歐洲木星冰月探測器（JUICE）被戲稱為“一杯果汁”。設計木星冰月探測器需要考慮的主要因素是與太陽的距離太大、太陽能發電不足。最壞情況下的太陽能常數只有每平方米46瓦，所以它的太陽能電池針對“低強度/低溫”條件進行了優化。此外，為了這次遙遠的飛行，科學家們還對木星冰月探測器的結構、電子設備、姿控設備及應急系統進行了精心的設計。

木星冰月探測器的兒童宣傳畫

總體設計

木星的輻射環境比較惡劣。需要捕獲木星和木衛三的軌道，以及實施大量的飛越操作（共計超過25次重力輔助和飛越）。要求航天器攜帶約3000千克化學推進劑。

因為距離地球的距離太遠，導致信號往返時間長達1個多小時，所以需要仔細地預先規劃和航天器自主執行操作。為了對地通信，木星冰月探測器配備了一個直徑約3米的高增益天線，每天至少提供每秒1.4吉比特的下行帶寬。

木星冰月探測器的本體并沒有非常特殊的地方，采用了當代航天器的標準設計模式。它采用中央承力筒結構，兩個推進劑儲罐位于筒內，筒的下部連接星箭適配器。圍繞著承力筒，布置了6塊剪切壁和4片輕型外壁。推力器設置在底面，頂板上安裝各類傳感器和冰衛星探測雷達天線。這可以讓傳感器遠離推力器的射流，避免污染。

光學工作臺靠近星敏感器和導航相機，容納具有嚴格指向要求的儀器，并且盡量縮短和相關電子設備之間的距離。

用10.6米長的吊臂安裝了三臺磁探測傳感器，滿足磁環境潔凈度要求，也避免了深度修改或者大量屏蔽其他平臺電子設備。

位于航天器天頂部分的二級結構容納了粒子環境實驗套件儀器的其他部分，這里也可以避免受推力器射流的影響，而不會干擾視野。

沿著中央承力筒的頂部安裝了大部分儀器和平臺電子單元，來應對惡劣的木星輻射環境，保持一定溫度，以及靜電放電和電磁干擾的有效屏蔽。

高增益天線可在X和Ka頻段下載平均每秒1.4吉比特的科學數據，并確保遙測遙控鏈路的常規操作和安全模式操作，并支持無線電科學實驗。高增益天線還能在行星際轉移的有光照巡航階段充當遮陽傘，保護設備免受高太陽通量的影響。

太陽能電池陣列在壽命結束條件下提供730W電力。

木星冰月探測器的大型太陽能電池

425牛雙組元主發動機與主推力軸同軸，在四組各兩臺20牛雙組元推力器的協助下，執行主要任務機動。另外還安裝了6組各2臺10牛推力器，作為故障的備份，也可以用作姿態控制。

電池也在承力筒頂部，為電子設備提供額外的屏蔽效應。承力筒內還有4個反作用飛輪。

探測器電子架構

木星冰月探測器的電氣架構圍繞中央命令和數據管理單元構建，該單元包含了中央計算機（即指令、遙測和數據管理、故障檢測隔離和恢復管理，以及分別用于科學和內務數據存儲的單獨大容量存儲器）。遠程接口單元是獨立的，提供標準化接口，但也確保接口與非標準平臺設備（推進器、太陽傳感器、反作用輪）的接口適配。

作為一種深空探測器，木星冰月探測器在大多數時候都要靠自主控制來航行，因為從火星附近到地球的往返無線電傳輸需要80分鐘左右，基本不可能遙控操作。

因此，歐空局為它設計了兩種天地通信模式。在行星際巡航的安靜期間，天地傳輸時間只有每周8小時。開始執行科學任務后，實施每天一次8小時的地面站通信。如果發生緊急情況，歐空局地面站網絡可以確保24小時不間斷覆蓋。

