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人类第二次成功发射水星专用探测器

2018-10-20 16:21| 来源: 新浪科技 | 查看: 886| 评论: 0| 责编: cfso5068

摘要:   经过多年推迟,2018年10月20日北京时间09:45,欧洲阿里安-5火箭终于发射了由欧洲和日本联合研制的“贝皮·科伦布”水星探测器。
  人类今天第二次成功发射水星专用探测器!经过多年推迟,2018年10月20日北京时间09:45(发射窗口一直开放到11月29日),欧洲阿里安-5火箭终于发射了由欧洲和日本联合研制的“贝皮·科伦布”(BepiColombo,20世纪意大利科学家及工程师,他开发了使用行星重力来操纵卫星的技术)水星探测器。

发射现场图片
  “贝皮·科伦布”(BepiColombo)水星探测器是继美国信使号之后全球第二次发射专用水星探测器,1973年和2004年,NASA分别发射“水手10号”和“信使号”探测器,但第一个探测水星的美国水手10号因技术原因,没有进入水星轨道,并探测了金星,所以严格意义上不属于专用水星探测器,之所以说是第二次,因为这次共发射了两个水星探测器,分别是欧空局的水星行星轨道器(MPO)和日本的水星磁层轨道器(MMO),它们在抵达水星时分离,分别进入不同高度的互补轨道。
  此次发射的“贝皮·科伦布”质量4.4吨,预计将经过七年飞行,在2025年底到达水星,展开为期一年的水星探测活动,对水星进行全面观测,寻找水星上的撞击坑,研究水星的起源和内部物质构成,探测水星的稀薄大气和水星磁场,并且验证爱因斯坦的广义相对论,最终完成对这颗行星迄今为止最广泛和最详尽的研究,有望获得重大发现,改写教科书。

欧洲“水星行星轨道器”、日本“水星磁层轨道器”绕水星运行示意图
1水星上有水吗
  因为水星是离太阳最近的1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。
  有人说,水星名不副实,因为它是太阳系中距太阳最近的行星,温度很高,所以上面根本没有水。但也有人认为,在水星朝向太阳的一面,其表层温度最高可达400余摄氏度,在这种环境下基本上不太有可能有冰存在;而在水星极地永远照不到阳光的阴暗陨石坑深处,则很可能有结冰的水沉积物存在。
  水星直径大約是4800千米,比地球小40%,重量比地球小20倍。其密度是太阳系中仅次地球;布满表面坑洞,一天比一年长,昼夜温差很大。水星运行轨道是呈椭圆形的。它靠近太阳时,距太阳约4600万千米;远离太阳时,距太阳约7000万千米;到太阳的平均距离为5791万千米。因此,水星在轨道上运行的速度有快有慢,在距太阳近时,速度可达到56千米/秒;在距太阳远时,速度减为37千米/秒。

坑洼不平的水星表面
  由于水星距太阳最近,被太阳耀眼的光芒所笼罩,因此人们在地球上很难看清它的身影。当水星运行到太阳和地球之间时,只有它的背面被照亮,因此从地球上望去,看不到水星的踪影。若想从地球上看到水星,只有在水星与太阳的角距最大时,才能在地面上看到它的一部分,最多只能看到它的“半边脸”。
  在太阳系的八大行星中,水星获的了几个“最”的记录:离太阳最近、轨道速度最快、一“年”时间最短、表面温差最大、卫星最少的行星、一“天”时间最长。总之,水星没有空气,也没有卫星。其上的温差很大(昼夜两面温差近600℃),运行速度快,没有什么惊人的奇观,更没有任何生物的痕迹。但是水星这种既像月球又像地球的特征,是宇宙中物质多样性的生动证明,也是研究太阳系形成和起源的宝贵资料。
  水星表面和月球表面极为相似,环形山星罗棋布,既有高山,也有平原,还有令人胆寒的悬岸峭壁。水星上的环形山有上千个,这些环形山比月亮上的环形山的坡度平缓些。
2首次走近水星
  作为太阳系最深处的行星,由于水星轨道离太阳的平均距离只有5800万千米,太热,因此走近它十分困难。美国水手10号是世界第一个探测水星的空间探测器。

