3280
需用时 06:33
今天,“贝皮·哥伦布”小分队踏上征程,向水星进军

|· 本文来自“我是科学家”·|

北京时间2018年10月20日上午9点45分,欧空局ESA和日本航天局JAXA联合研制的“贝皮·哥伦布”号水星探测器(BepiColombo),搭乘欧洲最强大的火箭阿丽亚娜5号ECA型,开始了向水星进发的七年征程。

搭载贝皮·哥伦布号的阿丽亚娜5号于北京时间2018年10月20日上午9点45分准时点火起飞。图片来源:ESA Live

别看水星离地球这么近,人类60多年航天史上,总共才有3艘水星探测器,也就是说,在皮贝·哥伦布号之前,有且只有2艘探测器拜访过水星。相比之下,去过土星的探测器都已经有4艘了,更别提月球和火星这两颗“探测大户”了。

为什么水星探测器如此之少呢?

答案非常简单,那就是——前往水星真的太难了

水”道难,难于上青天

作为一颗行星,水星实在是太小了。它的半径只有地球的38%,质量只有地球的5.5%——木卫三和土卫六都比水星大。

水星距离太阳也太近了,它到太阳的距离只有地球到太阳距离的1/3。那么,如此近的距离会带来哪些挑战,让绝大多数探测器望而却步呢?

水星距离太阳的距离只有地球到太阳距离的1/3。图片来源:Wikimedia Comments,有修改

首当其冲的是温度

水星地表的温度在冰箱(-173)和烤箱(427)之间来回变换,究竟是什么箱取决于这一侧是否朝向太阳。

探测器基本不惧严寒,它可以把各种能量转换为热能,供自身取暖。如今的新视野号已经飞到了遥远的柯伊伯带,依然能在极寒的环境下健康工作。 

然而在烤箱里,探测器的日子却非常不好过,而且制冷比制热的代价要大很多。为此,人们要设计各种散热和隔热的措施,即使这样,探测器仍然不能长期待在高温下,需要时不时去阴凉的地方休息。比如今年发射的帕克号,就为了抗高温而绞尽脑汁(详情请戳链接:帕克号:以极速触吻太阳,圆个“追风梦”!)。

帕克号“轻触”太阳的假想图。来源:NASA

但过热只是考验的开胃菜,正餐则来源于太阳巨大的引力

探测器不断靠近太阳的过程,是一个引力势能不断转化为动能的过程,而太阳巨大的引力则会让探测器稍有不慎就加速过猛,那么就很容易会错过又小又轻的水星。

虽然水星的轨道速度是八大行星里最快的(越近的话公转速度越快,开普勒第三定律早就告诉我们了),但要想进入水星轨道,探测器依然必须耗费大量的能量进行刹车减速,来对抗太阳的引力势能,就像一辆在下坡中的汽车踩好几年刹车一样,这使得制造水星探测昂贵而困难。

但人类从没有退缩,而是在不断挑战极限。

水星探测接力棒

贝皮·哥伦布号的名字来源于意大利的数学家和工程师约瑟佩·哥伦布(Giuseppe Colombo, 1920-1984),他的昵称就是贝皮·哥伦布(Bepi Colombo)。他在水星轨道研究方面做出了巨大的贡献,尤其是成功计算出了飞抵水星的途径和方式

约瑟佩·哥伦布。来源:ESA

由于直接飞抵水星需要耗费大量的能量进行刹车减速,这种做法十分地不经济。因此贝皮·哥伦布创造性地设计出了一种经过金星的引力弹弓减速的方式,这种方式的轨道周期为176天,是水星公转时间的两倍。通过这种设计,飞船可以每隔176天造访水星一次。但缺点是每次只能看到水星的同一个半球。这一方式还是被NASA采纳,并最终应用在了人类的第一艘水星探测器——“水手10”上。

