历经多次推迟发射 有望明年升空欧日合作的“贝皮-科伦布”水星探测器

王存恩(北京空间科技信息研究所)

历经多次推迟发射 有望明年升空欧日合作的“贝皮-科伦布”水星探测器

王存恩(北京空间科技信息研究所)

欧日合作研制的水星探测器"贝皮-科伦布"(Bepi-Colombo)计划于2015年用阿里安-5火箭发射(该任务的发射时间多次推迟,这也是国际合作项目中存在的普遍问题).该探测器计划飞行6年后飞抵水星,执行为期1年的探测任务.这也是继美国航空航天局(NASA)水手-10(Mariner-10)探测器和"信使"(MESSENGER)水星探测器之后的又一项水星探测任务.

1 水星探测历史回顾

水星是一颗位于太阳系最内缘、在月球和火星之间,形状很小(半径仅2240km)的类地行星.目前,人们对水星的情况知之甚少,只知道它是一颗组成元素与其他行星显著不同,上面有高密度(5.43g/cm3)的固有磁场,内部有一个巨大的铁核(约占水星质量的70%),原始太阳系行星群中表面温度最高(可达700K)的行星,也是一颗在地面用望远镜难以进行详细观测的行星.发射水星探测器,就是要利用探测器上搭载的各种遥感器,观测水星上的固有磁场、磁层、大气、重力场等的分布,搞清水星的形成过程、表面地形、表层和地壳内蕴含的矿物质及其化学成分,对解开水星内部结构之谜有着深远意义.

迄今,人类发射并成功飞越水星的探测器只有两个:一个是美国航空航天局于1973年11月3日用"宇宙神"火箭发射的水手-10;另一个是美国航空航天局于2004年8月3日用"德尔他"火箭发射的"信使"探测器.前者于1974年2月5日成功飞越金星后,借助金星引力飞向水星,并分别于1974年3月16日、9月21日和1975年3月16日3次飞越水星,与水星表面距离最近时仅为327km,不仅探测到了水星上存在的磁场,还拍摄到了水星表面的山脉和陨坑等;后者于2011年3月18日进入绕水星运行轨道后,每天

绕水星运行3圈,到2013年底已拍摄到近10多万幅水星照片;此外,还通过对水星极区永久阴暗域陨坑的观测,以及对所拍摄的照片进行深入分析,推断在水星极区很可能存在着巨大的铁核等物质,对绘制水星三维图像,研究水星表面化学特性,以及掌握水星内部的磁场分布和几何结构等都有重要作用.

2 欧日水星探测计划

"水星磁层探测器"(下)和"水星表面探测器"(上)在轨运行示意图

欧日水星探测计划系指日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和欧洲航天局(ESA)合作的水星探测任务的计划,于2008年启动,现已完成研制."贝皮-科伦布"探测器中包括两个探测器:一个是日本宇宙航空研究开发机构设计、研制,宇宙科学研究所(ISAS)和日本电气公司负责开发,以观测水星固有磁场、磁层、大气和地形等为主要目的的"水星磁层探测器"(MMO);另一个是欧洲航天局设计、研制,欧洲空间研究和技术中心(ESTEC)负责开发,以观测水星表面地形、精密测量水星上矿物质,搞清其化学成分,执行重力场测量等为主要目的的"水星表面探测器"(MPO).

欧日水星探测计划是利用绕水星轨道运行的"水星磁层探测器"和"水星表面探测器",通过多角度对水星表层和内部的磁场与磁层进行综合观测,执行探测水星表层和内部磁场及磁层分布任务的大型国际航天合作计划.

要执行水星探测计划,完成绕水星运行和探测,存在一系列技术难题,其中有最两个主要问题:其一,是地球与水星的公转速度相差甚大,而且水星的质量也比地球小得多,尽管可以借助于月球、金星引力飞行,但要使执行对水星进行观测任务的大型探测器从地球进入绕水星运行轨道,必须配备大推力的推力器;其二,是水星上的太阳光照射强烈,起码比地球上高出1个数量级(水星表面的温度最高可达700K),热辐射强度也很大,必须采取更加有效的对策才能确保各种科学仪器正常工作,获取所需的数据,而以往日本和欧洲没有这方面的实践经验.然而,伴随近年来各项技术,特别是航天技术的飞跃发展,以及民用技术在航天领域的成功应用,使这两个主要技术难题都得到了解决.

“贝皮-科伦布”水星探测器的主要性能和参数

呈对接状态待发射的"水星磁层探测器"和"水星表面探测器"的组态

日本不仅成功地研制了微波放电式离子发动机,还在执行在小行星糸川上登陆并取样、返回的小行星探测器"隼鸟"(Hayabusa)等成功地应用借力飞行和微波放电式离子发动机,其借力飞行技术和改进型微波放电式离子发动机还将在隼鸟-2探测器上采用.欧洲航天局、法国国家空间研究中心(CNES)在电推进系统设计和开发电推力器方面的经验用于欧日水星探测计划的推进系统,使该计划取得了满意的成果;面对水星上的强太阳光照射,课题组开展针对性研究,设计和开发出了一种覆在探测器侧面,既能反射可见光,又能放射出红外线,且可耐强热辐射的抗强照射镜(SSM),测试证明其具有耐高温等性能,可以确保星上仪器正常工作.