为水手10号进行发射前的准备
  1973年11月3日发射的美国水手10号探测器是通过掠过的方式来探测水星的。它在1974年2月探测了金星之后借助金星的引力改变轨道,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号可以每隔两个水星年就与水星周期性相会一次,即每隔约6个月能与水星靠近两次,直到姿态控制气体耗尽。
  其实,水手10号是对金星和水星进行双星观测,它也是世界第1个双星观测器。该探测器质量0.5吨,基本结构是镁合金做成的八面棱柱体,直径1.5米,内部分8个隔舱,粒子探测器、红外辐射计、紫外光度计和两架高性能相机等主要电子仪器都装在这里。棱柱外面有4个太阳电池翼,能提供500-800瓦电力给仪器工作。四周装的百叶窗用于自动控制温度。控制姿态用气体喷管。

美国水手10号探测器
  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。它们第1次相会是在飞经水星表面431千米内,当时水手10号及时拍摄了第一批水星照片,表明水星是一个布满大小环形山、外貌很像月球的世界。第2次相会距水星表面48000千米,第3次相会距水星表面320千米。
  在这一过程中,水手10号共发回5000多幅水星全景、近景和特写照片。从照片中能分辨出水星表面直径只有一二千米环形山的结构细节。这些照片使人们首次在很近的距离上看清了这颗行星的真实面貌。
  美国水手10号拍摄的水星上的马肖火山口,其直径大约100千米,以中世纪的法国诗人和作曲家Machaut命名
  科学家对水手10号拍摄发回的水星表面照片进行分析后,初步揭开了它的面纱:水星距太阳的平均距离为5790千米,是日地距离的0.38倍;水星赤道半径为地球的2/5。水星上既无水,也没有空气。水星外观同月球相似,只是水星上有更多的环形山,高地平原参差不齐。
  水手10号发现水星的密度与地球接近,并有一全球性的磁场。虽然其磁场强度仅为地球磁场的1%左右,但磁场位形与地球相似,也是偶极场,磁力线的分布图形简直就是地球磁场按比例的缩影。它还探测出水星极稀薄的大气中含有微量的氦、氩、氖,测量出水星的表面温度为510℃~210℃。

水手10号不仅探测了水星,还探测了金星
  由于受推进系统和防热系统等技术因素的制约,当时还不知道如何利用有限的推进能力把探测器送入环水星轨道,怎样抵抗来自太阳的灼热,所以,水手10号探测器没有进入水星轨道。所以,它每次飞掠水星仅能观测到水星的一侧,绘制水星表面45%的面积,而且分辨率只有1.6千米。
  它曾于1975年拍到水星平坦表面的图像。一些科学家当时认为,水星平原可能也像月球平原那样,是受撞击后被“轰”出来的。但也有科学家认为,水星平原源于火山喷发。因为水手10号发回的图像上并没有火山口或者其他的火山特征,这一争论一直未有定论。
  此外,水星还有许多未解之谜。为此,必须发射专用水星探测器对水星进行长期、近距离观测才行。于是,经过多年努力,美国又研制、发射了世界第一个专用水星探测器——信使号。
3进入水星轨道
  2004年8月3日,美国信使号水星探测器升空。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,于2011年3月17日进入环水星轨道,成为世界上第1个进入水星轨道的空间探测器,开始对水星进行为期1年的科学考察。这是30年来人类探测器首次对水星进行全面的环绕探测。

德尔他2号火箭发射信使号
  信使号此行有6项任务:水星有何种磁场特征?为什么水星的密度那样高?水星具有何种地质形成过程?水星核具有怎样的构成和形态?水星两极的异常物质是什么?水星表面有哪些不稳定物质对其外大气层的形成起了重要作用?
  1年后,信使号又超期服役。最终,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。自2011年以来,信使号探测器拍摄了25万多张水星照片,为科学家勘测研究水星提供大量资料。
  耗资4.46亿美元的信使号发射质量1100千克,其中主体结构和科学仪器约500千克,600千克为燃料。