水手10号的轨道。图片来源:Wikimedia commons,汉化:鸑鷟鹓鶵 

1974年2月5日,水手10号”成为人类历史上第一个使用其他天体的引力弹弓改变自身速度的探测器,三次引力弹弓减速后进入一个公转周期176天的轨道,使得探测器最终3次飞掠水星,成为第一个飞临水星的探测器

 “水手10号”最终进入一个公转周期是水星两倍的轨道,这个轨道只看到了水星的同一半球,三次飞掠一共测绘了大约45%的水星地表。

水星的南半球。图片来源:Wikimedia commons

根据“水手10号”的探测结果显示,水星表面有着类似月球地表的陨石坑和巨型盆地,甚至还有数百公里长的巨型悬崖。同时水星大气层十分稀薄,大气压只有地球表面的一万亿分之一。

在“水手10号”沉寂之后的30年里,人们再也没有探访过水星。

信使号探测器的假想图。图片来源:Wikimedia commons

直到2004年,NASA才发射了人类的第二颗水星探测器——“信使号”(MESSANGER,全称水星地表、空间环境、行星化学及测绘探测器MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging),这个名字正好贴合水星Mercury的名字来源(Mercury正是古罗马神话中诸神之间的信使)。

经过7年的漫长旅程,2011年,信使号实现了首次环绕水星,并为人们提供了迄今为止最全面的水星探测数据,包括完整的水星地表地图。2015年,燃料几乎耗尽的信使号选择了长眠于水星。

信使号让我们了解更多水星的秘密,也留下了更多的疑问——比如,为何水星的磁场中心偏离水星中心约20%的半径?水星上过去的火山活动历史是怎样的?水星是如何在没有地表板块运动的情况下收缩的?水星表面的碳是怎么来的?

我们还需要新的探测器来回答这些新的疑问。

贝皮·哥伦布号探测器抵达水星时的假想图。来源:ESA

这个接力棒将由贝皮·哥伦布号探测器接过。这艘探测器预计于2025年进入水星轨道,届时,人们还可以了解到水星在这十年中有何变化。

贝皮·哥伦布号探测器携带了更先进,也更专业的科学仪器,同时,探测器最低的环绕轨道也将低于信使号,以便更仔细和更清晰楚地把这个神秘天体展现给我们。

水星探测小分队

贝皮·哥伦布号探测器实际上可以被看成是一小分队,队长是两个相互独立的探测器:一个是欧空局主导的水星轨道探测器 (Mercury Planetary Orbiter),另一个是日本宇航局主导的水星磁场探测器(Mercury Magnetospheric Orbiter)。水星磁场探测器有一个专用日语名MIO,因为MIO在日语里有“航路”、“水路”的意思,因此包含了祈祷航程平安的美好愿望。

水星小分队合影。图片来源:ESA

陪伴这两艘探测器队长一同前往水星的还有两个辅助设备队员,其中一个是MIO的专用接口和太阳光防护盾MOSIF(MIO Sunshield and Interface Structure),保护尚未运转的MIO免受太阳的炙烤。

另一个是水星转移轨道推进器MTM(Mercury Transfer Module),毕竟进入水星轨道是个高耗能的“体力活儿”,这个专门的推进器将为探测器进入水星轨道提供必备的动力。MTM巨大的太阳能帆板有42平方米,虽然太阳内侧的太阳能更丰富,但灼热的温度可能烤坏太阳能帆板,因此MTM的太阳能帆板不能受阳光直射,只能以一个小的入射角接受太阳光,这使得对太阳能的利用率打了个折扣。

小分队的每个成员在库鲁宇航中心里被依次叠好,放入火箭整流罩中,最下面的是MTM,中间的是MPO,最上方的是罩在MOSIF中的MIO。图片来源:ESA

当小分队抵临水星时,MTM结束使命,先行卸任。而在进入MIO的预定轨道后,MIO入轨分离,随后MOSIF与大家永别。由于MPO自带动力,因此可以另辟轨道环绕水星。MPO的轨道将比信使号更加接近水星,因此可以测绘出分辨率更高的水星地形和重力场。