木星冰月探測器總裝完成

具體到探測器的各個子系統，有些子系統需要很少的干預，比如電源管理是完全自主的，地面只有幾個參數需要設置，具體取決于任務階段（電池充電水平、電池充電/放電電流）。但是，任務規劃時需要注意，不要將電池耗盡到最低充電狀態，確保電池在長日食之前充滿電。熱控制也是完全自主的，地面只需改變特定操作所需的一些溫度閾值。

另一些子系統完全在地面控制之下，如儀器和通信子系統。觀測活動完全由地面站編程控制，通信的遙測部分也由地面控制。地面站安排好傳輸會話，并在X波段和Ka波段對數據速率進行編程，盡量提高每日的數據回傳數量。通信子系統的遙控鏈是完全自主的。

姿態和軌道控制子系統

姿態和軌道控制子系統需要地面大量指令，歐洲空間運行中心的飛行動力學團隊負責準備和驗證所有姿軌控制系統命令，提供太陽和行星星歷表（包括木星、月亮），確定科學姿態剖面、軌道機動的速度增量，操縱導航相機圖像采集。當所有這些數據都加載到航天器上之后，航天器會自主執行姿態控制命令，自動把電池陣列指向太陽，把中增益天線指向地球，并在達到所要求的的速度增量時停止推力器點火。導航主要使用專用測距會話方式，把收集到的輻射數據在地面上進行處理，然后發出指令。地面站會處理導航相機采集到的光學圖像，進一步改善在木星衛星附近的導航。這種方法在木星系統中是強制性的，因為木星衛星的星歷表并不準確，要確保低空飛越目標，就必須采用基于導航相機圖像的自主制導校正。

木星冰月探測器的中增益天線（左）和高增益天線（右）

自主應急系統

木星冰月探測器作為深空探測器，必須考慮緊急情況下的對策。在很多時候，如果用80分鐘來往返傳輸信息，加上地面的分析和決策時間，就會錯過應對時機。所以它的自主應急系統是非常重要的。這項功能分成幾個類別。

分層故障檢測、隔離和恢復概念

故障檢測、隔離和恢復單元（FDIR）有兩個主要目標，首要和最重要的目標是確保探測器的完整性，包括平臺設備和科學儀器；其次是盡可能優化任務的完成。

在大多數任務階段，這兩個目標可以分開討論。故障檢測、隔離和恢復單元的主要目標是在發生故障時采取“故障安全”行動，選擇確保探測器完整性的解決方案。但是在木星軌道捕獲和木衛三軌道捕獲期間，這兩個目標就很難分開了。這個階段的故障可能會影響探測器的安全并導致任務失敗。在這種情況下，故障檢測、隔離和恢復單元的目標是“失效操作”行為，也就是發生失效的故障后，還能繼續執行任務。這意味著，如果在主發動機增壓模式執行之前或期間發生單次故障，探測器能夠使用主發動機或其他推力器實現機動。

備份和重新配置概念

木星冰月探測器的所有平臺單元都是有備份的，一般采用三種工作模式，①冷備份：使用主單元，備份單元保持關機狀態；②溫備份：使用主單元，備份單元開機，準備在主單元發生故障時接管；③熱備份：同時使用主單元和備份單元。

使用哪種方案，不是一成不變的，而是根據任務階段的關鍵程度和其他限制（主要是與功率相關的限制）而改變的。在關鍵任務階段，溫備份或熱備份更受青睞，但會導致更高的功耗，因此不能長期使用。在科學觀測期間，應盡量減少平臺功率消耗，以便為儀器操作分配盡可能多的功率。

工程師在為木星冰月探測器安裝射頻系統

只要探測器的完整性得到保證，故障檢測、隔離和恢復單元將優先進行本地重新配置（例如，從主單元切換到備份單元）。故障檢測、隔離和恢復單元主要服務于第二個目標，也就是盡量減少對科學觀測的影響。如果本地重新配置無法實現，探測器將自主切換到安全模式，科學任務將被迫中斷。