组装完毕的信使号
  由于水星上太阳的亮度比在地球上高出多达11倍,表面温度可达到450℃,所以设计信使号的关键是如何应对水星的高热环境。
  为了少带燃料,节约成本,信使号没有直奔水星,而是通过借助地球、金星和水星的引力,飞行了79亿千米(环绕太阳15圈)后才进入水星轨道。
  它1次飞越地球(2005年7月)、2次飞越金星(2006年10月、2007年6月)、3次飞越水星(2008年1月、2008年10月、2009年9月),最终于2011年3月17日进入环水星轨道。每次借力飞行都改变了信使号轨道的形状、尺寸、倾角和速度,最终巧妙的把信使号从绕太阳的轨道送入环水星的轨道。

信使号飞行轨道
  为了抵御来自太阳的高温,信使号装有先进的大型遮阳罩。它是由耐高温陶瓷材料制成,很像1个盾牌。当探测器接近太阳时,遮阳罩的温度可达到371°C,然而在遮阳罩的遮挡下,信使号探测器的温度仅保持20°C常温。探测器上多数的电子设备都在背阳的一面,并放置在接近室温的空间内。
  信使号还有许多引人注目的特点。例如,其太阳电池翼由数千个小“镜子”组成,其中2/3的“镜子”用于反射水星附近的强烈阳光,剩下的“镜子”用于将阳光转化成电能。信使号内部有许多和电子仪器相连的排热管,一直通到飞行器外表。

依靠遮阳罩降温的信使号进入水星轨道
  信使号星体结构主要由石墨环氧材料制成。这种复合材料结构不仅质量较小,而且具有足以耐受发射环境的强度。
4成果十分显著
  信使号携带了以下7台科学探测仪器,以绘制水星表面的详细资料、获取水星地壳成份,勘测其磁场属性和纤薄大气层。对水星表面构成的研究有助于揭示水星密度大于太阳系中其它行星的原因。
  其上的磁力计用于测量水星的磁场,并搜索水星地壳被磁化的岩石范围;
  γ射线与中子光谱仪用于探测水星表面不同元素的相对丰度和从未受到过阳光直射的水星两极区域是否有冰存在;

  信使号在接近到离水星时所拍摄的水星边缘。在这个炽热的不毛之地,能见到许多陨石坑,与月球相比,多数大小相同的陨石坑看起来似乎更浅一些。水星上相对较强的重力有助于将表面上较高的地形变得平坦
  X射线光谱仪用于测定水星地壳物质中各种元素的丰度;
  水星大气与表面成分光谱仪用于测定大气气体的丰度和探测水星表面上的矿物质;
  高能粒子与等离子体光谱仪用于测量水星磁层中带电粒子(电子和各种离子)的成分、分布及能量;
  水星双重成像系统用于测绘地貌,跟踪表面光谱的变化。水星激光高度计用于精确测量信使号与水星表面的距离。

  科学家通过信使号发现在水星北极点附近的火山口存在冰和类似煤的冰冻有机物。红色区域为“信使”标记的永久阴影区,黄色区域为地面射电望远镜标记的“亮区”
  信使号向地球传回了25万余张水星照片,获取了水星表面地质地貌、磁场、稀薄大气等海量数据,从而极大地增进了人们对水星的全面理解。
  在飞越金星的过程中,信使号就没闲着,而是对金星外大气层进行了成像;监测了金星磁场和带电粒子;观察到金星外大气层成分的变化情况。
  在3次飞越水星的过程中,信使号也取得了大量成就,例如,绘制了水星表面的详细状况,勘测了这颗行星的构成成份、地磁环境以及稀薄的大气层等多种特征。这些是30多年来得到的首批水星数据,也是对水星进行科学探测的前奏。
  信使号完成了对水星全貌的测绘,这有助于深刻地了解水星地壳的演化和形成;证实了水星存在活跃的稀薄大气,大气中富含氢、氦、氧、钙、硫、纳、钾、水蒸气和一些被认为在空间环境中不易保存的挥发性元素。
  信使号确认了水星极区存在水冰沉积物。这是因为水星相对于太阳赤道的轨道倾角仅为3.38°,所以在水星极区存在很多阳光照射不到的永久阴影区,在水星上这些永久阴影区尤其是撞击坑内可能存在水冰。用其上的水星双成像系统发现,水星北极永久阴影区内沉积物的主要成分确是水冰;用其上的中子光谱仪的测量结果,推算出了水冰的沉积量。

