第2个水星探测器即将升空 预计在2025年底到达水星

科技新闻来源：北京日报 2018年10月17日 13:43 A-A+
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　　“贝皮·科伦布”组合体的结构。最上为日本“水星磁层轨道器”，第二个是遮阳罩，第三个是欧洲“水星行星轨道器”。

　　欧日研制的“贝皮·科伦布”水星探测器。里圈是欧洲研制的“水星行星轨道器”，外圈是日本研制的“水星磁层轨道器”。

　　“贝皮·科伦布”飞掠金星示意图

　　经过多年推迟，近日（发射窗口从北京时间10月19日一直开放到11月29日），由欧洲和日本联合研制的“贝皮·科伦布”水星探测器，终于将由欧洲阿里安-5火箭发射升空。这是继美国“信使号”之后第二次发射专用水星探测器，预计将在2025年底到达水星，展开为期一年的水星探测活动。

　　人类探测水星的历史

　　由于水星是离太阳最近的一个星球，因此探测水星能更好地理解一些有关太阳系的进化和历史演变的基本问题。但太阳的高温和巨大引力会对进入水星轨道的空间探测器产生十分不利的影响，所以探测水星十分困难，至今只有美国的“水手10号”和“信使号”探测器探测过水星。

　　1973年11月3日，美国发射了“水手10号”探测器。它在1974年2月进入一条以176天为周期绕太阳飞行的椭圆轨道。这条轨道的近日点正好与水星绕太阳飞行的椭圆轨道的远地点相会，从而使“水手10号”每隔约6个月能与水星靠近两次。“水手10号”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日曾三次在日心椭圆轨道上和水星相遇，对水星进行了探测。但由于当时的技术水平有限，所以该探测器没能进入水星轨道，无法对水星进行长期、全面探测。

　　2004年8月3日，美国发射了世界第一个专用水星探测器——“信使号”。它采用了先进的防热措施，装有7台用于完成6项科学目标的探测仪器。“信使号”于2011年3月17日进入环水星轨道，成为全球首个水星探测轨道器，开始对水星进行为期1年的科学考察。探测任务结束后，它于2015年4月30日以螺旋硬着陆的方式受控与水星表面相撞而殒灭，在水星表面形成一个陨坑。

　　这次发射的“贝皮·科伦布”水星探测器是以欧洲为主、欧洲与日本联合研制的，也是人类近年来为数不多的水星计划之一，还是继美国之后第2个水星探测计划。“贝皮·科伦布”的命名来自于20世纪意大利科学家及工程师的名字，他开发了使用行星重力来操纵卫星的技术。“贝皮·科伦布”水星探测器质量4.4吨，实际上包括2个水星探测器，是欧洲和日本各自第一个水星探测器，也是首次采用由两个不同任务探测器组成编队来探测水星，任务复杂程度可想而知。

　　“贝皮·科伦布”水星探测器总的科学任务是：使用携带的高科技设备完成对水星最全面、清晰度最高的覆盖；拍摄首批热成像照片，确定水星表面成分，生成整体温度图；提供水星表面特征的第一幅整体三维图；对水星引力环境进行有史以来最全面的数字测量；首次用两个轨道器同时在两个地区对水星环境展开研究。

　　新探测将刷新人类对水星的认知

　　“贝皮·科伦布”由欧洲“水星行星轨道器”（主探测器）、日本“水星磁层轨道器”（次探测器）和“水星转移模块”三部分组成，所以实际上它等于发射了两个水星探测器。它们在发射和巡航阶段将组装在一起，构成一个探测器组合体。在分离进入各自的水星轨道后将对水星的星体和环境进行探测，包括探测水星内部结构和水星磁层与太阳风的相互作用。这些研究将会大大刷新人类对水星的认知，甚至有可能揭示水星的成因以及它离太阳如此近的原因。

　　“水星行星轨道器”由欧洲航天局研制，是这一组合体的中枢神经大脑，执行协调管理任务。其质量为1147千克，将在贴近水星的轨道运行，装有11台十分先进的科学探测仪器。进入水星轨道后，由设在德国、隶属于欧洲航天局的欧洲航天操作中心进行统一协调与运行管理。它采用三轴稳定，主要科学任务是观测水星表面地形，精密计测水星上的矿物质，搞清其化学成分、执行重力场测量等，对水星进行测绘，研究水星表面和内部成分，详细研究水星磁场环境、行星与太阳风交互以及大气外层的化学组成。

