第三艘探测器光临水星,未来或可移民?
来源:时空通讯
发布时间:2022-06-27
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水星,是最靠近太阳的一颗行星,平均距离太阳为5790万千米;也是太阳系最小的一颗行星,半径为2440千米,质量只有地球约5%,约3.3*10^23千克;由于靠近太阳,环绕太阳速度很快,一年只有约88天(地球日,后同),但自转很慢,一天相当地球58.65天,在那里只要一天多点就是一年。

人类迄今为止已经发射了120余艘行星与行星际探测器,到过水星的只有两艘,即老美的水星10号和信使号。水星10号是1973年发射,信使号2004年发射,而且只有信使号是专门探测水星的。

就在前两天,BepiColombo号探测器传回了一张水星照片,这是人类专门探测水星的第二艘探测器第二次光临水星拍回的照片,这艘探测器是继信使号之后,时隔14年,于2018年发射的,现在正在进入水星轨道的征途上。

现在我们来了解一下BepiColombo探测器/

BepiColombo(贝皮·科隆博)是意大利科学家朱塞佩·科伦坡的昵称,他因首次提出利用行星引力弹弓效应而闻名,这艘水星探测器就是为了纪念他而用他的昵称命名的。这次任务从上世纪90年代就启动了,历经21年的研制,斥资18亿美元打造的水星探测器,于2018年10月28日在法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。

BepiColombo探测器实际上是两个粘连在一起的探测器,其中一个隶属于欧空局,为“水星行星轨道飞行器MPO”;一个隶属于日本宇航局,为“水星磁层轨道飞行器MMO”。在飞往水星途中,它们结伴而行,共同应对征途的引力效应,到达水星轨道后,它们就会分手各自为政,在不同轨道高度开展对水星不同项目的考察。

BepiColombo实际上是三个模块组成,到达水星后会自动拆分,其中MPO主要探测水星的表面和内部结构,MMO则主要负责探测水星磁场及其与太阳风的相互作用,而另一个模块是负责转运它们到达目的地的轨道器,叫MTM。

MPO探测器携带的主要设备仪器为:激光高度计、意大利弹簧加速度计、磁力计、热能红外分光计、伽马射线和中子分光计、图像X射线分光计、外层大气探测紫外分光计、外层大气中子发出和补充量研究设备、分光计绘图仪、太阳强度X射线分光计等等。

MMO探测器携带的主要设备仪器有:磁力计、等离子粒子实验设备、钠大气光谱绘图仪、尘埃监视器等。

这组探测器将在2025年正式进入水星轨道开展任务,届时MPO会在400*1500千米的椭圆轨道运行,MMO会在400*12000千米的椭圆轨道运行,而MTM将两位“乘客”送到轨道后,就完成了自己的任务,或漂流或坠毁就看管控工程师们的意向了。

那么,为什么2018年发射的探测器,要到2025年才能进入水星环绕轨道呢?而且2021年10月1日就传回了第一张照片,前两天又发回了第二张照片,且是距离水星最近时只有200千米,为啥还没有进入水星环绕轨道呢?

探测器如何才能到达水星/

这些年来,大家的目光更多地集中在太阳系外围行星,如火星、木星、土星、天王星、海王星等,探测这些天体的航天器背离太阳飞去,由于太阳引力拉拽就会越来越慢,因此要不断加速,才能飞得更快更远。

BepiColombo探测器离开地球时最后一瞥

而任何探测器都不可能携带很多燃料,无法依靠燃料来提速。因此科学家们巧妙地利用行星引力弹弓效应,从一定角度驶过大行星时,就会给探测器提速。上世纪的旅行者1号、2号,本世纪的新地平线号都是这样达到飞出太阳系的速度的。

可能有人认为,前往水星的探测器不会被太阳引力拉慢,会更容易到达目的地。其实不然,飞往地球内侧的行星探测器更难,因为会被太阳引力拉拽得越来越快,刹不住车就无法在行星引力范围驻留,“嗖”的飞掠过去一去不复返了,或围绕着太阳转,或撞进太阳烧毁。

水星是一颗质量很小的行星,因此引力很小,在距水星表面400~500千米高度的环绕速度只需要不到3km/s;而发射时要离开地球引力飞往其他行星,速度至少要达到第二宇宙速度,也就是11.2km/s。一旦飞出地球引力圈,又会被太阳引力拉拽得越来越快,到达水星要达到环绕速度就必须不断地“刹车”。

BepiColombo掠过金星时拍摄的照片

而探测器如若要自行刹车就需要大量燃料反推,要带这么多燃料是不可能的,怎么办呢?还是利用行星的引力弹弓效应,帮助刹车。可能有人以为引力弹弓效应只能提速,怎么又可以刹车呢?

