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一文读懂欧日首次发射水星探测器:2025年才能抵达

发布时间:2018-10-20 11:04:40
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  文·腾讯科技特约作者乔辉

  今天上午,北京时间 10 月 20 日 9 时 45 分,由欧洲空间局(ESA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合实施的水星探测计划贝皮科伦布(BepiColombo)探测器成功发射升空,发射地点位于法属圭亚那库鲁航天中心。

成功发射升空,官网宫供图

  贝皮科伦布实际上由两个子探测器组成,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。开展探究水星的起源与演变,水星内部结构和磁场产生特点等基本科学问题。

  这是欧空局第一次,人类第三次向水星发射探测器,前两次分别是 NASA 实施的“水手 10 号”和“信使号”探测器,由于当时技术能力有限,“水手 10 号”并没有真正进入水星轨道,而是一次次飞掠,发射的时间分别为 1973 年和 2004 年。

  本次探测计划的主要科学目标是什么?

  拿水星作为样板,研究靠近恒星的行星的起源和演化;

  研究水星的形成,内部结构、组成特点、地质构造、以及表面的环形山;

  研究水星表面外逸层的组成和动力学特征,包括其产生和逃逸的过程;

  研究水星磁层的结构和动力学;

  研究水星磁场的起源;

  顺手验证一下爱因斯坦的广义相对论。

  本次探测计划的主要时间线如下:

  2018 年 10 月 20 日,发射;

  2020 年 04 月 06 日,飞掠地球;

  2020 年 12 月 12 日,首次飞掠金星;

  2021 年 04 月 11 日,第二次飞掠金星;

  2021 年 10 月 02 日,第一次飞掠水星;

  2022 年 06 月 23 日,第二次飞掠水星;

  2023 年 06 月 20 日,第三次飞掠水星;

  2024 年 09 月 05 日,第四次飞掠水星;

  2024 年 12 月 02 日,第五次飞掠水星;

  2025 年 01 月 09 日,第六次飞掠水星;

  2025 年 12 月 05 日,进入水星轨道,开展科学任务。

  本次探测计划的特点是什么?

  一、这次探测任务由两个探测器组成。分别是来自欧空局的水星行星轨道器(MPO)和日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器(MMO),二者运行在不同高度的水星极地轨道上,任务具有互补性。

图注:水星行星轨道卫星(MPO)【左】和日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器(MMO)【右】

  二、该探测任务采用了先进的离子推进技术,总推力能达到 290 毫牛,是目前太空探测器所使用的最强离子推进探测器。290 毫牛顿什么概念?我手头的苹果 6S 手机的质量是 143 克,其所受到的重力大约是 1400 毫牛。在太空无空气和弱引力的环境下,即便这种小的推力,经过长时间的积累,也能完成极大的变轨动作。离子推进一大好处是“比冲”比传统的化学推进要高得多,这是因为离子喷射的速度特别快,好处是能够极大节约携带燃料的重量。

  三、上面我们列举了水星探测的时间线,大家会发现该探测器将一次次飞掠地球、金星和水星,最终才能进入水星的轨道。这是为什么呢?

  给大家纠正一个错觉,千万不要以为想抵达像水星这样的内地行星比遥远的冥王星更容易。这是因为,探测器发射之前和地球一起围绕太阳以 30 公里每秒的速度运动,要想抵达水星就要降低轨道能量,进行刹车!如果用动力反推的方式减速,将要消耗极大的燃料,也给探测器本身增加很多额外的重量。有什么更好的办法呢?有!就是通过一次次飞掠各大行星,借助行星的引力来完成减速,这个过程的专业术语叫“引力助推”。

  在向更遥远的行星发射探测器的时候,例如土星,可利用相同的方式,通过调整飞掠行星的时机,也可对探测器进行加速。例如,著名的“卡西尼-惠更斯”土星探测器,以及飞得最遥远的探测器“旅行者一号”,都是采用了这个方式。非常有意思的是,这次探测任务的名字贝皮科伦布(BepiColombo),就是为了纪念意大利科学家 BepiColombo,他是首先把“引力助推”应用到行星际航行的人。

  本次探测的意义是什么?

  由于水星是太阳系内最靠近太阳的一颗行星,探测水星能够很好地了解太阳系的演化等基本科学问题。一直以来,由于要克服太阳的高温以及巨大的引力加速作用,只有两颗探测器造访过水星,因此人类对水星的了解相对匮乏,需要从更多角度对其进行科学研究,本次的两个子探测器的科学研究重心分别为:水星的结构演化和磁场。

  这与火星探测形成了鲜明对比,迄今人类发射到火星的各种类型的探测器不计其数,有关火星的知识浩如烟海。探测火星除了具有基础科学层次上的意义之外,火星还是人类未来潜在的移民星球。而水星上没有大气,温度极高,人类根本没法登陆。

  水星探测简史

  图注:水星和地球大小比较

  水星(英语:Mercury)是太阳系八大行星最内侧,也是最小的一颗行星,在八大行星中,轨道离心率最大,也就是轨道最扁,公转周期为 87.968 个地球日,每公转 2 周同时自转 3 圈,在天体力学上称为自转—轨道共振。水星表面受到极端温度的影响,范围从 +450 到-180 摄氏度,在水星极区的一些陨坑内却存在着水冰。由于其非常靠近太阳,除非有日食,否则在阳光的照耀下通常很难直接看到水星。

  水星由大约 70% 的金属和 30% 的硅酸盐组成,水星的密度是 5.427 克/cm?,在太阳系中是第二高的,仅次于地球的 5.515 克/cm?。它的核心由铁组成,像是个太阳系内的超级大号铁球。

  此前,人类曾经二次向水星发射了探测器,分别是 1973 年 11 月 3 日,美国发射了“水手 10 号”探测器和 2004 年 8 月 3 日发射的“信使号”探测器。

  由于受当时技术水平的限制,“水手 10 号”并没有进入围绕水星的轨道,而是在一个大的椭圆轨道上绕太阳运行,利用一次次接近水星的机会对其进行探测。“水手 10 号”于 1974 年 3 月 29 日、9 月 21 日和 1975 年 3 月 16 日曾三次与水星擦肩而过,对水星进行了探测。这种方式无法对水星进行长期稳定的研究。

  “信使号”探测器则采用了先进的隔热手段,配备有 7 台科学仪器,用于完成 6 项科学目标。该探测器于 2011 年 3 月 17 日进入水星轨道,开展了重要的科学研究工作。探测任务完成后,2015 年 4 月 30 日,科学家控制其坠入到水星表面,完成了壮丽的谢幕。

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