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小火箭出品 本文作者：邢强博士 本文共6829字，65图。预计阅读时间：50分钟。 公元2018年10月20日，人类最新款的水星探测器即将乘坐阿丽亚娜-5运载火箭，奔赴水星，踏上这为期7年的漫漫征程！ 有关阿丽亚娜-5系列运载火箭，小火箭在经典运载火箭的第7季的开篇《站在巅峰，却已准备告别：欧洲最强火箭传奇》已经和大家详细探讨和分析过了。 今天，我们深入聊聊人类的水星探测吧！ 本文，小火箭和大家共同探讨如下8个问题： 第一：这颗水星探测器的基本情况； 第二：这是人类第三颗水星探测器，如果成功，将会是人类第二颗成功进入绕水星轨道的探测器。那么，为什么水星探测器这么少？探测水星难在什么地方？ 第三：小火箭对相关轨道的计算； 第四：人类目前对水星了解多少（小火箭风格）； 第五：人类第一次派探测器了解水星是什么情况； 第六：人类第二次派探测器了解水星的叙述； 第七：这一趟（第三次）准备怎样探测； 第八：小火箭对水星的展望。 贝皮 贝皮可伦坡号水星探测器，按计划，于公元2018年10月20日在位于法属圭亚那的库鲁航天中心由阿丽亚娜-5运载火箭发射升空。 发射后，贝皮可伦坡号将通过1次飞掠地球、2次飞掠金星、5次飞掠水星的方式，借助引力弹弓效应来大量节省燃料，最终在2024年年底，减速到1.758公里/秒时，被水星引力所捕获，进入绕水星轨道。 随后，欧空局研制的水星行星轨道器与日本宇宙航空研究开发机构研制的水星磁层轨道器分离。 然后，水星磁层轨道器进入一条距离水星较远的轨道，分析水星的磁层和大气情况；水星行星轨道器则会开启对地观测模式，测绘水星高精度地图。 小火箭风格：发射时刻公元2018年10月20日协调世界时1点45分28秒；当地时间2018年10月19日上午10点45分28秒。 发射地点：库鲁航天中心第3号工位（发射综合体），坐标 北纬 5° 14′ 14″ N；西经 52° 45′ 38″ W 上图为贝皮可伦坡号的水星行星轨道器。 水星行星轨道器，质量为1149.8公斤。在靠近太阳的过程中，其单板太阳能帆板将会展开，一边为该轨道器提供高达1千瓦的可用电功率，一边充当遮阳伞的作用，使处在太阳能帆板阴影中的轨道器本体能够时刻处于200℃的温度以下。 水星行星轨道器携带了11个有效载荷，其中包括：一系列光谱仪（中子、伽马射线、X射线、紫外频段和红外频段）、辐射强度计、超高精度激光测高仪、磁强计、粒子综合分析仪、高精度加速度测量阵列、通信转发设备。 为了能够把宝贵的信息传回地球，水星行星轨道器采用了1米长的耐高温高增益天线（Ka波段和X波段）。（有关波段的事情，详见小火箭的公号报告《小火箭畅聊雷达的三大关键技术》） 在地球上，直径达35米的，位于西班牙中部的塞夫雷洛斯地面站将会承担起接收回传信号的重任。 如果一切顺利，贝皮可伦坡号探测器的信号将会以每秒50Kb的速度回传。从我们地球人来看，每年可以收集下载到1449Gb的数据。
水星磁层轨道器，整体呈八棱柱状，质量为284.8公斤（其中，有效载荷质量为45公斤）。两个对面直接的距离为180厘米，整体高为90厘米。
水星磁层轨道器没有水星行星轨道器那样的一把大遮阳伞，所以她有自己独特的防晒和降温秘诀。 进入绕水星轨道后，水星磁层轨道器将会开始以每分钟15转的速度自旋。其八棱柱身体的顶部和底部，都有专门设计用来散热的百叶窗，以主动温度控制的方式维持正常的工作温度。
