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“朱诺”预计用一年时间在木星大椭圆极轨道上的辐射带内环绕，这比此前任何一个空间探测器都要靠近木星，为的是知道这个巨大的行星有多少水，什么引发了其如此强大的磁场，以及在其浓厚炙热的空气下有没有一个固体内核。
2011年8月5日，美国航空航天局新一代木星探测器——“朱诺”（Juno）由宇宙神-5火箭发射升空。升空后一个小时内，其上的3块太阳能电池阵慢慢展开。它先围绕太阳飞行两年，然后于2013年10月回到地球附近做一次地球借力飞越，再用3年时间飞往木星，预计2016年7月进入木星轨道，总飞行里程32亿（也有报28亿）公里。然后，它在木星辐射带中运行一年，绕木星极地约33圈，2017年10月结束探测。有趣的是，“朱诺”还携带3个与木星“关系匪浅”的乐高玩具升空,它们价值1.5万美元，分别代表发现木星4个卫星的意大利著名天文学家伽利略、代表罗马神话中的天神朱庇特（注：Jupiter，即英语中的木星）、朱庇特的妻子朱诺（Juno，即探测器的名字）。与普通乐高积木不同，它们不是塑料，而是由铝加工而成，确保能承受艰苦的太空旅程的同时，不会干扰“朱诺”仪器运作。
主要任务
“朱诺” 这项探测任务共耗资11亿美元，研制工作花了8年时间，是马歇尔空间飞行中心“新前沿” （New Frontiers）计划的第2个探测器。第1个探测器是“新地平线” （New Horizons）冥王星探测器，它还在前往冥王星的漫漫征途中，2015年7月抵达冥王星，对这颗太阳系边缘的矮行星及其4颗卫星展开首次近距离考察工作。“新前沿” 计划的第3个项目则是计划于2016年发射升空的“起源光谱释义资源识别安全风化层探测器”（OSIRIS-Rex）探测器，它将对小行星1999RQ36进行考察并取样返回。
“朱诺”也是继美国1989年发射过专门探测木星的“伽利略”之后，世界上第2个专用木星探测器。“伽利略”环绕木星飞行了34圈，对木星的大气层进行了测量，还发现了木星卫星地下液态盐水的存在证据，并观测到木星卫星上大规模的火山爆发等，获得了大量有关木星的探测数据，最后于2003年9月按程序坠毁在木星上。“朱诺”预计绕木星轨道飞行33圈，随后将有意坠向木星，以免同木星的卫星相撞。
“朱诺”预计用一年时间在木星大椭圆极轨道上的辐射带内环绕，这比此前任何一个空间探测器都要靠近木星，为的是知道这个巨大的行星有多少水，什么引发了其如此强大的磁场，以及在其浓厚炙热的空气下有没有一个固体内核。它将测定木星稠密和涡动不止的大气中水的含量，因为水含量较大可能意味着木星最早形成于太阳系更边远的位置，随后才迁移到眼下所在位置。科学家目前还不能确定木星是有一个由重元素组成的固体内核，还是完全由气体构成。
该探测器用于详细探测这一巨型气体行星的内部构造、重力场、极光、大气结构、磁场、是否存在水等情况，调查木星是否存在一个固体内核，绘制木星的高强度磁场图，测量其深层大气中的水分和氨的成分，并对木星上的极光现象进行观察，揭开木星上大量天然气起源之谜、木星的形成和演化过程以及决定木星特性且驱动其演化的内部、大气和磁场之间的耦合，为了解太阳系和周围行星系统的起源提供参考。例如，拍摄木星全球可见光图像；测绘木星三维磁层和极光；探测木星重力场，以研究木星内部的质量分布；测量木星大气中的水和氨含量；确定木星磁谱和随时间的变化。“朱诺”将大大加深人类对气态巨行星的形成以及它们对整个太阳系作用影响的理解。
