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人类这么热衷探索宇宙为什么只有两艘探测器去

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  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号于时间2018年10月20日上午9点45分准时点火起飞 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。

  作为一颗,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。

  探测器不断靠近太阳的过程,是一个引力势能不断为动能的过程,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。

  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。

  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号”上。

  1974年2月5日,“水手10号”成为人类历史上第一个使用其他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。

  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。

  经过7年的漫长旅程,2011年,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,燃料几乎耗尽的号选择了长眠于水星。

  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?

  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号,以便更仔细和更清晰楚地把这个神秘展现给我们。

  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探测器(Mercury Magnetospheric Orbiter)。水星探测器有一个专用日语名MIO,因为MIO在日语里有“航”、“水”的意思,因此包含了航程平安的美好愿望。

  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 Intece Structure),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,cbin仲博平台在线登录,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 ESA

  当小分队抵临水星时,MTM结束,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。

  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之间的相互作用。

  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。

  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——极地轨道横穿南北极上空,可以探测到目标的每一寸地表,更方便此次对水星极区永久阴影区的重点考察。

  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。

  所谓自旋平衡,是指高速旋转的物体能保持一个被动的姿态稳定,不易被干扰,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。

  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的轨道要比MPO高的多,主要的目的是探测水星和太阳风——在太阳风的猛烈吹袭之下,水星的出一边薄,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。

  “探测器离开地球在之后的7年里,将经过一次地球引力弹弓前往,两次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1.84 km/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。”

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