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水星是距離太陽最近的大行星，也是太陽系中的四顆類地行星之一。由于水星距離太陽太近，設(shè)計一條能夠安全靠近水星的飛行軌道相當(dāng)困難。歷史上，僅有兩艘飛船——美國的“水手10號”和“信使號”曾經(jīng)成功地對水星進行過探測。而探測水星的軌道難題，則是由意大利數(shù)學(xué)家和工程師貝皮·科倫布（Giuseppei（Bepi）Colombo）初步解決的。10月20日，以這位科學(xué)家的名字命名的飛船將會使用先組合飛行、再分頭探測的方式，開始對水星的又一次探測，試圖解開關(guān)于這個行星的種種謎團。

獨特的飛行方式

貝皮·科倫布飛船是一艘由歐洲空間局和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)合作研制的探測器。飛船由四部分組成：水星行星軌道器（MPO），負(fù)責(zé)在高度較低的軌道上對水星表面和水星磁場進行高精度、多波段的探測；水星磁層軌道器（MMO），負(fù)責(zé)在環(huán)繞水星的橢圓軌道上對水星磁層進行探測；水星轉(zhuǎn)移艙（MTM），負(fù)責(zé)在飛船進入水星軌道前的行星際飛行中，為飛船提供推力和電能供應(yīng)；MMO遮陽罩與接口結(jié)構(gòu)（MMOIF），在組合飛行過程中保護MMO不因劇烈的太陽輻射而損壞，同時為MMO提供供電接口。

貝皮·科倫布飛船已在10月20日在位于法屬圭亞那的庫魯航天發(fā)射中心，由阿里安5火箭發(fā)射升空。在發(fā)射后的7.2年時間里，它將借助自身的動力和地球、金星和水星的引力到達預(yù)定的環(huán)繞水星的工作軌道，整個過程將飛掠地球一次、金星兩次和水星六次。在飛往水星的過程中，貝皮·科倫布飛船的四個部分結(jié)合成一個整體，整個飛船的推力和供電都由MTM提供。而當(dāng)貝皮·科倫布飛船完成行星際飛行并接近水星時，MTM首先從飛船上分離，剩余三個部分的組合體將進入環(huán)繞水星極區(qū)的軌道。借助MPO提供的推力，三個部分的組合體隨后會進入一條590公里×11640公里的橢圓軌道。在這里，MMO與組合體分離，開始自身的工作，而MMOIF在此時也完成了任務(wù)。之后，MPO會再次利用自身的推力，降低自己的高度，進入480公里×1500公里的軌道，并在接下來3個月的時間里再對軌道進行精細(xì)的調(diào)整，才會最后開始執(zhí)行自己的探測任務(wù)。按照計劃，MMO和MPO將在水星附近工作一個地球年。如果一年后它們的狀況都不錯，還會再進行一年的擴展任務(wù)。

▲ 水星磁層軌道器MMO（左）和水星行星軌道器MPO（右）

由于水星距離太陽實在太近，進入一條環(huán)繞水星的穩(wěn)定軌道是相當(dāng)困難的，其所需要的能量甚至比飛往遙遠(yuǎn)的冥王星所需的能量還要多。除了在軌道設(shè)計上使用借力飛行的方法節(jié)省能量外，貝皮·科倫布飛船還采用了離子電推進技術(shù)來進一步提高推進效率。和我們常見的使用化學(xué)燃料產(chǎn)生推力的發(fā)動機相比，采用離子推進技術(shù)的發(fā)動機可以使用電磁場把離子加速到相當(dāng)高的速度，消耗的燃料重量則大大減少，從而可以分配更多的質(zhì)量給進行科學(xué)探測的有效載荷使用。但是，由于目前的離子電推發(fā)動機瞬時輸出的推力較小，因此需要在飛行的過程中持續(xù)工作。

▲ 貝皮·科倫布探測器的組成，最上方的是水星磁層軌道器MMO，在其下方的是太陽光防護盾和內(nèi)部互聯(lián)模組MMOIF，再下方的是水星行星軌道探測器MPO，最下方的是水星轉(zhuǎn)移推進器MTM。其中水星磁層軌道器MMO和水星行星軌道器MPO是探測水星的中堅力量，太陽光防護盾和內(nèi)部互聯(lián)模組MMOIF以及水星轉(zhuǎn)移推進器MTM只是前往水星的輔助設(shè)備

