比皮科伦坡号:第三个飞向水星的探测器

Space Exploration - - 深空探测专题 - □思飞

据今年7月有关媒体报道,日本宇宙航空研究开发机构和欧空局宣布,日欧共同制定的水星探测器比皮科伦坡计划将延迟至 2018 年 10月发射。这引起了一些人们对用航天器探测水星的兴趣和关注。

人类至今仅发射了两个航天器对水星进行了探测,并获得一定成果,明年升空的比皮科伦坡探测器是第三个飞向水星的航天器。

最靠近太阳的行星

水星是离太阳最近的一颗行星,没有天然卫星,它到太阳的平均距离为5791万千米,平均直径4879千米,约是地球的三分之一。论个儿大小它在太阳系八大行星中排行老末,但平均密度却达每立方厘米5.46 克,仅次 于地球,位居第二。由此计算下来,水星的体积和质量都是地球的5.6%左右。

比起所有大行星来说,水星的绕日轨道显得特别扁长,近日点和远日点的距离竟然相差 2400 千米。由于太阳引力对水星的作用格外强大,因而其公转速度也就特快,在轨道上的平均运动速度为每秒 47.89 千米,比地球的每秒 29.8千米快得多,这使它成为太阳系中运动速度最快的行星。水星环绕太阳公转周期为 87.969 个地球日,还不到地球上的三个月。在

八大行星中,水星年是最短的。

公转一周用时最短的水星,其本身自转一周却需要 58.65 个地球日。不难发现,水星在自转三圈的时间里,它也正好绕日运转两圈,其自传周期和公转周期的时间恰是2:3 的关系,即自转周期恰是公转周期的三分之二。这也就是说,水星上一年中只有1.5天,两个水星年与三个水星天的时间相等。

需要指出的是,水星自转一周并不等于一昼夜,由于存在2:3 的周期关系,结果形成水星 87.969 天白昼和 87.969 天黑夜的更替往复。可见水星自转三周才完成或呈现一次昼夜循环。

作为类地行星的水星,有些物理参数接近地球,如密度和年龄,其表 面形状和对阳光反射率又类似月球,故而对其探测和研究,可以帮助人类深化对地球和月球演变历史与趋势的认识。

“水手10号”初探水星

20世纪人类只向水星发射过“水手 10号”一个航天器。美国研制的这个重 503千克、装备有紫外线分光仪、磁力计、粒子计数器、电视摄像机等仪器的探测器,于1973 年 11 月3日发射升空,最终进入一条绕日运行的周期为176天的椭圆轨道。该轨道的近日点与水星公转轨道的远日点交会,以使航天器能对水星进行探测,由于“水手10号”对水星采用飞掠式探测方式,故而探测次数有限。

“水手10号”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日三次飞经水星,对水星进行了探测, 最近时距离水星仅为327千米。它共向地球发回 5000多张照片,覆盖了水星近约一半的表面,分辨率达1000米。照片用电波发回地球经用计算机强化处理合成出水星的半球景象后,使科学家们对水星获得了新的认识。

照片表明,水星表面酷似月球,密布着大大小小的环形山,保持着早期曾遭陨石轰击的记录,其周围仍有明显的辐射条纹,证明未经风化,亦即水星大气非常稀薄。以水星北纬30度、西经 195度为中心,有个名为卡路里的盆地,直径达 2600 千米。在水星表面未曾看到被侵蚀过的痕迹,说明它不存在水。

由于大气稀薄和无水,故而水星是个高温和干燥的天体。正午时其赤道地区温度可达430℃,而到夜晚,长时间的热量散失致使最低可达-180℃。在这种环境下自然没有生命存活。

“水手10号”还发现水星有磁场。虽然其磁场强度仅为地球磁场的百分之一左右,但磁场位形与地球相似,也是偶极场。同时,由于太阳风中带电粒子的压力,使水星磁场发生变化,也形成一个与地球类似的磁层。

鉴于水星密度较大,有的科学家估计,它的内部有一个铁核,铁核外部是 500 ~ 600千米的岩石壳体。

“信使号”飞探水星

美国于2004年8月3日发射了信使号水星探测器。该探测器重507.9 千克,高 1.42 米,宽 1.85 米,长 1.27米,由两个砷化镓太阳能帆板和一块镍氢电池提供动力,并携带着摄像机、磁力计、激光高度计、X射线分光仪、γ射线分光仪、高能粒子分光仪、大气和表面成分分光仪共七种科学仪器。科学家们希望它能绘制水星表面地图、磁场,探测大气中的气体、地壳中的各种元素组成成分等。