2011年3月29日信使号进入水星轨道后拍摄的首张图片,由先期开机的水星双重成像系统采用广角模式拍摄的水星南极
  为了深入了解水星的内部情况,从而研究行星形成和演变,信使号测量了水星磁场。结果表明,水星确实为偶极磁场,两极比赤道的磁场略强,水星磁场中心位于水星球体中心北侧,水星表面磁场强度仅为地球的1%。
该探测器还对水星地形和化学成分进行了细致调查,发现在水星表面广泛分布的浅坑中,有些周边分散着白色高反光的沉积物,证明了水星上仍存在地质活动。对水星表面化学成分调查显示,水星表面富含硫化物,水星初始地质构造活动中氧化反应发生得更少,这对研究水星上火山的成因有很大帮助。

信使号飞越地球
5欧日联探水星
  2018年10月19日发射的“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,它也是人类近年来为数不多的水星计划之一,还是除美国以外第一个水星探测计划。它实际上包括2个水星探测器,即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的编队来探测水星,任务复杂程度可想而知。
  其总的科学任务是:①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;②拍摄首批热成像照片,确定水星表面成分,生成整体温度图;③提供水星表面特征的第一幅整体三维图;④对水星引力环境进行有史以来最全面的数字测量,其结果将有助于验证爱因斯坦的多条理论;⑤首次进行双点研究,两个轨道器同时在两个地区对水星环境展开研究。

“贝皮•科伦布”飞往水星及分离的行合成图
  “贝皮·科伦布”由欧洲的“水星行星轨道器”(MPO,主探测器)、日本的“水星磁层轨道器”(MMO,次探测器)和欧洲的“水星转移模块”(MTM)三部分组成,所以实际上这次等于发射了两个水星探测器。它们在发射和巡航阶段组合在一起,构成一个探测器组合体。在进入水星轨道后分离,分别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。这些研究将会刷新人类对水星的认知,有可能揭示水星的成因以及它离太阳如此近的原因。

“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”。最底下是欧洲“水星转移模块”
  欧洲的“水星行星轨道器”是组合体的中枢神经——大脑,执行协调管理任务。进入水星轨道后,采用三轴稳定,主要任务是观测水星表面地形,精密计测水星上矿物质,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。它装有以下11台科学探测仪器,侧重对水星地形和物质构成的探测。

欧洲“水星行星轨道器”在水星轨道飞行示意图
  其上的水星γ射线与中子光谱仪用于探测水星表面和亚表面的化学成份以及两极永久阴影地区挥发沉积物分布;
  逃逸层探测紫外光谱仪用于探测水星大气逃逸层的构成与动力;

逃逸层探测紫外光谱仪
  贝皮•科伦布激光高度计用于测绘水星地表与地质特征;

贝皮•科伦布激光高度计
  意大利弹力加速计用于探测水星内部结构并验证爱因斯坦广义相对论;
  水星磁强计用于对水星磁场进行详细测绘,并研究其与太阳风之间相互作用;
  水星轨道器无线电科学试验仪用于探测水星重力场、水星核大小与物理状态;
  中性和电离粒子分析器用于研究水星表层、逃逸层、磁层与太阳风之间气态相互作用;
  集成观测系统光谱仪与成像仪用于探测水星地形、火山活动、全球构造、地表年龄与构成及其地质;
  水星成像X射线光谱仪将以高分辨率绘制水星表面原子构成图,是首个探测另一个行星体的X射线成像仪;

