2 能源供给
木星冰卫星探测器同样选用了太阳能供电，采用双太阳翼设计，总面积约为85 m2，如图4 所示。每个太阳翼由5块基板组成，展开后呈现十字形[24]。每组太阳翼配有驱动机构，可实现一维转动。探测器寿命末期太阳翼输出功率约820 W。
木星冰卫星探测器在地球至木星转移飞行中，将先经历金星处（0.64AU）3300 W/m2的太阳光照强度，到木星处（5.4AU）46~54 W/m2的太阳光照。任务设计中，以寿命末期需不低于720 W为约束，最终配置两翼共10块基板。单块基板尺寸3.47 m×2.48 m，配置124并19串太阳电池[24]。电池片选择3G28C[25]，尺寸80 mm2×40 mm2、厚100 μm，玻璃盖片厚度300 μm，并喷涂ITO涂层[26]。电池电路分为10个单元，每块板1个单元。在AM0条件下，单个单元可产生60 A，设置3.8 A限流器放置电缆过流。电池电路采用最大功率点跟踪模式[24]。在电池阵的研制中，结合低温低光照环境对电池片进行了测试。以143 K作为使用环境进行能源预估，使用3G28进行测试，0.037AM0条件下太阳电池片效率为34.1%[24]。为了满足木星环境使用，以木星辐射环境为约束，在地面上对电池片进行了辐射环境试验[27-28]，并结合试验情况对试验设备及电池片试验件的技术状态进行了调整[29]。此外，还对太阳电池片的盖片损耗、紫外损耗等进行了测试[30]。
2.3 辐射防护
2.4 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 m2。当接近太阳时，运载对接环和对地面推力器等采用遮阳板遮蔽阳光以保证温度[33]。
卫星舱板框架外表面包覆多层，舱板框架内表面也包覆多层，内表面采用普通聚酯薄膜多层隔热，外表面采用黑色多层。舱内单机主要安装于屏蔽舱内。屏蔽舱采用热管等温化和独立散热面散热[34]，贮箱单独包覆多层，发动机采用高温隔热。整星设置多处散热面。
整星将电源控制器等大热耗单机和小热耗单机通过外贴热管等温化，减小加热功率，并将热耗统一传导到独立散热面散热。部分温度指标要求高的单机采用独立控温设计，利用导热带直接将单机热量传递到散热面散热。
3 木星系探测任务关键难点分析
木星系探测任务将面临以下难点：
（1）强辐射防护。木星磁矩约是地球的两万倍[35]，其表面磁场强度是地球的10~20倍，磁层空间范围比地球大100倍以上，可俘获更多木星系带电粒子以及来自太阳活动和银河宇宙射线中的高能带电粒子。一般认为，地球轨道电子最高能量小于10 MeV，而木星轨道电子最高能量可达1 GeV。对比地球同步轨道和木星赤道面4个木星半径处的粒子能谱发现，木星的质子和电子通量比地球的大两个数量级以上，最大能量比地球的高两个数量级。地球辐射带外边缘为7个地球半径，木星主辐射带边界可达17个木星半径。因此，木星辐射带内的粒子能量、通量及覆盖范围均远远高于地球辐射带。这就约束了探测任务及探测器的设计，涉及飞行轨道、探测目标、探测器辐射防护、电子设备及元器件等重要设计要素。
（2）轨道设计。木星探测任务的轨道设计包含行星际转移和木星系内轨道两个部分。行星际转移轨道设计需要考虑运载火箭能力、探测器到达目标天体的质量、有效载荷质量及科学需求、飞行时长、天体引力借力序列、过程所需的速度增量等。以木星冰卫星探测器为例，探测器发射质量约6 t，为了满足发射需求，其发射C3仅为9.3 km2/s2，选取了长达8年的转移轨道。木星卫星众多，到达木星系内后，探测器将受到多体引力摄动，增加了轨道设计难度。在木星系内还将考虑辐射环境影响，基本呈现越靠近木星辐射环境越恶劣特征，因此在选取木星系内探测目标的过程中，轨道设计必须考虑辐射环境因素。
（3）能源供给。木星探测能源可选项包含RTG和太阳能。RTG的稳定性、环境适应性较好，但核燃料获取难度大且成本较高，存在泄漏安全风险，尤其是支撑500W量级的功能需求时，需要大量的核燃料。太阳能电池技术成熟度更高，但在木星的强辐射、低光照、低温环境下工作时，需考虑轨道、寿命等约束，进行相应的辐射防护、开展寿命末期能量裕度等设计。
（4）自主管理。木星距离地球远，最远时通信时延达50 min。在木星系内开展探测时，地面无法实时对探测器进行状态控制，需要探测器具备极强的自主管理能力。由于木星强辐射环境影响，在已实施的任务中，伽利略号和朱诺号都出现过故障，因此探测器需具备充分的故障自主处理能力，并确保有足够的裕度及冗余。
4 木星系探测任务设想
结合木星系探测任务进展情况来看，伽利略号探测器以近赤道轨道实施木星环绕及木星系巡航[36]。朱诺号探测器以极轨大椭圆轨道实施木星环绕，重点开展磁场、重力场探测。JUICE以低倾角轨道实施木星环绕、木星系巡航、木卫三环绕。预计2024年发射的木卫二快帆探测器以赤道轨道实现木星环绕，通过多次飞掠实现木卫二探测。不同任务科学目标不同，对应的任务轨道设计也不同。为了更大程度地实现科学原创成果，在木星探测任务设计中，需与现有任务进行互补设计，尤其是木星系内科学探测轨道的设计。
