原标题:【水星进行时】BEPICOLOMBO号已经完成总装工作

当我们仰望星空时,有一艘飞船正一刻不停地朝水星奔去
你好水星!我是BepiColombo

日本宇宙航空研究开发机构与欧洲宇航局正在推进水星探测计划BepiColombo,计划2018年发射水星探测器,预计2026年到达水星开始针对水星地面、磁场等进行观测,并通过数据分析,了解水星的形成及演变过程。由于水星是距离太阳最近的行星,表面温度极高,因此如果能够对水星这种极限环境进行成功分析,将有助于对行星研究的模型进行再造。
JAXA负责水星磁场探测器的研发,ESA负责水星表面探测器的研发。在BepiColombo计划中,航天器还包括离子发动机、将MMO与MPO送到水星轨道的电力推进模块、保护MMO免受太阳直射的遮光罩。
航天器将于2018年10月由欧洲亚利安5号火箭发射,并利用天体引力通过一次次的飞临过程,逐步接近水星,预计2025年12月进入水星轨道。其后,MMO和MPO将与航天器分离,然后经1至3个月的初期试用后,再进入实际观测。
JAXA开发的MMO将搭载5种观测装置,重点完成以下任务:一是观测水星固有磁场;二是观测磁场及太阳风等周边环境;三是观测水星大气层。MMO重280千克,在水星附近椭圆轨道飞行。距离水星最近时为590千米,最远时为1160,000千米,轨道周期为9.3小时。
水星表面白天温度高达400摄氏度,因此MMO在耐热设计方面采取了一系列措施,从各个细节上尽可能降低卫星的温度,比如采用大量镜片组成向宇宙空间释放热量的结构、采用钛基高温隔热材料等。
东北大学、名古屋大学等日本国内外12所大学和研究机构,三菱重工、NEC、明星电气等参与了MMO的研发工作。日本政府和民间共为MMO的开发投资154亿日元。
水星是由岩石和金属等固体构成的类地行星。近年来,随着观测精度的提高,在太阳系外发现了一些有可能存在生命的类地行星,利用仔细研究水星获得的成果,有助于对太阳系外行星的构成进行预测。来源:科技部

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水星探测飞船BepiColombo发射现场。图片来源:ESA/S.Corvaja

【水星进行时】

10月20日,欧洲-日本联合实施的水星探测飞船BepiColombo搭乘阿丽亚娜5号火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。BepiColombo项目科学家、ESA行星物理学家Johannes
Benkhoff说:“这是一个伟大的时刻,我们终于把它变成了现实。”

bepicolombo号已经完成总装工作

BepiColombo于二十世纪90年代立项,历时21年后成功发射。按计划,这艘斥资18亿美元的飞船,将于2025年抵达水星。届时它将分离成两个航天器进入各自的水星轨道,开始协作进行暂定为期一年的数据收集活动。

编译:徐鹏晖

其中一个由欧洲航天局研发的“水星行星轨道飞行器MPO”,主要用于探测水星的表面和内部结构;另一个由日本宇宙航空研究开发机构研发的“水星磁层轨道飞行器MMO”,主要负责探测水星的磁场及其与太阳风的相互作用。欧洲航天局的“水星运载模块MTM”将负责转运这两个轨道器。

校对:艾宇熙

水星处于太阳引力井的深处,这使得到达它成为一个巨大的技术挑战。要到达水星,航天器必须失去地球轨道给它的大部分动力,这样它才能“落”向太阳。但同时,航天器还必须避免过度发射,否则会导致它驶向其他轨道而掠过太阳的引力井。

编者按:ESA与JAXA合作的Bepicolombo号水星探测器日前正在进行任务的准备工作,这是人类近年来为数不多的水星计划之一,也是除美国外第一个水星计划。所以我们周三组决定持续追踪Bepicolombo号的最新进展和消息,为此我们开设了新栏目“水星进行时”,相关文章都将以“【水星进行时】”开头,欢迎大家关注。

“BepiColombo计划是我们执行过的最复杂的任务之一。”欧洲航天局
BepiColombo的飞控指挥Andrea
Accomazzo说,“这项任务中,一个很大的挑战来自于太阳的强大引力,这使得把一个航天器定位在水星轨道很不容易。我们需要通过电推进的不断制动来使航天器能够受控地向太阳靠近。”