木星是太阳系内体积和质量最大、自转最快的一颗气态行星，它的质量是除太阳外太阳系其余部分的大约2倍。同太阳类似，木星的主要成分也是氢和氦，其距离太阳平均距离超过7.7亿公里，是地球与太阳距离的5倍多。“朱诺”将测定木星稠密和涡动不止的大气中水的含量。水含量较大可能意味着木星最早形成于太阳系更边远的位置，随后才迁移到目前所在位置。科学家们目前还不能确定木星是有一个由重元素组成的固体内核，还是完全由气体构成。“朱诺”将通过测量其磁场和引力场来研究这一问题。
木星有巨厚的大气层，在这样的条件下氢会被压缩成一种称为“金属氢”的奇异形态，它可能是木星强大磁场的来源。这个强大的磁场和高能粒子相互作用，产生了太阳系中最明亮的极光。“朱诺”能直接对这些高能粒子进行取样，并通过紫外波段观测木星的极光现象。对于这样一颗和地球迥然不同行星极光现象的深入研究，将帮助人类更好地理解极光现象产生的本质。
由于云层阻挡，科学家目前看不到木星的深处，但他们想知道木星云层中那些色彩斑斓的云带、大红斑、大白斑究竟向下延伸到多少深度？它们是怎么形成的？“朱诺”将进行木星全球大气运动情况观测，首次测量其深层气流的运动速度，并探测各不同云层深度上的化学成分、温度等数据。
总体构造
美国宇航局的喷气推进实验室(JPL)负责“朱诺”项目的管理，首席科学家是来自美国宇航局西南研究所的斯科特•博尔顿博士。洛马公司为“朱诺”探测器的主承包商，意大利航天局为探测器提供红外光谱仪设备以及一部分无线电科学实验设备。
“朱诺”采用自旋稳定，质量为3627公斤，其中约一半是燃料，喷气推进实验室负责整个探测任务的运行。它采用经“星尘”、“起源”、“火星全球观测者”、“火星奥德赛”、“火星勘察轨道器”等空间探测器验证过的硬件和软件。其主要结构包括主结构和后舱板，并通过中央扭矩管和结构板增强其刚性。在进入木星轨道后，“朱诺”在其椭圆轨道运行并缓慢自旋，每分钟旋转3圈，这样可使“朱诺”从木星的一个极点到另外一个极点的过程中，用所携带的科学仪器扫描整个木星。朱诺号的最后一个行动将是潜入木星的大气层，避免任何污染木星有生命迹象的卫星的可能。
在穿过近木点（这期间对科学观测的干扰最小）进行科学观测期间，“朱诺”无需主动的姿态控制，但此时辐射通量较高，姿态信息将通过对几个恒星的观测获得。姿态敏感期包括2个恒星基准单元、2个惯性测量单元和2个自旋太阳敏感期，它们为姿态确定和自旋速率测定提供备份信息组。
该探测器的通信分系统携带有高增益天线（HGA）、低增益天线（LGA）和位于后舱板的螺旋天线；采用RS-422接口，包括低速异步接口和高速同步接口；用X频段进行测控，并用Ka频段为引力科学实验提供双工链路。
“朱诺”采用双模式推进分系统，其中双推进剂模式（四氧化二氮/肼）用于主变速机动，单推进剂模式（肼）用于自旋、运动及轨道修正。
防辐射罩采用特殊的钛合金制造，这是由于其质地较为柔软，能承受发射过程中出现的振动，而其他材料就不能在这样的环境下继续保持稳定性。防辐射罩由数块面积为1平方米、厚度为1厘米、重18公斤的防辐射片组成，大小相当于一辆SUV汽车。它将“朱诺”上的中央控制系统、数据处理设备和电源等大约20个电子箱严严实实地罩了起来，整个防辐射罩的质量大约200公斤。当然，这个防辐射罩不可能挡住每一个来自木星的电子、离子或者质子，但是这个装置能将辐射对“朱诺”的影响降到最低，减缓仪器的老化，保证任务的完成，甚至可以延长“朱诺”的使用寿命。
与以往空间探测器不同，“朱诺”上最重要的探测仪器——微波辐射计以及天线与信号接收器是分离的，通过射频线传输信息，这主要是为了将探测器重要部件受到的辐射影响减到最低。在防辐射罩之内，线缆的温度通常在0～40摄氏度之间，而接收器和其他电子元件受到的辐射只有6千拉德，甚至比很多绕地球飞行的航天器受到的辐射还少。
