数年飞行后,该探测器将于2031年抵达木星系。其上搭载了十台相当专业的科学仪器,可在极端条件下进行精确测量。在这项史诗级任务中,瑞士伯尔尼大学研发的中性离子质谱仪(NIM)成为关键科学载荷,而它的“心脏”正由FAULHABER高精度驱动技术强力驱动。
极端深空的生死挑战
此次JUICE任务中,伯尔尼大学功勋卓著。其参与开发了多种科学仪器,其中就包括用来研究木星卫星的高精度工具——中性离子质谱仪(NIM)。NIM属于地底单元(Nadir Unit),其与另外两个粒子传感器一起构成了粒子环境包(PEP)的核心。该单元由伯尔尼大学开发和集成,经过了周密的测试。
NIM的使命是分析冰卫星大气中粒子的化学成分、分布和物理特性。测量数据可以告诉我们很多信息,例如,卫星上是否可能具有“适宜生命生存”的条件。然而,要想成功应用这些技术,需先攻克木星系的极端环境:木星的磁场巨大,产生的超高能辐射可在极短时间内摧毁即使是最坚固的电子元件。
为保护NIM和整个地底单元免受辐射,引入了特殊的屏蔽措施:电子外壳由极高密度材料钨制成,可有效阻挡高能粒子。另一要素是质谱仪的探测器:由于木星系中的高能粒子(即电离的气体原子和分子)产生的信号与实际测量对象相似,如不加保护,测量数据可能会消逝在噪声中。因此,在灵敏的探测器核心周围,额外配备了一个由1.5kg钨和钽制成的屏蔽层,结构上其由两个直径为10mm的玻璃盘组成,每个玻璃盘厚度仅0.3mm。
除防止受到辐射之外,确保仪器可靠耐用也很关键。由于无法在太空中进行维修,因此早在开发过程中就以多种方式为方方面面做了保障。在某些区域还取消了性能储备余量,以确保在条件恶劣的木星系能够最大程度实现可靠的运行。
FAULHABER驱动器助力实现太空中的精准控制
为精准分析木星卫星大气层的化学成分,NIM 质谱仪需要灵活的测量策略。为此,该仪器采用了可在多种测量模式间切换的机制。根据不同模式,需相应开启或关闭不同的入口。为实现所需的高精度控制,其集成了基于成熟 FAULHABER 组件专门研发的驱动装置。
该驱动装置的核心是 8 毫米无刷直流电机(0824…B 系列)与 10 毫米行星齿轮箱的组合,减速比为 1:256。伯尔尼大学空间研究与行星科学系的丹尼尔・皮亚扎博士解释了选择该驱动方案的原因:“一方面,所选组合需具备必要特性,如扭矩、减速比和紧凑性;另一方面,驱动装置还需承受太空任务的严苛环境。” 为确保可靠性,电机磁体在伯尔尼大学医院因瑟斯普 ital 的回旋加速器中进行了高强度辐射测试。此外,电机绕组在 100°C 真空环境中烘焙,以最大程度减少气体逸出并确保长期功能。
若没有这种高精度驱动装置,NIM 仪器的全部潜力将无法发挥。在不同测量模式间切换的能力显著拓宽了科学研究的范围,为 JUICE 任务的成功做出了重要贡献。因此,FAULHABER 驱动技术对探索木星的冰卫星起到了决定性作用。
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