王建昭，邱家穩(wěn)，霍卓璽

（1. 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094；2. 中國空間技術(shù)研究院 遙感衛(wèi)星總體部, 北京 100094）

引 言

木星是太陽系中體積與質(zhì)量最大、磁場最強(qiáng)的行星，對(duì)其進(jìn)行探測有助于解決巨行星及太陽系的形成與演化等重大科學(xué)問題。木衛(wèi)二（Europa）及木衛(wèi)三（Ganymede）擁有地下海洋，是潛在的宜居星球，也是未來地外生命探測的重點(diǎn)[1]。此外，木星系探測還面臨著重大技術(shù)挑戰(zhàn)，難點(diǎn)之一是惡劣的空間環(huán)境[2]。其中，木星磁矩是地球的2×104倍，表面磁場強(qiáng)度比地球表面高20倍[3]，磁層空間范圍比地球大40倍[4]；木星軌道高能粒子能譜具有能量高、通量大、能譜硬的特點(diǎn)，高能粒子能量及通量比地球軌道高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[5]；木星軌道所受電磁輻射僅為地球軌道的4%，木星大氣紅外輻射近似于110 K的黑體，Europa和Ganymede表面溫度范圍分別為86～130 K和90～160 K。面對(duì)強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射、超低溫的空間環(huán)境新特點(diǎn)，需在任務(wù)設(shè)計(jì)與航天器設(shè)計(jì)全周期，將空間環(huán)境與電源、熱控、控制、結(jié)構(gòu)等分系統(tǒng)進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)[6-9]，確保任務(wù)順利實(shí)施。

在“伽利略號(hào)”（Galileo）之前，木星探測以飛掠任務(wù)為主。1995年12月—2003年9月，Galileo在赤道面區(qū)域?qū)δ拘羌捌湫l(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)探測[10]。2016年7月至今，“朱諾號(hào)”（Juno）在極軌軌道對(duì)木星進(jìn)行了全經(jīng)緯度覆蓋的詳細(xì)探測[11]，其近木點(diǎn)低至1.06 Rj（Rj= 71 492 km，為木星半徑），獲得了大量高精度探測數(shù)據(jù)。此外，未來的木星系探測將聚焦其衛(wèi)星系統(tǒng)（尤其是Europa和Ganymede）的詳查。其中，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的“冰月探測器”（ JUpiter ICy moons Explorer，JUICE）[12]計(jì)劃于2022年發(fā)射，將在2029年及之后的3年多次飛掠Europa、Ganymede、木衛(wèi)四（Callisto），并最終進(jìn)入Ganymede軌道進(jìn)行環(huán)繞探測。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的“歐羅巴快帆”（Europa Clipper）任務(wù)[13]計(jì)劃于2023年發(fā)射，到達(dá)木星系后用時(shí)約3.5 a實(shí)現(xiàn)覆蓋Europa全經(jīng)緯度的近距離探測，為后續(xù)著陸和鉆探任務(wù)奠定基礎(chǔ)。另外，隨著中國航天水平的不斷提高，木星探測也是中國未來深空探測的重點(diǎn)，目前已提出木星系環(huán)繞及行星際穿越探測任務(wù)概念，相關(guān)研究領(lǐng)域亟需得到提升。

本文擬從重力場、磁場、大氣層/外逸層、電磁輻射、高能粒子、等離子體、微流星體等方面梳理木星系環(huán)境特征，并初步探討和分析極端環(huán)境對(duì)航天器防護(hù)設(shè)計(jì)帶來的影響。

1 重力場

各環(huán)境要素與工程設(shè)計(jì)約束之間的關(guān)系如表1所示。

表1 木星系環(huán)境要素及對(duì)應(yīng)的工程設(shè)計(jì)約束Table 1 Environmental factors of Jovian system and the corresponding engineering design constraints

木星及其主要衛(wèi)星的重力場參數(shù)如表2所示。

表2 木星及其主要衛(wèi)星的重力場參數(shù)Table 2 The coefficients of gravity field of Jupiter and its main moons

需要指出的是，木星無固態(tài)表面，半徑定義為大氣壓力1 bar的高度。探測器在木星系所受的作用力包括：木星及其衛(wèi)星質(zhì)點(diǎn)引力、木星及其衛(wèi)星非球形引力、其它天體（如太陽、土星）引力攝動(dòng)、太陽及木星輻射壓等。其中，非球形引力來自木星較差自轉(zhuǎn)及內(nèi)部大氣環(huán)流，其引力勢可表示為諧系數(shù)展開

其中：G為萬有引力常數(shù)；M為木星質(zhì)量；Plm為締合勒讓德多項(xiàng)式；Clm和Slm為系數(shù)，目前最精確的木星重力場模型是由Juno經(jīng)過多普勒跟蹤得到的，相關(guān)系數(shù)詳見文獻(xiàn)[14]。