探木神眼
为了探测木星，“朱诺”携带了紫外线光谱仪（UVS）、磁通脉冲磁力仪（FGM）、极光分布试验装置（JADE）、高能粒子探测仪（JEDI）、无线电和等离子体波试验装置（WAVES）等共9台科学探测仪器。
紫外线光谱仪主要由一个特定光学组件和一个电子箱组成，其中电子箱安装在“朱诺”防辐射罩内。该仪器能在78～172纳米的电磁波频谱内对木星极光进行拍照和测量，可用来描述木星形态和研究木星极光喷射资源。
极光分布试验装置可测量包括电子的偏航角分布、离子组成和离子空间速度的三维空间分布。除了前置放大器，其他电子装备都由位于防辐射罩下的特定电子箱提供，可用于测量低能量电子和离子，从而研究磁气圈两极和木星极光。
微波辐射计(MWR)包括6个天线和接收器，除天线和供应线外，所有的组件都位于防辐射罩内。它从600MHz、1.2GHz、2.4GHz、4.8GHz、9.6GHz和22GHz 共6个频率进行测量，可用于探测木星的大气深度和测量一系列高度的热辐射，从而了解木星大气的动力学机制和化学组成，确定木星的全球水资源。
高能粒子探测仪上的敏感器分别呈12×160°散开，可对离子和电子分别从6个视角进行观测。两个敏感器单元从垂直航天器旋转轴方向对接近木星过程中各个位置的偏航角进行360°快照，第三个敏感器单元沿着航天器旋转轴方向进行观测，获取一个完整旋转周期内的全部天空（旋转周期约为30秒）。它主要测量电子和离子的能量，从而研究磁气圈两极和木星极光。
无线电和等离子体波试验装置包括一个测量电场的偶极天线和一个磁场探测线圈，安装在防辐射罩内。它在扫描期间有两个频率模式，捕获波形时有一个触发模式。它测量在木星磁气圈两极的原地等离子体波和无线电波。
磁强计由磁通门磁力计、标准氦磁力计和高级恒星罗盘（ASC）组成。所有的敏感器都安装在位于太阳电池翼端部的磁强计吊杆上。通过内外的一个磁场测量，可以过滤掉卫星自身的磁场影响。所有的磁强计电子元件都安装在飞行系统的防辐射罩下方。它将用于绘制首张详细的木星磁场图，并考察木星磁场在其两极地区的分布状况，对于木星磁场的考察将极大地帮助科学家们了解木星的内部结构信息。
可见光相机（JunoCam）主要由光学头、探测器和前端电子器件的相机头，以及图像数据缓冲器和直流电-直流电转换器的电子箱组成（都安装在防辐射罩内），通过旋转推扫式获取图像。它用来获得木星两极地区的高分辨率全景图像，拍摄木星云顶彩色图像，这将有助于进行目视观察，选定观测目标以及对公众发布精美的木星图像。
木星红外极光绘图仪（JIRAM）是一个红外光谱仪和成像仪，主要通过微波辐射计（MWR）和磁力配套试验装置（极光分布试验装置、高能粒子探测仪、紫外线光谱仪和磁强计）实现，其光学头和电子器件可适应防辐射罩之外的环境。它主要获取木星的高分辨率图像，研究2.0～5.0微米范围内的大气光谱，对木星上层大气进行红外和分光分析，提供木星极光和大气动态信息，这同样将有助于科学家们了解木星大气的结构情况。
先进恒星导航仪（ASC）将帮助进行绘图工作，并帮助朱诺探测器在茫茫太空中保持准确的姿态指向。
“朱诺”还将使用其通信设备考察木星的重力场，这是其“重力科学实验”项目的一部分。通过发射信号回地球并观察其多普勒效应，科学家们将能够考察木星重力场对信号的影响。
至今已经有多个空间探测器飞向或接近了木星及其卫星，包括先驱者10号、11号、旅行者1号、2号、“伽利略”、“尤利西斯”、“新视野”空间探测器。其中“伽利略” 是真正意义上的第一个木星探测器，其他是顺道观测，走马观花。美国宇航局寄希望借助“朱诺”上最新的仪器揭开木星云层覆盖下的秘密，进一步研究木星的起源和进化。美国宇航局为“朱诺”木星探测项目制定的口号为“揭开朱庇特的神秘”。
