第2個水星探測器即將升空 啥時候抵達(dá)目的地？

第2個水星探測器即將升空　何時抵達(dá)目的地?

經(jīng)過多年推遲，近日(發(fā)射窗口從北京時間10月19日一直開放到11月29日)，由歐洲和日本聯(lián)合研制的“貝皮·科倫布”水星探測器，終于將由歐洲阿里安-5火箭發(fā)射升空。這是繼美國“信使號”之后第二次發(fā)射專用水星探測器，預(yù)計將在2025年底到達(dá)水星，展開為期一年的水星探測活動。

人類探測水星的歷史

由于水星是離太陽最近的一個星球，因此探測水星能更好地理解一些有關(guān)太陽系的進(jìn)化和歷史演變的基本問題。但太陽的高溫和巨大引力會對進(jìn)入水星軌道的空間探測器產(chǎn)生十分不利的影響，所以探測水星十分困難，至今只有美國的“水手10號”和“信使號”探測器探測過水星。

1973年11月3日，美國發(fā)射了“水手10號”探測器。它在1974年2月進(jìn)入一條以176天為周期繞太陽飛行的橢圓軌道。這條軌道的近日點正好與水星繞太陽飛行的橢圓軌道的遠(yuǎn)地點相會，從而使“水手10號”每隔約6個月能與水星靠近兩次。“水手10號”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日曾三次在日心橢圓軌道上和水星相遇，對水星進(jìn)行了探測。但由于當(dāng)時的技術(shù)水平有限，所以該探測器沒能進(jìn)入水星軌道，無法對水星進(jìn)行長期、全面探測。

2004年8月3日，美國發(fā)射了世界第一個專用水星探測器——“信使號”。它采用了先進(jìn)的防熱措施，裝有7臺用于完成6項科學(xué)目標(biāo)的探測儀器。“信使號”于2011年3月17日進(jìn)入環(huán)水星軌道，成為全球首個水星探測軌道器，開始對水星進(jìn)行為期1年的科學(xué)考察。探測任務(wù)結(jié)束后，它于2015年4月30日以螺旋硬著陸的方式受控與水星表面相撞而殞滅，在水星表面形成一個隕坑。

這次發(fā)射的“貝皮·科倫布”水星探測器是以歐洲為主、歐洲與日本聯(lián)合研制的，也是人類近年來為數(shù)不多的水星計劃之一，還是繼美國之后第2個水星探測計劃。“貝皮·科倫布”的命名來自于20世紀(jì)意大利科學(xué)家及工程師的名字，他開發(fā)了使用行星重力來操縱衛(wèi)星的技術(shù)。“貝皮·科倫布”水星探測器質(zhì)量4.4噸，實際上包括2個水星探測器，是歐洲和日本各自第一個水星探測器，也是首次采用由兩個不同任務(wù)探測器組成編隊來探測水星，任務(wù)復(fù)雜程度可想而知。

“貝皮·科倫布”水星探測器總的科學(xué)任務(wù)是：使用攜帶的高科技設(shè)備完成對水星最全面、清晰度最高的覆蓋;拍攝首批熱成像照片，確定水星表面成分，生成整體溫度圖;提供水星表面特征的第一幅整體三維圖;對水星引力環(huán)境進(jìn)行有史以來最全面的數(shù)字測量;首次用兩個軌道器同時在兩個地區(qū)對水星環(huán)境展開研究。

新探測將刷新人類對水星的認(rèn)知

“貝皮·科倫布”由歐洲“水星行星軌道器”(主探測器)、日本“水星磁層軌道器”(次探測器)和“水星轉(zhuǎn)移模塊”三部分組成，所以實際上它等于發(fā)射了兩個水星探測器。它們在發(fā)射和巡航階段將組裝在一起，構(gòu)成一個探測器組合體。在分離進(jìn)入各自的水星軌道后將對水星的星體和環(huán)境進(jìn)行探測，包括探測水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水星磁層與太陽風(fēng)的相互作用。這些研究將會大大刷新人類對水星的認(rèn)知，甚至有可能揭示水星的成因以及它離太陽如此近的原因。

“水星行星軌道器”由歐洲航天局研制，是這一組合體的中樞神經(jīng)大腦，執(zhí)行協(xié)調(diào)管理任務(wù)。其質(zhì)量為1147千克，將在貼近水星的軌道運行，裝有11臺十分先進(jìn)的科學(xué)探測儀器。進(jìn)入水星軌道后，由設(shè)在德國、隸屬于歐洲航天局的歐洲航天操作中心進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)與運行管理。它采用三軸穩(wěn)定，主要科學(xué)任務(wù)是觀測水星表面地形，精密計測水星上的礦物質(zhì)，搞清其化學(xué)成分、執(zhí)行重力場測量等，對水星進(jìn)行測繪，研究水星表面和內(nèi)部成分，詳細(xì)研究水星磁場環(huán)境、行星與太陽風(fēng)交互以及大氣外層的化學(xué)組成。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)提供的“水星磁層軌道器”，大小相當(dāng)于一輛緊湊型的小轎車，質(zhì)量275千克，裝有5臺科學(xué)儀器，主要科學(xué)任務(wù)是觀測水星固有磁場、磁層、大氣和地形等，關(guān)注水星的地表組成和變化過程。它所攜帶的科學(xué)儀器將從多角度對水星表層和內(nèi)部的磁場與磁層開展綜合觀測，這不僅有利于搞清水星的磁場和磁層的分布，還可通過所獲取的大量觀測數(shù)據(jù)與已掌握的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，加深對地球磁場、磁層以及宇宙間所存在的各種各樣磁層的了解;通過對水星表層和內(nèi)部進(jìn)行詳查來確認(rèn)水星本身是一種具有特異結(jié)構(gòu)的星體，通過對其深入觀測、研究和分析，會對解開距太陽最近區(qū)域的水星形成之謎發(fā)揮重要作用。

