“貝皮科倫布”的水星探測之旅

肖沐

太空剎車，進入軌道

歐洲當地時間4月10日，執行水星任務的“貝皮科倫布”探測器近距離掠過地球，借助地球引力成功進行了計劃中的第一次太空剎車，并且發回了一組地球照片。“貝皮科倫布”是人類歷史上第2個水星專用探測器，它將跨越70億千米的旅程，于2025年抵達水星軌道。

水星是距離太陽最近的行星，同時是太陽系內被探索次數最少的行星，抵達水星的能量耗費是到火星的8倍，而且需要更長的時間。水星距離太陽最近，所以公轉速度最快，同時質量很小，引力和引力影響范圍都極小。

航天器離開地球沿內層軌道飛向水星時，會受太陽的強大引力不斷加速，越飛越快，但是很難被水星引力捕獲，如果不在適當的時機剎車減速，可能無法進入水星軌道，而是會一頭栽進太陽火海里。單靠推進器反向減速的方式無法實現這樣的剎車，但科學家們設計出利用引力彈弓效應減速的方法幫助航天器到達目的地。

“貝皮科倫布”使用了先進的太陽能離子推進器，將繞行地球軌道1次、金星軌道2次、水星軌道6次，同時通過9次近距離掠過三大行星，借助它們的引力作用來減速和改變航跡，從而抵擋太陽的巨大引力，最終滑入穩定的水星軌道。

抵達水星需要高難的技術和專業操作技能，向金星和水星借力需要等待適當的時機，因此，“貝皮科倫布”任務幾經推遲才終于萬事俱備，在2018年10月20日的短暫窗口期發射升空，開始了7.2年的水星旅程。

過去一年多時間中，“貝皮科倫布”在近地球環日軌道上繞行一周，在4月10日抵達指定位置，完成首次和唯一一次的飛掠地球，進一步向太陽系內部移動。飛掠地球時，科學家們向“貝皮科倫布”上傳命令，使用地球和月球作為測試對象，進行飛船儀器的開啟和校準，并開展了一些太陽風與地球磁場相互作用的測量研究。

有備而來，遠航無憂

“貝皮科倫布”由日本宇宙航空開發機構和歐空局合作研制，歐空局成員國中的12個國家、30多個公司參與了項目。除此之外，美國和俄羅斯也研制并提供了儀器。這是人類首次采用不同任務探測器組成編隊來探測水星。

飛船由2個探測器、水星轉移模塊和太陽防護罩組成。2個探測器中，水星行星軌道探測器由歐空局研制，攜帶11臺科學探測儀器，主要科學任務是觀測水星表面地形、重力場，精密計測水星礦物質的化學成分;對水星成分進行測繪，研究水星表面和內部成分;研究水星磁場環境、行星與太陽風交互以及大氣外層的化學組成。

水星磁層軌道器由日本宇宙航空開發機構研制，裝有5臺科學載荷，將對水星的表面、內部及磁場等進行綜合觀測。這不僅有利于認識水星磁場、磁層的分布，還能通過分析比對，加深對地球乃至宇宙間各種磁層的了解。同時它還將觀測水星的大氣和地形，關注水星的地表組成和變化過程，以深入了解水星的特異結構，探索水星形成之謎。

水星環境非常惡劣，探測器繞水星軌道飛行將承受強烈的太陽輻射和高溫炙烤，如同“飛進比薩烤箱”。在那里，每平方米面積會受到1.4萬瓦熱量的侵襲，是地球軌道上的10倍，這對探測器的溫度控制、姿態控制和輻射防護提出了非常苛刻的要求。

“貝皮科倫布”為此做了周全的設計，采用了新設計的多層隔熱技術，最外層由陶瓷纖維制成。水星轉移模塊的太陽能電池板由60%的鏡片和40%的特殊電池組成，鏡片用于反射熱量，使它能在更高溫度下工作。水星行星軌道探測器上的散熱器能快速散出太陽傳導過來的熱量，還能散出在飛掠行星時從行星反射過來的熱量。八棱柱狀的水星磁層軌道器將用每分鐘15轉的速度自轉，以保證不會被太陽的熱量損壞。據悉，“貝皮科倫布”在2025年抵達水星后，將釋放2個探測器進入各自軌道，協作開展為期1年的水星探測任務。

（本文摘編自《中國航天報》飛天科普周刊）