贝皮·科伦布：组队探测水星秘密

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水星是距离太阳最近的大行星，也是太阳系中的四颗类地行星之一。由于水星距离太阳太近，设计一条能够安全靠近水星的飞行轨道相当困难。历史上，仅有两艘飞船——美国的“水手10号”和“信使号”曾经成功地对水星进行过探测。而探测水星的轨道难题，则是由意大利数学家和工程师贝皮·科伦布（Giuseppei（Bepi）Colombo）初步解决的。10月20日，以这位科学家的名字命名的飞船将会使用先组合飞行、再分头探测的方式，开始对水星的又一次探测，试图解开关于这个行星的种种谜团。

独特的飞行方式

贝皮·科伦布飞船是一艘由欧洲空间局和日本宇宙航空研究开发机构合作研制的探测器。飞船由四部分组成：水星行星轨道器（MPO），负责在高度较低的轨道上对水星表面和水星磁场进行高精度、多波段的探测；水星磁层轨道器（MMO），负责在环绕水星的椭圆轨道上对水星磁层进行探测；水星转移舱（MTM），负责在飞船进入水星轨道前的行星际飞行中，为飞船提供推力和电能供应；MMO遮阳罩与接口结构（MMOIF），在组合飞行过程中保护MMO不因剧烈的太阳辐射而损坏，同时为MMO提供供电接口。

贝皮·科伦布飞船已在10月20日在位于法属圭亚那的库鲁航天发射中心，由阿里安5火箭发射升空。在发射后的7.2年时间里，它将借助自身的动力和地球、金星和水星的引力到达预定的环绕水星的工作轨道，整个过程将飞掠地球一次、金星两次和水星六次。在飞往水星的过程中，贝皮·科伦布飞船的四个部分结合成一个整体，整个飞船的推力和供电都由MTM提供。而当贝皮·科伦布飞船完成行星际飞行并接近水星时，MTM首先从飞船上分离，剩余三个部分的组合体将进入环绕水星极区的轨道。借助MPO提供的推力，三个部分的组合体随后会进入一条590公里×11640公里的椭圆轨道。在这里，MMO与组合体分离，开始自身的工作，而MMOIF在此时也完成了任务。之后，MPO会再次利用自身的推力，降低自己的高度，进入480公里×1500公里的轨道，并在接下来3个月的时间里再对轨道进行精细的调整，才会最后开始执行自己的探测任务。按照计划，MMO和MPO将在水星附近工作一个地球年。如果一年后它们的状况都不错，还会再进行一年的扩展任务。

▲ 水星磁层轨道器MMO（左）和水星行星轨道器MPO（右）

由于水星距离太阳实在太近，进入一条环绕水星的稳定轨道是相当困难的，其所需要的能量甚至比飞往遥远的冥王星所需的能量还要多。除了在轨道设计上使用借力飞行的方法节省能量外，贝皮·科伦布飞船还采用了离子电推进技术来进一步提高推进效率。和我们常见的使用化学燃料产生推力的发动机相比，采用离子推进技术的发动机可以使用电磁场把离子加速到相当高的速度，消耗的燃料重量则大大减少，从而可以分配更多的质量给进行科学探测的有效载荷使用。但是，由于目前的离子电推发动机瞬时输出的推力较小，因此需要在飞行的过程中持续工作。

▲ 贝皮·科伦布探测器的组成，最上方的是水星磁层轨道器MMO，在其下方的是太阳光防护盾和内部互联模组MMOIF，再下方的是水星行星轨道探测器MPO，最下方的是水星转移推进器MTM。其中水星磁层轨道器MMO和水星行星轨道器MPO是探测水星的中坚力量，太阳光防护盾和内部互联模组MMOIF以及水星转移推进器MTM只是前往水星的辅助设备

应对高温的特殊设计

离子电推发动机和飞船其他部分在行星际飞行中的电能供应，来自于MTM上部署的面积高达42平方米的太阳能电池帆板。之所以布置面积如此巨大的太阳能帆板，是为了同时保证供电和保护太阳能帆板的安全。按照直觉，距离太阳越近似乎越容易从太阳能中获取电力。然而，太阳辐射的炙烤所产生的高温也会阻碍太阳能帆板的正常工作，甚至将其损坏。因此，除了在帆板上加装防热涂层等措施外，在距离太阳较近时，太阳能帆板将不会正对太阳，而是会转过一个角度，倾斜着工作。在这种情况下，能够产生电能的有效面积将会减少，因此必须使用较大的面积才能保证供电充足。

由于距离太阳很近，水星表面的最高温度可达400多摄氏度。靠近水星表面工作的MPO，除了会受到来自太阳的炙烤外，还要经受水星表面高温带来的特殊环境的考验。为了保证仪器在合适的温度下工作，MPO上安装了直径与阿里安火箭的整流罩直径基本相当的大型散热器。在飞船内部布置的热管系统的协助下，这个散热器可以将飞船仪器本身在工作时所产生的热量和太阳与水星带来的热量散发出去。MPO采用三轴稳定方法控制姿态，在工作过程中大部分科学仪器将朝向水星表面工作。仪器精度越高，其安装位置距离散热器的距离就越近，以保证精密仪器对环境温度的较为苛刻的要求。

