2016-07-04

朱诺号背后的航天工程奇迹:飞了59个月 只晚1秒

作者:开挂的柑桔 来源:大事记 我要评论(0) 浏览(542)

朱诺号背后的航天工程奇迹:飞了59个月 只晚1秒

7月4日是美国的独立日,今年美国人民除了欢度国庆日外,还有一件值得他们骄傲和自豪的事,那就是NASA发送的朱诺太空探测器成功进入木星轨道。 这次朱诺进入木星轨道的背后,创造了一系列不可思议的工程学奇迹,澎湃新闻(www.thepaper.cn)根据NASA资料,以及科普中国、中国科学院国家天文台刘博洋文章整理如下:

1796天,27亿公里的飞行

在太空飞行59个月,跨越了27亿公里后,这个价值11.3亿美元的“朱诺”号成功进入木星轨道。这也是自2003年“伽利略”号结束木星探测任务以后,人类13年来首颗绕木星工作的探测器。

15万英里/小时,有史以来最快的人造飞船

随着“朱诺”接近木星,木星的巨大引力将加速飞船的运行,使其达到15万英里/时的速度。这也让“朱诺”成为了有史以来速度最快的人造飞船之一。

除此之外,这个NASA花重金打造的人造探测器还创下两个第一:第一个太阳能驱动的奔向木星的探测器;第一个绕着木星两极轨道飞行的人造探测器。

工作人员鼓掌庆祝朱诺号成功进入木星轨道
工作人员鼓掌庆祝朱诺号成功进入木星轨道

承受木星表面辐射量:相当于照射超过一亿次的口腔X光

以 罗马神话中众神之王朱庇特(Jupiter)命名的木星,不是一颗平庸的行星。它的质量比太阳系中所有其他行星之和更大。它外核的液态金属氢电流赋予了它 强大的磁场(磁矩为地球的2万倍),仿佛在太阳风的洪流中撑起了一把巨伞。这把叫做“木星磁层”的彗状巨伞,足以装下数个太阳,其长尾远及4个天文单位 (6亿公里)外的土星轨道——这使的木星磁层成为太阳系中,除太阳风在星际介质中淘出的气泡“日球层”之外,最大的连续结构。如果我们能在地球上目视木星 磁层,我们会发现它比日月盘面还要大5倍以上。

新视野号拍摄的木星。科普中国 图
新视野号拍摄的木星。科普中国 图

在 木星巨大的潮汐力下,木星持续的火山活动每年向其周围注入数千万吨二氧化硫,这些气体随即便被电离成为硫离子、氧离子、电子组成的等离子体,并在木星磁场 的禁锢下随木星一同转动,形成温度可达百万度、拱卫木星的等离子体环,向外延展达数十个木星半径(200余万公里)。在距离木星较近处,等离子体波与等离 子体环中电子的相互作用将电子加速到接近光速,产生强烈的同步辐射——这里被叫做“辐射带”。

“辐射带”对于朱诺号来说,是其在任务中必须飞跃的“死亡带”

木星磁层结构及视尺度示意图。  Neil Tyson et al., 'One Universe', Joseph Henry Press图 科普中国 图
木星磁层结构及视尺度示意图。  Neil Tyson et al., 'One Universe', Joseph Henry Press图 科普中国 图

9分钟内完成绕地球飞行

朱诺在进入木星轨道时需要完成的挑战最大,这是一次生死攸关的任务。为了确保朱诺能顺利进入木星轨道, NASA提前5天关闭了探测器上的所有设备,直到它到达两天后才会再次打开。因为一旦遇到意外,飞行探测器将只能划过木星,消失在宇宙空间里,有去无回。

“朱诺”入轨时,其最大速度达到的16.5万英里/时——这一速度能让“朱诺”9分钟内完成绕地球飞行,随后,朱诺号的引擎会着火从而把速度降下来。这时候事情就会变得非常棘手。

215倍音速进入木星轨道

“朱诺”飞船重量达到3500磅,将以215倍音速的速度绕圈飞行。要想让速度降下来,发动机需要燃烧35分钟,需要17600磅的燃油来支持燃烧。

拥有金属钛外壳,有史以来最坚硬的飞船

既要应对木星巨大的辐射量,还要承受高温,这对于朱诺号的外壳提出了挑战。

NASA选择的是1厘米厚的金属钛壳,总重180千克。朱诺号绝大部分科学仪器都在钛壳的保护下,使其遭受的辐射强度减弱800倍,至电子器件可承受水平以下。

它的形状采用的是略显复古的自旋稳定方案,以节省反应轮所占用的发射质量,为更厚实的钛壳、更多的科学仪器和更充沛的推进剂让出空间。

NASA研究人员称,尽管朱诺是有史以来最坚硬的飞船,若发动机在燃烧时受到木星周围碎片、尘埃的影响,也会让这次的任务功亏一篑。尽管此前做了相关的测试模型,但正在飞行时,不确定的因素太多。

