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(cè)器

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(cè)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(cè)器"貝皮-科倫布"(Bepi-Colombo)計(jì)劃于2015年用阿里安-5火箭發(fā)射(該任務(wù)的發(fā)射時(shí)間多次推遲,這也是國(guó)際合作項(xiàng)目中存在的普遍問(wèn)題).該探測(cè)器計(jì)劃飛行6年后飛抵水星,執(zhí)行為期1年的探測(cè)任務(wù).這也是繼美國(guó)航空航天局(NASA)水手-10(Mariner-10)探測(cè)器和"信使"(MESSENGER)水星探測(cè)器之后的又一項(xiàng)水星探測(cè)任務(wù).

1 水星探測(cè)歷史回顧

水星是一顆位于太陽(yáng)系最內(nèi)緣、在月球和火星之間,形狀很小(半徑僅2240km)的類(lèi)地行星.目前,人們對(duì)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(chǎng),內(nèi)部有一個(gè)巨大的鐵核(約占水星質(zhì)量的70%),原始太陽(yáng)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(cè)的行星.發(fā)射水星探測(cè)器,就是要利用探測(cè)器上搭載的各種遙感器,觀測(cè)水星上的固有磁場(chǎng)、磁層、大氣、重力場(chǎng)等的分布,搞清水星的形成過(guò)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(duì)解開(kāi)水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎有著深遠(yuǎn)意義.

迄今,人類(lèi)發(fā)射并成功飛越水星的探測(cè)器只有兩個(gè):一個(gè)是美國(guó)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(gè)是美國(guó)航空航天局于2004年8月3日用"德?tīng)査?火箭發(fā)射的"信使"探測(cè)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(shí)僅為327km,不僅探測(cè)到了水星上存在的磁場(chǎng),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(wàn)幅水星照片;此外,還通過(guò)對(duì)水星極區(qū)永久陰暗域隕坑的觀測(cè),以及對(duì)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(duì)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(chǎng)分布和幾何結(jié)構(gòu)等都有重要作用.

2 歐日水星探測(cè)計(jì)劃

"水星磁層探測(cè)器"(下)和"水星表面探測(cè)器"(上)在軌運(yùn)行示意圖

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

歐日水星探測(cè)計(jì)劃是利用繞水星軌道運(yùn)行的"水星磁層探測(cè)器"和"水星表面探測(cè)器",通過(guò)多角度對(duì)水星表層和內(nèi)部的磁場(chǎng)與磁層進(jìn)行綜合觀測(cè),執(zhí)行探測(cè)水星表層和內(nèi)部磁場(chǎng)及磁層分布任務(wù)的大型國(guó)際航天合作計(jì)劃.

要執(zhí)行水星探測(cè)計(jì)劃,完成繞水星運(yùn)行和探測(cè),存在一系列技術(shù)難題,其中有最兩個(gè)主要問(wèn)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(duì)水星進(jìn)行觀測(cè)任務(wù)的大型探測(cè)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(yáng)光照射強(qiáng)烈,起碼比地球上高出1個(gè)數(shù)量級(jí)(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(duì)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(méi)有這方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).然而,伴隨近年來(lái)各項(xiàng)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(gè)主要技術(shù)難題都得到了解決.

“貝皮-科倫布”水星探測(cè)器的主要性能和參數(shù)

呈對(duì)接狀態(tài)待發(fā)射的"水星磁層探測(cè)器"和"水星表面探測(cè)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(dòng)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(cè)器"隼鳥(niǎo)"(Hayabusa)等成功地應(yīng)用借力飛行和微波放電式離子發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)還將在隼鳥(niǎo)-2探測(cè)器上采用.歐洲航天局、法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)在電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)電推力器方面的經(jīng)驗(yàn)用于歐日水星探測(cè)計(jì)劃的推進(jìn)系統(tǒng),使該計(jì)劃取得了滿意的成果;面對(duì)水星上的強(qiáng)太陽(yáng)光照射,課題組開(kāi)展針對(duì)性研究,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出了一種覆在探測(cè)器側(cè)面,既能反射可見(jiàn)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(cè)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(cè)器面臨許多通常探測(cè)器所未經(jīng)歷的事件:探測(cè)器發(fā)射后要進(jìn)行長(zhǎng)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(wú)法確保探測(cè)器安全、順利抵到達(dá)水星.日本航空宇宙研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和歐洲航天局在設(shè)計(jì)、研制、發(fā)射、管控和應(yīng)用小行星探測(cè)器、火星探測(cè)器、彗星探測(cè)器,以及磁層探測(cè)衛(wèi)星等方面都積累了一定經(jīng)驗(yàn),實(shí)際開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),也取得了不斐的成果,為完成該計(jì)劃奠定了基礎(chǔ).

