“贝皮科伦布”的水星探测之旅

肖沐

太空刹车，进入轨道

欧洲当地时间4月10日，执行水星任务的“贝皮科伦布”探测器近距离掠过地球，借助地球引力成功进行了计划中的第一次太空刹车，并且发回了一组地球照片。“贝皮科伦布”是人类历史上第2个水星专用探测器，它将跨越70亿千米的旅程，于2025年抵达水星轨道。

水星是距离太阳最近的行星，同时是太阳系内被探索次数最少的行星，抵达水星的能量耗费是到火星的8倍，而且需要更长的时间。水星距离太阳最近，所以公转速度最快，同时质量很小，引力和引力影响范围都极小。

航天器离开地球沿内层轨道飞向水星时，会受太阳的强大引力不断加速，越飞越快，但是很难被水星引力捕获，如果不在适当的时机刹车减速，可能无法进入水星轨道，而是会一头栽进太阳火海里。单靠推进器反向减速的方式无法实现这样的刹车，但科学家们设计出利用引力弹弓效应减速的方法帮助航天器到达目的地。

“贝皮科伦布”使用了先进的太阳能离子推进器，将绕行地球轨道1次、金星轨道2次、水星轨道6次，同时通过9次近距离掠过三大行星，借助它们的引力作用来减速和改变航迹，从而抵挡太阳的巨大引力，最终滑入稳定的水星轨道。

抵达水星需要高难的技术和专业操作技能，向金星和水星借力需要等待适当的时机，因此，“贝皮科伦布”任务几经推迟才终于万事俱备，在2018年10月20日的短暂窗口期发射升空，开始了7.2年的水星旅程。

过去一年多时间中，“贝皮科伦布”在近地球环日轨道上绕行一周，在4月10日抵达指定位置，完成首次和唯一一次的飞掠地球，进一步向太阳系内部移动。飞掠地球时，科学家们向“贝皮科伦布”上传命令，使用地球和月球作为测试对象，进行飞船仪器的开启和校准，并开展了一些太阳风与地球磁场相互作用的测量研究。

有备而来，远航无忧

“贝皮科伦布”由日本宇宙航空开发机构和欧空局合作研制，欧空局成员国中的12个国家、30多个公司参与了项目。除此之外，美国和俄罗斯也研制并提供了仪器。这是人类首次采用不同任务探测器组成编队来探测水星。

飞船由2个探测器、水星转移模块和太阳防护罩组成。2个探测器中，水星行星轨道探测器由欧空局研制，携带11台科学探测仪器，主要科学任务是观测水星表面地形、重力场，精密计测水星矿物质的化学成分;对水星成分进行测绘，研究水星表面和内部成分;研究水星磁场环境、行星与太阳风交互以及大气外层的化学组成。

水星磁层轨道器由日本宇宙航空开发机构研制，装有5臺科学载荷，将对水星的表面、内部及磁场等进行综合观测。这不仅有利于认识水星磁场、磁层的分布，还能通过分析比对，加深对地球乃至宇宙间各种磁层的了解。同时它还将观测水星的大气和地形，关注水星的地表组成和变化过程，以深入了解水星的特异结构，探索水星形成之谜。

水星环境非常恶劣，探测器绕水星轨道飞行将承受强烈的太阳辐射和高温炙烤，如同“飞进比萨烤箱”。在那里，每平方米面积会受到1.4万瓦热量的侵袭，是地球轨道上的10倍，这对探测器的温度控制、姿态控制和辐射防护提出了非常苛刻的要求。

“贝皮科伦布”为此做了周全的设计，采用了新设计的多层隔热技术，最外层由陶瓷纤维制成。水星转移模块的太阳能电池板由60%的镜片和40%的特殊电池组成，镜片用于反射热量，使它能在更高温度下工作。水星行星轨道探测器上的散热器能快速散出太阳传导过来的热量，还能散出在飞掠行星时从行星反射过来的热量。八棱柱状的水星磁层轨道器将用每分钟15转的速度自转，以保证不会被太阳的热量损坏。据悉，“贝皮科伦布”在2025年抵达水星后，将释放2个探测器进入各自轨道，协作开展为期1年的水星探测任务。

（本文摘编自《中国航天报》飞天科普周刊）