王存恩(北京空間科技信息研究所)

歷經(jīng)多次推遲發(fā)射 有望明年升空歐日合作的“貝皮-科倫布”水星探測器

王存恩(北京空間科技信息研究所)

歐日合作研制的水星探測器"貝皮-科倫布"(Bepi-Colombo)計劃于2015年用阿里安-5火箭發(fā)射(該任務(wù)的發(fā)射時間多次推遲,這也是國際合作項目中存在的普遍問題).該探測器計劃飛行6年后飛抵水星,執(zhí)行為期1年的探測任務(wù).這也是繼美國航空航天局(NASA)水手-10(Mariner-10)探測器和"信使"(MESSENGER)水星探測器之后的又一項水星探測任務(wù).

1 水星探測歷史回顧

水星是一顆位于太陽系最內(nèi)緣、在月球和火星之間,形狀很小(半徑僅2240km)的類地行星.目前,人們對水星的情況知之甚少,只知道它是一顆組成元素與其他行星顯著不同,上面有高密度(5.43g/cm3)的固有磁場,內(nèi)部有一個巨大的鐵核(約占水星質(zhì)量的70%),原始太陽系行星群中表面溫度最高(可達(dá)700K)的行星,也是一顆在地面用望遠(yuǎn)鏡難以進(jìn)行詳細(xì)觀測的行星.發(fā)射水星探測器,就是要利用探測器上搭載的各種遙感器,觀測水星上的固有磁場、磁層、大氣、重力場等的分布,搞清水星的形成過程、表面地形、表層和地殼內(nèi)蘊(yùn)含的礦物質(zhì)及其化學(xué)成分,對解開水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎有著深遠(yuǎn)意義.

迄今,人類發(fā)射并成功飛越水星的探測器只有兩個:一個是美國航空航天局于1973年11月3日用"宇宙神"火箭發(fā)射的水手-10;另一個是美國航空航天局于2004年8月3日用"德爾他"火箭發(fā)射的"信使"探測器.前者于1974年2月5日成功飛越金星后,借助金星引力飛向水星,并分別于1974年3月16日、9月21日和1975年3月16日3次飛越水星,與水星表面距離最近時僅為327km,不僅探測到了水星上存在的磁場,還拍攝到了水星表面的山脈和隕坑等;后者于2011年3月18日進(jìn)入繞水星運(yùn)行軌道后,每天

繞水星運(yùn)行3圈,到2013年底已拍攝到近10多萬幅水星照片;此外,還通過對水星極區(qū)永久陰暗域隕坑的觀測,以及對所拍攝的照片進(jìn)行深入分析,推斷在水星極區(qū)很可能存在著巨大的鐵核等物質(zhì),對繪制水星三維圖像,研究水星表面化學(xué)特性,以及掌握水星內(nèi)部的磁場分布和幾何結(jié)構(gòu)等都有重要作用.

2 歐日水星探測計劃

"水星磁層探測器"(下)和"水星表面探測器"(上)在軌運(yùn)行示意圖

歐日水星探測計劃系指日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)和歐洲航天局(ESA)合作的水星探測任務(wù)的計劃,于2008年啟動,現(xiàn)已完成研制."貝皮-科倫布"探測器中包括兩個探測器:一個是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計、研制,宇宙科學(xué)研究所(ISAS)和日本電氣公司負(fù)責(zé)開發(fā),以觀測水星固有磁場、磁層、大氣和地形等為主要目的的"水星磁層探測器"(MMO);另一個是歐洲航天局設(shè)計、研制,歐洲空間研究和技術(shù)中心(ESTEC)負(fù)責(zé)開發(fā),以觀測水星表面地形、精密測量水星上礦物質(zhì),搞清其化學(xué)成分,執(zhí)行重力場測量等為主要目的的"水星表面探測器"(MPO).

歐日水星探測計劃是利用繞水星軌道運(yùn)行的"水星磁層探測器"和"水星表面探測器",通過多角度對水星表層和內(nèi)部的磁場與磁層進(jìn)行綜合觀測,執(zhí)行探測水星表層和內(nèi)部磁場及磁層分布任務(wù)的大型國際航天合作計劃.

