比皮科倫坡號：第三個飛向水星的探測器

□ 思飛

比皮科倫坡號：第三個飛向水星的探測器

□ 思飛

據(jù)今年7月有關(guān)媒體報道，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和歐空局宣布，日歐共同制定的水星探測器比皮科倫坡計(jì)劃將延遲至2018年10月發(fā)射。這引起了一些人們對用航天器探測水星的興趣和關(guān)注。

人類至今僅發(fā)射了兩個航天器對水星進(jìn)行了探測，并獲得一定成果，明年升空的比皮科倫坡探測器是第三個飛向水星的航天器。

最靠近太陽的行星

水星是離太陽最近的一顆行星，沒有天然衛(wèi)星，它到太陽的平均距離為5791萬千米，平均直徑4879千米，約是地球的三分之一。論個兒大小它在太陽系八大行星中排行老末，但平均密度卻達(dá)每立方厘米5.46克，僅次于地球，位居第二。由此計(jì)算下來，水星的體積和質(zhì)量都是地球的5.6%左右。

比起所有大行星來說，水星的繞日軌道顯得特別扁長，近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的距離竟然相差2400千米。由于太陽引力對水星的作用格外強(qiáng)大，因而其公轉(zhuǎn)速度也就特快，在軌道上的平均運(yùn)動速度為每秒47.89千米，比地球的每秒29.8千米快得多，這使它成為太陽系中運(yùn)動速度最快的行星。水星環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)周期為87.969個地球日，還不到地球上的三個月。在八大行星中，水星年是最短的。

公轉(zhuǎn)一周用時最短的水星，其本身自轉(zhuǎn)一周卻需要58.65個地球日。不難發(fā)現(xiàn)，水星在自轉(zhuǎn)三圈的時間里，它也正好繞日運(yùn)轉(zhuǎn)兩圈，其自傳周期和公轉(zhuǎn)周期的時間恰是2:3的關(guān)系，即自轉(zhuǎn)周期恰是公轉(zhuǎn)周期的三分之二。這也就是說，水星上一年中只有1.5天，兩個水星年與三個水星天的時間相等。

需要指出的是，水星自轉(zhuǎn)一周并不等于一晝夜，由于存在2:3的周期關(guān)系，結(jié)果形成水星87.969天白晝和87.969天黑夜的更替往復(fù)?？梢娝亲赞D(zhuǎn)三周才完成或呈現(xiàn)一次晝夜循環(huán)。

作為類地行星的水星，有些物理參數(shù)接近地球，如密度和年齡，其表面形狀和對陽光反射率又類似月球，故而對其探測和研究，可以幫助人類深化對地球和月球演變歷史與趨勢的認(rèn)識。

▲ 比皮科倫坡號水星探測器（上方是歐空局研制的水星行星軌道探測器，下方是日本研制的水星磁層軌道探測器）

“水手10號”初探水星

▲ 水手10號探測器

▲ 水手10號拍攝的水星照片

20世紀(jì)人類只向水星發(fā)射過“水手10號”一個航天器。美國研制的這個重503千克、裝備有紫外線分光儀、磁力計(jì)、粒子計(jì)數(shù)器、電視攝像機(jī)等儀器的探測器，于1973年11月3日發(fā)射升空，最終進(jìn)入一條繞日運(yùn)行的周期為176天的橢圓軌道。該軌道的近日點(diǎn)與水星公轉(zhuǎn)軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)交會，以使航天器能對水星進(jìn)行探測，由于“水手10號”對水星采用飛掠式探測方式，故而探測次數(shù)有限。

“水手10號”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日三次飛經(jīng)水星，對水星進(jìn)行了探測，最近時距離水星僅為327千米。它共向地球發(fā)回5000多張照片，覆蓋了水星近約一半的表面，分辨率達(dá)1000米。照片用電波發(fā)回地球經(jīng)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)化處理合成出水星的半球景象后，使科學(xué)家們對水星獲得了新的認(rèn)識。

照片表明，水星表面酷似月球，密布著大大小小的環(huán)形山，保持著早期曾遭隕石轟擊的記錄，其周圍仍有明顯的輻射條紋，證明未經(jīng)風(fēng)化，亦即水星大氣非常稀薄。以水星北緯30度、西經(jīng)195度為中心，有個名為卡路里的盆地，直徑達(dá)2600千米。在水星表面未曾看到被侵蝕過的痕跡，說明它不存在水。

由于大氣稀薄和無水，故而水星是個高溫和干燥的天體。正午時其赤道地區(qū)溫度可達(dá)430℃，而到夜晚，長時間的熱量散失致使最低可達(dá)-180℃。在這種環(huán)境下自然沒有生命存活。

“水手10號”還發(fā)現(xiàn)水星有磁場。雖然其磁場強(qiáng)度僅為地球磁場的百分之一左右，但磁場位形與地球相似，也是偶極場。同時，由于太陽風(fēng)中帶電粒子的壓力，使水星磁場發(fā)生變化，也形成一個與地球類似的磁層。

