貝皮·科倫布：組隊探測水星秘密

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水星是距離太陽最近的大行星，也是太陽系中的四顆類地行星之一。由于水星距離太陽太近，設計一條能夠安全靠近水星的飛行軌道相當困難。歷史上，僅有兩艘飛船——美國的“水手10號”和“信使號”曾經成功地對水星進行過探測。而探測水星的軌道難題，則是由意大利數學家和工程師貝皮·科倫布（Giuseppei（Bepi）Colombo）初步解決的。10月20日，以這位科學家的名字命名的飛船將會使用先組合飛行、再分頭探測的方式，開始對水星的又一次探測，試圖解開關于這個行星的種種謎團。

獨特的飛行方式

貝皮·科倫布飛船是一艘由歐洲空間局和日本宇宙航空研究開發機構合作研制的探測器。飛船由四部分組成：水星行星軌道器（MPO），負責在高度較低的軌道上對水星表面和水星磁場進行高精度、多波段的探測；水星磁層軌道器（MMO），負責在環繞水星的橢圓軌道上對水星磁層進行探測；水星轉移艙（MTM），負責在飛船進入水星軌道前的行星際飛行中，為飛船提供推力和電能供應；MMO遮陽罩與接口結構（MMOIF），在組合飛行過程中保護MMO不因劇烈的太陽輻射而損壞，同時為MMO提供供電接口。

貝皮·科倫布飛船已在10月20日在位于法屬圭亞那的庫魯航天發射中心，由阿里安5火箭發射升空。在發射后的7.2年時間里，它將借助自身的動力和地球、金星和水星的引力到達預定的環繞水星的工作軌道，整個過程將飛掠地球一次、金星兩次和水星六次。在飛往水星的過程中，貝皮·科倫布飛船的四個部分結合成一個整體，整個飛船的推力和供電都由MTM提供。而當貝皮·科倫布飛船完成行星際飛行并接近水星時，MTM首先從飛船上分離，剩余三個部分的組合體將進入環繞水星極區的軌道。借助MPO提供的推力，三個部分的組合體隨后會進入一條590公里×11640公里的橢圓軌道。在這里，MMO與組合體分離，開始自身的工作，而MMOIF在此時也完成了任務。之后，MPO會再次利用自身的推力，降低自己的高度，進入480公里×1500公里的軌道，并在接下來3個月的時間里再對軌道進行精細的調整，才會最后開始執行自己的探測任務。按照計劃，MMO和MPO將在水星附近工作一個地球年。如果一年后它們的狀況都不錯，還會再進行一年的擴展任務。

▲ 水星磁層軌道器MMO（左）和水星行星軌道器MPO（右）

由于水星距離太陽實在太近，進入一條環繞水星的穩定軌道是相當困難的，其所需要的能量甚至比飛往遙遠的冥王星所需的能量還要多。除了在軌道設計上使用借力飛行的方法節省能量外，貝皮·科倫布飛船還采用了離子電推進技術來進一步提高推進效率。和我們常見的使用化學燃料產生推力的發動機相比，采用離子推進技術的發動機可以使用電磁場把離子加速到相當高的速度，消耗的燃料重量則大大減少，從而可以分配更多的質量給進行科學探測的有效載荷使用。但是，由于目前的離子電推發動機瞬時輸出的推力較小，因此需要在飛行的過程中持續工作。

▲ 貝皮·科倫布探測器的組成，最上方的是水星磁層軌道器MMO，在其下方的是太陽光防護盾和內部互聯模組MMOIF，再下方的是水星行星軌道探測器MPO，最下方的是水星轉移推進器MTM。其中水星磁層軌道器MMO和水星行星軌道器MPO是探測水星的中堅力量，太陽光防護盾和內部互聯模組MMOIF以及水星轉移推進器MTM只是前往水星的輔助設備

應對高溫的特殊設計

離子電推發動機和飛船其他部分在行星際飛行中的電能供應，來自于MTM上部署的面積高達42平方米的太陽能電池帆板。之所以布置面積如此巨大的太陽能帆板，是為了同時保證供電和保護太陽能帆板的安全。按照直覺，距離太陽越近似乎越容易從太陽能中獲取電力。然而，太陽輻射的炙烤所產生的高溫也會阻礙太陽能帆板的正常工作，甚至將其損壞。因此，除了在帆板上加裝防熱涂層等措施外，在距離太陽較近時，太陽能帆板將不會正對太陽，而是會轉過一個角度，傾斜著工作。在這種情況下，能夠產生電能的有效面積將會減少，因此必須使用較大的面積才能保證供電充足。

由于距離太陽很近，水星表面的最高溫度可達400多攝氏度。靠近水星表面工作的MPO，除了會受到來自太陽的炙烤外，還要經受水星表面高溫帶來的特殊環境的考驗。為了保證儀器在合適的溫度下工作，MPO上安裝了直徑與阿里安火箭的整流罩直徑基本相當的大型散熱器。在飛船內部布置的熱管系統的協助下，這個散熱器可以將飛船儀器本身在工作時所產生的熱量和太陽與水星帶來的熱量散發出去。MPO采用三軸穩定方法控制姿態，在工作過程中大部分科學儀器將朝向水星表面工作。儀器精度越高，其安裝位置距離散熱器的距離就越近，以保證精密儀器對環境溫度的較為苛刻的要求。