歐洲航天局研制的“水星轉(zhuǎn)移模塊”通過電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)，負(fù)責(zé)將組合體送往水星軌道。到達(dá)水星后，歐洲“水星行星軌道器”將會用其小助推器將日本的“水星磁層軌道器”送入環(huán)繞水星的橢圓軌道，然后自身也將會分離并下降到離水星更近的環(huán)繞軌道。

飛往水星路途漫漫艱險多

因為太陽引力的作用，飛往水星并把探測器送入繞水星軌道是很難的。“貝皮·科倫布”將以一種新穎的方式飛往那里，巧妙地利用月球、地球、金星和水星本身的引力控制速度，以減少所需的燃料。它將在地球、金星和水星附近進(jìn)行9次引力控制飛行。

這是因為水星的直徑只有4880千米，引力太小，而太陽引力依然是最大的阻礙?？臻g探測器如果直飛太陽，會在這個比地球重33萬倍的巨大恒星的引力作用下瘋狂加速。雖然在飛越金星和地球時可以“借力”調(diào)整探測器的軌道形狀和飛行速度，使其能夠路過水星，但引力僅與月球相近的水星很難“捕獲”飛越的空間探測器;而且水星也是整個太陽系運行最快的行星，因此空間探測器更難進(jìn)入水星軌道。所以，“貝皮·科倫布”采用地球、金星、水星共同配合反復(fù)調(diào)整軌道;同時，其上的發(fā)動機(jī)拼盡全力工作，才有可能進(jìn)入環(huán)繞水星軌道。

在飛往水星整個6.5年的飛行期間，它要1次飛越地球、2次飛越金星、6次飛越水星。“貝皮·科倫布”將在發(fā)射后3年內(nèi)首次飛越水星。在飛越期間，“水星轉(zhuǎn)移模塊”的“網(wǎng)絡(luò)攝像頭”將拍攝一般質(zhì)量的水星圖像。經(jīng)過6.5年約7×109千米的長途飛行后，該水星探測器將于2025年進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道。在距離水星約1×105千米時到達(dá)水星引力場影響范圍。

在抵近水星時，日本的“水星磁層軌道器”先與組合體分離，獨立運行在近水點400千米，遠(yuǎn)水點12000千米的水星軌道。當(dāng)剩余組合體進(jìn)入近水點為400千米，遠(yuǎn)水點為1500千米的水星軌道時，“水星行星軌道器”與“水星轉(zhuǎn)移模塊”分離，獨立運行在近水點400千米，遠(yuǎn)水點1500千米的水星軌道。

進(jìn)入水星軌道后，由于“貝皮·科倫布”距離太陽很近，所以要面臨一系列重大技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是高溫環(huán)境，因為探測器部分表面將受到太陽的直接炙烤，溫度升至350℃左右。

為此，“貝皮·科倫布”采用了新設(shè)計的多層隔熱技術(shù)。其最外層由陶瓷纖維制成，用于對探測器進(jìn)行隔熱。另外，探測器上還配備了高效率散熱器，使探測器對水星表面的熱紅外輻射不太敏感，以便探測器上的科學(xué)儀器和電子設(shè)備能在正常溫度下工作。

歐洲不僅對“水星行星軌道器”進(jìn)行了縝密的耐熱設(shè)計，還進(jìn)行了精確地姿態(tài)控制：從而能有效地控制探測器，使其加了熱屏蔽的那個面一直對準(zhǔn)強(qiáng)太陽光照射區(qū)。

日本“水星磁層軌道器”的自旋軸與水星赤道面基本呈垂直狀態(tài)，這樣可防止強(qiáng)大的太陽輻射能量直射到探測器的上方或下方，還能確保即便是探測器的姿態(tài)發(fā)生變化仍可將配置在探測器上部的高增益天線指向偏差控制在最小，以確保天線繼續(xù)高精度地指向地球，順利完成任務(wù)。

其在強(qiáng)光可能會直接照射到探測器的各個面上都覆上了所謂“抗強(qiáng)照射鏡”，它具備“既可反射可見光，又能放射紅外線”的功能，覆上這種抗強(qiáng)照射鏡之后，可確保探測器內(nèi)部一直保持常溫狀態(tài)，使探測器內(nèi)的部件、儀器在設(shè)計壽命期內(nèi)一直正常工作。

但是，“貝皮·科倫布”上的一些部件無法采用熱屏蔽方式。比如，太陽電池翼，其溫度必須保持在250℃以下，這是太陽電池板及其電子設(shè)備所能承受的最大熱量限度。為此，科學(xué)家研究出了創(chuàng)新技術(shù)，即讓太陽能電池板由60%的鏡片和40%的特殊電池組成，在溫度超過250℃時也能供電，其中鏡片用于反射熱量。另外，還將調(diào)整太陽能電池板的方向，使太陽光不對它進(jìn)行垂直照射。

關(guān)鍵詞： 水星 探測器 目的地