朱诺号如何打破太阳能航天器的飞行距离记录

美国宇航局的朱诺号太空飞船在机器人竞赛结束时冲过终点线，打破了利用太阳能飞行最远距离的记录。该太空飞船将于 7 月 4 日与木星会合。

太阳能航天器非常常见，但它们从未在如此遥远的太空中使用过，这是有原因的。木星的阳光量比地球上的阳光量低 25 倍。这通常不足以为像朱诺号这样的篮球场大小的航天器提供动力，但事实确实如此，这是由于几个不同的因素。

阳光下的一隅

伽利略号是第一艘也是唯一一艘绕木星运行的航天器。当它于 1989 年发射时，太阳能电池板的效率太低，无法在深空工作——只有大约 12% 的光能转化为电能。但当洛克希德马丁公司于 2003 年设计朱诺号时，效率提高了一倍多，达到 28%，刚好足以完成第一个仅靠 5 亿英里外的太阳轻微接触提供动力的深空任务。

通常，像好奇号、卡西尼号、新视野号和伽利略号这样的机器人飞船都是从机载 RTG（放射性同位素热电发电机）获得电力。它们的工作原理是利用放射性物质（这里指钚）释放的热量来发电。RTG 是一种在寒冷的太空中为昂贵的航天器脆弱电子设备提供能量和温暖的好方法，但使用 RTG 有一些问题。放射性物质极其危险，会增加发射的风险，而且非常昂贵。在核不扩散时代，它也很难生产——这就是为什么 NASA 只剩下少量的 RTG 航天器电池。

当“朱诺”号的概念首次提出时，周围仍有足够的钚为朱诺号提供 RTG 电源，但这从未被考虑在内。

“我们从未考虑过在设计朱诺号时使用 RTG，”洛克希德马丁公司的朱诺号工程师凯文·鲁道夫说。“我们一直都知道我们会使用太阳能。”由于朱诺号是 NASA 预算较低的新前沿任务之一，与新视野号和小行星猎人 Osiris-Rex 一样，朱诺号团队必须保持简单。“我们大致知道卡西尼 RTG 有多贵，它们是在钚还剩下相当多的时候建造的，”鲁道夫解释道。“即使钚供应充足，它们仍然非常昂贵，所以这对我们来说不是一个选择。”

专为效率而打造

朱诺号拥有三个 30 英尺长的太阳能电池阵翼，共配备 18,698 个太阳能电池。它们总共输出约 500 瓦的电力，足以运行朱诺号的所有科学仪器并保持电子设备温暖。

此次任务的成功不仅归功于太阳能效率的提升，还归功于航天器上每个部件的固有设计。科学家和工程师们在建造仪器时尽可能地节省能源，甚至还规划了任务轨迹以利用太阳能电池。

洛克希德公司的工程师们设计朱诺号时，让它大部分时间都面向太阳，储存太阳能。独特的极地轨道使航天器不会受到木星的遮蔽，从而提供源源不断的电力。

为了确保该系统在将朱诺号绑在火箭上之前能够正常工作，工程师们将太阳能电池放入测试室，并将其冷却至零下 290 华氏度，这是航天器在木星上停留时的温度。在太阳能电池板被冻结的同时，研究小组用非常昏暗的灯光照射它们，同时用电子枪喷射它们，以模拟木星的恶劣辐射环境。“通过这项测试，我们能够计算出运行朱诺号需要多少块太阳能电池板，”鲁道夫解释说。“结果发现我们需要一个 50 平方米的表面，我们把它分成三个独立的机翼。”

并非太阳底下无处不在

由于 13 年前做出的这一设计选择，朱诺号彻底改变了深空任务的运作方式。对于未来前往木星系统的航天器来说，这意味着以太阳能为动力的生活将成为新常态。而前往更远的地方（如土星）的任务，不幸的是，目前还无法让太阳能驱动的访客来访。土星距离木星还有 12 亿英里，因此那里的阳光不足以为航天器提供动力。但随着地球上太阳能技术的不断进步，效率将不断提高，也许有一天，甚至更深的太空任务也仅靠太阳光提供动力。

由于 NASA 只剩下少量的钚储备，因此最终限制了前往土星、海王星、天王星和柯伊伯带等地的探险任务数量。不过幸运的是，就在去年，能源部与 NASA 合作开始生产新的钚-238 供应，最终补充了 NASA 的 RTG 库存。

经过 17 亿英里的旅程，朱诺号将于 7 月 4 日抵达木星。抵达后，它还将打破更多记录；它不仅将成为有史以来最快的航天器，以惊人的每小时 165,000 英里的速度远离地球，而且朱诺号将比历史上任何航天器都更靠近木星运行，提供有史以来最高分辨率的木星图像。对于一个预算较少、太阳能驱动的科学机器人来​​说，这已经很不错了！

朱诺号的任务是查明木星是否有固体核心，并将穿透大气层以更好地了解木星等气态巨行星的形成过程。由于木星是太阳系中最大的行星，因此它蕴含着许多有关太阳系如何形成的答案，甚至可能让我们更好地了解地球是如何形成的。

《大众科学》将前往 NASA 喷气推进实验室，观看朱诺号的飞行！请在此处关注我们的报道。

2016 年 7 月 1 日下午 2:33 更正：本文之前的版本错误地陈述了朱诺号与太阳之间的距离。我们对此错误深表遗憾。