歐日水星探測(cè)計(jì)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(cè)器"和"水星表面探測(cè)器"作為一個(gè)一體化的"大模塊",發(fā)射時(shí)置于阿里安-5火箭的整流罩內(nèi),星箭分離后,這個(gè)一體化的"大模塊"通過(guò)電推進(jìn)模塊以電推進(jìn)方式使探測(cè)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(gè)"大模塊"完成漫長(zhǎng)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(kāi)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(gè)"大模塊"迅速降低飛行速度;再接著,"水星磁層探測(cè)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(kāi)始獨(dú)立運(yùn)行;然后,化學(xué)推進(jìn)模塊再次啟動(dòng)以降低軌道高度,確保"水星表面探測(cè)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(cè)器"和"水星表面探測(cè)器"在軌執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)間設(shè)定為4個(gè)水星年(相當(dāng)于1個(gè)地球年).

水星磁層探測(cè)器關(guān)鍵部件的配置圖

3 "水星磁層探測(cè)器"

"水星磁層探測(cè)器"是日本宇宙航空研究開(kāi)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(cè)器,在執(zhí)行對(duì)水星進(jìn)行觀測(cè)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段,轉(zhuǎn)速為15r/min.探測(cè)器本身是一個(gè)八角棱柱體,相對(duì)兩棱柱面間的距離為180cm、棱柱高為90cm.探測(cè)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(gè)分系統(tǒng)組成,質(zhì)量為275kg,自旋周期為4s.探測(cè)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(cè)器"的目的

1)探明水星上固有磁場(chǎng)的成因.通過(guò)對(duì)水星周邊的磁場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)、高準(zhǔn)確度的觀測(cè),搞清行星上磁場(chǎng)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(cè)水星磁層的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)其變化情況,掌握其生成和消散過(guò)程與原理.

4)對(duì)位于太陽(yáng)附近行星間的空間進(jìn)行觀測(cè).在地球附近是根本無(wú)法觀測(cè)到太陽(yáng)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(cè)器則可觀測(cè)到在太陽(yáng)附近的各行星間的空間及其所產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波,同時(shí)搞清其產(chǎn)生能量的過(guò)程.

"水星磁層探測(cè)器"的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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

1)探測(cè)器上配備4副長(zhǎng)度為15m、用于電場(chǎng)和電波測(cè)量用的線性天線,2副長(zhǎng)度為15m、用于磁場(chǎng)測(cè)量、可伸展的磁強(qiáng)計(jì),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(cè)器內(nèi),入軌后憑借離心力使其伸展開(kāi),進(jìn)行包括離子和電子的三維空間分布和速度分布等測(cè)量.

2)探測(cè)器設(shè)計(jì)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(yáng)輻射能量直射到探測(cè)器的上方或下方,而且還可確保即便是探測(cè)器的姿態(tài)發(fā)生變化仍可將配置在探測(cè)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(cè)器"搭載的5種有效載荷儀器及其功能

"水星磁層探測(cè)器"搭載的有效載荷儀器及其承擔(dān)的測(cè)量任務(wù)

3)在強(qiáng)太陽(yáng)光可能會(huì)直接照射到的探測(cè)器的各個(gè)面上都覆上了抗強(qiáng)照射鏡(SSM),它具備既可反射可見(jiàn)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(cè)器內(nèi)部一直保持常溫狀態(tài),使探測(cè)器內(nèi)的部件、儀器在設(shè)計(jì)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(cè)器能夠有效地測(cè)繪全球磁場(chǎng)圖譜以及對(duì)水星磁層全域進(jìn)行觀測(cè),經(jīng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)認(rèn)真研究、討論、詳盡分析和精確計(jì)算,決定使"水星磁層探測(cè)器"和"水星表面探測(cè)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(cè)."水星磁層探測(cè)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(kāi)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(jì)劃的調(diào)整,應(yīng)用時(shí)將充分利用早已建成、設(shè)在長(zhǎng)野縣臼田宇宙觀測(cè)所的64m大型天線.