此外，對(duì)于木星衛(wèi)星，受限于探測數(shù)據(jù)，重力場模型不夠精確。由Galileo探測數(shù)據(jù)解算的重力場系數(shù)最高為2階，高階系數(shù)未知。根據(jù)理論，若為巖石星體，重力場高階系數(shù)可由Kaula法則[15]計(jì)算

其中：對(duì)于Ganymede，Ak系數(shù)取為4。此外，當(dāng)Ak分別取值為0.4和40時(shí)，對(duì)應(yīng)為弱場和強(qiáng)場[16]，定義為反演參考重力場的3σ偏差，可用于航天器軌道的冗余設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，Ganymede平均場、弱場、強(qiáng)場的高階重力場系數(shù)如圖1所示。

圖1 Ganymede的重力譜Fig. 1 Ganymede’s gravity power spectrum

在航天器設(shè)計(jì)中，弱場和強(qiáng)場模型分別給出了航天器軌道受Ganymede引力影響的最好和最差情況，涉及任務(wù)設(shè)計(jì)及推進(jìn)劑消耗的計(jì)算時(shí)，需采用強(qiáng)場模型。此外，模型中對(duì)航天器軌道的影響主要來自J3～J7項(xiàng)，其數(shù)值影響探測器軌道傾角，若模型精確度不夠，可能導(dǎo)致探測器撞擊到Ganymede的表面。

2 磁 場

木星磁場的強(qiáng)度及范圍都遠(yuǎn)超地球磁場，木星磁場與太陽風(fēng)相互作用形成磁層，日側(cè)磁層頂范圍達(dá)60～100 Rj，夜側(cè)磁尾范圍可達(dá)200 Rj。與地球不同，木星磁層的主要驅(qū)動(dòng)源是行星轉(zhuǎn)動(dòng)能，此外，木星衛(wèi)星可吸收磁層內(nèi)的高能粒子并成為等離子體源，對(duì)木星輻射帶結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響。木星磁層磁場的來源包括：行星發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)源場、磁赤道環(huán)電流、磁尾電流片、極區(qū)場向Birkeland電流、磁層頂電流等。一般將磁層分為3個(gè)部分，在內(nèi)磁層（＜10 Rj），木星磁場以發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)源場為主，內(nèi)源場與偶極場近似，此外，木衛(wèi)一（Io）頻繁火山活動(dòng)產(chǎn)生的中性粒子輸運(yùn)至磁層內(nèi)并電離，在赤道面形成隨木星自轉(zhuǎn)的等離子體環(huán)[17]；在中磁層（10～40 Rj），赤道面環(huán)電流起主導(dǎo)作用，將磁力線向遠(yuǎn)離木星的方向拉伸[18]使其偏離偶極場；在外磁層（＞40 Rj），磁層形態(tài)取決于太陽風(fēng)狀態(tài)，太陽風(fēng)壓縮木星磁層形成磁層頂[19]，磁層頂電流體系使磁力線被限制于磁層內(nèi)部。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，木星磁場位形如圖2所示。

圖2 木星磁層內(nèi)的磁場位型Fig. 2 The Jovian magnetic field in magnetosphere

木星發(fā)電機(jī)內(nèi)源場以偶極場為主，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 木星偶極場參數(shù)Table 3 The coefficients of Jupiter’s dipole field

其中：gnm和hnm為系數(shù)。內(nèi)源場建模始于“先驅(qū)者10號(hào)”（Pioneer 10）首次飛掠木星，但在Juno之前，受限于探測器軌道的緯度覆蓋范圍，模型最高僅為4階。目前最精確的內(nèi)源場模型是利用Juno前9圈磁場探測數(shù)據(jù)構(gòu)建的JRM09模型[21]，該模型最高精度可至10階，是除地球外最高精度的行星內(nèi)源場模型。通過反演，該模型還揭示了木星復(fù)雜的發(fā)電機(jī)特征[22]，由JRM09模型得到的木星表面磁場強(qiáng)度分布如圖3所示。

圖3 木星表面磁場的強(qiáng)度分布Fig. 3 Contour plot of the magnetic field magnitude on the surface of Jupiter

木星磁層外源場主要來自磁赤道環(huán)電流，一般認(rèn)為，環(huán)電流是厚度一定的強(qiáng)度隨徑向距離減小的軸向傳播的片狀電流體系[23]。以模型相對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)的均方根殘差為標(biāo)準(zhǔn)，目前精確度最高的是基于Juno前24圈磁場探測數(shù)據(jù)構(gòu)建的CAN20模型[24]，該模型假設(shè)環(huán)電流平面與磁赤道呈一定傾角，且除軸向電流外還加入了徑向電流，得到了相比Pionner 10任務(wù)期間厚度更大、電流強(qiáng)度更小的環(huán)電流片結(jié)構(gòu)。