位于日本长野的63.9米直径天线将用来接受水星磁层轨道器的数据。（每年160G）。 当然，建于1984年的这个天线到时候会比较老了。按小火箭数据，该天线旁边近几年会建一座新的54米直径天线。虽然口径小了些，但是功能比之前的老天线强大不少。
入轨后的情况： 水星行星轨道器运行在近水点400公里，远水点1500公里的轨道上，水星磁层轨道器的轨道高度则相对高一些。 难点 这是人类第3颗奔向水星的探测器，同时也是第2颗能够实现环绕水星飞行的探测器。 自从人类在1957年10月4日小心翼翼地将第一个人造物体送入绕地球飞行的近地轨道以来，人类从未停止过对太空和星辰大海的追求。
按小火箭数据库统计，人类明确有过发射任务的火星探测项目，有56个（从1960年10月10日的那枚苏联莫尼亚火箭算起，到2018年5月5日发射的洞察号）。 考虑到地球和火星每隔26个月的最佳发射窗口，可以说，从人类有能力把飞行器送到火星那一刻开始，几乎没有一个窗口被浪费过。
上个世纪，人类工程师（尤其是苏联的）对金星的执着更是让人肃然起敬，在炼狱般的金星表面，人类探测器成功着陆并且发回了信号。 （金星探测：1961年2次，1962年5次，1964年3次，1965年3次。总计上世纪60年代18次，上世纪70年代11次，上世纪80年代7次，之后还有）。
人类对月球的探测更是不胜枚举。小火箭在这里不再赘述人类月球探测的数量，仅给出一组数据： 人类迄今为止，从月球上带回了379.98公斤样本，留在月球表面187.41吨人造物体。 在月球、火星和金星的探测次数都早已两位数的时候，在人类的探测器已经触摸到了太阳系边缘的时候，对于离太阳最近的行星水星的探测，加上一次飞掠的，到今天这才是第3次的刚刚开始。 到底是什么原因，导致了水星探测的次数这么少呢？ 无他，就是难了些。 在小火箭的公号报告《踏上征程，触摸太阳！对人类最强太阳探测器的六点分析》中，已经提到过往太阳附近飞比起飞离太阳系，从能量的角度来看，要更难一些。 本文正好借此机会把详细的计算过程发布一下，和大家共同探讨： 在帕克探测器一文末尾，小火箭给了一道思考题。 小火箭思考题： 地球到太阳的距离，定义为1个天文单位。 假如我们现在有一门威力巨大的火炮。现在，我们要从两个任务当中选一个： 从地球发射一枚炮弹，命中太阳； 或者从地球发射一枚炮弹，命中太阳系外，距离我们有10000个天文单位远的目标。 假设人类的科技水平，已经使得精确瞄准目标与炮弹的可靠飞行能够实现，那么仅从能量的角度来分析，命中太阳更难，还是命中太阳系外的遥远目标更难？ 或者一句话，从地球飞到太阳和从地球飞到太阳系以外遥远的地方，哪个更难？ 现在，我们把这道题详细计算一下： 先看看，这枚炮弹如果飞到10000个天文单位之外，或者干脆就能够在某一天飞到太阳系之外更远的地方，至少需要多少能量吧。
小火箭手绘和手写了推导过程。 按能量守恒来计算，需要咱们的大炮或者火箭提供12.3公里/秒的速度增量。 （小火箭注：总共需要42.1公里/秒的速度才能挣脱太阳的巨大引力，但是地球绕太阳公转本身，已经给我们提供了29.8公里/秒的速度。我们有这样好的一个起点，向太阳系外进发，只需补齐剩下的12.3公里/秒就行了。） 而如果我们想要往太阳系里面跑，命中太阳呢？