要執(zhí)行水星探測計劃,完成繞水星運(yùn)行和探測,存在一系列技術(shù)難題,其中有最兩個主要問題:其一,是地球與水星的公轉(zhuǎn)速度相差甚大,而且水星的質(zhì)量也比地球小得多,盡管可以借助于月球、金星引力飛行,但要使執(zhí)行對水星進(jìn)行觀測任務(wù)的大型探測器從地球進(jìn)入繞水星運(yùn)行軌道,必須配備大推力的推力器;其二,是水星上的太陽光照射強(qiáng)烈,起碼比地球上高出1個數(shù)量級(水星表面的溫度最高可達(dá)700K),熱輻射強(qiáng)度也很大,必須采取更加有效的對策才能確保各種科學(xué)儀器正常工作,獲取所需的數(shù)據(jù),而以往日本和歐洲沒有這方面的實踐經(jīng)驗.然而,伴隨近年來各項技術(shù),特別是航天技術(shù)的飛躍發(fā)展,以及民用技術(shù)在航天領(lǐng)域的成功應(yīng)用,使這兩個主要技術(shù)難題都得到了解決.

“貝皮-科倫布”水星探測器的主要性能和參數(shù)

呈對接狀態(tài)待發(fā)射的"水星磁層探測器"和"水星表面探測器"的組態(tài)

日本不僅成功地研制了微波放電式離子發(fā)動機(jī),還在執(zhí)行在小行星糸川上登陸并取樣、返回的小行星探測器"隼鳥"(Hayabusa)等成功地應(yīng)用借力飛行和微波放電式離子發(fā)動機(jī),其借力飛行技術(shù)和改進(jìn)型微波放電式離子發(fā)動機(jī)還將在隼鳥-2探測器上采用.歐洲航天局、法國國家空間研究中心(CNES)在電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)電推力器方面的經(jīng)驗用于歐日水星探測計劃的推進(jìn)系統(tǒng),使該計劃取得了滿意的成果;面對水星上的強(qiáng)太陽光照射,課題組開展針對性研究,設(shè)計和開發(fā)出了一種覆在探測器側(cè)面,既能反射可見光,又能放射出紅外線,且可耐強(qiáng)熱輻射的抗強(qiáng)照射鏡(SSM),測試證明其具有耐高溫等性能,可以確保星上儀器正常工作.

另外,探測器面臨許多通常探測器所未經(jīng)歷的事件:探測器發(fā)射后要進(jìn)行長達(dá)6年多的巡航飛行,需進(jìn)行若干次遙操作和完成十分精密的速度控制才能進(jìn)入繞水星運(yùn)行軌道,而水星上的環(huán)境與近地軌道航天器在軌運(yùn)行環(huán)境截然不同,這種苛刻的環(huán)境下要完成超遠(yuǎn)距離通信,這些技術(shù)必須取得新的突破,否則無法確保探測器安全、順利抵到達(dá)水星.日本航空宇宙研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和歐洲航天局在設(shè)計、研制、發(fā)射、管控和應(yīng)用小行星探測器、火星探測器、彗星探測器,以及磁層探測衛(wèi)星等方面都積累了一定經(jīng)驗,實際開發(fā)階段進(jìn)行大量實驗,也取得了不斐的成果,為完成該計劃奠定了基礎(chǔ).