此外，在木星衛(wèi)星中，普遍認(rèn)為Io和Ganymede有以偶極場為主的發(fā)電機(jī)磁場，而Europa和Callisto尚未發(fā)現(xiàn)存在磁場發(fā)電機(jī)的證據(jù)，只有被木星磁場磁化后產(chǎn)生的感生磁場，木星衛(wèi)星磁場參數(shù)如表4所示。在木星衛(wèi)星磁場建模的基礎(chǔ)上，ESA基于 Monte Carlo算法構(gòu)建了仿真程序 PLANETOCOSMICS-J[25]，可計(jì)算帶電粒子在衛(wèi)星磁場中的輸運(yùn)。

表4 木星衛(wèi)星磁場參數(shù)[26]Table 4 The magnetic field parameters of the Galilean moons

在航天器設(shè)計(jì)中，木星磁場約束控制分系統(tǒng)中高靈敏電磁設(shè)備的設(shè)計(jì)，因?yàn)楫?dāng)航天器在強(qiáng)磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)電材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流[27]，干擾控制分系統(tǒng)精密儀器正常工作。此外，磁場的精密測量需擺脫探測器本體剩磁的影響，常采用伸桿結(jié)構(gòu)，因此也對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出較高要求。以Juno為例，磁強(qiáng)計(jì)利用伸桿安裝在太陽帆板外側(cè)距衛(wèi)星本體10～12 m的最外側(cè)位置[28]。

3 電磁輻射

在航天器任務(wù)實(shí)施階段所受的電磁輻射主要來源于3個(gè)方面：太陽電磁輻射、木星/衛(wèi)星反照太陽電磁輻射、木星紅外輻射，以下分別進(jìn)行介紹。

3.1 太陽電磁輻射

太陽電磁輻射受到太陽自轉(zhuǎn)（27 d）和太陽活動(dòng)周（11 a）等周期的調(diào)節(jié)，其數(shù)值與太陽距離平方成反比。在木星近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)，太陽輻照度分別為55.7 W/m2和46.0 W/m2，平均輻照度為50.5 W/m2。此外，太陽輻照不確定度為0.2%。

另外，木星軌道各高能波段的輻照度如表5所示。其中，UV輻射主要用于評(píng)估航天器表面材料老化，太陽活動(dòng)強(qiáng)度不同，近UV波段通量變化幅度可達(dá)50%，UV波段通量變化幅度可達(dá)2倍，太陽耀斑X射線通量變化幅度可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。在航天器設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用最壞情況通量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表5 木星軌道高能波段太陽電磁通量Table 5 High-energy solar electromagnetic flux in Jupiter’s orbit

3.2 木星及其衛(wèi)星電磁輻射

由于內(nèi)部有熱源，木星是太陽系中唯一的內(nèi)部釋放的熱能比接收的太陽輻射能量更大的行星，對(duì)于環(huán)繞探測器，木星反照壓及紅外輻射壓更為顯著。對(duì)于木星，其輻射總通量為反射太陽的電磁輻射和其本身產(chǎn)生的紅外輻射的總和，根據(jù)文獻(xiàn)[29]，不同波段木星幾何反照率如圖4所示。對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，木星平均幾何反照率為0.52，為評(píng)估木星紅外輻射，其大氣層可近似為110 K的黑體。

圖4 木星反射光譜Fig. 4 Jupiter reflectance spectrum

根據(jù)文獻(xiàn)[30-31]，木星衛(wèi)星平均反照率和表面溫度范圍如表6所示。反照率隨衛(wèi)星地形變化很大且和衛(wèi)星表面性質(zhì)有關(guān)，不同的物質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致某些波段的吸收，并導(dǎo)致空間變化的光譜。

表6 木星衛(wèi)星平均反照率及表面溫度范圍Table 6 The average albedo values and surface temperature ranges for the Galilean moons

此外，根據(jù)文獻(xiàn)[29]，木星衛(wèi)星的反射光譜如圖5所示。相對(duì)而言，Io在可見光波段的斜率更陡，這一特征是由于Io的火山作用造成的。與Io相比，Europa的反照率在可見光范圍內(nèi)更高且?guī)缀醪环瓷浼t外輻射，1.5～5 μm范圍內(nèi)反照率特征主要是來自水冰的吸收。

圖5 木星衛(wèi)星反射光譜Fig. 5 Reflectance spectra of the Galilean moons

4 大氣層/外逸層

木星衛(wèi)星周圍并沒有發(fā)現(xiàn)存在稀薄大氣層，但存在多種原子。這是由于木星磁層中充斥著高能粒子，高能粒子轟擊并侵蝕衛(wèi)星表面，原子被擊出并形成稀薄的外逸層，因此衛(wèi)星表面大氣壓力很小，根據(jù)文獻(xiàn)[29]，數(shù)值如表7所示。

表7 木星衛(wèi)星表面大氣壓力Table 7 The surface pressure of the Galilean moons

相對(duì)而言，Io擁有較薄但較濃的外逸層，主要來自強(qiáng)烈地質(zhì)活動(dòng)引發(fā)的火山爆發(fā)，根據(jù)文獻(xiàn)[29]，各衛(wèi)星大氣分子/原子含量如表8所示，表中含量為垂直柱密度，無數(shù)值表示目前尚未探測到。