比较粗暴的方案：把相对于太阳的速度减为0，靠太阳的强大引力把炮弹/探测器吸引过去。 上上图，我们能够看到，通过小火箭和大家一起的推导，得知，地球绕太阳公转的速度，是29.8公里/秒。需要一下子减掉这么多速度，需要太多能量。 一定有更省能量的办法。 没错，上图给出了通过椭圆轨道来命中太阳的方法。 通过计算，尤其是引入了角动量守恒（相对于太阳的质心），可以得出： 命中太阳，至少需要向我们公转的反方向提供26.9公里/秒的速度减量。 看上去，还是一个非常大的数值，但是比起简单下坠的方法，还是省了不少能量。 小火箭：从初始动能的角度来看，我们命中太阳所需的动能是彻底飞出太阳系所需动能的4.78倍！ 由此可见，对于从地球表面出发的人类来说，往太阳系外面飞，要比往太阳系里面飞容易得多！ 哈！这样的设计！很明显，是在鼓励人类向太阳系外面探索！ 好在太阳系内，在地球和水星之间，还有金星。能够借助行星的引力弹弓，进一步省一些能量。
上图为贝皮可伦坡号探测器从2018年10月20到2025年11月的设计轨道。 绿色内圈为水星绕日轨道；青色中圈为金星绕日轨道；蓝色外圈为地球绕日轨道。 紫色细线为贝皮可伦坡号的设计轨道。 通过1次飞掠地球、2次飞掠金星、5次飞掠水星的方式，借助引力弹弓效应来大量节省燃料，比起刚刚咱们说的直接的椭圆方式要省能量，但是依然比飞出太阳系还是难了些（从能量的角度）。 该探测器的主承包商是欧洲空中客车公司。这是空客的第121次太空任务，同时也是欧空局的第51次空间任务，是阿丽亚娜火箭的第73次发射，也是阿丽亚娜火箭的第23次深空探索任务，而终于可以说，这是欧洲好不容易等到的第1次水星探测任务。
4台T6型离子推进器为贝皮可伦坡号提供动力。有关离子电推进，详见小火箭的公号报告《离子发动机：星际远征的重要动力》《有关电推进发动机的几个设想》。 这4台离子推进器由世界第52大军火巨头（英国第6大军火企业）奎奈蒂克集团研制。
这家军火集团的产品线比较丰富，有时间咱们可以专门聊一聊的。 水星 目前，人类对水星的一些了解：
水星的半径为2439.7公里，相当于地球的三分之一多一点（0.3829倍）。 如果把地球掏空，成为一个软袋子的话，能够塞进去18个水星。 水星是太阳系里面最小的行星（目前来看是这样的），其直径仅仅是月球的1.5倍。 水星表格：
嗯，在水星上待3个水星日，相当于2个水星年了。 （捂脸开始：） 小火箭觉得，如果在水星上有座学校还是比较不错的，3天放2次年假。 劳动人民的智慧是无穷的： 小火箭记得，有个词叫 “三天两头”。 而中国人民有个传统的节日，叫二月二龙抬头，每年春节之后有这么一次。 三天，能够过两次龙抬头。 哈！古人很早就发现了有这么一个星球符合这样的自转和公转周期关系啊！（：捂脸结束） 体重100斤的人，在水星上的弹簧秤来看，只有37.8斤。 水星白天很热，足以融化金属锡和金属铅；水星的晚上又很冷，足以低到标准状态下的液氧的温度。
水星的表面积为7500万平方公里，约为地球表面积的10％。如果我们可以像剥桔子那样剥开水星并摊平的话，这块大桔子皮约是亚洲面积的1.7倍（亚洲面积4457.9万平方公里）。
上图从左到右：水星、金星、地球、火星。 水手
公元1973年11月3日，协调世界时05点45分00秒，一枚宇宙神SLV-3D运载火箭从卡纳维拉尔角36B发射场起飞。人类第一颗水星探测器水手10号从此踏上征程。
意大利轨道动力学天才、数学家朱塞可伦坡（昵称：贝皮可伦坡）率先提出了利用引力弹弓来帮助深空探测器飞行的理论。 水手10号是人类第一个利用行星际引力弹弓进行飞行的探测器。 而计划在2018年10月20日发射的欧洲第1颗水星探测器，起名为贝皮可伦坡号，正是为了纪念贝皮对人类的这项贡献。