另外,探测器面临许多通常探测器所未经历的事件:探测器发射后要进行长达6年多的巡航飞行,需进行若干次遥操作和完成十分精密的速度控制才能进入绕水星运行轨道,而水星上的环境与近地轨道航天器在轨运行环境截然不同,这种苛刻的环境下要完成超远距离通信,这些技术必须取得新的突破,否则无法确保探测器安全、顺利抵到达水星.日本航空宇宙研究开发机构和欧洲航天局在设计、研制、发射、管控和应用小行星探测器、火星探测器、彗星探测器,以及磁层探测卫星等方面都积累了一定经验,实际开发阶段进行大量实验,也取得了不斐的成果,为完成该计划奠定了基础.

欧日水星探测计划的推进系统模块由电推进模块(SEPM)和化学推进模块(CPM)组成,其推进系统与"水星磁层探测器"和"水星表面探测器"作为一个一体化的"大模块",发射时置于阿里安-5火箭的整流罩内,星箭分离后,这个一体化的"大模块"通过电推进模块以电推进方式使探测器稳健地踏上行星际航行之旅,借助于月球、金星提供的引力,这个"大模块"完成漫长的借力飞行后抵达水星;接着,电推进模块与"大模块"分离;紧接着,开启化学推进模块中的推力器,以化学推进方式提供反推力,使这个"大模块"迅速降低飞行速度;再接着,"水星磁层探测器"与"大模块"分离,进入预定的近水点为400km,远水点为12000km、轨道倾角为90°的绕水星运行的极轨道,开始独立运行;然后,化学推进模块再次启动以降低轨道高度,确保"水星表面探测器"与"大模块"安全分离并进入预定的近水点为400km,远水点为1500km、轨道倾角为90°的绕水星运行的极轨道."水星磁层探测器"和"水星表面探测器"在轨执行飞行任务时间设定为4个水星年(相当于1个地球年).

水星磁层探测器关键部件的配置图

3 "水星磁层探测器"

"水星磁层探测器"是日本宇宙航空研究开发机构宇宙科学研究所研制的采用自旋稳定的探测器,在执行对水星进行观测的稳态运行阶段,转速为15r/min.探测器本身是一个八角棱柱体,相对两棱柱面间的距离为180cm、棱柱高为90cm.探测器由通信、姿态控制、指令数据处理、电源、推进和热控等6个分系统组成,质量为275kg,自旋周期为4s.探测器上配备了5种有效载荷仪器,质量约45kg.

发射"水星磁层探测器"的目的

1)探明水星上固有磁场的成因.通过对水星周边的磁场进行详细、高准确度的观测,搞清行星上磁场的成因.

2)找出水星上与地球上的磁层有哪些不同,并搞清其特异性.详细地观测水星磁层的结构和运动状况,并与地球上的磁层进行比较,考察行星上的磁层与地球上的不同点,搞清行星上磁层的普遍性和特异性.

3)搞清水星表面所生成稀薄大气及其消散的原理.观测水星表面所生成的以钠为主要成分的稀薄大气,搞清其结构,观测其变化情况,掌握其生成和消散过程与原理.

4)对位于太阳附近行星间的空间进行观测.在地球附近是根本无法观测到太阳附近的行星间的空间,利用绕水星运行轨道上运行的探测器则可观测到在太阳附近的各行星间的空间及其所产生的强冲击波,同时搞清其产生能量的过程.

"水星磁层探测器"的主要设计特点

为确保顺利完成飞行任务,"水星磁层探测器"采取了以下特殊设计:

1)探测器上配备4副长度为15m、用于电场和电波测量用的线性天线,2副长度为15m、用于磁场测量、可伸展的磁强计,以及高增益天线.为节省空间,发射前天线和伸展杆都呈折叠状态收拢到探测器内,入轨后凭借离心力使其伸展开,进行包括离子和电子的三维空间分布和速度分布等测量.

2)探测器设计成自旋轴与水星赤道面基本呈垂直状态,这样不仅可防止强大的太阳辐射能量直射到探测器的上方或下方,而且还可确保即便是探测器的姿态发生变化仍可将配置在探测器上部的高增益天线的指向偏差控制在最小,以确保天线继续高精度地指向地球,顺利完成既定的飞行任务.

"水星磁层探测器"搭载的5种有效载荷仪器及其功能

"水星磁层探测器"搭载的有效载荷仪器及其承担的测量任务

3)在强太阳光可能会直接照射到的探测器的各个面上都覆上了抗强照射镜(SSM),它具备既可反射可见光,又可放射红外线的功能,覆上这种抗强照射镜之后,可确保探测器内部一直保持常温状态,使探测器内的部件、仪器在设计寿命期内一直正常工作.

