7月4日是美国的独立日，今年美国人民除了欢度国庆日外，还有一件值得他们骄傲和自豪的事，那就是NASA发送的朱诺太空探测器成功进入木星轨道。这次朱诺进入木星轨道的背后，创造了一系列不可思议的工程学奇迹，笔者根据NASA资料，以及科普中国、中国科学院国家天文台刘博洋文章整理如下：

1796天，27亿公里的飞行

在太空飞行59个月，跨越了27亿公里后，这个价值11.3亿美元的“朱诺”号成功进入木星轨道。这也是自2003年“伽利略”号结束木星探测任务以后，人类13年来首颗绕木星工作的探测器。

15万英里/小时，有史以来最快的人造飞船

随着“朱诺”接近木星，木星的巨大引力将加速飞船的运行，使其达到15万英里/时的速度。这也让“朱诺”成为了有史以来速度最快的人造飞船之一。

除此之外，这个NASA花重金打造的人造探测器还创下两个第一：第一个太阳能驱动的奔向木星的探测器；第一个绕着木星两极轨道飞行的人造探测器。

▲工作人员鼓掌庆祝朱诺号成功进入木星轨道

承受木星表面辐射量：相当于照射超过一亿次的口腔X光

以罗马神话中众神之王朱庇特（Jupiter）命名的木星，不是一颗平庸的行星。它的质量比太阳系中所有其他行星之和更大。它外核的液态金属氢电流赋予了它强大的磁场（磁矩为地球的2万倍），仿佛在太阳风的洪流中撑起了一把巨伞。这把叫做“木星磁层”的彗状巨伞，足以装下数个太阳，其长尾远及4个天文单位（6亿公里）外的土星轨道——这使的木星磁层成为太阳系中，除太阳风在星际介质中淘出的气泡“日球层”之外，最大的连续结构。如果我们能在地球上目视木星磁层，我们会发现它比日月盘面还要大5倍以上。

▲新视野号拍摄的木星。科普中国图

在木星巨大的潮汐力下，木星持续的火山活动每年向其周围注入数千万吨二氧化硫，这些气体随即便被电离成为硫离子、氧离子、电子组成的等离子体，并在木星磁场的禁锢下随木星一同转动，形成温度可达百万度、拱卫木星的等离子体环，向外延展达数十个木星半径（200余万公里）。在距离木星较近处，等离子体波与等离子体环中电子的相互作用将电子加速到接近光速，产生强烈的同步辐射——这里被叫做“辐射带”。

“辐射带”对于朱诺号来说，是其在任务中必须飞跃的“死亡带”

▲木星磁层结构及视尺度示意图。Neil Tyson et al., 'One Universe', Joseph Henry Press图科普中国图

9分钟内完成绕地球飞行

朱诺在进入木星轨道时需要完成的挑战最大，这是一次生死攸关的任务。为了确保朱诺能顺利进入木星轨道，NASA提前5天关闭了探测器上的所有设备，直到它到达两天后才会再次打开。因为一旦遇到意外，飞行探测器将只能划过木星，消失在宇宙空间里，有去无回。

“朱诺”入轨时，其最大速度达到的16.5万英里/时——这一速度能让“朱诺”9分钟内完成绕地球飞行，随后，朱诺号的引擎会着火从而把速度降下来。这时候事情就会变得非常棘手。

215倍音速进入木星轨道

“朱诺”飞船重量达到3500磅，将以215倍音速的速度绕圈飞行。要想让速度降下来，发动机需要燃烧35分钟，需要17600磅的燃油来支持燃烧。

拥有金属钛外壳，有史以来最坚硬的飞船

既要应对木星巨大的辐射量，还要承受高温，这对于朱诺号的外壳提出了挑战。

NASA选择的是1厘米厚的金属钛壳，总重180千克。朱诺号绝大部分科学仪器都在钛壳的保护下，使其遭受的辐射强度减弱800倍，至电子器件可承受水平以下。

它的形状采用的是略显复古的自旋稳定方案，以节省反应轮所占用的发射质量，为更厚实的钛壳、更多的科学仪器和更充沛的推进剂让出空间。

NASA研究人员称，尽管朱诺是有史以来最坚硬的飞船，若发动机在燃烧时受到木星周围碎片、尘埃的影响，也会让这次的任务功亏一篑。尽管此前做了相关的测试模型，但正在飞行时，不确定的因素太多。

1秒误差

从今天整个过程来看，一切进行得很顺利，朱诺点燃发动机的时间几乎和预测的一致，只差了一秒。但整个事件确定的时间要比实际发生慢48分钟，原因是从朱诺从木星发回到地球的信息需要48分钟。

▲左：Atlas V 551火箭；右：朱诺号，可见球形的燃料仓和底部的主发动机。科普中国图

对于朱诺号来说，去一趟木星并不容易。先要克服地球重力，飞离地球后还得克服太阳引力；靠近木星后，还得自燃发动机来减速进入木星轨道；在绕着木星飞行时，还得小心避免木星周围的强辐射和碎片区。

▲朱诺号返回地球进行引力弹射时对地球和月球拍摄的系列画面。科普中国图

7300米/秒的加速度

除了借力自身携带的燃料外，地球也在朱诺这一路的飞行中提供了帮助。朱诺号在2011年8月26日飞向木星。到了2013年10月9日，飞出地球两年后的朱诺号，与地球相距仅559公里擦身而过。在地球的引力弹射作用下，朱诺号获得了7.3 km/s的加速度，这才具备了飞往木星的能力。也正是在这段飞经地球前后的时间里，朱诺号抓紧开机测试了它所携带的科学仪器，为前进木星做好准备。