表8 木星衛(wèi)星外逸層各分子/原子含量Table 8 The main chemicals found in the exospheres of the Galilean moons單位：cm-2

另外，以Ganymede為例，考察氧元素相關(guān)分布。根據(jù)Galileo飛掠數(shù)據(jù)，赤道及兩極地區(qū)氧原子密度分別為5.6×107/cm3和1.7×106/cm3[32]。此外，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到Ganymede赤道區(qū)域（10°）和極區(qū)（90°）氧元素隨高度的分布[33]，如圖6所示，結(jié)果顯示仿真所得數(shù)值比Galileo的測量值大。單個(gè)大氣分子的速度分布于10 m/s～2 km/s，對(duì)于原子氧，200 km高度的入射速度約為1 km/s。對(duì)于航天器設(shè)計(jì)，需要考慮在飛掠和環(huán)繞木星衛(wèi)星期間，表面熱控材料受到大氣中的原子腐蝕產(chǎn)生的退化效應(yīng)。

圖6 Ganymede氧原子密度垂直分布Fig. 6 Ganymede atomic Oxygen radial density distribution

5 等離子體

5.1 木星及其衛(wèi)星軌道等離子體

在木星軌道，等離子體來源主要包括太陽風(fēng)和木星磁層。對(duì)于太陽風(fēng)，其速度范圍為300～1 200 km/s，一般太陽風(fēng)速度為400 km/s，高速太陽風(fēng)一般發(fā)生在太陽活動(dòng)低年，速度可達(dá)700 km/s并有27 d周期，在磁層頂以外區(qū)域，可認(rèn)為太陽風(fēng)是空間均勻分布的，木星軌道太陽風(fēng)參數(shù)平均值如表9所示。在太陽風(fēng)中，質(zhì)子典型能量為1 keV，He++能量為4 keV。

表9 木星軌道太陽風(fēng)參數(shù)Table 9 Solar wind parameters in Jupiter’s orbit

在木星磁層中，Io火山爆發(fā)在其軌道產(chǎn)生由氣體和離子組成的環(huán)繞木星的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，木星的快速旋轉(zhuǎn)使環(huán)內(nèi)的冷等離子體加速并經(jīng)離心力膨脹為圓盤，木星磁軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角導(dǎo)致給定位置等離子體參數(shù)隨自轉(zhuǎn)周期性變化。木星等離子體環(huán)境可分為3部分：冷等離子體（0～1 keV）、熱等離子體（1～60 keV）、高能粒子（＞60 keV），本節(jié)主要討論前2種，高能粒子環(huán)境在后續(xù)章節(jié)討論。

冷等離子體特點(diǎn)為密度高（可達(dá)2 000/cm3）、能量低，采用DG83模型[34]，赤道區(qū)域不同冷等離子體密度隨徑向距離的變化如圖7所示。熱等離子體中，電子（1 keV）和質(zhì)子（30 keV）的密度隨徑向距離指數(shù)降低，由10 Rj內(nèi)的5/cm3降至40 Rj外的10-3/cm3，共轉(zhuǎn)速度（co-rotation velocity）由4 Rj的45 km/s增加到20 Rj的200 km/s。

圖7 赤道面冷等離子體平均密度隨徑向距離的分布Fig. 7 Average equatorial electron density as a function of radial distance

DG83模型輸出等離子體平均密度，但由于磁尾熱等離子體頻繁注入，等離子體密度變化很大。在1 a內(nèi)，Galileo曾觀測到100個(gè)熱等離子體注入事件[35]，這些事件主要集中在10～20 Rj的15～800 keV能段并在12 Rj處達(dá)到峰值[36]。和地球不同，木星熱等離子體注入的可能機(jī)制是被拉伸的磁場中存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)能量的釋放，注入事件時(shí)間尺度為10 h，熱等離子體通量約增加3～8倍。

對(duì)于木星衛(wèi)星，以Ganymede為例，由于存在發(fā)電機(jī)磁場，Ganymede亦存在磁層且可阻止木星磁層中的等離子體注入，由于磁場屏蔽效應(yīng)，Ganymede周圍電子通量可降低50%～60%[37]。此外，Europa和Callisto不存在發(fā)電機(jī)磁場和磁層結(jié)構(gòu)，其對(duì)木星磁場內(nèi)等離子體的影響主要來自尾跡的形成和濺射離子發(fā)射。