　　日本宇宙航空研究开发机构提供的“水星磁层轨道器”，大小相当于一辆紧凑型的小轿车，质量275千克，装有5台科学仪器，主要科学任务是观测水星固有磁场、磁层、大气和地形等，关注水星的地表组成和变化过程。它所携带的科学仪器将从多角度对水星表层和内部的磁场与磁层开展综合观测，这不仅有利于搞清水星的磁场和磁层的分布，还可通过所获取的大量观测数据与已掌握的各种数据进行分析、比较，加深对地球磁场、磁层以及宇宙间所存在的各种各样磁层的了解；通过对水星表层和内部进行详查来确认水星本身是一种具有特异结构的星体，通过对其深入观测、研究和分析，会对解开距太阳最近区域的水星形成之谜发挥重要作用。

　　欧洲航天局研制的“水星转移模块”通过电推进和化学推进，负责将组合体送往水星轨道。到达水星后，欧洲“水星行星轨道器”将会用其小助推器将日本的“水星磁层轨道器”送入环绕水星的椭圆轨道，然后自身也将会分离并下降到离水星更近的环绕轨道。

　　飞往水星路途漫漫艰险多

　　因为太阳引力的作用，飞往水星并把探测器送入绕水星轨道是很难的。“贝皮·科伦布”将以一种新颖的方式飞往那里，巧妙地利用月球、地球、金星和水星本身的引力控制速度，以减少所需的燃料。它将在地球、金星和水星附近进行9次引力控制飞行。

　　这是因为水星的直径只有4880千米，引力太小，而太阳引力依然是最大的阻碍。空间探测器如果直飞太阳，会在这个比地球重33万倍的巨大恒星的引力作用下疯狂加速。虽然在飞越金星和地球时可以“借力”调整探测器的轨道形状和飞行速度，使其能够路过水星，但引力仅与月球相近的水星很难“捕获”飞越的空间探测器；而且水星也是整个太阳系运行最快的行星，因此空间探测器更难进入水星轨道。所以，“贝皮·科伦布”采用地球、金星、水星共同配合反复调整轨道；同时，其上的发动机拼尽全力工作，才有可能进入环绕水星轨道。

　　在飞往水星整个6.5年的飞行期间，它要1次飞越地球、2次飞越金星、6次飞越水星。“贝皮·科伦布”将在发射后3年内首次飞越水星。在飞越期间，“水星转移模块”的“网络摄像头”将拍摄一般质量的水星图像。经过6.5年约7×109千米的长途飞行后，该水星探测器将于2025年进入环绕水星的轨道。在距离水星约1×105千米时到达水星引力场影响范围。

　　在抵近水星时，日本的“水星磁层轨道器”先与组合体分离，独立运行在近水点400千米，远水点12000千米的水星轨道。当剩余组合体进入近水点为400千米，远水点为1500千米的水星轨道时，“水星行星轨道器”与“水星转移模块”分离，独立运行在近水点400千米，远水点1500千米的水星轨道。

　　进入水星轨道后，由于“贝皮·科伦布”距离太阳很近，所以要面临一系列重大技术挑战。其中最大的技术挑战是高温环境，因为探测器部分表面将受到太阳的直接炙烤，温度升至350℃左右。

　　为此，“贝皮·科伦布”采用了新设计的多层隔热技术。其最外层由陶瓷纤维制成，用于对探测器进行隔热。另外，探测器上还配备了高效率散热器，使探测器对水星表面的热红外辐射不太敏感，以便探测器上的科学仪器和电子设备能在正常温度下工作。

　　欧洲不仅对“水星行星轨道器”进行了缜密的耐热设计，还进行了精确地姿态控制：从而能有效地控制探测器，使其加了热屏蔽的那个面一直对准强太阳光照射区。

　　日本“水星磁层轨道器”的自旋轴与水星赤道面基本呈垂直状态，这样可防止强大的太阳辐射能量直射到探测器的上方或下方，还能确保即便是探测器的姿态发生变化仍可将配置在探测器上部的高增益天线指向偏差控制在最小，以确保天线继续高精度地指向地球，顺利完成任务。

　　其在强光可能会直接照射到探测器的各个面上都覆上了所谓“抗强照射镜”，它具备“既可反射可见光，又能放射红外线”的功能，覆上这种抗强照射镜之后，可确保探测器内部一直保持常温状态，使探测器内的部件、仪器在设计寿命期内一直正常工作。

　　但是，“贝皮·科伦布”上的一些部件无法采用热屏蔽方式。比如，太阳电池翼，其温度必须保持在250℃以下，这是太阳电池板及其电子设备所能承受的最大热量限度。为此，科学家研究出了创新技术，即让太阳能电池板由60%的镜片和40%的特殊电池组成，在温度超过250℃时也能供电，其中镜片用于反射热量。另外，还将调整太阳能电池板的方向，使太阳光不对它进行垂直照射。

　　（作者：庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家）