歐日水星探測計劃的推進(jìn)系統(tǒng)模塊由電推進(jìn)模塊(SEPM)和化學(xué)推進(jìn)模塊(CPM)組成,其推進(jìn)系統(tǒng)與"水星磁層探測器"和"水星表面探測器"作為一個一體化的"大模塊",發(fā)射時置于阿里安-5火箭的整流罩內(nèi),星箭分離后,這個一體化的"大模塊"通過電推進(jìn)模塊以電推進(jìn)方式使探測器穩(wěn)健地踏上行星際航行之旅,借助于月球、金星提供的引力,這個"大模塊"完成漫長的借力飛行后抵達(dá)水星;接著,電推進(jìn)模塊與"大模塊"分離;緊接著,開啟化學(xué)推進(jìn)模塊中的推力器,以化學(xué)推進(jìn)方式提供反推力,使這個"大模塊"迅速降低飛行速度;再接著,"水星磁層探測器"與"大模塊"分離,進(jìn)入預(yù)定的近水點(diǎn)為400km,遠(yuǎn)水點(diǎn)為12000km、軌道傾角為90°的繞水星運(yùn)行的極軌道,開始獨(dú)立運(yùn)行;然后,化學(xué)推進(jìn)模塊再次啟動以降低軌道高度,確保"水星表面探測器"與"大模塊"安全分離并進(jìn)入預(yù)定的近水點(diǎn)為400km,遠(yuǎn)水點(diǎn)為1500km、軌道傾角為90°的繞水星運(yùn)行的極軌道."水星磁層探測器"和"水星表面探測器"在軌執(zhí)行飛行任務(wù)時間設(shè)定為4個水星年(相當(dāng)于1個地球年).

水星磁層探測器關(guān)鍵部件的配置圖

3 "水星磁層探測器"

"水星磁層探測器"是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)宇宙科學(xué)研究所研制的采用自旋穩(wěn)定的探測器,在執(zhí)行對水星進(jìn)行觀測的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段,轉(zhuǎn)速為15r/min.探測器本身是一個八角棱柱體,相對兩棱柱面間的距離為180cm、棱柱高為90cm.探測器由通信、姿態(tài)控制、指令數(shù)據(jù)處理、電源、推進(jìn)和熱控等6個分系統(tǒng)組成,質(zhì)量為275kg,自旋周期為4s.探測器上配備了5種有效載荷儀器,質(zhì)量約45kg.

發(fā)射"水星磁層探測器"的目的

1)探明水星上固有磁場的成因.通過對水星周邊的磁場進(jìn)行詳細(xì)、高準(zhǔn)確度的觀測,搞清行星上磁場的成因.

2)找出水星上與地球上的磁層有哪些不同,并搞清其特異性.詳細(xì)地觀測水星磁層的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動狀況,并與地球上的磁層進(jìn)行比較,考察行星上的磁層與地球上的不同點(diǎn),搞清行星上磁層的普遍性和特異性.

3)搞清水星表面所生成稀薄大氣及其消散的原理.觀測水星表面所生成的以鈉為主要成分的稀薄大氣,搞清其結(jié)構(gòu),觀測其變化情況,掌握其生成和消散過程與原理.

4)對位于太陽附近行星間的空間進(jìn)行觀測.在地球附近是根本無法觀測到太陽附近的行星間的空間,利用繞水星運(yùn)行軌道上運(yùn)行的探測器則可觀測到在太陽附近的各行星間的空間及其所產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波,同時搞清其產(chǎn)生能量的過程.

"水星磁層探測器"的主要設(shè)計特點(diǎn)

為確保順利完成飛行任務(wù),"水星磁層探測器"采取了以下特殊設(shè)計:

1)探測器上配備4副長度為15m、用于電場和電波測量用的線性天線,2副長度為15m、用于磁場測量、可伸展的磁強(qiáng)計,以及高增益天線.為節(jié)省空間,發(fā)射前天線和伸展桿都呈折疊狀態(tài)收攏到探測器內(nèi),入軌后憑借離心力使其伸展開,進(jìn)行包括離子和電子的三維空間分布和速度分布等測量.

2)探測器設(shè)計成自旋軸與水星赤道面基本呈垂直狀態(tài),這樣不僅可防止強(qiáng)大的太陽輻射能量直射到探測器的上方或下方,而且還可確保即便是探測器的姿態(tài)發(fā)生變化仍可將配置在探測器上部的高增益天線的指向偏差控制在最小,以確保天線繼續(xù)高精度地指向地球,順利完成既定的飛行任務(wù).