在航天器設(shè)計(jì)中，空間等離子體的主要危害是表面充電效應(yīng)，電子在航天器裸露表面聚集，產(chǎn)生的電流使背陽面帶負(fù)電荷，不同材料和表面可充至不同負(fù)電位，可能導(dǎo)致致命的靜電放電。對(duì)于載荷分系統(tǒng)，表面充放電產(chǎn)生的正負(fù)電壓及光電子會(huì)干擾等離子體的測量。漂移的等離子體中會(huì)產(chǎn)生尾流并擾動(dòng)局部等離子體介質(zhì)，從而干擾電場和磁場的測量。此外，等離子體進(jìn)入敏感探測器內(nèi)也可引發(fā)潛在的充放電效應(yīng)。若探測器采用電推進(jìn)，還需考慮推進(jìn)器產(chǎn)生的等離子體與空間等離子體之間的相互作用。

5.2 最惡劣充電環(huán)境

設(shè)計(jì)中常用最惡劣充電環(huán)境評(píng)估航天器充放電風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于電子，表面充電的極端情況下，二次電子產(chǎn)額低于1的熱電子（～10 keV）通量比產(chǎn)額高于1的低能電子（＜10 keV）的通量高。木星系中最惡劣電子環(huán)境對(duì)應(yīng)形成木星極光的加速電子，經(jīng)Maxwellian分布擬合的離散極光能譜如圖8所示[38]。

圖8 離散極光電子能譜Fig. 8 Discrete auroral electron spectrum

離子在表面充電過程中可降低負(fù)電壓，氫和其它離子的密度和溫度可從文獻(xiàn)[34]獲得，在極光活動(dòng)期間，周圍的離子大大減少，因此在最惡劣充電評(píng)估中應(yīng)使離子電流減小100倍。此外，由于尾流的產(chǎn)生，還應(yīng)考慮離子的共轉(zhuǎn)速度，這會(huì)導(dǎo)致離子密度進(jìn)一步降低。

另外，可通過主動(dòng)防護(hù)（如電子/離子槍）產(chǎn)生電子或離子，從而控制表面充電過程。其中，離子推進(jìn)器是高通量離子槍。低能離子也可由污染氣體的電離產(chǎn)生，在這一過程中，出氣和濺射過程產(chǎn)生的原子被太陽光或電荷交換過程電離，產(chǎn)生10 eV以下的低能離子。這些離子可以被吸引到航天器帶負(fù)電荷的表面，改變太陽電池蓋片等的特性。此外，在航天器內(nèi)部，殘余氣體可促進(jìn)高壓部件的靜電放電。

6 高能粒子輻射

在木星軌道，高能粒子輻射的來源包括木星輻射帶、太陽質(zhì)子和銀河宇宙線。高能粒子與航天器相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)輻射效應(yīng)是木星探測任務(wù)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)，輻射效應(yīng)包括但不限于：電離總劑量效應(yīng)導(dǎo)致的器件及系統(tǒng)失效、高能電子與絕緣介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的內(nèi)部放電效應(yīng)、高能粒子與元器件作用產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)、強(qiáng)輻射導(dǎo)致的表面熱控涂層性能退化、低溫低光照環(huán)境下位移損傷效應(yīng)導(dǎo)致的太陽電池片失效等，這些效應(yīng)對(duì)熱控、控制、電源、軌道、結(jié)構(gòu)等多個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都產(chǎn)生了重要影響，需在任務(wù)實(shí)施過程中綜合考慮并反復(fù)迭代。

6.1 捕獲質(zhì)子與電子

一般而言，木星輻射帶高能粒子主要包括電子和質(zhì)子，在能量、通量、覆蓋范圍方面都遠(yuǎn)高于地球。目前，存在多個(gè)木星輻射帶數(shù)值模型，其中應(yīng)用最廣泛的是NASA的GIRE2模型[39]和ESA的JOSE模型[40]，兩者都基于Galileo探測數(shù)據(jù)建立。其中，GIRE2模型包括內(nèi)、外輻射帶2套坐標(biāo)體系，可較好地?cái)M合觀測數(shù)據(jù)，并直接支撐了Juno的任務(wù)設(shè)計(jì)；JOSE模型利用平均通量和乘數(shù)因子，構(gòu)建了不同置信度下的木星磁層高能粒子通量模型，可應(yīng)用在探測器的冗余設(shè)計(jì)中，JOSE模型支撐了JUICE任務(wù)的設(shè)計(jì)。由GIRE2和JOSE模型得到的高能電子隨徑向距離的分布如圖9所示，兩者在＞10 Rj區(qū)域符合較好而在＜10 Rj區(qū)域有一定差異，這是因?yàn)镴OSE模型在＜10 Rj時(shí)采用Salammbo理論模型[41]而非Galileo探測數(shù)據(jù)。

圖9 赤道面高能電子積分通量隨徑向距離的變化Fig. 9 Equatorial integral radial flux profiles of energetic electrons from the GIRE2 and the JOSE models

