木星系环境特征与航天器防护设计研究

王建昭，邱家稳，霍卓玺

（1. 钱学森空间技术实验室, 北京 100094；2. 中国空间技术研究院 遥感卫星总体部, 北京 100094）

引 言

木星是太阳系中体积与质量最大、磁场最强的行星，对其进行探测有助于解决巨行星及太阳系的形成与演化等重大科学问题。木卫二（Europa）及木卫三（Ganymede）拥有地下海洋，是潜在的宜居星球，也是未来地外生命探测的重点[1]。此外，木星系探测还面临着重大技术挑战，难点之一是恶劣的空间环境[2]。其中，木星磁矩是地球的2×104倍，表面磁场强度比地球表面高20倍[3]，磁层空间范围比地球大40倍[4]；木星轨道高能粒子能谱具有能量高、通量大、能谱硬的特点，高能粒子能量及通量比地球轨道高1～2个数量级[5]；木星轨道所受电磁辐射仅为地球轨道的4%，木星大气红外辐射近似于110 K的黑体，Europa和Ganymede表面温度范围分别为86～130 K和90～160 K。面对强磁场、强辐射、超低温的空间环境新特点，需在任务设计与航天器设计全周期，将空间环境与电源、热控、控制、结构等分系统进行耦合设计[6-9]，确保任务顺利实施。

在“伽利略号”（Galileo）之前，木星探测以飞掠任务为主。1995年12月—2003年9月，Galileo在赤道面区域对木星及其卫星系统进行了详细探测[10]。2016年7月至今，“朱诺号”（Juno）在极轨轨道对木星进行了全经纬度覆盖的详细探测[11]，其近木点低至1.06 Rj（Rj= 71 492 km，为木星半径），获得了大量高精度探测数据。此外，未来的木星系探测将聚焦其卫星系统（尤其是Europa和Ganymede）的详查。其中，欧洲航天局（European Space Agency，ESA）的“冰月探测器”（ JUpiter ICy moons Explorer，JUICE）[12]计划于2022年发射，将在2029年及之后的3年多次飞掠Europa、Ganymede、木卫四（Callisto），并最终进入Ganymede轨道进行环绕探测。……