（作者单位：中国空间技术研究院）
2011年8月5日，美国航空航天局新一代木星探测器——“朱诺”（Juno）由宇宙神-5火箭发射升空。升空后一个小时内，其上的3块太阳能电池阵慢慢展开。它先围绕太阳飞行两年，然后于2013年10月回到地球附近做一次地球借力飞越，再用3年时间飞往木星，预计2016年7月进入木星轨道，总飞行里程32亿（也有报28亿）公里。然后，它在木星辐射带中运行一年，绕木星极地约33圈，2017年10月结束探测。有趣的是，“朱诺”还携带3个与木星“关系匪浅”的乐高玩具升空,它们价值1.5万美元，分别代表发现木星4个卫星的意大利著名天文学家伽利略、代表罗马神话中的天神朱庇特（注：Jupiter，即英语中的木星）、朱庇特的妻子朱诺（Juno，即探测器的名字）。与普通乐高积木不同，它们不是塑料，而是由铝加工而成，确保能承受艰苦的太空旅程的同时，不会干扰“朱诺”仪器运作。
主要任务
“朱诺” 这项探测任务共耗资11亿美元，研制工作花了8年时间，是马歇尔空间飞行中心“新前沿” （New Frontiers）计划的第2个探测器。第1个探测器是“新地平线” （New Horizons）冥王星探测器，它还在前往冥王星的漫漫征途中，2015年7月抵达冥王星，对这颗太阳系边缘的矮行星及其4颗卫星展开首次近距离考察工作。“新前沿” 计划的第3个项目则是计划于2016年发射升空的“起源光谱释义资源识别安全风化层探测器”（OSIRIS-Rex）探测器，它将对小行星1999RQ36进行考察并取样返回。
“朱诺”也是继美国1989年发射过专门探测木星的“伽利略”之后，世界上第2个专用木星探测器。“伽利略”环绕木星飞行了34圈，对木星的大气层进行了测量，还发现了木星卫星地下液态盐水的存在证据，并观测到木星卫星上大规模的火山爆发等，获得了大量有关木星的探测数据，最后于2003年9月按程序坠毁在木星上。“朱诺”预计绕木星轨道飞行33圈，随后将有意坠向木星，以免同木星的卫星相撞。
“朱诺”预计用一年时间在木星大椭圆极轨道上的辐射带内环绕，这比此前任何一个空间探测器都要靠近木星，为的是知道这个巨大的行星有多少水，什么引发了其如此强大的磁场，以及在其浓厚炙热的空气下有没有一个固体内核。它将测定木星稠密和涡动不止的大气中水的含量，因为水含量较大可能意味着木星最早形成于太阳系更边远的位置，随后才迁移到眼下所在位置。科学家目前还不能确定木星是有一个由重元素组成的固体内核，还是完全由气体构成。
该探测器用于详细探测这一巨型气体行星的内部构造、重力场、极光、大气结构、磁场、是否存在水等情况，调查木星是否存在一个固体内核，绘制木星的高强度磁场图，测量其深层大气中的水分和氨的成分，并对木星上的极光现象进行观察，揭开木星上大量天然气起源之谜、木星的形成和演化过程以及决定木星特性且驱动其演化的内部、大气和磁场之间的耦合，为了解太阳系和周围行星系统的起源提供参考。例如，拍摄木星全球可见光图像；测绘木星三维磁层和极光；探测木星重力场，以研究木星内部的质量分布；测量木星大气中的水和氨含量；确定木星磁谱和随时间的变化。“朱诺”将大大加深人类对气态巨行星的形成以及它们对整个太阳系作用影响的理解。
木星是太阳系内体积和质量最大、自转最快的一颗气态行星，它的质量是除太阳外太阳系其余部分的大约2倍。同太阳类似，木星的主要成分也是氢和氦，其距离太阳平均距离超过7.7亿公里，是地球与太阳距离的5倍多。“朱诺”将测定木星稠密和涡动不止的大气中水的含量。水含量较大可能意味着木星最早形成于太阳系更边远的位置，随后才迁移到目前所在位置。科学家们目前还不能确定木星是有一个由重元素组成的固体内核，还是完全由气体构成。“朱诺”将通过测量其磁场和引力场来研究这一问题。