此外，根據(jù)文獻(xiàn)[42]，對(duì)比地球GEO軌道和木星赤道面4 Rj處高能質(zhì)子和電子的能譜，如圖10所示，與地球相比，木星軌道高能粒子通量比地球大2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，最大能量比地球高2個(gè)數(shù)量級(jí)，且能譜更硬，即相對(duì)而言木星系高能粒子更多。一般認(rèn)為，地球輻射帶外邊緣為7 Re（Re為地球半徑），而木星輻射帶邊界可達(dá)17 Rj。此外，在地球空間，質(zhì)子主要存在于內(nèi)輻射帶而電子主要存在于外輻射帶，而木星系只存在單一的以電子為主的輻射帶。因此，木星系探測器的抗輻射設(shè)計(jì)要求很高。另外，由于Europa和Ganymede的磁場屏蔽效應(yīng)，其周圍高能電子通量相比木星磁層減小30%～50%[43]。

圖10 木星與地球空間高能電子、質(zhì)子積分通量能譜Fig. 10 Electron and proton integral flux in orbits of Jupiter and Earth

6.2 重離子

木星軌道高能重離子主要來源是C+、O+、S+，其中：C+來自于太陽；S+來自于Io；O+來自于太陽及木星衛(wèi)星。目前最新的重離子通量模型為基于Galileo號(hào)探測數(shù)據(jù)構(gòu)建的HIC模型[44]，包括木星磁場捕獲的重離子和銀河宇宙線（CR）重離子，該模型在Europa軌道輸出的結(jié)果如圖11所示，當(dāng)能量大于30 MeV/Nuc時(shí)，HIC模型通量與背景銀河宇宙線通量接近，即捕獲離子的能量較小（＜ 50 MeV/Nuc）。

圖11 Europa軌道高能離子通量Fig. 11 Heavy ion fluence for a mission to Europa orbit

6.3 太陽質(zhì)子與銀河宇宙線

在太陽爆發(fā)期間，太陽高能質(zhì)子通量急劇增加。太陽爆發(fā)活動(dòng)在時(shí)間和強(qiáng)度方面都具有隨機(jī)性，但主要發(fā)生在太陽活動(dòng)高年，太陽活動(dòng)低年發(fā)生概率很低。目前最新的太陽質(zhì)子事件模型是根據(jù)40 a在軌數(shù)據(jù)構(gòu)建的SAPPHIRE模型[45]，該模型基于虛擬時(shí)間線方法，可在計(jì)算周期內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生虛擬的太陽質(zhì)子事件，并給出多種置信度下的太陽高能粒子通量。然而，SAPPHIRE模型僅適用于地球軌道，在木星軌道，假設(shè)通量與距太陽距離的平方成反比，得到太陽活動(dòng)高年木星軌道太陽質(zhì)子通量，如圖12所示。考慮到太陽質(zhì)子相對(duì)于木星輻射帶質(zhì)子通量很小，故工程應(yīng)用時(shí)可不考慮木星磁場對(duì)太陽質(zhì)子的屏蔽作用。

圖12 木星軌道不同置信度太陽質(zhì)子微分能譜Fig. 12 The differential spectra of solar proton in Jupiter’s orbit

此外，銀河宇宙線中的高能離子可能與電子元器件相互作用產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，銀河宇宙線強(qiáng)度與太陽活動(dòng)強(qiáng)度反相關(guān)，工程中常用ISO 15 390模型計(jì)算一定磁場和材料屏蔽后的銀河宇宙線線性能量傳輸（LET）能譜，用于單粒子效應(yīng)的評(píng)估。根據(jù)ECSS-EST-10-04C標(biāo)準(zhǔn)[46]，無需考慮銀河宇宙線強(qiáng)度隨與太陽距離變化的影響。

6.4 輻射效應(yīng)

高能粒子與航天器相互作用可產(chǎn)生多種輻射效應(yīng)，包括：電離總劑量效應(yīng)、內(nèi)部充放電效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、單粒子效應(yīng)等。這些效應(yīng)可對(duì)電子元器件、太陽電池、材料等產(chǎn)生破壞。此外，高能粒子可以和光學(xué)載荷相互作用，產(chǎn)生虛假的無法和光學(xué)信號(hào)分辨的背景信號(hào)。以Galileo為例，在軌期間，其共經(jīng)歷了20次在軌異常[47]，實(shí)際所受總劑量超過設(shè)計(jì)值3倍，星敏感器任務(wù)期內(nèi)噪音持續(xù)增高，任務(wù)末期經(jīng)歷了光學(xué)相機(jī)失效、電源總線漏電、系統(tǒng)重啟等事故。

相對(duì)而言，木星探測中最難以防護(hù)的效應(yīng)為總劑量效應(yīng)和內(nèi)部充放電效應(yīng)。對(duì)于總劑量效應(yīng)，對(duì)比不同木星探測任務(wù)及地球GEO軌道衛(wèi)星的總劑量指標(biāo)[48]，如圖13所示。木星任務(wù)所受總劑量水平顯著大于地球軌道，尤其是未來聚焦木星內(nèi)磁層衛(wèi)星的探測，總劑量指標(biāo)進(jìn)一步提高，以JUICE任務(wù)為例，總劑量指標(biāo)為地球GEO軌道衛(wèi)星的50倍，因此總劑量防護(hù)設(shè)計(jì)非常重要。另外，定量計(jì)算了木星Europa軌道和地球GEO軌道平均狀態(tài)總劑量指標(biāo)，在2mm Al屏蔽下分別為1.3×104krad(Si)/a和1.7×102krad(Si)/a。