鑒于水星密度較大，有的科學(xué)家估計(jì)，它的內(nèi)部有一個鐵核，鐵核外部是500～600千米的巖石殼體。

由此可知，相對于基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)的施工圖審核技術(shù)的平面視圖模式，結(jié)合BIM技術(shù)的施工圖審核技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“所見即所得”，不僅可以利用三維視圖模式顯示不滿足構(gòu)件的位置及相關(guān)信息，快速定位不滿足構(gòu)件，還可以利用可視化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢直觀的顯示出二維視圖模式中難以呈現(xiàn)的問題。同時，還可以運(yùn)用三維施工圖技術(shù)的信息聯(lián)動修改功能，迅速的完成構(gòu)件的修改工作，并導(dǎo)出修改后的建筑施工圖紙，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

“信使號”飛探水星

美國于2004年8月3日發(fā)射了信使號水星探測器。該探測器重507.9千克，高1.42米，寬1.85米，長1.27米，由兩個砷化鎵太陽能帆板和一塊鎳氫電池提供動力，并攜帶著攝像機(jī)、磁力計(jì)、激光高度計(jì)、X射線分光儀、γ射線分光儀、高能粒子分光儀、大氣和表面成分分光儀共七種科學(xué)儀器?？茖W(xué)家們希望它能繪制水星表面地圖、磁場，探測大氣中的氣體、地殼中的各種元素組成成分等。

▲ 信使號水星探測器

▲ 信使號第一次飛過水星時拍攝的水星表面照片

按照計(jì)劃，“信使號”發(fā)射升空后，要相繼飛掠地球1次、金星2次、水星3次，借助這3顆行星的引力以減速，最終進(jìn)入水星軌道運(yùn)行。經(jīng)近7年時間在太空疾馳88.4億千米之后，它于2011年3月轉(zhuǎn)入環(huán)繞水星的橢圓軌道飛行，開始其1年時間的探測工作。選擇這樣一條迂回線路的目的，就是為了免帶實(shí)現(xiàn)制動減速的額外燃料，從而降低成本。

三次飛掠水星

在飛掠地球1次、金星2次且行程過半之后，“信使號”于2008年1月14日第一次飛掠水星。當(dāng)時，它從距離水星表面200千米的高度掠過，借助水星引力將飛越速度由每秒7.15千米減為每秒2.24千米，并及時進(jìn)行觀測，拍攝了1200多張水星圖片，記錄了一些以前從未見到的地形。其攜帶的科學(xué)儀器首次探測了水星表面的礦物化學(xué)組成，研究了水星磁場和引力場情況，還對水星環(huán)境等進(jìn)行了探測。根據(jù)“信使號”提供的數(shù)據(jù)資料，科學(xué)家們在水星一處盆地周圍發(fā)現(xiàn)了火山口存在的證據(jù)、證明火山活動在水星表面平原形成過程中起了重要作用；水星表面除了平原，還存在褶皺、斷層等其他多種地形。

2008年10月6日，“信使號”第二次飛掠水星，首次窺見了水星西半球的真面目，對此前未被觀測面積的30%進(jìn)行了拍攝，傳回地球1200多幅水星表面照片。更重要的是，它的激光高度計(jì)還獲得了水星的地形測量數(shù)據(jù)。這使科學(xué)家們能夠首次把水星表面的高清晰度地貌圖片和高分辨率地形測量數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，對水星地表地質(zhì)進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)水星表面各處的地質(zhì)年代更趨一致，且遍布坑洞。在一些大型的撞擊盆地內(nèi)部或盆地之間，還分布著火山活動形成的大片平原。尤為令人注目的是，竟然發(fā)現(xiàn)了一個直徑為750千米被命名為倫勃朗的盆地?？茖W(xué)家們認(rèn)為，該盆地可能是40億年前外來物頻繁撞擊水星時期形成的。在第二次飛掠水星過程中，“信使號”還用分光儀對水星大氣層最外圈進(jìn)行了觀測，并搜尋到鈉、鈣、鎂以及氫原子的蹤跡，其中鎂是首次得到確認(rèn)。

綜合“信使號”兩次近距離飛掠水星和“水手10號”3次探測水星共拍攝的7400多張照片及獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，它們已觀測到水星約95%的表面積。對比“信使號”兩次飛掠所得的水星磁層圈觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們對水星內(nèi)部磁場有了新的認(rèn)識，還發(fā)現(xiàn)了水星磁層圈的一些新特征。由于“信使號”第一次和第二次是分別飛掠水星的東半球和西半球，故使科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這顆行星的磁場是高度對稱的。

“信使號”在2009年9月29日第三次飛掠水星，又拍攝了水星的一些以前從未觀測過的地方的照片，使得水星表面測繪面積擴(kuò)大到98%。此次探測發(fā)現(xiàn)，水星有一處中間凹陷、四周明亮的區(qū)域，科學(xué)家們分析認(rèn)為，這可能是火山遺跡。同時發(fā)現(xiàn)一個直徑達(dá)290千米的巨大雙環(huán)撞擊盆地。還在水星表面發(fā)現(xiàn)了大量的鐵和鈦。另外“信使號”還對水星外大氣層進(jìn)行了更為細(xì)致的觀測。2009年11月3日，美國宇航局發(fā)布消息說，根據(jù)“信使號”三次飛掠水星所進(jìn)行的探測，科學(xué)家們已經(jīng)獲得了一幅幾近完整的水星表面圖像。