木星有巨厚的大气层，在这样的条件下氢会被压缩成一种称为“金属氢”的奇异形态，它可能是木星强大磁场的来源。这个强大的磁场和高能粒子相互作用，产生了太阳系中最明亮的极光。“朱诺”能直接对这些高能粒子进行取样，并通过紫外波段观测木星的极光现象。对于这样一颗和地球迥然不同行星极光现象的深入研究，将帮助人类更好地理解极光现象产生的本质。
由于云层阻挡，科学家目前看不到木星的深处，但他们想知道木星云层中那些色彩斑斓的云带、大红斑、大白斑究竟向下延伸到多少深度？它们是怎么形成的？“朱诺”将进行木星全球大气运动情况观测，首次测量其深层气流的运动速度，并探测各不同云层深度上的化学成分、温度等数据。
总体构造
美国宇航局的喷气推进实验室(JPL)负责“朱诺”项目的管理，首席科学家是来自美国宇航局西南研究所的斯科特•博尔顿博士。洛马公司为“朱诺”探测器的主承包商，意大利航天局为探测器提供红外光谱仪设备以及一部分无线电科学实验设备。
“朱诺”采用自旋稳定，质量为3627公斤，其中约一半是燃料，喷气推进实验室负责整个探测任务的运行。它采用经“星尘”、“起源”、“火星全球观测者”、“火星奥德赛”、“火星勘察轨道器”等空间探测器验证过的硬件和软件。其主要结构包括主结构和后舱板，并通过中央扭矩管和结构板增强其刚性。在进入木星轨道后，“朱诺”在其椭圆轨道运行并缓慢自旋，每分钟旋转3圈，这样可使“朱诺”从木星的一个极点到另外一个极点的过程中，用所携带的科学仪器扫描整个木星。朱诺号的最后一个行动将是潜入木星的大气层，避免任何污染木星有生命迹象的卫星的可能。
在穿过近木点（这期间对科学观测的干扰最小）进行科学观测期间，“朱诺”无需主动的姿态控制，但此时辐射通量较高，姿态信息将通过对几个恒星的观测获得。姿态敏感期包括2个恒星基准单元、2个惯性测量单元和2个自旋太阳敏感期，它们为姿态确定和自旋速率测定提供备份信息组。
该探测器的通信分系统携带有高增益天线（HGA）、低增益天线（LGA）和位于后舱板的螺旋天线；采用RS-422接口，包括低速异步接口和高速同步接口；用X频段进行测控，并用Ka频段为引力科学实验提供双工链路。
“朱诺”采用双模式推进分系统，其中双推进剂模式（四氧化二氮/肼）用于主变速机动，单推进剂模式（肼）用于自旋、运动及轨道修正。
防辐射罩采用特殊的钛合金制造，这是由于其质地较为柔软，能承受发射过程中出现的振动，而其他材料就不能在这样的环境下继续保持稳定性。防辐射罩由数块面积为1平方米、厚度为1厘米、重18公斤的防辐射片组成，大小相当于一辆SUV汽车。它将“朱诺”上的中央控制系统、数据处理设备和电源等大约20个电子箱严严实实地罩了起来，整个防辐射罩的质量大约200公斤。当然，这个防辐射罩不可能挡住每一个来自木星的电子、离子或者质子，但是这个装置能将辐射对“朱诺”的影响降到最低，减缓仪器的老化，保证任务的完成，甚至可以延长“朱诺”的使用寿命。
与以往空间探测器不同，“朱诺”上最重要的探测仪器——微波辐射计以及天线与信号接收器是分离的，通过射频线传输信息，这主要是为了将探测器重要部件受到的辐射影响减到最低。在防辐射罩之内，线缆的温度通常在0～40摄氏度之间，而接收器和其他电子元件受到的辐射只有6千拉德，甚至比很多绕地球飞行的航天器受到的辐射还少。
探木神眼