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由于这些复杂因素的影响,抵达水星的能量是到火星的8倍,而且需要更长的时间。

图一:MMO和MPO的组合体

因此,BepiColombo这次飞行使用了先进的太阳能离子推进器,并且将绕行地球轨道一次,金星轨道两次,水星轨道六次,以结合九次来自地球、金星和水星的引力协助,帮助BepiColombo抵挡太阳的巨大引力并滑入稳定的水星轨道。

科学,图源:ESA

中国空间技术研究院总体设计研究员、硬X射线调制望远镜卫星副总指挥尤睿在接受《中国科学报》采访时表示:“正因为水星距离太阳太近,飞船可以充分利用太阳能进行变轨,太阳能离子推进器可以调整飞船的‘姿态’,也就是飞行方向。”

由ESA和JAXA联合进行的Bepicolombo计划日前已经完成了发射前的航天器总装工作,由欧洲方面负责的轨道器和运载模块也已经做好了加注燃料的准备。

“此外,受太阳巨大引力的影响,到达水星轨道所耗的能量与到达冥王星的能量差不多。因此卫星需要‘借力’飞行,根据不同天体之间引力的合成作用,飞船可以向某个方向变化飞行,也就是引力变轨。用时间换空间,来到达其预定的轨道。”尤睿说,“这就像帆船在海中行驶,通过‘见风使舵’改变帆的方向,充分利用风力,达到顺风逆风都可以行驶的目的。”

航天器已于8月31日前的一周完成了工作资质复检,之后就正式进入了发射准备期。根据目前的安排,任务所用火箭为阿丽亚娜5,发射时间为库鲁当地时间10月18日22:45(即中欧夏令时10月19日3:45,格林尼治时间10月19日1:45,北京时间10月19日9:45)。发射窗口将一直持续到11月29日。

由于水星上的阳光强度比地球附近的外层空间强十倍,且几乎没有什么大气层。太阳照射时,水星表面温度高达四百多摄氏度,太阳光不照射时,表面温度低至零下一百多摄氏度,航天器将经历极端温度变化。

根据8月30日燃料加注准备工作的检查来看,水星运载模块(MTM)和水星行星轨道器(MPO)均已做好加注化学推进燃料物质如肼的准备。

尤睿表示,对于耐高温航天器的设计,最先进的是今年8月NASA发射的太阳探测器“帕克”,该探测器的隔热罩异常轻且结构结实,能够承受一千多摄氏度的极端高温。

“这次检查在此次发射活动中相当于一个里程碑式的事件,意味着发射准备已经进入了最后阶段,同时它也为将来在水星进行的探测活动打下了基础,”ESA的Bepicolombo项目总师Ulrich
Reininghaus说。

据了解,为了应对这次任务中的极端环境,BepiColombo整体做了周全的设计。MTM的太阳帆板角度经过特殊设计,能够得到充足的电量又不至于被太阳辐射毁坏。MPO上的散热器不仅能快速散出太阳传导过来的热量,还能散出在飞掠行星时从行星反射过来的热量。八棱柱状的MMO也将用15
r/min的速度进行自转,来保证自己不会被太阳的热量破坏。

“按计划在9月5号至12号之间加注好燃料之后,从技术上来说我们就没有回头路了。之前我们已经经历了构件装配、电路最终测试和进入总装厂房的转移,下一个与之类似的节点事件就是发射了。”

BepiColombo抵达水星前的7年时间里,科学家们并不是“无所事事”地等待。

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据了解,“长途跋涉”中,飞船将对水星和地球围绕太阳运行的轨道进行迄今为止最精确的测量。科学家们将利用这些测量数据,试图找到爱因斯坦广义相对论的不足之处。

图二:图注:Bepicolombo正在进行检查

BepiColombo飞掠金星时,飞船会开启仪器收集数据。飞船上的一些仪器虽然是针对水星探测而设计的,但也可能在探测金星时起到作用。换句话说,在飞行过程中,科学家们将利用近地飞行机会来测试飞船上的许多仪器,并在飞船飞行过程中对其他行星进行探测。