應(yīng)對高溫的特殊設(shè)計

離子電推發(fā)動機和飛船其他部分在行星際飛行中的電能供應(yīng)，來自于MTM上部署的面積高達42平方米的太陽能電池帆板。之所以布置面積如此巨大的太陽能帆板，是為了同時保證供電和保護太陽能帆板的安全。按照直覺，距離太陽越近似乎越容易從太陽能中獲取電力。然而，太陽輻射的炙烤所產(chǎn)生的高溫也會阻礙太陽能帆板的正常工作，甚至將其損壞。因此，除了在帆板上加裝防熱涂層等措施外，在距離太陽較近時，太陽能帆板將不會正對太陽，而是會轉(zhuǎn)過一個角度，傾斜著工作。在這種情況下，能夠產(chǎn)生電能的有效面積將會減少，因此必須使用較大的面積才能保證供電充足。

由于距離太陽很近，水星表面的最高溫度可達400多攝氏度?？拷潜砻婀ぷ鞯腗PO，除了會受到來自太陽的炙烤外，還要經(jīng)受水星表面高溫帶來的特殊環(huán)境的考驗。為了保證儀器在合適的溫度下工作，MPO上安裝了直徑與阿里安火箭的整流罩直徑基本相當(dāng)?shù)拇笮蜕崞?。在飛船內(nèi)部布置的熱管系統(tǒng)的協(xié)助下，這個散熱器可以將飛船儀器本身在工作時所產(chǎn)生的熱量和太陽與水星帶來的熱量散發(fā)出去。MPO采用三軸穩(wěn)定方法控制姿態(tài)，在工作過程中大部分科學(xué)儀器將朝向水星表面工作。儀器精度越高，其安裝位置距離散熱器的距離就越近，以保證精密儀器對環(huán)境溫度的較為苛刻的要求。

▲ 熱真空罐里測試中的水星行星軌道器MPO

MMO則采用自旋穩(wěn)定的方式來控制姿態(tài)。在工作時，其自旋軸的方向與水星的公轉(zhuǎn)軌道面垂直，這樣，MMO的頂部和底部就不會沖向太陽而受到灼燒。在MMO的側(cè)面上，貼合了為它供電的太陽能電池板和反射太陽輻射的反射鏡。有如在烤乳豬時要不斷旋轉(zhuǎn)烤架上的乳豬，以讓各部分均勻受熱來烤出外焦里嫩、口感理想的乳豬一樣，MMO自旋穩(wěn)定的工作方式也可以使各部分接替承受太陽輻射，從而不會出現(xiàn)某一部分過熱的現(xiàn)象。在“貝皮·科倫布”作為一個整體編隊進行行星際飛行的過程中，MMO不能旋轉(zhuǎn)，因此特別為其設(shè)計了遮陽罩MMOIF，來保證它的安全。 今年6月，MMO還獲得了“澪”(Mio)的昵稱。在日語中，“澪”的意思為“水道、航道”。設(shè)計者們希望這個昵稱能讓MMO像一艘順?biāo)叫械拇灰粯?，平安地完成它的探測任務(wù)。

▲ 水星磁層軌道器

▲ 整流罩中的貝皮·科倫布探測器

▲ 試驗中的MPO

▲ 試驗中的MMO

潛在的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

2004年發(fā)射、2011年到達水星的“信使號”采用了一條大橢圓軌道環(huán)繞水星工作，距離水星表面的最近距離為200公里，最遠(yuǎn)距離為15000公里。這樣的軌道可以使“信使號”只有一小段時間靠近水星表面工作，以免受水星炙熱表面的損害。然而，如此的軌道設(shè)計使得“信使號”不能充分觀察水星表面的細(xì)節(jié)，在作出諸多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的同時也提出了更多需要進一步探索的問題。“貝皮·科倫布”采用兩個探測器在距離水星較遠(yuǎn)和較近的地方同時進行觀測，有望解決“信使號”探測未能解決的問題。

