七步打造一艘水星飛船

□ 謝 懿/編譯

怎么樣才能造一艘飛船，讓它能夠經(jīng)受得住比在地球軌道上強(qiáng)10多倍的太陽(yáng)光照，忍受得了足以讓鉛熔化的高溫？回望2000年底貝比科隆博水星探測(cè)任務(wù)被選中之時(shí)，沒有人確切知道答案。

對(duì)于貝比科隆博水星探測(cè)任務(wù)（BepiColombo），歐洲空間局（ESA）不僅必須拓展了已有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的極限，還不得不研發(fā)新的設(shè)計(jì)思路。去往水星本身就是一個(gè)大挑戰(zhàn)：需要新一代的高效電推進(jìn)系統(tǒng)，它要能夠輸出進(jìn)入軌道所需的數(shù)萬個(gè)小時(shí)的推力。

為此有一個(gè)龐大的科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)在為之工作，在各大領(lǐng)域都有大量的技術(shù)需要開發(fā)和測(cè)試。“貝比科隆博”其實(shí)是一個(gè)三合一的探測(cè)器，包含了一個(gè)由歐空局制造的水星軌道器（MPO）、一個(gè)由日本制造的水星磁層軌道器（MMO）以及由歐空局制造負(fù)責(zé)在行星際空間來運(yùn)送前兩者的水星運(yùn)輸模塊（MTM）。

“貝比科隆博”將會(huì)成為自美國(guó)航宇局（NASA）20世紀(jì)70年代的“水手”10號(hào)和現(xiàn)在的“信使”號(hào)之后第三個(gè)造訪水星——太陽(yáng)系中最靠近太陽(yáng)的行星探測(cè)器。但與飛掠水星的“水手”10號(hào)以及在一個(gè)大橢圓軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的“信使”號(hào)比起來，“貝比科隆博”會(huì)以更近得多的距離來審視水星。

“貝比科隆博”環(huán)繞水星的概念圖

雖然“貝比科隆博”的水星磁層軌道器也會(huì)進(jìn)入一條橢圓軌道，但將對(duì)水星進(jìn)行測(cè)繪的水星軌道器則會(huì)進(jìn)入距離水星熱輻射表面400千米以內(nèi)的范圍。在特定的軌道位置上，它會(huì)處于太陽(yáng)和水星之間，不得不忍受高達(dá)450℃的酷熱。

第1步：保持涼爽

熱控制問題主導(dǎo)著“貝比科隆博”的設(shè)計(jì)。如果你把它劈開，就會(huì)看到錯(cuò)綜復(fù)雜的導(dǎo)熱管。在許多之前的任務(wù)身上已經(jīng)使用了這一方案。它們就像封閉循環(huán)的人類汗腺，其中裝有液體，其蒸汽會(huì)把過剩的熱量從水星軌道器向陽(yáng)側(cè)輸送到朝向深空的輻射板。在那里蒸汽隨即液化，使得整個(gè)循環(huán)過程再次開始。導(dǎo)熱管可以使得水星軌道器的內(nèi)部保持在和室溫相當(dāng)?shù)乃健?/p>

“貝比科隆博”探測(cè)器的概念圖

“貝比科隆博”是一個(gè)三合一的探測(cè)器

但新的問題是這一輻射器的大小（約4米長(zhǎng)、2米寬）以及它所需要面對(duì)的工作限制。這些輻射板必須要在低溫的陰涼處才能工作。如果它們持續(xù)被陽(yáng)光或者是來自水星表面的紅外輻射所照射，就會(huì)罷工。

于是，“貝比科隆博”不得不研發(fā)出一套獨(dú)特的涂層百葉窗，它能防止輻射器“直視”下方炙熱的水星，同時(shí)又讓其自身的輻射散逸到冰冷的太空中去。

第2步：材料問題

然而，上一步僅僅是排出“內(nèi)熱”，如果能讓“貝比科隆博”不產(chǎn)生熱量豈不是更好。這一真正的技術(shù)挑戰(zhàn)就在于尋找新的外部材料，它能夠抵御比地球軌道上強(qiáng)10倍的太陽(yáng)輻射和溫度。

這包括了天線、太陽(yáng)能板和相關(guān)的太陽(yáng)跟蹤傳感器、機(jī)械裝置、導(dǎo)熱管輻射器以及多層保護(hù)絕緣。在2001年初歐洲空間局便為“貝比科隆博”啟動(dòng)了一個(gè)關(guān)鍵的材料技術(shù)項(xiàng)目。其空間材料和成份部門的材料評(píng)估和輻射效應(yīng)科十年來一直在忙于檢測(cè)新材料。由于之前對(duì)于如此嚴(yán)苛的環(huán)境沒有任何經(jīng)驗(yàn)，這已經(jīng)成為了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。歐洲空間局最深入太陽(yáng)系腹地的是金星快車探測(cè)器，但它應(yīng)對(duì)的只是2倍于地球軌道的太陽(yáng)輻射而非水星處的10倍。

“貝比科隆博”上由歐洲空間局制造的水星軌道器

第3步：耗時(shí)測(cè)試

歐洲空間局的材料工程師也參與到了“貝比科隆博”中，因?yàn)樗麄冎朗裁床牧蠒?huì)是理想的候選者以及哪些相關(guān)領(lǐng)域也許能提供有用的技術(shù)，例如噴氣引擎渦輪的保護(hù)涂層。然而，測(cè)試這些新技術(shù)、改造已有的設(shè)施需要數(shù)年的時(shí)間。

