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2017-07-18 09:34

探秘日歐水星探測器:如何受得瞭430攝氏度高溫

Bepi Col-ombo探測器工作示意圖。

探秘日歐水星探測器:如何受得瞭430攝氏度高溫

當地時間7月6日,造價16億歐元的Bepi Colombo揭開面紗。它“身高”6米多,披著隔熱“外衣”,像是一個變形金剛。

上周,歐洲與日本航天機構聯合研發的水星探測器Bepi Colombo在公眾面前亮相。它將於明年飛往水星,為一系列謎團尋找答案,尤其為尋找地外生命提供重要線索。而為瞭制造出經受灼熱水星嚴酷環境考驗的探測器,科學傢費盡心血。

它體積小小,卻充斥著強烈的輻射和不可思議的高溫——水星是我們太陽系裡最不友好的地方之一,其表面溫度足以熔化鋅(熔點419.5攝氏度)。但是,在不久的將來,這個幾乎要被烤糊的星球將在一個重要的科學探索領域中扮演重要角色:在銀河系裡尋找地外生命。天文學傢認為,由於水星與太陽的距離足夠“親近”,或許可以在揭示有機體生存條件等方面,為我們提供關鍵線索。而承載他們這種探索希望的,則是BepiColombo,歐洲與日本合作研發的探測器。上周,在位於荷蘭諾備韋克(Noordwijk)的歐洲航天局研究與技術中心,它揭開瞭面紗,在公眾面前亮相。

“完美選擇”

BepiColombo高6米多,重4噸,造價16億歐元,是人類制造的最復雜、最昂貴的航天器之一。它預計明年10月發射,屆時將展開7年的旅行,飛往目的地水星,在那個神秘的世界展開調查和研究。

在歐洲宇航局科學與探索高級顧問馬克·麥考裡恩(Mark McCaughrean)看來,這項任務的重要性不言而喻。“我們曾經探測到銀河系裡其他恒星的一些行星,即所謂‘地外行星’,處於適宜居住的范圍內,既不太冷,也不太熱,可以支持生命的存在。”他說,“但是,問題是,這些大有希望的地外行星絕大部分運行軌道與其圍繞的恒星很近。當然,那些恒星溫度不高。如果前去探測,你是可以比較安全地靠近這些相對涼爽的恒星。但是,當行星的軌道離恒星很近,就很可能有其他危險潛伏在那裡。在這樣的背景下,水星顯得特別重要。在我們的太陽系裡,它比其他行星更接近太陽,近得多。它可以教給我們非常重要的東西。”

水星與太陽的確很“親密”,其軌道距太陽平均為5700萬公裡,相形之下,地球運行軌道距太陽平均為1.496億公裡。天文學傢強調,隻有充分瞭解靠近太陽的行星上面的情形,才能確認到底怎樣的條件和環境才不會危及生命的存在。特別值得註意的是,其他形式的輻射——如紫外線輻射——可能對這樣的行星威脅很大。

來自日本宇宙航空研究開發機構(Jaxa)的科學傢村上(G Murakami)也特意強調這一點——Jaxa與歐洲太空工程師合作制造BepiColombo.“在這些星球上,紫外線輻射可能比在地球上強烈得多,我們非常需要研究處於這種環境下的星球。水星是一個完美選擇。”

種種謎團

作為太陽系裡最多隕石坑的行星,水星還會為科學探索做出其他重要貢獻。天文學傢希望解開的難題之一就是水星磁場之謎。水星是太陽系裡除瞭地球之外唯一有磁場的巖質星球,對於一顆行星來說,磁場的存在非常重要,地球的磁場就是一個巨大的生命保護傘,用來抵擋各種有害射線。雖然水星的磁場非常微弱,僅相當於地球的1/100,但美國“信使號”探測器(Messenger)2011年到2015年繞著水星飛行時發現,這個磁場偏離水星中心大約500公裡。對一個小小的星球來說,這樣的數字實在是令人吃驚。

“實際上,關於太陽系形成的大部分理論都認為,像水星這樣的小星球根本不應該有磁場,所以我們百思不得其解。”

麥考裡恩說,“如果不能解釋為什麼水星居然有這樣反常的存在,我們就不能宣稱自己已經理解瞭太陽系的形成,這方面有真正的理論性問題需要解決,而BepiColombo很有希望幫我們做到這一點。”

此外,BepiColombo還會探索水星的高緯度地區,其前任“信使號”在水星那些陽光照不到的隕石坑壁上發現瞭冰存在的證據。這是天文學傢想要在這個火熱的小星球上解開的另外一個謎。

差點流產

要設計和制造一個可以達成以上目標的航天器和探測器並不容易。BepiColombo的名字來源於20世紀意大利數學傢、工程師朱塞佩·哥倫佈(Giuseppe Colombo),它實際是一個“雙子航天器”:一個歐洲的飛行器用來研究水星,一個日本的探測器用來研究水星磁場,兩個航天器都將由名為“水星運輸艙”的推進艙送往目的地。