4 "水星表面探測(cè)器"

"水星表面探測(cè)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(cè)器以觀測(cè)水星表面地形、精密計(jì)測(cè)水星上的礦物質(zhì)及其化學(xué)成分、重力場(chǎng)等為目的,是一顆采用三軸控制的探測(cè)器.探測(cè)器本體為1.6mX1.7mX1.9m的箱型結(jié)構(gòu),探測(cè)器的質(zhì)量為1147kg.發(fā)射時(shí)太陽(yáng)電池翼和天線等呈折疊收攏狀態(tài),入軌后分別通過(guò)伸展控制和離心力展開(kāi).探測(cè)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(cè)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(cè)整個(gè)水星的重力場(chǎng),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(guò)對(duì)整個(gè)水星表面進(jìn)行拍攝,特別是要對(duì)"信使"水星探測(cè)器未能實(shí)現(xiàn)詳細(xì)探測(cè)的南半球進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)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(cè)器上所搭載的各種有效載荷儀器對(duì)整個(gè)水星表面的紅外到紫外進(jìn)行分光,以及對(duì)X射線、γ射線和中子進(jìn)行觀測(cè)的同時(shí),直接計(jì)測(cè)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(guò)對(duì)γ射線和中子進(jìn)行觀測(cè),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(cè)器示意圖

"水星表面探測(cè)器"的主要部件和有效載荷配置圖

"水星表面探測(cè)器"的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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

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

2)探測(cè)器不僅進(jìn)行了縝密的耐熱設(shè)計(jì),還進(jìn)行了精確地姿態(tài)控制,有效地控制探測(cè)器使其耐熱性能強(qiáng).覆蓋熱屏蔽的那個(gè)面一直對(duì)準(zhǔn)強(qiáng)太陽(yáng)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(cè)器本體內(nèi)的溫度都能保持在要求范圍內(nèi),確保探測(cè)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(cè)器"進(jìn)行協(xié)調(diào)觀測(cè),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(jì)算確定"水星表面探測(cè)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(gè)飛行階段,"水星表面探測(cè)器"和"水星磁層探測(cè)器"、電推進(jìn)模塊、化學(xué)推進(jìn)模塊組成一個(gè)一體化的"大模塊","水星表面探測(cè)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(cè)器"和"水星磁層探測(cè)器"分離,兩個(gè)探測(cè)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(guó)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(cè)器"進(jìn)行協(xié)調(diào)觀測(cè),獲取更多與水星表面地形,精密計(jì)測(cè)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(chǎng)分布等,將"水星表面探測(cè)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(cè)器上配備了11種有效載荷儀器,執(zhí)行9種觀測(cè)任務(wù):①用來(lái)測(cè)高的雷達(dá)高度計(jì)(BELA);②用來(lái)進(jìn)行電波科學(xué)研究的加速度計(jì)(ISA)和Ka頻段輻射計(jì)(MOER);③用來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的磁強(qiáng)計(jì)(MERMAG);④采用一體化設(shè)計(jì)、用來(lái)攝像和對(duì)可見(jiàn)光與近紅外進(jìn)行分光的攝像機(jī)(SIMBIOSYS);⑤用來(lái)進(jìn)行紅外分光和攝像的紅外分光攝像機(jī)(MERTIS-TIS);⑥用來(lái)對(duì)γ射線和中子進(jìn)行檢測(cè)的γ射線和中子檢測(cè)器(MGNS);⑦用來(lái)對(duì)X線進(jìn)行監(jiān)測(cè)的X線分光光度計(jì)(MIXS)和太陽(yáng)監(jiān)視儀(XIXS);⑧用來(lái)進(jìn)行紫外攝像的紫外分光攝像機(jī)(PHESUS);⑨用來(lái)對(duì)中性粒子和離子進(jìn)行檢測(cè)的中性粒子和離子檢測(cè)器(SERENA).