當(dāng)你把光和熱的強(qiáng)度增大到之前實(shí)驗(yàn)室所用的10到20倍時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)故障。歐洲空間局的材料專家不得不應(yīng)對(duì)類似燈座和反射鏡融化這樣的問題，但他們還是成功建造了一些具有代表性的模擬室，例如協(xié)同溫度加速輻射設(shè)施。

科學(xué)家們需要能夠預(yù)言所有被研究的材料在其壽終正寢時(shí)的情況。在多年強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射下，這些材料對(duì)于該任務(wù)至關(guān)重要的特性會(huì)如何改變？反射涂層是否會(huì)褪色，多層絕緣材料是否會(huì)開裂，太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)化和熱輻射效率是否會(huì)降低？

“貝比科隆博”暴露在陽(yáng)光下的總時(shí)間相當(dāng)于100,000個(gè)小時(shí)。通常，為了加速壽命測(cè)試需要升高照明的亮度，但是把輻射能流密度從11倍于太陽(yáng)常數(shù)提升到30或者40倍并非易事。由于非線性效應(yīng)，其精度存在不確定性——材料可能會(huì)因?yàn)槎喾N原因而意外失效。

水星軌道器和水星磁層軌道器將分別在不同的軌道上探測(cè)水星及其周圍的環(huán)境

“貝比科隆博”上由日本制造的水星磁層軌道器

為金星快車而做的材料壽命估計(jì)為此提供了一個(gè)切入點(diǎn)。這一設(shè)計(jì)壽命5年的任務(wù)目前狀態(tài)依然良好，證明其團(tuán)隊(duì)對(duì)材料壽命的最初估計(jì)普遍較為準(zhǔn)確。

第4步：盡在真空

就像是被陽(yáng)光炙烤的塑料一樣，在這樣的極端環(huán)境下，任何東西就會(huì)老化。但科學(xué)家們需要精確地知道在軌道上材料的關(guān)鍵性質(zhì)隨著時(shí)間是如何老化的。但當(dāng)測(cè)試樣本從真空室中取出進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于暴露在空氣中時(shí)會(huì)引發(fā)材料本身中的“基”——具有高度化學(xué)活性的原子、離子或分子——發(fā)生反應(yīng)。這些基是老化的生成物，會(huì)改變老化的狀態(tài)。隔一天之后去測(cè)量，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)材料的情況大為不同。如果根據(jù)這些結(jié)果外推，你會(huì)得到一條性能曲線，但實(shí)際的曲線要比這糟得多。為此工程師們專門在真空室中安裝了測(cè)量系統(tǒng)。一方面可以節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也能得到更可靠的結(jié)果。

第5步：超越臨界點(diǎn)

歐洲空間局必須要確定它所選擇的材料在多年之后功能依然可靠。于是科學(xué)家們會(huì)測(cè)試材料性能的極限，看看當(dāng)它們失效之后會(huì)發(fā)生什么。這些結(jié)果蘊(yùn)涵了豐富的信息，可以惠及許多其他領(lǐng)域。測(cè)試項(xiàng)目正在評(píng)估“貝比科隆博”任務(wù)所需的所有材料，目前已接近完成。

第6步：多層絕緣

覆蓋“貝比科隆博”艙體的多層絕緣材料目前計(jì)劃使用陶瓷結(jié)構(gòu)。其不同層之間有一定的間隙，設(shè)計(jì)上要求它盡量的輕——這些絕緣層中的一些厚度不足一頁(yè)紙的十分之一，僅7.5微米厚。它的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬箔，但同時(shí)也更為脆弱。目前科學(xué)家們正在研究如何把它們層疊起來、應(yīng)該把它們做成什么樣的形狀以及該如何在不破壞它的情況下來處理它。

工程師們?cè)趯?duì)“貝比科隆博”太陽(yáng)能板的粘合劑進(jìn)行測(cè)試

第7步：保護(hù)太陽(yáng)能板

太陽(yáng)能電池板是最具挑戰(zhàn)的材料問題。通過模擬發(fā)現(xiàn)，其性能的老化率達(dá)到了驚人的每月下降20%。

這幾乎把“貝比科隆博”推到了被取消的邊緣。這一現(xiàn)象是在紫外輻射和高溫共同作用下破壞太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化效率的結(jié)果。

通過保護(hù)性的涂層并且小心地調(diào)整太陽(yáng)能板的角度可以解決這個(gè)問題。如果直接對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，太陽(yáng)能板就會(huì)被加熱進(jìn)而老化。因此，它們必須傾斜一個(gè)最佳的角度——此時(shí)盡管其能量的輸出水平較低，但它的溫度也會(huì)很低。

雖然緣由不同，但“貝比科隆博”的主天線也需要保護(hù)性的涂層。為了獲得最大的性能——滿足探測(cè)太陽(yáng)周圍時(shí)空彎曲的高精度無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，該天線由很薄的鈦制成。在陽(yáng)光的照射下，其自身會(huì)像其他金屬一樣升溫到700℃。但必須要防止由此而帶來的形變。一種特殊的涂層將會(huì)幫助把它的溫度保持在300℃以下，同時(shí)又使得電磁波信號(hào)可以自由的穿行。

工程師們正在對(duì)材料進(jìn)行極端熱環(huán)境老化測(cè)試