按照计划,“信使号”发射升空后,要相继飞掠地球1次、金星2次、水星3次,借助这3颗行星的引力以减速,最终进入水星轨道运行。经近7年时间在太空疾驰88.4亿千米之后,它于 2011 年 3月转入环绕水星的椭圆轨道飞行,开始其1年时间的探测工作。选择这样一条迂回线路的目的,就是为了免带实现制动减速的额外燃料,从而降低成本。

三次飞掠水星

在飞掠地球1次、金星2次且行程过半之后,“信使号”于2008 年1 月 14日第一次飞掠水星。当时,它从距离水星表面200千米的高度掠过,借助水星引力将飞越速度由每秒7.15千米减为每秒 2.24千米,并及时进行观测,拍摄了 1200 多张水星图片,记录了一些以前从未见到的地形。其携带的科学仪器首次探测了水星表面的矿物化学组成,研究了水星磁场和引力场情况,还对水星环境等进行了探测。根据“信使号”提供的数据资料,科学家们在水星一处盆地周围发现了火山口存在的证据、证明火山活动在水星表面平原形成过程中起了重要作 用;水星表面除了平原,还存在褶皱、断层等其他多种地形。

2008 年 10 月 6日,“信使号”第二次飞掠水星,首次窥见了水星西半球的真面目,对此前未被观测面积的 30%进行了拍摄,传回地球1200多幅水星表面照片。更重要的是,它的激光高度计还获得了水星的地形测量数据。这使科学家们能够首次把水星表面的高清晰度地貌图片和高分辨率地形测量数据联系起来,对水星地表地质进行研究,并发现水星表面各处的地质年代更趋一致,且遍布坑洞。在一些大型的撞击盆地内部或盆地之间,还分布着火山活动形成的大片平原。尤为令人注目的是,竟然发现了一个直径为750千米被命名为伦勃朗的盆地。科学家们认为,该盆地可能是 40亿年前外来物频繁撞击水星时期形成的。在第二次飞掠水星过程中, “信使号”还用分光仪对水星大气层最外圈进行了观测,并搜寻到钠、钙、镁以及氢原子的踪迹,其中镁是首次得到确认。

综合“信使号”两次近距离飞掠水星和“水手10 号”3次探测水星共拍摄的 7400多张照片及获得的相关 数据,它们已观测到水星约95%的表面积。对比“信使号”两次飞掠所得的水星磁层圈观测数据,科学家们对水星内部磁场有了新的认识,还发现了水星磁层圈的一些新特征。由于“信使号”第一次和第二次是分别飞掠水星的东半球和西半球,故使科学家们发现这颗行星的磁场是高度对称的。

本来,水星白天温度很高,其重力加速度又较小,仅为地球的38%,这使水星大气层非常稀薄,如无物质补充,大气层早就消失了。科学家们根据“信使号”两次探测发现的水星磁场位形,经研究后认为,太阳风到达水星磁场时,风中的带电粒子会受到水星磁场的作用力,其运动方向会有所偏转,本应无法到达水星表面。不过,太阳风自身的磁场会与水星磁场相互作用,扭曲成漩涡状结构,这便是被称作通量传输事件的天文学现象。这种磁场重联现象,虽然地球也有,但“信使号”的观测表明,水星发生的频率比地球高10倍。该种情况出现时,使一部分太阳风中的带电粒子可以到达水星表面,可将足够的能量传递给水星表面粒子,使后者脱离水星表面,逃逸到水星大气中。这就是说,

太阳风可能是水星大气层不断得到物质补充的重要原因。

“信使号”在2009年9月29日第三次飞掠水星,又拍摄了水星的一些以前从未观测过的地方的照片,使得水星表面测绘面积扩大到98%。此次探测发现,水星有一处中间凹陷、四周明亮的区域,科学家们分析认为,这可能是火山遗迹。同时发现一个直径达 290千米的巨大双环撞击盆地。还在水星表面发现了大量的铁和钛。另外“信使号”还对水星外大气层进行了更为细致的观测。2009年 11 月3日,美国宇航局发布消息说,根据“信使号”三次飞掠水星所进行的探测,科学家们已经获得了一幅几近完整的水星表面图像。

