探秘日欧水星探测器:如何受得了430摄氏度高温

Bepi Col-ombo探测器工作示意图。

当地时间7月6日,造价16亿欧元的Bepi Colombo揭开面纱。它“身高”6米多,披着隔热“外衣”,像是一个变形金刚。

上周,欧洲与日本航天机构联合研发的水星探测器Bepi Colombo在公众面前亮相。它将于明年飞往水星,为一系列谜团寻找答案,尤其为寻找地外生命提供重要线索。

而为了制造出经受灼热水星严酷环境考验的探测器,科学家费尽心血。

它体积小小,却充斥着强烈的辐射和不可思议的高温——水星是我们太阳系里最不友好的地方之一,其表面温度足以熔化锌(熔点419.5摄氏度)。

但是,在不久的将来,这个几乎要被烤糊的星球将在一个重要的科学探索领域中扮演重要角色:在银河系里寻找地外生命。

天文学家认为,由于水星与太阳的距离足够“亲近”,或许可以在揭示有机体生存条件等方面,为我们提供关键线索。而承载他们这种探索希望的,则是BepiColombo,欧洲与日本合作研发的探测器。

上周,在位于荷兰诺备韦克(Noordwijk)的欧洲航天局研究与技术中心,它揭开了面纱,在公众面前亮相。

“完美选择”

BepiColombo高6米多,重4吨,造价16亿欧元,是人类制造的最复杂、最昂贵的航天器之一。它预计明年10月发射,届时将展开7年的旅行,飞往目的地水星,在那个神秘的世界展开调查和研究。

在欧洲宇航局科学与探索高级顾问马克·麦考里恩(Mark McCaughrean)看来,这项任务的重要性不言而喻。“我们曾经探测到银河系里其他恒星的一些行星,即所谓‘地外行星’,处于适宜居住的范围内,既不太冷,也不太热,可以支持生命的存在。”他说,“但是,问题是,这些大有希望的地外行星绝大部分运行轨道与其围绕的恒星很近。当然,那些恒星温度不高。如果前去探测,你是可以比较安全地靠近这些相对凉爽的恒星。但是,当行星的轨道离恒星很近,就很可能有其他危险潜伏在那里。在这样的背景下,水星显得特别重要。在我们的太阳系里,它比其他行星更接近太阳,近得多。它可以教给我们非常重要的东西。”

水星与太阳的确很“亲密”,其轨道距太阳平均为5700万公里,相形之下,地球运行轨道距太阳平均为1.496亿公里。天文学家强调,只有充分了解靠近太阳的行星上面的情形,才能确认到底怎样的条件和环境才不会危及生命的存在。

特别值得注意的是,其他形式的辐射——如紫外线辐射——可能对这样的行星威胁很大。

来自日本宇宙航空研究开发机构(Jaxa)的科学家村上(G Murakami)也特意强调这一点——Jaxa与欧洲太空工程师合作制造BepiColombo.“在这些星球上,紫外线辐射可能比在地球上强烈得多,我们非常需要研究处于这种环境下的星球。水星是一个完美选择。”

种种谜团

作为太阳系里最多陨石坑的行星,水星还会为科学探索做出其他重要贡献。天文学家希望解开的难题之一就是水星磁场之谜。水星是太阳系里除了地球之外唯一有磁场的岩质星球,对于一颗行星来说,磁场的存在非常重要,地球的磁场就是一个巨大的生命保护伞,用来抵挡各种有害射线。

虽然水星的磁场非常微弱,仅相当于地球的1/100,但美国“信使号”探测器(Messenger)2011年到2015年绕着水星飞行时发现,这个磁场偏离水星中心大约500公里。

对一个小小的星球来说,这样的数字实在是令人吃惊。

“实际上,关于太阳系形成的大部分理论都认为,像水星这样的小星球根本不应该有磁场,所以我们百思不得其解。”

麦考里恩说,“如果不能解释为什么水星居然有这样反常的存在,我们就不能宣称自己已经理解了太阳系的形成,这方面有真正的理论性问题需要解决,而BepiColombo很有希望帮我们做到这一点。”

此外,BepiColombo还会探索水星的高纬度地区,其前任“信使号”在水星那些阳光照不到的陨石坑壁上发现了冰存在的证据。这是天文学家想要在这个火热的小星球上解开的另外一个谜。

差点流产

要设计和制造一个可以达成以上目标的航天器和探测器并不容易。BepiColombo的名字来源于20世纪意大利数学家、工程师朱塞佩·哥伦布(Giuseppe Colombo),它实际是一个“双子航天器”:一个欧洲的飞行器用来研究水星,一个日本的探测器用来研究水星磁场,两个航天器都将由名为“水星运输舱”的推进舱送往目的地。