▲ 热真空罐里测试中的水星行星轨道器MPO

MMO则采用自旋稳定的方式来控制姿态。在工作时，其自旋轴的方向与水星的公转轨道面垂直，这样，MMO的顶部和底部就不会冲向太阳而受到灼烧。在MMO的侧面上，贴合了为它供电的太阳能电池板和反射太阳辐射的反射镜。有如在烤乳猪时要不断旋转烤架上的乳猪，以让各部分均匀受热来烤出外焦里嫩、口感理想的乳猪一样，MMO自旋稳定的工作方式也可以使各部分接替承受太阳辐射，从而不会出现某一部分过热的现象。在“贝皮·科伦布”作为一个整体编队进行行星际飞行的过程中，MMO不能旋转，因此特别为其设计了遮阳罩MMOIF，来保证它的安全。 今年6月，MMO还获得了“澪”(Mio)的昵称。在日语中，“澪”的意思为“水道、航道”。设计者们希望这个昵称能让MMO像一艘顺水航行的船只一样，平安地完成它的探测任务。

▲ 水星磁层轨道器

▲ 整流罩中的贝皮·科伦布探测器

▲ 试验中的MPO

▲ 试验中的MMO

潜在的科学发现

2004年发射、2011年到达水星的“信使号”采用了一条大椭圆轨道环绕水星工作，距离水星表面的最近距离为200公里，最远距离为15000公里。这样的轨道可以使“信使号”只有一小段时间靠近水星表面工作，以免受水星炙热表面的损害。然而，如此的轨道设计使得“信使号”不能充分观察水星表面的细节，在作出诸多科学发现的同时也提出了更多需要进一步探索的问题。“贝皮·科伦布”采用两个探测器在距离水星较远和较近的地方同时进行观测，有望解决“信使号”探测未能解决的问题。

在四颗类地行星中，只有地球和水星存在内禀磁场。在没有太阳上喷射出的等离子体流——太阳风吹拂时，内禀磁场呈现偶极磁场的形状，和一颗磁铁棒所形成的磁场类似。在太阳风的吹拂下，原本对称的磁场结构被太阳风改变，朝向太阳的一面磁力线被压缩，而远离太阳的一面，磁力线则被太阳风拉扯向远处，形成磁层结构。在“信使号”的探测中，已经确认了水星磁场的强度约是地球的百分之一，但也形成了磁层。同时，水星磁场的中心和水星的几何中心存在0.2个水星半径的偏离，搞清这个偏离的原因将会带来对水星内部结构的新认识。MMO和MPO上都装备了探测卫星所在位置磁场情况的仪器。MMO可以利用其高度变化较大的椭圆轨道在水星磁层内外穿行，能够探明水星磁层不同位置的磁场情况。此外，MMO还会飞出水星磁层，对吹拂水星的太阳风进行直接探测。这一方面能够使科学家们搞清促使水星磁层形成的外部条件，另一方面也能使科学家们对太阳风距离太阳较近时的性质有新的认识。 而MPO在距离水星表面较近位置的磁场探测，则能和MMO的数据一起构成水星磁场的全貌，并提供水星磁场起源的线索。

▲ 测试

▲ 吊起来的水星磁层轨道器MMO，右侧的是水星转移推进器MTM

▲ 厂房测试

和地球这个存在几大地质板块的行星不同的是，水星的壳层是一个整体。通过分析“信使号”的探测数据，科学家门发现水星竟然在不断“萎缩”，其半径正以每年7公里的速度减小。由于“信使号”靠近水星表面时所在的位置都在水星的北半球，因此南半球的探测数据还是空白。MPO上安装了激光测高仪和各个波段的高分辨率成像仪器，可以对南北半球的地质地貌特征进行更加精细的探测，来为科学家们揭开水星“萎缩”之谜提供证据，也可以让科学家们更深入的认识这种不存在板块结构的“一体式”行星的特点。

和地球大气层一样，水星的大气层也存在着一个由大气层向太空中的真空环境过度的“外逸层”。外逸层长期处于变化的状态之中，影响其性质的原因多种多样。“信使号”的探测数据表明，水星外逸层的性质与我们目前使用的标准模型不大一致。MPO中的局地探测仪器将可以直接测量外逸层的密度、成分等参数，让我们了解太阳辐射、太阳风压和微流星的撞击对外逸层变化的影响程度，以及外逸层在日间和夜间的变化等问题。

除了行星物理外，“贝皮·科伦布”还将在基础物理领域进行激动人心的实验。按照爱因斯坦的广义相对论，像太阳这样质量很大的物体将引起时空的弯曲，这种时空弯曲可以通过空间中传播的无线电信号的频移识别出来。“贝皮·科伦布”在与地球通信的过程中，其无线电的频移情况就可以用来进行广义相对论的研究。此外，水星的实际轨道变化情况和使用经典牛顿力学计算的理论值存在偏差。按照爱因斯坦的广义相对论解释，造成这种差异的原因也是太阳引起的时空偏差。“贝皮·科伦布”对卫星所在位置的测量精度可达15厘米，还可以通过安装的加速度计测量自身的受力情况，从而可以精确的推定水星的位置，为验证水星轨道变化与相对论的关系带来数据。