▲ 熱真空罐里測試中的水星行星軌道器MPO

MMO則采用自旋穩定的方式來控制姿態。在工作時，其自旋軸的方向與水星的公轉軌道面垂直，這樣，MMO的頂部和底部就不會沖向太陽而受到灼燒。在MMO的側面上，貼合了為它供電的太陽能電池板和反射太陽輻射的反射鏡。有如在烤乳豬時要不斷旋轉烤架上的乳豬，以讓各部分均勻受熱來烤出外焦里嫩、口感理想的乳豬一樣，MMO自旋穩定的工作方式也可以使各部分接替承受太陽輻射，從而不會出現某一部分過熱的現象。在“貝皮·科倫布”作為一個整體編隊進行行星際飛行的過程中，MMO不能旋轉，因此特別為其設計了遮陽罩MMOIF，來保證它的安全。 今年6月，MMO還獲得了“澪”(Mio)的昵稱。在日語中，“澪”的意思為“水道、航道”。設計者們希望這個昵稱能讓MMO像一艘順水航行的船只一樣，平安地完成它的探測任務。

▲ 水星磁層軌道器

▲ 整流罩中的貝皮·科倫布探測器

▲ 試驗中的MPO

▲ 試驗中的MMO

潛在的科學發現

2004年發射、2011年到達水星的“信使號”采用了一條大橢圓軌道環繞水星工作，距離水星表面的最近距離為200公里，最遠距離為15000公里。這樣的軌道可以使“信使號”只有一小段時間靠近水星表面工作，以免受水星炙熱表面的損害。然而，如此的軌道設計使得“信使號”不能充分觀察水星表面的細節，在作出諸多科學發現的同時也提出了更多需要進一步探索的問題。“貝皮·科倫布”采用兩個探測器在距離水星較遠和較近的地方同時進行觀測，有望解決“信使號”探測未能解決的問題。

在四顆類地行星中，只有地球和水星存在內稟磁場。在沒有太陽上噴射出的等離子體流——太陽風吹拂時，內稟磁場呈現偶極磁場的形狀，和一顆磁鐵棒所形成的磁場類似。在太陽風的吹拂下，原本對稱的磁場結構被太陽風改變，朝向太陽的一面磁力線被壓縮，而遠離太陽的一面，磁力線則被太陽風拉扯向遠處，形成磁層結構。在“信使號”的探測中，已經確認了水星磁場的強度約是地球的百分之一，但也形成了磁層。同時，水星磁場的中心和水星的幾何中心存在0.2個水星半徑的偏離，搞清這個偏離的原因將會帶來對水星內部結構的新認識。MMO和MPO上都裝備了探測衛星所在位置磁場情況的儀器。MMO可以利用其高度變化較大的橢圓軌道在水星磁層內外穿行，能夠探明水星磁層不同位置的磁場情況。此外，MMO還會飛出水星磁層，對吹拂水星的太陽風進行直接探測。這一方面能夠使科學家們搞清促使水星磁層形成的外部條件，另一方面也能使科學家們對太陽風距離太陽較近時的性質有新的認識。 而MPO在距離水星表面較近位置的磁場探測，則能和MMO的數據一起構成水星磁場的全貌，并提供水星磁場起源的線索。

▲ 測試

▲ 吊起來的水星磁層軌道器MMO，右側的是水星轉移推進器MTM

▲ 廠房測試

和地球這個存在幾大地質板塊的行星不同的是，水星的殼層是一個整體。通過分析“信使號”的探測數據，科學家門發現水星竟然在不斷“萎縮”，其半徑正以每年7公里的速度減小。由于“信使號”靠近水星表面時所在的位置都在水星的北半球，因此南半球的探測數據還是空白。MPO上安裝了激光測高儀和各個波段的高分辨率成像儀器，可以對南北半球的地質地貌特征進行更加精細的探測，來為科學家們揭開水星“萎縮”之謎提供證據，也可以讓科學家們更深入的認識這種不存在板塊結構的“一體式”行星的特點。

和地球大氣層一樣，水星的大氣層也存在著一個由大氣層向太空中的真空環境過度的“外逸層”。外逸層長期處于變化的狀態之中，影響其性質的原因多種多樣。“信使號”的探測數據表明，水星外逸層的性質與我們目前使用的標準模型不大一致。MPO中的局地探測儀器將可以直接測量外逸層的密度、成分等參數，讓我們了解太陽輻射、太陽風壓和微流星的撞擊對外逸層變化的影響程度，以及外逸層在日間和夜間的變化等問題。

除了行星物理外，“貝皮·科倫布”還將在基礎物理領域進行激動人心的實驗。按照愛因斯坦的廣義相對論，像太陽這樣質量很大的物體將引起時空的彎曲，這種時空彎曲可以通過空間中傳播的無線電信號的頻移識別出來。“貝皮·科倫布”在與地球通信的過程中，其無線電的頻移情況就可以用來進行廣義相對論的研究。此外，水星的實際軌道變化情況和使用經典牛頓力學計算的理論值存在偏差。按照愛因斯坦的廣義相對論解釋，造成這種差異的原因也是太陽引起的時空偏差。“貝皮·科倫布”對衛星所在位置的測量精度可達15厘米，還可以通過安裝的加速度計測量自身的受力情況，從而可以精確的推定水星的位置，為驗證水星軌道變化與相對論的關系帶來數據。