一般來說，為了避免觸發安全模式，將會優先使用熱備份。比如說，陀螺儀在通電后，需要大約20秒才能提供良好的測量。在主陀螺儀發生故障而備份陀螺儀未加電的情況下，會導致探測器在沒有陀螺儀的情況下運行20秒。這是不安全的。在這種情況下，探測器就只能進入安全模式了。所以在關鍵任務階段，要把備份陀螺儀加電，實現溫備份，并準備在發生故障時接管主陀螺儀的任務。這樣的切換是實時的，并且能避免安全模式。

關鍵任務階段的故障應對策略，是關閉所有對任務成功不必要的裝置，例如，木星軌道捕獲或木衛三軌道捕獲設備將在實施軌道機動前關閉。當然，這種策略也是靈活應變的。例如，太陽能電池陣列驅動電子設備在木星軌道捕獲/木衛三軌道捕獲之前的正常模式下以冷備份運行，但在主機燃燒期間將以熱備份運行。這是為了避免主機意外關機的情況下，可以重新配置太陽能電池陣列驅動機構電子設備。

木星冰月探測器的設計不考慮多故障同時發生，但對多故障還是有應對能力的，具體取決于任務階段的關鍵程度。例如，雙遙測發射故障會在標準任務階段導致進入安全模式，而關鍵階段則會導致遙測發射機關閉，因為遙測發射不是關鍵機動執行的必備功能；多飛輪故障將在標準任務階段導致進入安全模式，并切換到推力器控制模式，以繼續執行關鍵機動。

在德國測試的木星冰月探測器

安全模式概念

木星冰月探測器的安全模式由中央命令和數據管理單元管理。如果檢測到安全模式已經觸發，處理器模塊將根據預定義的順序，重新配置和重新啟動（驅動硬件選擇在安全模式下使用）。由于故障檢測、隔離和恢復單元在安全模式下處于活動狀態，因此可以觸發一系列重新配置動作。

微波暗室中的木星冰月探測器

在安全模式下，從電源和通信的角度來看，木星冰月探測器會自動置于最安全的配置中：高增益天線指向太陽（有光照情況）或地球（陰影情況），中增益天線指向地球（有光照情況）；太陽能電池陣列指向太陽，有光照情況傾斜70°，直到離開光照區。安全模式所需的參數（例如接地星歷表、高增益天線指向選項）存儲在以熱備份運行的安全防護存儲器里。所有參數都定期或按任務相變更新。

從姿軌控的角度來看，木星冰月探測器安全模式首先使用陀螺儀和推力器降低速率，然后使用太陽敏感器，陀螺儀和推力器進行太陽捕獲（高增益天線指向太陽）。然后使用星敏感器獲取3軸姿態（姿態控制仍然使用推力器）。然后木星冰月探測器自動指向以恢復通信，要么高增益天線指向地球，要么高增益天線保持太陽指向，中增益天線轉向地球。最終，姿態控制功能從推力器切換到反作用飛輪，并且可能會不時觸發自動輪卸載，具體取決于進入安全模式后的地面干預。如果得到地面的授權，則可以繞過太陽捕獲階段，直接使用星敏感器獲取3軸姿態，以加快安全模式的收斂。在最壞的情況下，安全模式在變軌初期發生，探測器可以在沒有地面聯系的情況下存活約30天。

如果星敏感器沒提供有效的測量值，木星冰月探測器將進入生存模式。這種特定模式稱為“地球頻閃”（是從羅塞塔號探測器繼承而來）。高增益天線保持太陽指向，中增益天線移動到固定位置，探測器緩慢旋轉，使得中增益天線波束在每次旋轉時攔截地球。地面站可以捕獲射頻信號載波并執行“從生存模式恢復”程序。生存模式恢復非常棘手，姿軌控制系統繼續嘗試獲取星敏感器數據，一旦恢復了有效的測量值，就恢復到通常的安全模式，然后設法恢復正常模式。

木星冰月探測器的中增益天線

來源: 中國宇航學會