"水星磁層探測器"搭載的5種有效載荷儀器及其功能

"水星磁層探測器"搭載的有效載荷儀器及其承擔(dān)的測量任務(wù)

3)在強(qiáng)太陽光可能會直接照射到的探測器的各個面上都覆上了抗強(qiáng)照射鏡(SSM),它具備既可反射可見光,又可放射紅外線的功能,覆上這種抗強(qiáng)照射鏡之后,可確保探測器內(nèi)部一直保持常溫狀態(tài),使探測器內(nèi)的部件、儀器在設(shè)計壽命期內(nèi)一直正常工作.

運(yùn)行軌道

為確保在軌運(yùn)行的探測器能夠有效地測繪全球磁場圖譜以及對水星磁層全域進(jìn)行觀測,經(jīng)設(shè)計團(tuán)隊認(rèn)真研究、討論、詳盡分析和精確計算,決定使"水星磁層探測器"和"水星表面探測器"在同一軌道面上(軌道傾角相同,為90°)運(yùn)行,但其遠(yuǎn)水點(diǎn)和軌道運(yùn)行周期不同,前者運(yùn)行在近水點(diǎn)為400km、遠(yuǎn)水點(diǎn)為11824km的橢圓形極軌道上,軌道運(yùn)行周期為9.2h,而后者軌道運(yùn)行周期為2.3h,便于兩者進(jìn)行協(xié)調(diào)觀測."水星磁層探測器"飛抵水星進(jìn)入預(yù)定運(yùn)行軌道后,由設(shè)在神奈川縣相模原的宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)宇宙科學(xué)研究所的衛(wèi)星管控中心負(fù)責(zé)管控與應(yīng)用計劃的調(diào)整,應(yīng)用時將充分利用早已建成、設(shè)在長野縣臼田宇宙觀測所的64m大型天線.

4 "水星表面探測器"

"水星表面探測器"是由歐洲航天局歐洲空間研究和技術(shù)中心(ESTEC)研制,該探測器以觀測水星表面地形、精密計測水星上的礦物質(zhì)及其化學(xué)成分、重力場等為目的,是一顆采用三軸控制的探測器.探測器本體為1.6mX1.7mX1.9m的箱型結(jié)構(gòu),探測器的質(zhì)量為1147kg.發(fā)射時太陽電池翼和天線等呈折疊收攏狀態(tài),入軌后分別通過伸展控制和離心力展開.探測器上配備了5種有效載荷儀器,質(zhì)量約80kg.

發(fā)射"水星表面探測器"的目的

1)確認(rèn)水星上是否存在著約為3/4水星面積的巨大的鐵核等物質(zhì).采用映像方式詳細(xì)地觀測整個水星的重力場,搞清水星內(nèi)部結(jié)構(gòu),最終確認(rèn)水星表面是否存在巨大的鐵核,進(jìn)一步則要確認(rèn)鐵核的大小,起碼要確定鐵核是否約為3/4水星面積.

2)尋覓可能殘存的水星形成初期的蹤跡,搞清水星地表地形.通過對整個水星表面進(jìn)行拍攝,特別是要對"信使"水星探測器未能實現(xiàn)詳細(xì)探測的南半球進(jìn)行詳細(xì)觀測且高頻度地拍攝圖片,尋覓尚可能殘存的水星形成初期的蹤跡,搞清水星表面地形的成因.

3)搞清水星蘊(yùn)含哪些礦物質(zhì)及其組成元素.在利用水星表面探測器上所搭載的各種有效載荷儀器對整個水星表面的紅外到紫外進(jìn)行分光,以及對X射線、γ射線和中子進(jìn)行觀測的同時,直接計測水星表面所放射出的氣體,獲取與水星起源有關(guān)的第一手信息.

4)確認(rèn)水星兩極是否存在著冰.通過對γ射線和中子進(jìn)行觀測,獲取水星兩極是否有冰存在的佐證,從而確認(rèn)水星上有水的存在.