图源:ESA

“当BepiColombo到达水星轨道开始环绕后,相关探测器才会完全‘开机’,MPO轨道器上几乎所有的仪器都是对准水星的。”尤睿说,“就像遥感卫星对准地球后才会‘开机’。”

运载模块将同时采用电推进和化学推进。与此同时它在飞行过程中还会借助地球、金星和水星的引力,最后将MPO和MMO(水星磁层轨道器)送入水星轨道。

如今,随着航天技术提高,相关仪器的寿命很长,多年内都可以维持正常功能。尤睿告诉记者:“水星离地球太远了,纯粹依靠飞船自身的推力到达水星是非常困难的,因此需要选择不同轨道,利用“别人”的力量,飞上几年,慢慢靠近水星。”

到达水星后,MPO将会用它的小助推器将JAXA的水星磁层轨道器(MMO)送入环绕水星的椭圆轨道,然后它自身也将会分离并下降到更低的环绕轨道。

太阳炙烤的水星曾经被认为是一个静止的、枯燥的地方。但近年来,人们发现它有许多令人惊讶的现象,比如不寻常的磁场,以及陨石坑中发现的水冰沉积物。

上个月这两个轨道器刚完成一年多来的首次发射总装。对它们而言,上一个关键时间节点则是在位于荷兰的ESA技术中心里,那是在通过海路运到法属圭亚那的库鲁发射中心之前。

在抵达水星的几个月前,MTM将会分离并被抛弃在太空中,剩下的MPO、MMO这两个轨道器将会被水星引力捕获从而进入环绕轨道。

当燃料加注完成后,MTM就会连接到航天器组合体的底部。8月31日前的一周里,未加注燃料的部分已完成总体运行测试。用于保护MMO免受太阳辐射的防护罩会在距发射更近的时候再进行安装。

定轨完成后,MPO、MMO将开启仪器开始采集和这颗行星的内部结构、表面组成、地质结构以及和太阳风相互作用的相关数据,这其中还包括藏在环形山阴影里的冰的相关信息。“BepiColombo的探测‘利器’就是轨道器上的各种望远镜。当然,想要明确水星的内部结构等问题,单靠一枚卫星的探测是远远不够的。”尤睿说。

“虽然前往水星的旅程还未开始,但是我对目前两个航天器能够有如此的紧密关系感到非常高兴,感谢这个项目的长期努力,”JAXA的Bepicolombo项目科学家Go
Murakami说,“相信它们的联合探测将会给我们带来精彩的任务成果。”

“此次任务一个很大的创新就是采用两个航天器从不同的位置同时对行星进行探测。这对了解太阳风对水星的表面和磁层的作用具有重要意义。”Johannes
Benkhoff说。

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Johannes
Benkhoff表示,之前NASA的“信使”号已经有了若干发现,但也存在一些问题。BepiColombo将在此基础上进一步推进对水星和太阳系起源问题的研究,相关问题的解决将会对其他领域有所启发,比如对类似靠近恒星运行的系外行星的研究。

图三:图注:Bepicolombo的环绕轨道

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图源:ESA

BepiColombo 环绕水星说明图。图片来源:ESA/ATG、NASA/JPL

MMO的主要科学任务是对水星磁场环境、行星与太阳风交互以及大气外层的化学组成进行详细研究。

MPO则将关注水星的地表组成和变化过程。另外它将与MMO一道揭示太阳风交互作用对水星环境和地表的影响。这种影响的结果将会反馈到大气外层,因而该过程及其结果都可以被观测到。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。

“看着这两个Bepicolombo项目的航天器组装在一起,并且想着它们在未来的7年里都将像现在这样,我的心里是非常激动的,”ESA的Bepicolombo项目科学家Johannes
Benkhoff说,“不过这同时也在提醒着我,我们的任务马上就要开始了。现在我非常期待我们计划好的科学任务的开展。”

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图四:Bepicolombo的时间表

图源:ESA

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编排:王璞

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BEPICOLOMBO计划

图片来源:ESA返回搜狐,查看更多

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