运行轨道

为确保在轨运行的探测器能够有效地测绘全球磁场图谱以及对水星磁层全域进行观测,经设计团队认真研究、讨论、详尽分析和精确计算,决定使"水星磁层探测器"和"水星表面探测器"在同一轨道面上(轨道倾角相同,为90°)运行,但其远水点和轨道运行周期不同,前者运行在近水点为400km、远水点为11824km的椭圆形极轨道上,轨道运行周期为9.2h,而后者轨道运行周期为2.3h,便于两者进行协调观测."水星磁层探测器"飞抵水星进入预定运行轨道后,由设在神奈川县相模原的宇宙航空研究开发机构宇宙科学研究所的卫星管控中心负责管控与应用计划的调整,应用时将充分利用早已建成、设在长野县臼田宇宙观测所的64m大型天线.

4 "水星表面探测器"

"水星表面探测器"是由欧洲航天局欧洲空间研究和技术中心(ESTEC)研制,该探测器以观测水星表面地形、精密计测水星上的矿物质及其化学成分、重力场等为目的,是一颗采用三轴控制的探测器.探测器本体为1.6mX1.7mX1.9m的箱型结构,探测器的质量为1147kg.发射时太阳电池翼和天线等呈折叠收拢状态,入轨后分别通过伸展控制和离心力展开.探测器上配备了5种有效载荷仪器,质量约80kg.

发射"水星表面探测器"的目的

1)确认水星上是否存在着约为3/4水星面积的巨大的铁核等物质.采用映像方式详细地观测整个水星的重力场,搞清水星内部结构,最终确认水星表面是否存在巨大的铁核,进一步则要确认铁核的大小,起码要确定铁核是否约为3/4水星面积.

2)寻觅可能残存的水星形成初期的踪迹,搞清水星地表地形.通过对整个水星表面进行拍摄,特别是要对"信使"水星探测器未能实现详细探测的南半球进行详细观测且高频度地拍摄图片,寻觅尚可能残存的水星形成初期的踪迹,搞清水星表面地形的成因.

3)搞清水星蕴含哪些矿物质及其组成元素.在利用水星表面探测器上所搭载的各种有效载荷仪器对整个水星表面的红外到紫外进行分光,以及对X射线、γ射线和中子进行观测的同时,直接计测水星表面所放射出的气体,获取与水星起源有关的第一手信息.

4)确认水星两极是否存在着冰.通过对γ射线和中子进行观测,获取水星两极是否有冰存在的佐证,从而确认水星上有水的存在.

"贝皮-科伦布"水星探测器示意图

"水星表面探测器"的主要部件和有效载荷配置图

"水星表面探测器"的主要设计特点

为确保顺利完成既定的飞行任务,"水星表面探测器"进行了以下特殊设计:

1)探测器选择三轴控制,其主要目的是确保探测器实现高精度姿态和轨道控制,使探测器上所搭载的相机、分光光度计和各种遥感器都能一直对准其正下方的观测对象-水星表面,实现详细、精密地进行观测.

2)探测器不仅进行了缜密的耐热设计,还进行了精确地姿态控制,有效地控制探测器使其耐热性能强.覆盖热屏蔽的那个面一直对准强太阳光照射区(温度可高达700K),这样就可确保需要在允许温度范围工作的仪器和探测器本体内的温度都能保持在要求范围内,确保探测器按要求执行飞行任务.

3)为了有利于与"水星磁层探测器"进行协调观测,获取水星表面和内部结构等的详细影像,经缜密计算确定"水星表面探测器"在近水点为400km、远水点为1500km、轨道运行周期为2.3h的近椭圆极轨道上运行.

4)在直至飞抵水星的整个飞行阶段,"水星表面探测器"和"水星磁层探测器"、电推进模块、化学推进模块组成一个一体化的"大模块","水星表面探测器"作为这一体化的"大模块"的中枢神经-大脑,执行协调管理任务.

5)飞抵水星后,推进模块与"水星表面探测器"和"水星磁层探测器"分离,两个探测器作为独立运行并执行各自飞行任务的航天器,可由设在德国的隶属于欧洲航天局的欧洲空间操作中心(ESOC)利用进行统一协调与运行管理.

运行轨道

为确保能够更好地与"水星磁层探测器"进行协调观测,获取更多与水星表面地形,精密计测水星上的矿物质等的信息,搞清水星上的化学成分、重力场分布等,将"水星表面探测器"的运行轨道选定为最有利于执行上述任务,近水点为400km、远水点为1508km、轨道倾角为90°、轨道周期为2.3h的椭圆极轨道.

主要有效载荷仪器

探测器上配备了11种有效载荷仪器,执行9种观测任务:①用来测高的雷达高度计(BELA);②用来进行电波科学研究的加速度计(ISA)和Ka频段辐射计(MOER);③用来进行磁场测量的磁强计(MERMAG);④采用一体化设计、用来摄像和对可见光与近红外进行分光的摄像机(SIMBIOSYS);⑤用来进行红外分光和摄像的红外分光摄像机(MERTIS-TIS);⑥用来对γ射线和中子进行检测的γ射线和中子检测器(MGNS);⑦用来对X线进行监测的X线分光光度计(MIXS)和太阳监视仪(XIXS);⑧用来进行紫外摄像的紫外分光摄像机(PHESUS);⑨用来对中性粒子和离子进行检测的中性粒子和离子检测器(SERENA).