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，并视情况辅助点火机动。轨道初步设计时，行星借力采用瞬时借力模型，考虑无动力借力与有动力借力两种情况。有动力借力采用的是探测器借力完成后立即施加脉冲的模型。星历采用DE431。优化采用粒子群算法搜索初值，再使用基于梯度的非线性规划算法进行优化。
以发射C3不大于18 km2/s2、地木转移时间不超过7年、发射窗口设定2027—2032年进行分析，转移轨道可选轨道设计如表3 所示，表中速度增量为器箭分离后至木星捕获结束。速度增量越小，地木转移过程中推进剂消耗越少，抵达木星探测器剩余质量越大，木星系内科学探测的灵活性就越大。结合表中分析结果可知，优选发射时间为2029年10月。
表 3 地木转移轨道初步设计Table 3 Earth-Jupiter transfer trajectory preliminary design |
| 发射时间 | 借力序列 | 速度增量/km·s−1 | 飞行时间/年 |
| 2028年3月 | 金星—地球 | 1.40 | 4.58 |
| 2029年4月 | 火星—地球—地球 | 1.37 | 7 |
| 2029年7月 | 地球—地球 | 1.56 | 6.9 |
| 2029年10月 | 金星—地球—地球 | 0.70 | 6.17 |
| 2031年7月 | 金星—地球 | 1.43 | 4.28 |
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（探测器可存活性）。科学目标的选取需结合国际木星系探测的形式进行综合论证。极轨更利于木星磁场探测，赤道轨道更适合木星系内巡航与木卫飞越，中倾角轨道可以兼顾赤道与极区探测。以木星为主探测目标时，当资源只够支撑一个探测器时，木星系内轨道需进行权衡；如果资源足够，可考虑实施木星双环绕探测，一个以极轨环绕，另一个以中低倾角轨道环绕，除各自的探测外，两器还可实现星间联合测试。如果聚焦木卫探测，可直接设计木卫环绕轨道；如果想兼顾木星及木卫，可先环绕木星再转移至环绕木卫。此外，还可以考虑释放大气进入器，获取大气内部结构，也可以携带木卫撞击器或着陆器，对木卫进行撞击或着陆探测。
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。
5 我国木星系探测任务建议
木星系探测任务复杂、探测器研制周期长、科学意义重大，国际主要航天力量正在持续稳步实施探测任务，我国木星系探测任务尚未实施，论证先进、有特色且可行的木星系探测任务、及时开展任务部署迫在眉睫。针对木星系探测任务，我们提出以下5点建议。
（1）加强顶层任务规划。伽利略号、木星冰卫星探测器都采用一次任务、多样化目标的方式，最大化地实现科学回报。建议在木星系探测任务中，在科学目标上，实行与欧美差异化探测思路，聚焦尚属空白的研究内容，挖掘原创性成果；在探测目标上，尽量扩展潜在探测对象，包括木星、木卫、行星际空间、可能飞越的行星及小天体；在探测形式上，在环绕探测的基础上，挖掘大气进入、木卫撞击、木卫着陆、木卫钻冰等技术。
（2）加速关键技术攻关。建议提前布局，加强对多天体动力学环境下复杂轨道设计、木星系强辐射环境效应防护、甚长周期自主管理等核心技术先期攻关的支持力度，突破技术瓶颈，带动一批高精尖前沿课题研究，完善我国迈向更远深空的技术能力体系。
（3）注重创新与自主可控。木星系探测将面临超远距离、超低光照、超低温、超强辐射等恶劣任务环境，需实现运载能力、快速抵达、探测器寿命的综合平衡。在继承成熟技术的同时，任务设计与技术攻关更需遵循强化创新原则，在快速飞行、空间能源、高效推进等方面深挖，提出我国特色技术方案。在核心技术方面，注重自主可控，并做好充分验证， 确保可靠可行。
（4）关注科学原创成果输出。美国航空航天局已实现木星系低倾角轨道和极轨探测，正在研制中的任务将实现木卫二专项探测。ESA通过木星冰卫星探测器实施木星环绕、木卫二及木卫四飞越、木卫三环绕探测。建议在木星系探测任务中，针对目前尚未突破的科学空白入手，比如木星大气运动垂直结构、木星内部结构、木卫冰下海洋等，设计并研制新型科学载荷，以获取更多原创性科学发现，填补科学空白。
（5）积极开展国际合作。在我国木星系探测任务规划与实施中，建议充分借鉴国际合作任务的协作方式，如联合欧洲航天局开展木星系环境研究、科学目标联合挖掘，充分利用其他国家的经验，为我国木星系探测任务的实施提供支撑。充分利用其他国家从以往的深空探测任务中继承的经验教训，搭建木星系探测科学研究、技术试验和协同创新平台，汇聚国际顶尖科技人才，发挥共同智慧，更高效、可靠地开展木星系探测任务，获得更多科学成果并为未来的深空探测任务积累工程经验。
6 结 论
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。本文对欧洲航天局主导的木星冰卫星探测器的任务设计及探测器平台设计等进行了调研与分析，给出了相应的关键设计要素；结合木星系探测特点，分析了木星系探测的关键难点；提出了木星系探测任务设想，并进行了初步分析；结合我国现状，给出木星系探测任务的建议。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。