▲ 由“信使號”兩個水星年的觀測制作的水星表面溫度分布圖，顯示出環(huán)形山的內(nèi)部存在著較冷的區(qū)域，藍(lán)色代表著溫度最低的地方

▲ 水星色彩（影像資料來自“信使號”的全球影像數(shù)據(jù)庫）

全面考察水星

在地面測控中心的管理下，“信使號”于2011年3月18日進(jìn)入一條短半徑為201千米、長半徑為15000千米的橢圓軌道繞水星運(yùn)行，繞行一周為12小時，成為水星的第一顆人造衛(wèi)星，能對水星整個表面進(jìn)行拍攝、測繪和遙感考察。同年3月24日，科學(xué)儀器開始工作，3月29日第一張從軌道上空拍攝的水星圖像傳回地球。由于水星上的太陽光比地球陽光強(qiáng)約11倍，為了保證“信使號”能完成為時12個月的探測任務(wù)，給其攜載的科學(xué)儀器都安裝了隔熱層。在執(zhí)行任務(wù)期間，“信使號”傳回地面的大量照片已制作成整個水星表面的高分辨率的彩圖，通過激光高度計(jì)提供的數(shù)據(jù)資料已繪制成水星表面的三維圖像，磁力計(jì)的探測結(jié)果揭示了水星的磁場之謎，4種分光儀的測量給出了水星空間及其表面的元素比例和表面巖石的組成。2012年11月，在“信使號”超期服役8個月后，美國宇航局宣布在水星極地同時發(fā)現(xiàn)了水冰和含碳焦油狀有機(jī)化合物分子的證據(jù)，在這些地區(qū)，最深的火山口內(nèi)部溫度通常能達(dá)到-200℃。這一證據(jù)表明，水星像地球一樣，在太陽系形成初期，也被富含水的彗星和礦物豐富的小行星多次撞擊。

最后硬著陸于水星

在超期服役期間，“信使號”又被指派觀察和預(yù)測2012年太陽活動極大期。后者是指太陽11年活動周期中，其局部磁場強(qiáng)度、黑子、耀斑和日冕數(shù)量呈現(xiàn)最高值的時候。對這些太陽活動的主要指標(biāo)，“信使號”都獲得了有關(guān)的信息。2013年11月，“信使號”又成為幾個用來觀察并拍攝彗星2P/恩克和彗星C/2012 S1的探測器之一。另一項(xiàng)拓展任務(wù)原計(jì)劃持續(xù)到2015年3月，具體是對盛滿冰塊的撞擊坑和水星北極的地貌拍攝特寫照片，地面己收到了水星的高分辨率圖像。

離開地球十余載之后，“信使號”燃料即將耗盡，地面人員對它實(shí)施最后一次軌道調(diào)整，使其于2015年5月1日凌晨，按預(yù)定軌道以超過11倍聲速的速度墜入水星北極區(qū)域地區(qū)，完成最終使命。在這一撞向水星的硬著陸過程中，“信使號”雖然離開人們的視野，但科學(xué)家們與其保持聯(lián)系，不斷收集相關(guān)數(shù)據(jù)，尤其是研究撞擊出來的坑洞所帶來的新信息、新意義，以此加深對水星的認(rèn)識。

“比皮科倫坡”又訪水星

目前日本和歐空局正在聯(lián)合開展水星探測器的研制工作，其名稱就叫做“比皮科倫坡”，由軌道器、推進(jìn)艙/運(yùn)輸艙和太陽防護(hù)罩組成。軌道器有兩個，分別為歐空局研制、重500千克、攜帶11種儀器設(shè)備的水星行星軌道探測器和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制、重250千克、攜帶5種儀器設(shè)備的水星磁層軌道探測器。推進(jìn)艙上的4臺T6離子電推進(jìn)器，直徑22厘米，由英國提供?！氨绕た苽惼绿枴苯?jīng)一再推遲后原計(jì)劃于2017年1月用俄羅斯聯(lián)盟號火箭在哈薩克斯坦的拜科努爾航天發(fā)射場發(fā)射，但因?yàn)樘綔y器尺寸太大，因而選擇了成本更高的歐洲研制的阿里安5型火箭于下一個發(fā)射窗口期間的2018年10月在南美洲的法屬圭亞那發(fā)射升空。由于最終研制成功的有效載荷質(zhì)量、形狀的變更和發(fā)射窗口期時間有限的原因，另選運(yùn)載火箭和推遲發(fā)射時間乃是正常的事情。

“比皮科倫坡號”發(fā)射升空后，探測器會先到金星，然后回到地球，再去水星，預(yù)計(jì)飛行近7.2年后，于2025年12月到達(dá)水星，對水星進(jìn)行環(huán)繞探測。同時發(fā)射2個探測器繞水星飛行，對水星的表面、內(nèi)部及磁場等進(jìn)行綜合觀測，探尋水星的基本情況和形成過程。其探測成果，尚需人們拭目以待?！?/p>