实验性技术成功修复NASA朱诺号(Juno)相机,并帮助其他高辐射环境运行的太空系统同获宝贵经验。

NASA环绕木星运行的朱诺号任务团队2023年12月执行深空微操作,修复相机JunoCam,主要目的是捕捉木星卫星木卫一形象。JunoCam是彩色可见光相机,光学组件装在钛金属墙的辐射防护舱外,防护舱为保护朱诺号其他科学仪器的敏感电子组件。安装位置极具挑战性,因朱诺号飞行路线会穿越太阳系行星辐射最强区域。虽然任务设计人员对JunoCam能应对前八次环绕木星充满信心,但没人能确定仪器能运行多久。

朱诺号前34次环绕任务,JunoCam运行正常,持续传回可用形象。但第47次轨道飞行,开始出现辐射损伤征兆。到第56次,几乎所有形象都损坏无法使用。

JunoCam拍摄形象可见颗粒与水平条纹,显示受辐射损伤。摄于2023年11月22日,为木星北极区域环状气旋。(Source:NASA,下图同)

远程微观修复

虽然团队知道问题与辐射有关,但要从数亿公里外精确判断哪个零件受损极其困难。种种线索指向电压调节器故障,这零件对JunoCam电力供应至关重要。可行选项不多下,团队尝试“退火处理”(annealing),即加热零件一段时间后再缓慢冷却。虽然原理未完全理解,但理论是加热可弥补零件缺陷。Malin Space Science Systems公司(开发与操控JunoCam的公司)表示,“退火有时能微观级改变硅这类材料,但不确定能否修复损伤。我们下指令,让JunoCam唯一加热器将相机升温至25°C,远高于正常操作温度。”

退火处理后不久,JunoCam接下来数次轨道又能拍到清晰形象,但朱诺号飞行路径持续深入木星辐射核心地带,第55次轨道飞行形象又开始出问题。成员尝试不同方法改善品质,但距离与木卫一近距离接触只剩几周。时间急迫,最终他们把JunoCam加热器温度调到最高,看看更激烈退火能否挽救零件。退火处理第一周,回传地球的测试形象几乎没有改善,但越接近木卫一,形象品质开始明显提升。到2023年12月30日,朱诺号以仅1,500公里距离掠过这颗火山活跃的卫星,形象几乎恢复至发射时水准,清楚展现木卫一北极区域面貌:山块从平原间陡峭突起,覆盖二氧化硫霜,还显示未记录到大型火山与熔岩。

2023年12月30日,NASA朱诺号太空船第57次近距离飞掠木星,JunoCam拍到火山卫星木卫一(Io)北极区域形象。为了及时修复摄影机的辐射损伤,团队采退火法,使拍摄成功。

截至目前,朱诺号已绕行木星74次。最近第74次轨道飞行,形象再次出现噪声。JunoCam首次退火处理后,朱诺号团队也将之用于其他仪器与工程子系统。朱诺号教导我们如何构建维护耐辐射的太空船,这些经验对绕地球运行的卫星都将受益匪浅,也对其他NASA任务很有帮助。

(首图来源:NASA)