欧日合作的“贝皮-科伦布”水星探测器研究.docVIP

欧日合作的“贝皮-科伦布”水星探测器研究 　　1 水星探测历史回顾 　　水星是一颗位于太阳系最内缘、在月球和火星之间，形状很小(半径仅2240km)的类地行星。目前，人们对水星的情况知之甚少，只知道它是一颗组成元素与其他行星显著不同，上面有高密度(5.43g/cm3)的固有磁场，内部有一个巨大的铁核(约占水星质量的70%)，原始太阳系行星群中表面温度最高(可达700K)的行星，也是一颗在地面用望远镜难以进行详细观测的行星。发射水星探测器，就是要利用探测器上搭载的各种遥感器，观测水星上的固有磁场、磁层、大气、重力场等的分布，搞清水星的形成过程、表面地形、表层和地壳内蕴含的矿物质及其化学成分，对解开水星内部结构之谜有着深远意义。 　　迄今，人类发射并成功飞越水星的探测器只有两个：一个是美国航空航天局于1973年11月3日用“宇宙神”火箭发射的水手-10;另一个是美国航空航天局于2004年8月3日用“德尔他”火箭发射的“信使”探测器。前者于1974年2月5日成功飞越金星后，借助金星引力飞向水星，并分别于1974年3月16日、9月21日和1975年3月16日3次飞越水星，与水星表面距离最近时仅为327km，不仅探测到了水星上存在的磁场，还拍摄到了水星表面的山脉和陨坑等;后者于2011年3月18日进入绕水星运行轨道后，每天绕水星运行3圈，到2013年底已拍摄到近10多万幅水星照片;此外，还通过对水星极区永久阴暗域陨坑的观测，以及对所拍摄的照片进行深入分析，推断在水星极区很可能存在着巨大的铁核等物质，对绘制水星三维图像，研究水星表面化学特性，以及掌握水星内部的磁场分布和几何结构等都有重要作用。 　　2 欧日水星探测计划 　　欧日水星探测计划系指日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和欧洲航天局(ESA)合作的水星探测任务的计划，于2008年启动，现已完成研制。“贝皮-科伦布”探测器中包括两个探测器：一个是日本宇宙航空研究开发机构设计、研制，宇宙科学研究所(ISAS)和日本电气公司负责开发，以观测水星固有磁场、磁层、大气和地形等为主要目的的“水星磁层探测器”(MMO);另一个是欧洲航天局设计、研制，欧洲空间研究和技术中心(ESTEC)负责开发，以观测水星表面地形、精密测量水星上矿物质，搞清其化学成分，执行重力场测量等为主要目的的“水星表面探测器”(MPO)。 　　欧日水星探测计划是利用绕水星轨道运行的“水星磁层探测器”和“水星表面探测器”，通过多角度对水星表层和内部的磁场与磁层进行综合观测，执行探测水星表层和内部磁场及磁层分布任务的大型国际航天合作计划。 　　日本不仅成功地研制了微波放电式离子发动机，还在执行在小行星糸川上登陆并取样、返回的小行星探测器“隼鸟”(Hayabusa)等成功地应用借力飞行和微波放电式离子发动机，其借力飞行技术和改进型微波放电式离子发动机还将在隼鸟-2探测器上采用。欧洲航天局、法国国家空间研究中心(CNES)在电推进系统设计和开发电推力器方面的经验用于欧日水星探测计划的推进系统，使该计划取得了满意的成果;面对水星上的强太阳光照射，课题组开展针对性研究，设计和开发出了一种覆在探测器侧面，既能反射可见光，又能放射出红外线，且可耐强热辐射的抗强照射镜(SSM)，测试证明其具有耐高温等性能，可以确保星上仪器正常工作。 　　另外，探测器面临许多通常探测器所未经历的事件：探测器发射后要进行长达6年多的巡航飞行，需进行若干次遥操作和完成十分精密的速度控制才能进入绕水星运行轨道，而水星上的环境与近地轨道航天器在轨运行环境截然不同，这种苛刻的环境下要完成超远距离通信，这些技术必须取得新的突破，否则无法确保探测器安全、顺利抵到达水星。日本航空宇宙研究开发机构和欧洲航天局在设计、研制、发射、管控和应用小行星探测器、火星探测器、彗星探测器，以及磁层探测卫星等方面都积累了一定经验，实际开发阶段进行大量实验，也取得了不斐的成果，为完成该计划奠定了基础。 　　欧日水星探测计划的推进系统模块由电推进模块(SEPM)和化学推进模块(CPM)组成，其推进系统与“水星磁层探测器”和“水星表面探测器”作为一个一体化的“大模块”，发射时置于阿里安-5火箭的整流罩内，星箭分离后，这个一体化的“大模块”通过电推进模块以电推进方式使探测器稳健地踏上行星际航行之旅，借助于月球、金星提供的引力，这个“大模块”完成漫长的借力飞行后抵达水星;接着，电推进模块与“大模块”分离;紧接着，开启化学推进模块中的推力器，以化学推进方式提供反推力，使这个“大模块”迅速降低飞行速度;再接着，“水星磁层探测器”与”大模块”分离，进入预定的近水点为400km，远水点为12000km、轨道倾角为90deg;的绕水星