MIO 与MOSIF 分离的假想图。来源:ESA

MPO和MIO双子星的优点在于,两艘探测器可以在同一时间的不同位置获得的数据。这对研究水星,以及近在咫尺的强烈太阳风非常有帮助——两艘探测器可以一近一远,分别探测太阳风与水星磁场之间的相互作用。

在热真空罐里测试的水星轨道探测器MPO。图片来源:ESA

水星轨道探测器MPO总重1810千克,主体是2.4*2.2*1.7米的立方体,外加两个大的伸展。

其中一个延展是7.5米长的太阳能帆板,帆板通过旋转来避免被太阳光烘烤过热。

另一个延展则是3.7m长的大型散热器——水星靠近太阳的一侧实在是太热了,绝大多数科学仪器都放在散热器附近。

水星轨道探测器。图片来源:ESA

MPO的轨道远水星点是1500千米,近水星点是480千米,将采用极地轨道的方式环绕水星——极地轨道横穿天体南北极上空,可以探测到目标天体的每一寸地表,更方便此次对水星极区永久阴影区的重点考察。

与MPO相比,水星磁场探测器MIO则是完全不同的画风。

正在接受测试的水星磁场探测器MIO。图片来源:ESA

首先,MIO要小得多,形状为轴对称的八面体,直径1.8米,高0.9米。总重也只有285千克,只有MPO的1/6。

MPO和现在的绝大多数卫星以及探测器类似,采用了三轴平衡的姿态控制,都是立方体的框架,而MIO却采用了早期卫星使用的自旋平衡,每分钟旋转15周。

MIO采用了早期卫星使用的自旋平衡,每分钟旋转15周。

所谓自旋平衡,是指高速旋转的物体能自我保持一个被动的姿态稳定,不易被外界干扰,最典型的例子是高速旋转的陀螺。但是自旋平衡是一种被动式的稳定控制,因此现在多使用三轴平衡这种主动稳定控制。

为何MIO采用自旋平衡的老式控制方式呢?

根据日本工程师的描述,通过这种控制方式,MIO带有太阳能帆板的八面体能够旋转着轮流朝向太阳防止过热,而放置仪器的顶部和底部则永远背对太阳,从而有效保护其关键组件。此外,旋转产生的离心力可以用于部署4个15米长的线天线,用于测量水星电场和电磁波。

MIO和MPO的轨道。来源:ESA

MIO的轨道要比MPO高的多,主要的目的是探测水星磁场和太阳风——在太阳风的猛烈吹袭之下,水星的磁场显现出一边薄,一边长尾的特点。MIO的轨道也依照这一特点设计轨道,其近水点和MPO相近,距水星表面约为590千米,远水点则有11640千米远。

贝皮·哥伦布号的水星之旅。来源:ESA

根据计划,贝皮·哥伦布号将用7年的时间进入水星环绕轨道,和信使号所用的时间相同。

由于自带动力,所以探测器可以在发射后以低于第一宇宙速度的速度(3.47 km/s)离开地球。在一年半后,探测器将经过一次地球引力弹弓前往金星,两次金星引力弹弓使得探测器轨道降低到水星轨道,在进入环绕轨道之前,还会6次飞掠水星,这会最终将探测器和水星之间的相对速度降低到1.84km/s,总共9次引力弹弓。而直到2025年12月5日,它与水星的约会才正式开始。探测器的常规任务预计于2027年5月1日结束,延长任务于2028年5月1日结束。

长达10年的旅途究竟会收获哪些新发现,让我们拭目以待。

贝皮·哥伦布号的水星之旅。图片来源:ESA,鸑鷟鹓鶵汉化。(点击查看大图)

感谢行星科学博士haibaraemily对本文的写作帮助。 

(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 本文主要内容参考自ESA官网对贝皮·哥伦布号的详细介绍
The End

发布于2018-10-20, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

鸑鷟鹓鶵

航空航天爱好者

pic