在四顆類地行星中，只有地球和水星存在內(nèi)稟磁場。在沒有太陽上噴射出的等離子體流——太陽風(fēng)吹拂時，內(nèi)稟磁場呈現(xiàn)偶極磁場的形狀，和一顆磁鐵棒所形成的磁場類似。在太陽風(fēng)的吹拂下，原本對稱的磁場結(jié)構(gòu)被太陽風(fēng)改變，朝向太陽的一面磁力線被壓縮，而遠(yuǎn)離太陽的一面，磁力線則被太陽風(fēng)拉扯向遠(yuǎn)處，形成磁層結(jié)構(gòu)。在“信使號”的探測中，已經(jīng)確認(rèn)了水星磁場的強度約是地球的百分之一，但也形成了磁層。同時，水星磁場的中心和水星的幾何中心存在0.2個水星半徑的偏離，搞清這個偏離的原因?qū)韺λ莾?nèi)部結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識。MMO和MPO上都裝備了探測衛(wèi)星所在位置磁場情況的儀器。MMO可以利用其高度變化較大的橢圓軌道在水星磁層內(nèi)外穿行，能夠探明水星磁層不同位置的磁場情況。此外，MMO還會飛出水星磁層，對吹拂水星的太陽風(fēng)進行直接探測。這一方面能夠使科學(xué)家們搞清促使水星磁層形成的外部條件，另一方面也能使科學(xué)家們對太陽風(fēng)距離太陽較近時的性質(zhì)有新的認(rèn)識。 而MPO在距離水星表面較近位置的磁場探測，則能和MMO的數(shù)據(jù)一起構(gòu)成水星磁場的全貌，并提供水星磁場起源的線索。

▲ 測試

▲ 吊起來的水星磁層軌道器MMO，右側(cè)的是水星轉(zhuǎn)移推進器MTM

▲ 廠房測試

和地球這個存在幾大地質(zhì)板塊的行星不同的是，水星的殼層是一個整體。通過分析“信使號”的探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家門發(fā)現(xiàn)水星竟然在不斷“萎縮”，其半徑正以每年7公里的速度減小。由于“信使號”靠近水星表面時所在的位置都在水星的北半球，因此南半球的探測數(shù)據(jù)還是空白。MPO上安裝了激光測高儀和各個波段的高分辨率成像儀器，可以對南北半球的地質(zhì)地貌特征進行更加精細(xì)的探測，來為科學(xué)家們揭開水星“萎縮”之謎提供證據(jù)，也可以讓科學(xué)家們更深入的認(rèn)識這種不存在板塊結(jié)構(gòu)的“一體式”行星的特點。

和地球大氣層一樣，水星的大氣層也存在著一個由大氣層向太空中的真空環(huán)境過度的“外逸層”。外逸層長期處于變化的狀態(tài)之中，影響其性質(zhì)的原因多種多樣。“信使號”的探測數(shù)據(jù)表明，水星外逸層的性質(zhì)與我們目前使用的標(biāo)準(zhǔn)模型不大一致。MPO中的局地探測儀器將可以直接測量外逸層的密度、成分等參數(shù)，讓我們了解太陽輻射、太陽風(fēng)壓和微流星的撞擊對外逸層變化的影響程度，以及外逸層在日間和夜間的變化等問題。

除了行星物理外，“貝皮·科倫布”還將在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域進行激動人心的實驗。按照愛因斯坦的廣義相對論，像太陽這樣質(zhì)量很大的物體將引起時空的彎曲，這種時空彎曲可以通過空間中傳播的無線電信號的頻移識別出來?！柏惼ぁた苽惒肌痹谂c地球通信的過程中，其無線電的頻移情況就可以用來進行廣義相對論的研究。此外，水星的實際軌道變化情況和使用經(jīng)典牛頓力學(xué)計算的理論值存在偏差。按照愛因斯坦的廣義相對論解釋，造成這種差異的原因也是太陽引起的時空偏差?！柏惼ぁた苽惒肌睂πl(wèi)星所在位置的測量精度可達15厘米，還可以通過安裝的加速度計測量自身的受力情況，從而可以精確的推定水星的位置，為驗證水星軌道變化與相對論的關(guān)系帶來數(shù)據(jù)。