"貝皮-科倫布"水星探測器示意圖

"水星表面探測器"的主要部件和有效載荷配置圖

"水星表面探測器"的主要設(shè)計特點(diǎn)

為確保順利完成既定的飛行任務(wù),"水星表面探測器"進(jìn)行了以下特殊設(shè)計:

1)探測器選擇三軸控制,其主要目的是確保探測器實現(xiàn)高精度姿態(tài)和軌道控制,使探測器上所搭載的相機(jī)、分光光度計和各種遙感器都能一直對準(zhǔn)其正下方的觀測對象-水星表面,實現(xiàn)詳細(xì)、精密地進(jìn)行觀測.

2)探測器不僅進(jìn)行了縝密的耐熱設(shè)計,還進(jìn)行了精確地姿態(tài)控制,有效地控制探測器使其耐熱性能強(qiáng).覆蓋熱屏蔽的那個面一直對準(zhǔn)強(qiáng)太陽光照射區(qū)(溫度可高達(dá)700K),這樣就可確保需要在允許溫度范圍工作的儀器和探測器本體內(nèi)的溫度都能保持在要求范圍內(nèi),確保探測器按要求執(zhí)行飛行任務(wù).

3)為了有利于與"水星磁層探測器"進(jìn)行協(xié)調(diào)觀測,獲取水星表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等的詳細(xì)影像,經(jīng)縝密計算確定"水星表面探測器"在近水點(diǎn)為400km、遠(yuǎn)水點(diǎn)為1500km、軌道運(yùn)行周期為2.3h的近橢圓極軌道上運(yùn)行.

4)在直至飛抵水星的整個飛行階段,"水星表面探測器"和"水星磁層探測器"、電推進(jìn)模塊、化學(xué)推進(jìn)模塊組成一個一體化的"大模塊","水星表面探測器"作為這一體化的"大模塊"的中樞神經(jīng)-大腦,執(zhí)行協(xié)調(diào)管理任務(wù).

5)飛抵水星后,推進(jìn)模塊與"水星表面探測器"和"水星磁層探測器"分離,兩個探測器作為獨(dú)立運(yùn)行并執(zhí)行各自飛行任務(wù)的航天器,可由設(shè)在德國的隸屬于歐洲航天局的歐洲空間操作中心(ESOC)利用進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)與運(yùn)行管理.

運(yùn)行軌道

為確保能夠更好地與"水星磁層探測器"進(jìn)行協(xié)調(diào)觀測,獲取更多與水星表面地形,精密計測水星上的礦物質(zhì)等的信息,搞清水星上的化學(xué)成分、重力場分布等,將"水星表面探測器"的運(yùn)行軌道選定為最有利于執(zhí)行上述任務(wù),近水點(diǎn)為400km、遠(yuǎn)水點(diǎn)為1508km、軌道傾角為90°、軌道周期為2.3h的橢圓極軌道.

主要有效載荷儀器

探測器上配備了11種有效載荷儀器,執(zhí)行9種觀測任務(wù):①用來測高的雷達(dá)高度計(BELA);②用來進(jìn)行電波科學(xué)研究的加速度計(ISA)和Ka頻段輻射計(MOER);③用來進(jìn)行磁場測量的磁強(qiáng)計(MERMAG);④采用一體化設(shè)計、用來攝像和對可見光與近紅外進(jìn)行分光的攝像機(jī)(SIMBIOSYS);⑤用來進(jìn)行紅外分光和攝像的紅外分光攝像機(jī)(MERTIS-TIS);⑥用來對γ射線和中子進(jìn)行檢測的γ射線和中子檢測器(MGNS);⑦用來對X線進(jìn)行監(jiān)測的X線分光光度計(MIXS)和太陽監(jiān)視儀(XIXS);⑧用來進(jìn)行紫外攝像的紫外分光攝像機(jī)(PHESUS);⑨用來對中性粒子和離子進(jìn)行檢測的中性粒子和離子檢測器(SERENA).