JUICE探测器的太赫兹应用

流浪地球观后感-太赫兹技术和木星探测

美克锐科技-张宇

看完国产科幻剧片《流浪地球》，大家才明白木星是太危险，高质量大引力、强磁场高辐射、持续千年的超级风暴时速达618公里/小时，高温高速带电的等离子环等等等等，流浪中的地球能全身而退吗？让我们在地球流浪之前，多了解木星一些。

2003年伽利略号木星探测器（1989年发射）一头冲进木星大气层玉石俱焚的时候，美国宇航局（以下简称NASA）的新疆界计划刚获得国会批准。这项宏伟

计划在接下来的几十年直接影响了人类太空探索的方向，到现在已经执行到第三

项任务。前两项任务和木星关系密不可分，任务一的新视野号探测器2007年在距离木星200万公里的位置瞅了一眼就直奔冥王星去了，一骑绝尘。任务二是为木星专属定制的，NASA烧掉11亿美元打造了史上最厚探测器（180公斤重/1cm厚钛金属壳）朱诺号并在2011年发射升空，2016年抵达木星轨道开始创造木星探索的新篇章。

相比开山鼻祖伽利略号，朱诺号已经鸟枪换炮了。太阳能取代了核动力，运载火箭取代了航天飞机（伽利略号就被挑战者号事故耽误了3年）。了解木星的技术手段越来越丰富。紫外、可见光、红外、微波等等悉数上场，太赫兹频段探测器也已渐成为宇航探测的标准配置。朱诺号搭载了六通道微波辐射计（MWR/ 600MHz-22GHz）。

在朱诺号以每秒70公里的速度从木星北极向南极高速俯冲这袋烟的功夫（共俯冲了11趟），微波辐射计（MWR）火力全开穿透了木星近500 km的云层，测量了大气中水和氨气的丰度、温度同时还顺带解开了木星闪电之谜。当然其他探测器也没闲着，红外探测器拍到了绚丽到让人略感恐惧的多个气旋（直径1000公里），尖刀状的磁力计也对木星三维磁场分布进行了精密测量。

图片1.朱诺号微波辐射计工作示意图来自

有趣的是同伽利略号（2003年）和朱诺号（2011年）解开的木星谜团（发了一堆Science和Nature文章）相比，他们带回的问题只多不少。

木星含水量数据和理论模型一个都合不上；木星的实际磁场甚至要比理论模型预测的更加强大；对极光的测量结果也没有一项同预期相符；大红斑从哪来到哪去？内核是不是金属氢？这些问题只有等到下一艘木星飞船来解答了。

一直要等到2030年欧空局（以下简称ESA）的木星探测器JUICE（以下简称JUICE）才会飞抵木星轨道（8年的路途）。

欧空局早在2004年就开始是和美国宇航局（以下简称NASA）合作计划探测木星。说好NASA负责木卫二和ESA负责木卫三（木卫二-木星系统探测计划EJSM），可是到了2011年NASA宣布没钱了，退出了该项目（流浪地球里也确实没美国什么事）。ESA只好重新修正计划并咬牙承担全部费用约8.5亿欧元，

预计采用阿里亚娜5火箭在2022年发射，用八年的时间抵达木星，随后用至少三年的时间对木星及其卫星进行观测（很可能一年就报销了）。

图

2. JUICE木星探测器假想图

来自ESA

JUICE将主要用于研究木星的冰卫星。目的是探索卫星的大气层和磁层，调查木卫三的厚冰壳下是否存在适合居住的液体海洋，并且伺机寻找适合的着陆场。它将搭载包括相机、光谱仪、穿冰雷达、高度计等多达11种探测仪器（如下表）。

JANUS - Camera system

MAJIS - Moons and

Jupiter Imaging

Spectrometer

SWI - Sub-millimeter

Wave Instrument

GALA - GAnymede Laser

Altimeter

RIME - Radar for Icy

Moons Exploration

J-MAG - A magnetometer

for JUICE

PEP-Particle

Environment Package

RPWI -Radio&Plasma Wave

Investigation

3GM-Gravity&Geophysics

of Jupiter and Galilean

Moons

PRIDE-Planetary Radio

Interferometer &

Doppler Experiment

这十一般兵器将用来揭开木星一层又一层的面纱，如下图：

图3. JUICE木星探测器各探测器的功能来自ESA

SWI作为JUICE的核心仪器之一将在太赫兹频段重点分析木星和木卫三的平流层和对流层，并研究温度变化、物质组成以及木卫三的表面状态。德国宇航局委托马普所（Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung）总体负责SWI的设计生产。

图片4 JUICE木星探测器太赫兹辐射计结构图来自LERMA

SWI采用肖特基二极管搭建的超外差双通道光谱仪,两个辐射计通道工作频率分别是520-630GHz（噪声温度<2000K）和1080-1280GHz（噪声温度<4000K）。其中150GHz倍频方案在RPG（功率合成）和ACST二选一（RPG最后胜出），300GHz以上高频部分方案在巴黎天文台LERMA或者CHARLMERS大学二选一（LERMA最后胜出）。馈源天线和栅网以及辐射计的定标系统均由英国TK 公司设计制造。

图片5 JUICE木星探测器600GHz辐射计实物图来自LERMA

图片6 振动测试台上的JUICE木星探测器辐射计定标系统来自TK

目前JUICE各组件已经逐步开始进行功能测试和宇航级热力学测试，估计会在明年开始总装。

近年在宇航探测中太赫兹技术的应用可谓是风起云涌，欧空局是当仁不让的技术急先锋。烧掉大笔的欧元后也收获了在普朗克、哨兵、MetOp-SG等多颗卫星上太赫兹宇航技术的飞跃和普及。SWI代表了目前太赫兹宇航技术（基于肖特基二极管）的巅峰，10年后它面对的将是九死一生的木星轨道，无论是否能创造历史JUICE探测器和它的团队都必将被镌刻在星空之下。