1秒误差

从今天整个过程来看,一切进行得很顺利,朱诺点燃发动机的时间几乎和预测的一致,只差了一秒。但整个事件确定的时间要比实际发生慢48分钟,原因是从朱诺从木星发回到地球的信息需要48分钟。

左:Atlas V 551火箭;右:朱诺号,可见球形的燃料仓和底部的主发动机。科普中国 图
左:Atlas V 551火箭;右:朱诺号,可见球形的燃料仓和底部的主发动机。科普中国 图

对于朱诺号来说,去一趟木星并不容易。先要克服地球重力,飞离地球后还得克服太阳引力;靠近木星后,还得自燃发动机来减速进入木星轨道;在绕着木星飞行时,还得小心避免木星周围的强辐射和碎片区。

朱诺号返回地球进行引力弹射时对地球和月球拍摄的系列画面。科普中国 图
朱诺号返回地球进行引力弹射时对地球和月球拍摄的系列画面。科普中国 图

7300米/秒^2的加速度

除 了借力自身携带的燃料外,地球也在朱诺这一路的飞行中提供了帮助。朱诺号在2011年8月26日飞向木星。到了2013年10月9日,飞出地球两年后的朱 诺号,与地球相距仅559公里擦身而过。在地球的引力弹射作用下,朱诺号获得了7.3 km/s^2的加速度,这才具备了飞往木星的能力。也正是在这段飞经地球前后的时间里,朱诺号抓紧开机测试了它所携带的科学仪器,为前进木星做好准备。

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科普中国 图

接下去,朱诺号将进入周期53.5天的木星俘获轨道。如此绕行两周之后,2016年10月19日,朱诺号将实施其最后一次主要变轨,,进入周期约为14天的科学轨道。

上:木星轨道接入、俘获轨道、科学轨道等阶段;下:科学轨道的进动。科普中国 图
上:木星轨道接入、俘获轨道、科学轨道等阶段;下:科学轨道的进动。科普中国 图

绕木星37圈

朱 诺号将绕木星飞行37圈。其中有32圈极为关键。首先朱诺需要用8圈实现对木星表面每隔48°经度的8个窄条的观测;再用8圈将观测区域间隔缩小到 24°;再用16圈将其缩小到12°。在每一圈科学轨道的约两周时间之内,朱诺号只有最接近木星的6-8个小时才能有效的开展科学观测;但这32圈科学轨 道编织的“鸟笼”,足以把整个木星表面纳入囊中。

科学轨道中,近木点前后实际开展科学观测的轨道区间示意图,绿色和蓝色分别表示前16圈和后16圈。 NASA/JPL/Caltech图 科普中国  图
科学轨道中,近木点前后实际开展科学观测的轨道区间示意图,绿色和蓝色分别表示前16圈和后16圈。 NASA/JPL/Caltech图 科普中国  图

9套科学仪器

朱诺号的主要目标是了解木星的气源和演化。NASA的研究团队给朱诺配了9套科学仪器,其中的8台科学仪器分别为:MAG,MWRz,重力科学,WAVES,JEDI,JADE,UVS以及JIRAM设备;最后一个JunoCam相机则主要是一台用于教育和公众宣传目的。

1.GravityScience——重力科学载荷

重力科学载荷将赋予朱诺探测器对木星引力场的探测能力,据此我们将探查木星的内部结构。

2.Magnetometer:磁强计

磁强计将让朱诺飞船能够绘制木星磁场的详细三维立体结构图。

3.MWR——微波辐射计

朱诺的微波辐射计设备将穿透木星的云层,揭示其深部大气的结构,成分和运动情况。

4.JEDI——木星高能粒子探测器

木星高能粒子探测器对空间中的高能粒子进行探测并观察它们与木星磁场之间的相互租用。

5.JADE——木星极光分布实验

“木星极光分布实验”设备将与朱诺搭载的部分其他设备合作,研究造成木星极光产生的粒子运动和机制过程。

6.WAVES——等离子体电波设备

等离子体电波设备将测量木星磁层内部的无线电波与等离子体波信号,这将帮助我们理解木星磁场(magneticfield)、大气层(atmosphere)和磁层(magnetosphere)之间的相互关联。

7.JIRAM——木星红外极光绘图仪

木星红外极光绘图仪将对木星极光周围的大气进行观察,帮助科学家理解磁场与极光之间的关联。这台设备将能够探测木星云层下方大约50-70公里深度的情况,那里的大气压力大约是地球上海平面高度气压的5-7倍。

8.UVS——紫外成像光谱仪

紫外成像光谱仪将拍摄木星极光的紫外波段图像。与JADE以及JEDI设备共同协作,它们将能够帮助科学家们理解木星极光,粒子流和磁场之间的相互作用。

9.JunoCam——朱诺相机

朱诺相机将拍摄可见光波段木星的彩色图像。

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