全面考察水星

在地面测控中心的管理下,“信使号”于 2011 年 3 月 18日进入一条 短半径为 201千米、长半径为 15000千米的椭圆轨道绕水星运行,绕行一周为 12小时,成为水星的第一颗人造卫星,能对水星整个表面进行拍摄、测绘和遥感考察。同年 3 月 24 日,科学仪器开始工作,3月 29日第一张从轨道上空拍摄的水星图像传回地球。由于水星上的太阳光比地球阳光强约11倍,为了保证“信使号”能完成为时 12个月的探测任务,给其携载的科学仪器都安装了隔热层。在执行任务期间,“信使号”传回地面的大量照片已制作成整个水星表面的高分辨率的彩图,通过激光高度计提供的数据资料已绘制成水星表面的三维图像,磁力计的探测结果揭示了水星的磁场之谜,4种分光仪的测量给出了水星空间及其表面的元素比例和表面岩石的组成。2012年 11月,在“信使号”超期服役8个月后,美国宇航局宣布在水星极地同时发现了水冰和含碳焦油状有机化合物分子的证据,在这些地区,最深的火山口内部温度通常能达到-200℃。这一证据表明,水星像地球一样,在太阳系形成初期,也被富含水的彗星和矿物丰富的小行星多次撞击。

最后硬着陆于水星

在超期服役期间,“信使号”又被指派观察和预测2012 年太阳活动极大期。后者是指太阳11年活动周期中,其局部磁场强度、黑子、耀斑和日冕数量呈现最高值的时候。对这些太阳活动的主要指标,“信使号”都获得了有关的信息。2013年11月,“信使号”又成为几个用来观察并拍摄彗星2P/恩克和彗星C/2012S1的探测器之一。另一项拓展任务原计划持续到 2015 年 3 月,具体是对盛满冰块的撞击坑和水星北极的地貌拍摄特写照片,地面己收到了水星的高分辨率图像。

离开地球十余载之后,“信使号” 燃料即将耗尽,地面人员对它实施最后一次轨道调整,使其于 2015 年 5月 1日凌晨,按预定轨道以超过11倍声速的速度坠入水星北极区域地区,完成最终使命。在这一撞向水星的硬着陆过程中,“信使号”虽然离开人们的视野,但科学家们与其保持联系,不断收集相关数据,尤其是研究撞击出来的坑洞所带来的新信息、新意义,以此加深对水星的认识。

“比皮科伦坡”又访水星

目前日本和欧空局正在联合开展水星探测器的研制工作,其名称就叫做“比皮科伦坡”,由轨道器、推进舱 / 运输舱和太阳防护罩组成。轨道器有两个,分别为欧空局研制、重500 千克、携带11种仪器设备的水星行星轨道探测器和日本宇宙航空研究开发机构研制、重250千克、携带5种仪器设备的水星磁层轨道探测器。推进舱上的 4 台 T6离子电推进器,直径 22厘米,由英国提供。“比皮科伦坡号”经一再推迟后原计划于2017年 1月用俄罗斯联盟号火箭在哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射,但因为探测器尺寸太大,因而选择了成本更高的欧洲研制的阿里安5型火箭于下一个发射窗口期间的2018 年 10月在南美洲的法属圭亚那发射升空。由于最终研制成功的有效载荷质量、形状的变更和发射窗口期时间有限的原因,另选运载火箭和推迟发射时间乃是正常的事情。

“比皮科伦坡号”发射升空后,探测器会先到金星,然后回到地球,再去水星,预计飞行近7.2 年后,于2025 年 12月到达水星,对水星进行环绕探测。同时发射2个探测器绕水星飞行,对水星的表面、内部及磁场等进行综合观测,探寻水星的基本情况和形成过程。其探测成果,尚需人们拭目以待。★

▲比皮科伦坡号水星探测器(上方是欧空局研制的水星行星轨道探测器,下方是日本研制的水星磁层轨道探测器)

▲ 水手 10号拍摄的水星照片

▲ 水手 10号探测器

▲ 信使号水星探测器 ▲ 信使号第一次飞过水星时拍摄的水星表面照片

▲ 水星色彩(影像资料来自“信使号”的全球影像数据库)

▲ 由“信使号”两个水星年的观测制作的水星表面温度分布图,显示出环形山的内部存在着较冷的区域,蓝色代表着温度最低的地方

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