圖13 不同木星探測任務(wù)的總劑量設(shè)計(jì)指標(biāo)（RDM=2）Fig. 13 TIDs of all Jupiter missions (RDM=2)

針對(duì)木星探測總劑量效應(yīng)的防護(hù)，NASA利用輻射屏蔽盒防護(hù)輻射敏感或關(guān)鍵的單機(jī)及元器件，ESA改進(jìn)了原有總劑量評(píng)估工具SHIELDOSE2，構(gòu)建的SHIELDOSE-2Q可評(píng)估更高能粒子通過多種屏蔽材料后在吸收體中沉積的劑量。此外，ESA還基于遺傳算法構(gòu)建了屏蔽優(yōu)化工具GARSO，開發(fā)了高能電子輸運(yùn)仿真模型ELSHIELD用于屏蔽模型的評(píng)估，研制了輕小型化輻射監(jiān)測儀器RADEM[49]。

此外，內(nèi)部充放電效應(yīng)也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，高能電子穿透航天器表層沉積到電纜、電路板或其他絕緣介質(zhì)中，聚集的靜電如超過閾值將引發(fā)內(nèi)部放電并產(chǎn)生電磁干擾。木星軌道高能電子（＞2 MeV）通量遠(yuǎn)大于地球軌道，1979年3月“旅行者號(hào)”（Voyager）飛掠木星期間，24 h內(nèi)就經(jīng)歷了42次內(nèi)部放電引起的異常[50]。針對(duì)內(nèi)部充放電效應(yīng)的評(píng)估，近年來發(fā)展了一系列仿真方法，如NASA的AF-NUMIT2[51]和3-D NUMIT[52]。在木星探測中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注低溫環(huán)境及大傾角/大偏心率軌道的內(nèi)部充放電效應(yīng)。此外，利用AF-NUMIT2工具定量計(jì)算了Fr4電路板在木星Europa軌道和地球GEO軌道的內(nèi)部充電情況，在2 mm Al屏蔽下其充電電場分別可達(dá)到2.1×104V/cm和8.5×102V/cm。

對(duì)于單粒子效應(yīng)，NASA的HIC模型結(jié)果顯示捕獲離子的能量小于50 MeV/Nuc，適當(dāng)?shù)钠帘渭纯勺柚蛊溥M(jìn)入探測器內(nèi)部，木星探測中單粒子效應(yīng)防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)是銀河宇宙線中的高能離子和木星輻射帶中的高能質(zhì)子，前者和地球相似，后者能量及通量均遠(yuǎn)大于地球軌道。

為了應(yīng)對(duì)木星系的惡劣輻射，常將關(guān)鍵單機(jī)或元器件放入屏蔽盒中進(jìn)行防護(hù)。其中，Galileo采用1 cm厚的鉭質(zhì)矩形屏蔽盒[47]；Juno采用1 cm厚的鈦制屏蔽盒，重量達(dá)到180 kg[6]；在Europa Clipper中，屏蔽盒面板由鋁和鈦組成[53]，在屏蔽盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮可裝配性、可擴(kuò)展性、裝配質(zhì)量等多方面的要求。此外，在質(zhì)量、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能相當(dāng)?shù)那疤嵯?，多層金屬材料的防護(hù)效果優(yōu)于單一鋁材料[54]，通過材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及開展金屬界面連接工藝研究，支撐中國未來深空探測（尤其是木星系探測）任務(wù)的實(shí)施。此外，屏蔽盒中的布局設(shè)計(jì)應(yīng)以輻射效應(yīng)為主要考慮因素，結(jié)合輻射環(huán)境模型、三維總劑量仿真方法、裝配算法、遺傳算法等，可得到最優(yōu)的屏蔽盒布局設(shè)計(jì)方案[55]，即在屏蔽盒中所有單機(jī)任務(wù)期間都不因輻射而失效的前提下，屏蔽盒質(zhì)量最小，從而最大化地為航天器減重。

7 微流星體

木星軌道微流星體主要來源包括：撞擊衛(wèi)星產(chǎn)生的噴發(fā)物、衛(wèi)星羽流、木星塵埃環(huán)、塵埃環(huán)與衛(wèi)星的相互作用。其中，木星塵埃環(huán)包括主環(huán)、暈環(huán)、Gossamer環(huán)3部分，廣泛分布著由硅酸鹽或碳質(zhì)材料組成的μm級(jí)塵埃顆粒。針對(duì)行星際微流星體和木星系微流星體，ESA分別開發(fā)了IMEM模型和JMEM模型。