行星引力就是这么奇妙,既可以提速,也可以刹车,只是要精准掌握与行星交汇时切入角而已。不同角度切入,既可以提速,也可以“刹车”。而意大利科学家朱塞佩·科伦坡首次推出利用引力弹弓效应,就是1974年应用在首次前往水星的水手10号探测器。

这次以他昵称命名的水星探测器,进入水星轨道前要利用引力弹弓效应“刹车”9次,提供“刹车”的行星为:地球1次、金星2次、水星6次。实际上,这艘水星探测器去年的10月1日第一次到达水星时,已经是第三次刹车过程。就是离开地球时利用地球引力刹了第一次,路过金星时又利用金星刹了第二次,到达水星后又刹了第三次。

随后,探测器又返回了金星,利用金星引力又刹了一次,这样地球的1次和金星的2次刹车任务就完成了,现在到达水星已经是第五次刹车了。这之后就不再回到金星去了,而是围绕着水星,兜着椭圆形大圈子,利用水星引力再刹四次车。

从整个飞行轨迹看,BepiColombo实际上是围绕着太阳兜着逐步缩小的螺旋形大圈子,这个圈子要兜7.2年,飞行总里程达到90亿千米,最远时距离地球2.4亿千米,最高飞行速度可达60km/s。

上面动图就是BepiColombo水星探测器飞行轨迹示意图:粉红代表BepiColombo探测器飞行轨迹,蓝色代表地球轨道,浅蓝代表金星轨道,绿色代表水星轨道,黄点代表太阳。

因此,要到达水星难度有多大可见一斑。这么一折腾,计划顺利的话,BepiColombo会在2025年12月5日才能正式入轨,2026年才能正式开展探索。

水星探索的意义/

水星几乎没有大气,在太阳近距离的炙烤下,向阳一面温度最高达到429℃,背阳一面温度最低为-190℃。这也是水星探测的一个难点,探测器必须经受数百摄氏度高温的考验。

水星的表面有点像月球,布满了陨石坑,且冷热两重天,是一个早已干枯死去的星球,似乎对人类没有什么价值。但经过地面望远镜和探测器的探测,科学家们发现这颗最小的行星并不简单,有着许多未解之谜。

首先,水手10号侦测到水星磁场,而且这个磁场像地球磁场一样,让太阳风发生偏离。地球磁场是由于拥有液态核心与地幔地壳的转速不一样而形成的,水星一个曾被认为死亡的行星为啥会有磁场存在呢?

第二,信使号探测器数据表明,水星两极地区陨石坑中,存在大量水冰,这些水冰重量在万亿吨之多,这些水冰从哪里来?

第三,水星密度高达5.427g/cm^3,在太阳系仅次于地球。研究认为,水星的核心占体积的42%,且占据了总质量的60%,因此核心是一个巨大的铁核,铁的含量高达2万亿亿吨,足够人类开采2400亿年。

还有水星表面有一些物质和气体从内部溢出,导致表面形成一些奇怪的洞穴,难道水星还有地质活动,没死?水星表面本来和月球差不多,但在太阳照射下看起来是黑乎乎的,反照率只有0.088,只是月球反照率0.136的八分之一,这又是什么原因?

总之,在太阳系八大行星中,尤其是在靠近地球的五大行星中,水星是人类了解最少的,这次发射的BepiColombo探测器,是比以往任何一次都要全面覆盖的考察水星,由此弄清水星的构造,或许对人类未来意义很大。

为了让人类免遭灭顶之灾,人类移民到外星的呼声越来越高,火星成为了第一候选地。钢铁侠马斯克巨型星舰的开发成功,以及他一系列围绕着火星进行的研究和开发,让人类移民火星的梦想越来越逼近现实。

那么,在可预见的时间里,人类真的只有移民火星一条路吗?有些科学家认为并非如此,移民水星或许也是一种选择。

因为水星也有一块风水宝地,就是在极地附近,那里阳光充足,能源完全没有问题;且水资源丰富,温度常年恒定。只要找到这块风水宝地,通过适当的人类活动,就会让那里的环境越来越宜居。

真的如此吗?当然这只是一种观点,存在争议。正因为如此,探索水星就有了更重要的意义。通过这艘探测器数年辛勤工作,相信会进一步揭开这颗距离太阳最近行星的许多秘密,从而为人类未来走向提供更多更有价值的参考依据。



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