水星成像X射线光谱仪
  水星热红外光谱仪将以高分辨率光谱探测水星地表矿物构成;

水星热红外光谱仪
  太阳密度X射线光谱仪将以高分辨率和宽视场探测太阳X射线和粒子。
  日本的“水星磁层轨道器”采用自旋稳定,主要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;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。

日本“水星磁层轨道器”运至欧洲空间研究与技术中心
  日本“水星磁层轨道器”装有以下5台科学仪器,用于探明水星上固有磁场的成因;找出水星上的与地球上的磁层有哪些不同,并搞清其特异性;搞清水星表面所生成稀薄大气及其消散的原理;对位于太阳附近行星间的空间进行观测。

在水星轨道的日本“水星磁层轨道器”示意图
  其上的水星等离子体粒子实验仪用于研究水星磁层的低能粒子与高能粒子密度、速度、温度;
  结构与动力的水星等离子体波仪用于观测水星磁圈,确定其电子密度和温度,研究水星磁层;
  水星钠大气光谱成像仪用于探测水星本身稀薄的钠大气的分布及其变化情况,研究水星逃逸层钠离丰度、分布与动力;

“水星磁层轨道器”关键部件的配置图
  水星尘监测仪用于研究水星轨道上行星尘分布;
  水星磁强计用于探测水星的起源、磁圈、内部太阳圈的磁场分,详细了解水星磁层及其与行星磁场和太阳风相互作用。
  这两个探测器将一起揭示太阳风交互作用对水星环境和地表的影响。此外,人们还将对这个过程进行多时空位点探测,这种探测方式只有使用两个及以上的航天器才能实现,且它们的轨道必须满足能够对探测进行互相补充。最终完成至今对水星最广泛和最详尽的研究。

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”
6飞往水星利器
  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,它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更低的环绕轨道。
  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。在飞往水星的6.5年的飞行期间,“贝皮·科伦布”要1次飞越地球、2次飞越金星、6次飞越水星。经过约7×109千米的长途飞行后,它将于2025年进入环绕水星的轨道。

“贝皮•科伦布”水星探测器巡航时太阳能电推进舱点火工作示意图
  在抵近水星时,太阳能电推进舱先将从“水星转移模块”分离出去,启动化学推力器为组合体提供反推力来减速,并利用所谓的“弱稳定性边界捕获技术”使组合体进入近水点为400千米,远水点为12000千米水星轨道,这时“水星磁层轨道器”与组合体分离,独立运行在距离水星近水点400千米,远水点12000千米轨道。

“贝皮•科伦布”组合体进入水星轨道后先分离日本“水星磁层轨道器”
  然后,通过化学推力器使组合体再次降低轨道高度,当进入近水点为400千米,远水点为1500千米水星极轨道时,“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。

欧洲“水星行星轨道器”和日本“水星磁层轨道器”绕水星的运行轨道高度
  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°C左右。
  为此,“贝皮·科伦布”采用了新设计的多层隔热毡。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。

“贝皮•科伦布”组合体进行热真空试验
  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,这样就可确保需要在允许温度范围工作的仪器和探测器本体内的温度都能保持在要求范围内,确保探测器按要求执行飞行任务。
  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。

欧洲“水星行星轨道器”的主要部件和有效载荷配置图
  其在强光可能会直接照射到探测器的各个面上都覆上了被称之为抗强照射镜,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。

遮阳罩从欧洲“水星行星轨道器”分离出去
  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°C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,研制了创新技术,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°C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,使太阳光对它不进行垂直照射。

“水星行星轨道器”探测水星示意图
  最后,预祝“贝皮·科伦布顺利进入水星轨道,圆满完成探测任务。
出品 | 新浪科技《科学大家》
撰文 | 庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家,神舟传媒公司首席科学传播顾问,卫星应用产业协会首席专家,中国首次太空授课专家团队组成员
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