航天器與微流星體碰撞產(chǎn)生的損傷取決于撞擊粒子的大小、密度、速度、方向。亞毫米顆粒撞擊會(huì)造成航天器外表面的點(diǎn)蝕和凹坑并引發(fā)光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、密封或其它性能的退化，較大的顆粒會(huì)刺穿外表面，并可能通過穿透和剝落對(duì)結(jié)構(gòu)或設(shè)備造成損壞。

IMEM模型和JMEM模型的輸出結(jié)果如圖14所示，模型輸出大于一定質(zhì)量微流星體撞擊隨機(jī)翻滾平板（2π視角）的通量。在IMEM模型中，μm級(jí)塵埃通量來自Galileo、“尤利西斯號(hào)”（Ulysses）、“卡西尼號(hào)”（Cassini）的測量結(jié)果，直徑更大的塵埃通量則來自仿真，因此該模型包含了較大的不確定性，故在結(jié)果中包含了3倍的安全系數(shù)，大于10-5g的塵埃粒子的平均撞擊速度約為17 km/s；在JMEM模型中，微流星體主要來自衛(wèi)星的噴發(fā)物，其結(jié)果由Galileo塵埃探測器的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，塵埃粒子平均撞擊速度為4 km/s。此外，微流星體的密度范圍為0.15～8.0 g/cm3，航天器設(shè)計(jì)中可取2.5 g/cm3。

圖14 木星軌道微流星體通量分布Fig. 14 The distribution of meteorid fluence in Jovian system

在航天器設(shè)計(jì)中，由微流星體產(chǎn)生的損傷需根據(jù)屏蔽、損傷標(biāo)準(zhǔn)、可靠性指標(biāo)等進(jìn)行定量評(píng)估，常用損傷方程進(jìn)行評(píng)估

其中：t為金屬板穿透的閾值厚度，單位cm，表示給定撞擊粒子參數(shù)和破壞模式的屏蔽閾值；km為材料特征參數(shù)，對(duì)鋁材料取0.55；m、ρ、v分別為微粒的質(zhì)量、密度、撞擊的法向速度分量。對(duì)于特定微流星體，當(dāng)對(duì)應(yīng)的t超過屏蔽厚度時(shí)將發(fā)生擊穿。

8 結(jié)束語

在木星系探測中，針對(duì)未知環(huán)境要素進(jìn)行設(shè)計(jì)是任務(wù)的重要難點(diǎn)之一，尤其是木星系內(nèi)強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射、低溫、低光照的環(huán)境特點(diǎn)為未來任務(wù)的成功實(shí)施提出了巨大挑戰(zhàn)。本文系統(tǒng)分析了木星系內(nèi)7種環(huán)境要素的特點(diǎn)，包括：重力場、磁場、電磁輻射、大氣層/外逸層、等離子體、高能粒子、微流星體。另外，探討了木星系環(huán)境新特點(diǎn)對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)的影響。

木星的超強(qiáng)磁場（比地球大20倍）俘獲了超高通量和能量（比地球大2個(gè)數(shù)量級(jí)）的高能帶電粒子，這些高能粒子產(chǎn)生的多種輻射效應(yīng)（如總劑量、內(nèi)部充放電、單粒子、位移損傷等）是木星系任務(wù)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)之一，對(duì)此，要?jiǎng)?chuàng)新性地發(fā)展精細(xì)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使用屏蔽盒對(duì)關(guān)鍵單機(jī)進(jìn)行充分防護(hù)。

木星及其衛(wèi)星的重力場直接關(guān)系任務(wù)的軌道設(shè)計(jì)，尤其在木星衛(wèi)星重力場探測較少的限制下，根據(jù)現(xiàn)有低階場推導(dǎo)高階強(qiáng)場和弱場模型，用于軌道及其控制的冗余設(shè)計(jì)。在磁場方面，木星強(qiáng)磁場可在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，此外，木星衛(wèi)星磁場與木星磁場高度耦合，但其模型發(fā)展還不完善。對(duì)于電磁輻射，除太陽輻射外，還需重點(diǎn)關(guān)注木星反射電磁輻射及其自身產(chǎn)生的紅外輻射。此外，木星衛(wèi)星反射光譜是研究其表面特性的重要手段。木星衛(wèi)星大氣稀薄但成分復(fù)雜，是磁層高能粒子和衛(wèi)星表面相互作用的結(jié)果，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注原子氧對(duì)探測器設(shè)計(jì)的影響。在等離子體方面，木星超強(qiáng)的極光等離子體可產(chǎn)生較強(qiáng)的表面充放電效應(yīng)。木星系微流星體來源復(fù)雜且空間分布廣泛，尤其在木星環(huán)及木星衛(wèi)星附近，微流星體與航天器相互碰撞可能導(dǎo)致表面性能退化甚至擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，但目前相關(guān)微流星體模型還不完善，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分做好冗余設(shè)計(jì)。