为了探测木星，“朱诺”携带了紫外线光谱仪（UVS）、磁通脉冲磁力仪（FGM）、极光分布试验装置（JADE）、高能粒子探测仪（JEDI）、无线电和等离子体波试验装置（WAVES）等共9台科学探测仪器。
紫外线光谱仪主要由一个特定光学组件和一个电子箱组成，其中电子箱安装在“朱诺”防辐射罩内。该仪器能在78～172纳米的电磁波频谱内对木星极光进行拍照和测量，可用来描述木星形态和研究木星极光喷射资源。
极光分布试验装置可测量包括电子的偏航角分布、离子组成和离子空间速度的三维空间分布。除了前置放大器，其他电子装备都由位于防辐射罩下的特定电子箱提供，可用于测量低能量电子和离子，从而研究磁气圈两极和木星极光。
微波辐射计(MWR)包括6个天线和接收器，除天线和供应线外，所有的组件都位于防辐射罩内。它从600MHz、1.2GHz、2.4GHz、4.8GHz、9.6GHz和22GHz 共6个频率进行测量，可用于探测木星的大气深度和测量一系列高度的热辐射，从而了解木星大气的动力学机制和化学组成，确定木星的全球水资源。
高能粒子探测仪上的敏感器分别呈12×160°散开，可对离子和电子分别从6个视角进行观测。两个敏感器单元从垂直航天器旋转轴方向对接近木星过程中各个位置的偏航角进行360°快照，第三个敏感器单元沿着航天器旋转轴方向进行观测，获取一个完整旋转周期内的全部天空（旋转周期约为30秒）。它主要测量电子和离子的能量，从而研究磁气圈两极和木星极光。
无线电和等离子体波试验装置包括一个测量电场的偶极天线和一个磁场探测线圈，安装在防辐射罩内。它在扫描期间有两个频率模式，捕获波形时有一个触发模式。它测量在木星磁气圈两极的原地等离子体波和无线电波。
磁强计由磁通门磁力计、标准氦磁力计和高级恒星罗盘（ASC）组成。所有的敏感器都安装在位于太阳电池翼端部的磁强计吊杆上。通过内外的一个磁场测量，可以过滤掉卫星自身的磁场影响。所有的磁强计电子元件都安装在飞行系统的防辐射罩下方。它将用于绘制首张详细的木星磁场图，并考察木星磁场在其两极地区的分布状况，对于木星磁场的考察将极大地帮助科学家们了解木星的内部结构信息。
可见光相机（JunoCam）主要由光学头、探测器和前端电子器件的相机头，以及图像数据缓冲器和直流电-直流电转换器的电子箱组成（都安装在防辐射罩内），通过旋转推扫式获取图像。它用来获得木星两极地区的高分辨率全景图像，拍摄木星云顶彩色图像，这将有助于进行目视观察，选定观测目标以及对公众发布精美的木星图像。
木星红外极光绘图仪（JIRAM）是一个红外光谱仪和成像仪，主要通过微波辐射计（MWR）和磁力配套试验装置（极光分布试验装置、高能粒子探测仪、紫外线光谱仪和磁强计）实现，其光学头和电子器件可适应防辐射罩之外的环境。它主要获取木星的高分辨率图像，研究2.0～5.0微米范围内的大气光谱，对木星上层大气进行红外和分光分析，提供木星极光和大气动态信息，这同样将有助于科学家们了解木星大气的结构情况。
先进恒星导航仪（ASC）将帮助进行绘图工作，并帮助朱诺探测器在茫茫太空中保持准确的姿态指向。
“朱诺”还将使用其通信设备考察木星的重力场，这是其“重力科学实验”项目的一部分。通过发射信号回地球并观察其多普勒效应，科学家们将能够考察木星重力场对信号的影响。
至今已经有多个空间探测器飞向或接近了木星及其卫星，包括先驱者10号、11号、旅行者1号、2号、“伽利略”、“尤利西斯”、“新视野”空间探测器。其中“伽利略” 是真正意义上的第一个木星探测器，其他是顺道观测，走马观花。美国宇航局寄希望借助“朱诺”上最新的仪器揭开木星云层覆盖下的秘密，进一步研究木星的起源和进化。美国宇航局为“朱诺”木星探测项目制定的口号为“揭开朱庇特的神秘”。
（作者单位：中国空间技术研究院）