7年后到达水星!这艘探测飞船去干什么?

2019-07-14 72
[摘要]

10月20日,欧洲—日本联合实施的水星探测飞船BepiColombo搭乘阿丽亚娜5号火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。BepiColombo项目科学家、ESA行星物理学家JohannesBenkhoff说:“这是一个... […]

10月20日,欧洲—日本联合实施的水星探测飞船BepiColombo搭乘阿丽亚娜5号火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。

BepiColombo项目科学家、ESA行星物理学家Johannes Benkhoff说:“这是一个伟大的时刻,我们终于把它变成了现实。”


BepiColombo于上世纪90年代立项,历时21年后成功发射。


按计划,这艘斥资18亿美元的飞船,将于2025年抵达水星。届时它将分离成两个航天器进入各自的水星轨道,开始协作进行暂定为期1年的数据收集活动。


其中一个由欧洲航天局研发的“水星行星轨道飞行器MPO”,主要用于探测水星的表面和内部结构;另一个由日本宇宙航空研究开发机构研发的“水星磁层轨道飞行器MMO”,主要负责探测水星的磁场及其与太阳风的相互作用。


欧洲航天局的“水星运载模块MTM”将负责转运这两个轨道器。


靠近水星困难重重


水星处于太阳引力井的深处,这使得到达它成为一个巨大的技术挑战。


要到达水星,航天器必须失去地球轨道给它的大部分动力,这样它才能“落”向太阳。


但同时,航天器还必须避免过度发射,否则会导致它驶向其他轨道而掠过太阳的引力井。


“BepiColombo计划是我们执行过的最复杂的任务之一。”欧洲航天局BepiColombo项目的飞控指挥Andrea Accomazzo说,“在这项任务中,一个很大的挑战来自于太阳的强大引力,这使得把一个航天器定位在水星轨道很不容易。我们需要通过电推进的不断制动来使航天器能够受控地向太阳靠近。”


由于这些复杂因素的影响,抵达水星的能量是到火星的8倍,而且需要更长的时间。


因此,BepiColombo这次飞行使用了先进的太阳能离子推进器,并且将绕行地球轨道1次、金星轨道2次、水星轨道6次,以结合9次来自地球、金星和水星的引力协助,帮助BepiColombo抵挡太阳的巨大引力并滑入稳定的水星轨道。


中国空间技术研究院总体设计研究员、硬X射线调制望远镜卫星副总指挥尤睿在接受《中国科学报》采访时表示:“正由于水星距离太阳太近,因此飞船可以充分利用太阳能进行变轨,太阳能离子推进器可以调整飞船的‘姿态’,也就是飞行方向。”


“此外,受太阳巨大引力的影响,到达水星轨道所耗的能量与到达冥王星的能量差不多。因此需要‘借力’飞行,根据不同天体之间引力的合成作用,飞船可以向某个方向变化飞行,也就是引力变轨。用时间换空间,到达其预定的轨道。”尤睿说,“这就像帆船在海中行驶,通过‘见风使舵’改变帆的方向,充分利用风力,达到顺风逆风都可以行驶的目的。”


由于水星上的阳光强度比地球附近的外层空间强10倍,且几乎没有什么大气层,因此太阳照射时,水星表面温度高达400多摄氏度,太阳光不照射时,表面温度低至零下100多摄氏度,航天器将经历极端温度变化。


尤睿表示,对于耐高温航天器的设计,最先进的是今年8月美国宇航局发射的太阳探测器“帕克”,该探测器的隔热罩异常轻且结构结实,能够承受1000多摄氏度的极端高温。


据了解,为了应对这次任务中的极端环境,BepiColombo整体做了周全的设计。MTM的太阳帆板角度经过特殊设计,能够得到充足的电量又不至于被太阳辐射毁坏。


MPO上的散热器不仅能快速散出太阳传导过来的热量,还能散出在飞掠行星时从行星反射过来的热量。


八棱柱状的MMO也将用15 r/min的速度进行自转,从而保证自己不会被太阳的热量损坏。


7年旅途不只是等待

BepiColombo抵达水星前的7年时间里,科学家并不是“无所事事”地等待。


据了解,“长途跋涉”中,飞船将对水星和地球围绕太阳运行的轨道进行迄今为止最精确的测量。


科学家将尝试利用这些测量数据,找到爱因斯坦广义相对论的不足之处。


BepiColombo飞掠金星时,飞船会开启仪器收集数据。飞船上的一些仪器虽然是针对水星探测而设计的,但也能在探测金星时起到作用。


换句话说,在飞行过程中,科学家将利用近地飞行机会测试飞船上的许多仪器,并在飞船飞行过程中对其他行星进行探测。


“当BepiColombo到达水星轨道开始环绕后,相关探测器才会完全‘开机’,MPO轨道器上几乎所有的仪器都是对准水星的。”尤睿说,“就像遥感卫星对准地球后才会‘开机’。”


如今,随着航天技术提高,相关仪器的寿命很长,多年内都可以维持正常功能。


尤睿告诉记者:“水星离地球太远了,纯粹依靠飞船自身的推力到达水星是非常困难的,因此需要选择不同轨道,利用‘别人’的力量,飞上几年,慢慢靠近水星。”


探测成果值得期待


太阳炙烤的水星曾经被认为是一个静止的枯燥的地方。


但近年来,人们发现它有许多令人惊讶的现象,比如不寻常的磁场,以及陨石坑中发现的水冰沉积物。


在抵达水星的几个月前,MTM将会分离并被抛弃在太空中,剩下的MPO、MMO这两个轨道器将会被水星引力捕获从而进入环绕轨道。


定轨完成后,MPO、MMO将开启仪器采集和这颗行星的内部结构、表面组成、地质结构以及太阳风相互作用相关的数据,这其中还包括藏在环形山阴影里的冰的相关信息。


“BepiColombo的探测‘利器’就是轨道器上的各种望远镜。当然,想要明确水星的内部结构等问题,单靠一枚卫星的探测是远远不够的。”尤睿说。


“此次任务一个很大的创新就是采用两个航天器从不同的位置同时对行星进行探测。这对了解太阳风对水星的表面和磁层的作用具有重要意义。”Benkhoff说,“之前美国宇航局的‘信使’号已经有了若干发现,但也存在一些问题,BepiColombo将在此基础上进一步推进对水星和太阳系起源问题的研究,相关问题的解决将会对其他领域有所启发,比如对靠近恒星运行的系外行星的研究。”


《中国科学报》 (2018-11-01 第3版 国际,原题《当人们仰望星空时,有一艘飞船正马不停蹄地踏上7年之旅 你好水星!我是BepiColombo》)

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