朱诺号航天器将如何抵御木星毁灭性的辐射

强大的木星大得令人难以置信。木星的质量比太阳系中所有其他行星和小行星的总和还要大，相当于 1,300 个地球那么大。这么大的一个家伙似乎需要额外的保护，因为木星还被辐射所笼罩，辐射强度比地球高出数千倍。

参与设计和建造朱诺号太空飞船的洛克希德马丁公司工程师凯文·鲁道夫说：“木星是太阳系中除太阳之外辐射环境最严重的天体。”

朱诺号太空船将于 7 月 4 日抵达木星，并在其轨道上运行两年。朱诺号将如何经受住如此强烈的辐射？“我们基本上是一辆装甲坦克，”朱诺号首席研究员斯科特·博尔顿说。“这次任务在许多方面都是 NASA 的第一次。这可能是他们尝试过的最大挑战之一，能够如此接近木星。”

辐射来自哪里？

木星巨大的金属核心使其磁场比地球强 20,000 倍。与地球磁场一样，木星磁层也能捕获从太阳流出的带电粒子。

磁层中的粒子会随着时间的推移而积累，许多粒子变得更加危险。随着行星的旋转，木星磁场也会随之旋转，加速所有被磁网捕获的带电质子和电子。它们在相互碰撞时也会吸收更多能量。

鲁道夫说：“最终得到的基本上就是 BB 弹。”但它们是亚原子的，因此可以穿透航天器的固体外壳，给航天器的电子设备带来麻烦。

“这些类似 BB 的粒子会飞进电子电路，撞掉芯片上的原子，或撞掉电路中的电子。如果撞掉的电子足够多，就会毁掉电路。”

装甲坦克

1. 避免辐射

确保朱诺号电路不会被辐射破坏的第一步是限制其暴露。

木星最严重的辐射集中在其赤道地区，因此朱诺号的椭圆轨道将确保它尽可能少地飞过这些区域。

鲁道夫说：“我们所知道的轨道在大部分轨道上都远离木星，当它们靠近木星时，它们会快速穿过强烈部分，然后飞到辐射以下并快速返回。”

“我们穿针引线，”博尔顿说。“通过越过两极，我们能够降落在大气层和这些强烈辐射带之间的一个小间隙中。”

2. 抗辐射

洛克希德·马丁公司以火星勘测轨道器为基础设计了朱诺号。但火星周围的辐射水平比木星低得多，因此朱诺号团队不得不做出一些调整。

工程师们用一层薄薄的铅屏蔽层包裹了朱诺号航空电子系统的许多部件，这种屏蔽层非常致密，粒子难以穿透。

他们还把一些电子部件做得更大，以减轻每次辐射的影响。例如，鲁道夫说，如果一个晶体管中只有五个原子，辐射会击落其中一个原子，那么它就会失去 20% 的功能。但如果晶体管中有 500 个原子，那么辐射只会击落 0.2% 的功能。

鲁道夫说：“如果它更大，它对辐射的抵抗力就更强。”

这种辐射加固措施使航天器能够承受 50,000 雷姆的辐射剂量。但这与朱诺号在其使用寿命内将承受的 2000 万雷姆辐射剂量相比仍相差甚远。为了使其更加坚固，他们需要建造一个特殊的盒子。

3. 防辐射保险库

朱诺号的大部分电子设备都隐藏在一个边长约 3 英尺的立方体内。这个“保险库”由半英寸厚的钛制成，可以阻止或减缓那些快速移动的带电粒子撞击朱诺号的精密部件。

当然，如果将朱诺号的太阳能电池板和摄像头锁在暗箱中，它们的作用就不大了。这些和其他传感器都留在保险库外面，通过电缆将它们连接到保险库内的电路。

这些外部部件都增加了保护措施。例如，用于观察星空以帮助航天器定位的相机被包裹在一个一英寸厚的罐子里，只有一端是敞开的。

太阳能电池板阵列顶部覆盖有 12 毫米厚的玻璃板。玻璃可透光，使太阳能电池板能够正常工作，但它也能提供少量的防辐射和防尘保护。

4. 过度补偿

为了了解辐射如何影响朱诺号的太阳能电池板，工程师们将电池放入鲁道夫所描述的“热狗”形状的腔室中，该腔室向电池发射电子。

这些实验表明，太阳能电池在任务期间会损失 10% 到 15% 的输出。因此，为了弥补这一损失，该团队将太阳能电池板的体积增大了 10% 到 15%。这样，即使任务接近尾声，朱诺号仍有足够的电力来拍照和测量。

总体而言，朱诺号的设计承受辐射量是科学家预期的两倍。它的总辐射耐受量为 4000 万雷姆，如果辐射水平高于预期，则留有一点误差空间，也为 2018 年 11 月以后的任务延期留有余地。

铺就通往欧罗巴的道路

朱诺号的防辐射传感器比以往更详细地展示了木星。这项任务有助于揭示木星的形成过程，进而揭示太阳系乃至生命本身的形成过程。

美国宇航局也在认真考虑对木星卫星木卫二进行探测，科学家认为木卫二是太阳系中最有可能发现外星生命的地点之一。由于木卫二位于木星的强辐射带中，朱诺号的设计将有助于塑造最终前往那里的航天器。

“木卫二的辐射剂量比木星高得多，”鲁道夫说。“他们必须想出一些巧妙的办法，我相信 NASA 会从这次任务中吸取教训。”