2000年,歐洲航天局和日本宇宙航空研究開發機構批準瞭這一任務。但是,要把探測器送到離太陽這麼近的地方,涉及的計算非常復雜,設計遲遲出不來。原來預計的成本是數億歐元,後來一再增加,最終達到大約16億歐元。設計的難產也使得制造飛行器的時間表推遲瞭幾年。事實上,這個計劃差一點流產,曾經有好幾個項目成員國(包括英國)嚷嚷說成本已經超出預算好幾億歐元,不應該進一步往裡扔錢。相關各方用瞭好幾周時間進行復雜的談判,最後才保住瞭這個探索計劃。

BepiColombo面對的主要問題是其主要軌道飛行器必須以特定速度運行,這樣才能在陽光赤祼祼的照射下,繞著水星灼熱的表面盤旋。“在水星上,太陽輻射水平是地球的10倍,因為它離太陽太近瞭。”意大利泰雷茲·阿萊尼亞宇航公司(Thales Alenia Space Italia)工程師馬羅·帕特羅西尼(Mauro Patroncini)說。泰雷茲·阿萊尼亞宇航公司承擔瞭探測器大部分制造工作。“與此同時,水星表面溫度非常高,大約有430攝氏度,自己也會產生大量紅外輻射流和熱量。”一言以蔽之,屆時探測器兩邊都要經受炙烤,一邊是太陽,一邊是水星。

“一開始設計飛行器的時候,我們以為可以用常規技術解決這個問題,但到瞭2006年,我們意識到必須得研發新技術,包括抗高溫的塗層和絕緣設備,以免飛行器迅速過熱。”帕特羅西尼說,“就是這個原因導致制造過程一再往後推,導致成本上漲。”

歐洲宇航局項目主管烏爾裡希·雷寧烏斯(Ulrich Reininghaus)接受采訪時也提到瞭過熱問題:“探測器等於是飛向一個比薩烤爐,我們得用各種不同的高溫組合來測試材料,有時候得到的是非常不想看到的結果。”

記者采訪時得知,這兩個探測器差不多70%的技術是“草創”的。一些工程師承認,有時他們自己都懷疑能不能完成項目,當然最後還是堅持瞭下來。

有血有汗有淚

制造一個可以經受如此嚴酷折磨的飛行器實在是可怕的經歷。這一過程中有因為延遲而落下的沮喪的眼淚,還有重新設計飛行器時如雨的汗水。麥克考恩說,這些挑戰簡直把工程師逼到瞭絕境。

而在延遲之後,自然還有爭分奪秒的制造競賽。

“BepiColombo有很多層非常結實的絕緣材料,必須用手工裝到遮陽板和其他部件的不同位置。”他說。“一天早上,一個同事到探測器的裝配區查看,發現瞭斑駁的血跡。另外一個組忙著縫制隔熱毯,整夜忙碌,經常被針戳到。所以說,為瞭讓發射能夠按時進行,我們做出瞭飽含血淚和汗水的努力,一點兒也不誇張。”

BepiColombo是由諸多部件組成的探測器:巨大的“遮陽傘”,一個主軌道飛行器,一個用來研究水星磁場的軌道飛行器,一個運輸器——2018年10月,在位於法屬圭亞那庫魯的歐洲宇航局發射場,在Ariane 5火箭的幫助下,它會將上述所有東西送往太空。

迂回慢走

整個飛行器重4噸多,包括1.4噸的推進器。在前往水星的復雜旅程中,它將為整個飛行器提供能量。這趟旅行要耗時七年,其間會經過地球1次,經過金星2次,經過水星6次,最後才能在2025年到達目的地時,正式定位,以便輕松地進入水星軌道。

要用這麼長時間不是因為水星很遠,而是因為航空器需要慢慢走,才能在抵達時平穩進入軌道,而不是一頭紮到水星上。這是水星特有的問題,其大氣非常稀薄,意味著常用的制動是無效的。

“我們可以徑直把BepiColombo發射到水星,幾個月它就到瞭,但是那樣一來,我們得耗盡所有燃料,才能讓它迅速減速,以合理的速度抵達水星。”麥克考恩說,“所以我們才會采用迂回慢走的方式。”“等到抵達時,它已經繞著太陽系轉18.5次瞭。”

一旦到達水星軌道,運輸器會釋放出兩個飛行器。歐洲那個會掃描水星,繪制地圖,而日本那個飛得稍遠一點,研究水星磁場。按照設計,BepiColombo的工作壽命是一年,但根據選擇,第二年仍然可以工作。私下裡歐洲航天局的官員希望能一直用三到四年,畢竟造它們用瞭那麼長時間、那麼多錢。

原載:《衛報》

編譯:Dawn

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