2000年,欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构批准了这一任务。但是,要把探测器送到离太阳这么近的地方,涉及的计算非常复杂,设计迟迟出不来。

原来预计的成本是数亿欧元,后来一再增加,最终达到大约16亿欧元。设计的难产也使得制造飞行器的时间表推迟了几年。事实上,这个计划差一点流产,曾经有好几个项目成员国(包括英国)嚷嚷说成本已经超出预算好几亿欧元,不应该进一步往里扔钱。

相关各方用了好几周时间进行复杂的谈判,最后才保住了这个探索计划。

BepiColombo面对的主要问题是其主要轨道飞行器必须以特定速度运行,这样才能在阳光赤祼祼的照射下,绕着水星灼热的表面盘旋。“在水星上,太阳辐射水平是地球的10倍,因为它离太阳太近了。”意大利泰雷兹·阿莱尼亚宇航公司(Thales Alenia Space Italia)工程师马罗·帕特罗西尼(Mauro Patroncini)说。

泰雷兹·阿莱尼亚宇航公司承担了探测器大部分制造工作。“与此同时,水星表面温度非常高,大约有430摄氏度,自己也会产生大量红外辐射流和热量。”一言以蔽之,届时探测器两边都要经受炙烤,一边是太阳,一边是水星。

“一开始设计飞行器的时候,我们以为可以用常规技术解决这个问题,但到了2006年,我们意识到必须得研发新技术,包括抗高温的涂层和绝缘设备,以免飞行器迅速过热。”帕特罗西尼说,“就是这个原因导致制造过程一再往后推,导致成本上涨。”

欧洲宇航局项目主管乌尔里希·雷宁乌斯(Ulrich Reininghaus)接受采访时也提到了过热问题:“探测器等于是飞向一个比萨烤炉,我们得用各种不同的高温组合来测试材料,有时候得到的是非常不想看到的结果。”

记者采访时得知,这两个探测器差不多70%的技术是“草创”的。一些工程师承认,有时他们自己都怀疑能不能完成项目,当然最后还是坚持了下来。

有血有汗有泪

制造一个可以经受如此严酷折磨的飞行器实在是可怕的经历。这一过程中有因为延迟而落下的沮丧的眼泪,还有重新设计飞行器时如雨的汗水。

麦克考恩说,这些挑战简直把工程师逼到了绝境。

而在延迟之后,自然还有争分夺秒的制造竞赛。

“BepiColombo有很多层非常结实的绝缘材料,必须用手工装到遮阳板和其他部件的不同位置。”他说。“一天早上,一个同事到探测器的装配区查看,发现了斑驳的血迹。另外一个组忙着缝制隔热毯,整夜忙碌,经常被针戳到。所以说,为了让发射能够按时进行,我们做出了饱含血泪和汗水的努力,一点儿也不夸张。”

BepiColombo是由诸多部件组成的探测器:巨大的“遮阳伞”,一个主轨道飞行器,一个用来研究水星磁场的轨道飞行器,一个运输器——2018年10月,在位于法属圭亚那库鲁的欧洲宇航局发射场,在Ariane 5火箭的帮助下,它会将上述所有东西送往太空。

迂回慢走

整个飞行器重4吨多,包括1.4吨的推进器。在前往水星的复杂旅程中,它将为整个飞行器提供能量。这趟旅行要耗时七年,其间会经过地球1次,经过金星2次,经过水星6次,最后才能在2025年到达目的地时,正式定位,以便轻松地进入水星轨道。

要用这么长时间不是因为水星很远,而是因为航空器需要慢慢走,才能在抵达时平稳进入轨道,而不是一头扎到水星上。这是水星特有的问题,其大气非常稀薄,意味着常用的制动是无效的。

“我们可以径直把BepiColombo发射到水星,几个月它就到了,但是那样一来,我们得耗尽所有燃料,才能让它迅速减速,以合理的速度抵达水星。”麦克考恩说,“所以我们才会采用迂回慢走的方式。”“等到抵达时,它已经绕着太阳系转18.5次了。”

一旦到达水星轨道,运输器会释放出两个飞行器。欧洲那个会扫描水星,绘制地图,而日本那个飞得稍远一点,研究水星磁场。按照设计,BepiColombo的工作寿命是一年,但根据选择,第二年仍然可以工作。

私下里欧洲航天局的官员希望能一直用三到四年,毕竟造它们用了那么长时间、那么多钱。

原载:《卫报》

编译:Dawn

SOURCE: http://tech.163.com/17/0716/08/CPF0LHLT00097U81.html

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