由水手10号探测器拍摄的地球和月球照片拼接起来的图片。 受当时火箭推力和探测器姿轨控系统能力的制约，水手10号无法进入环绕水星飞行的轨道。 但是，水手10号三次飞掠水星，首次为人类近距离观察水星提供了条件，其意义是开创性的。
当然，在没有大规模计算阵列（估计当时NASA的整个算力还不如小火箭计算中心#2机的一半）的时候，能够设计出这样的轨道，还是非常不容易的。 公元1974年3月29日20点47分，水手10号第一次从水星附近飞掠，最近距离为702.8公里。
水手10号第一次飞掠水星式拍摄的水星照片（从远到近，6个小时拍的多张照片调整大小后拼接而成）。
水手10号第一次飞掠水星式拍摄的水星照片（从近到远，6个小时拍的多张照片调整大小后拼接而成）。
半年后，在1974年9月21日，水手10号在水星南极上空48069.2公里处第二次飞掠水星，拍下了上图这张非常有名的照片。
再半年，水手10号第3次飞掠水星，距离水星北极仅327公里。 一次惊险的擦肩而过，然后水手10号奔向深邃的宇宙空间。在氮气耗尽后，整个探测器关机，在发回最后一批珍贵照片后，与地球失去联系。
按小火箭的计算，水手10号依然在环绕太阳飞行。总有一天，她会再次飞掠水星。我们以后很有可能会在太阳系深处打捞到她。
3次飞掠，让水手10号拍到了水星45%的表面，并以2800张照片的形式传回了地球。这是人类首次近距离对水星进行测绘和分析。 水星的莎士比亚区、贝多芬区、米开朗基罗区、托尔斯泰区的全部，巴赫区和维多利亚区的部分，得以绘制成高精度地图。 信使
水手10号水星探测器发射之后，整整过了31年，人类才终于等到了第2颗水星探测器的发射。 公元2004年8月3日，协调世界时6点15分56秒，一枚德尔塔II型7925H-9.5运载火箭在卡纳维拉尔角17B发射场发射成功。 信使号水星探测器开始奔赴水星。（值得注意的是，水手10号和信使号水星探测器都是当地时间的夜间发射的，或许是怕水星附近太热吧，毕竟靠近太阳了。捂脸。）
她是第2颗水星探测器，不过却是第1颗能够环绕水星飞行的人类探测器。
通过漫长而又精彩的轨道飞行，信使号探测器在2011年3月18日，到达绕水星轨道，随后开始了用曼妙的舞姿陪伴水星。
信使号是个会飞的照相大师。上图和上上图是她飞掠地球时的练手之作。
信使号在1.83亿公里远的地方一回眸，拍下了相依为命的地球和月球。
到达水星轨道的信使号探测器，为了满足人类的好奇心，开始大量拍摄。
信使号探测器对水星成的地质图像。
信使号探测器对水星全表面进行的光谱扫描成像。 2014年，信使号探测器进入衰减轨道。利用最后剩余的氦气，信使号向水星表面猛扑过去，在2015年4月30日协调世界时19点26分05秒，撞击到水星表面。 按动能当量计算，信使号探测器会在水星表面撞出一个直径16米的小坑。
这投入水星温暖怀抱的瞬间，成为信使号留给我们的永远。 上图为信使号拍摄的第一张水星照片（摄于2011年3月29日）和最后一张水星照片（2015年4月30日，即将撞上水星表面，来不及好好对焦了）。 未来
水手10号和信使号水星探测器给我们人类带来了很多水星的信息，揭开了人类以前所未知的很多知识。 上图为信使号探测器获取的人类第一张水星彩色照片。 但是，在人类对水星了解更多的同时，也有很多疑问尚未解决。 嗯，这就是人类，永远有着好奇心。而小火箭认为，爱情、好奇心和战争是仅有的三种能够真正影响人类文明进程的事物。 水星上到底有没有水？
赵孟頫陨石坑，小火箭风格：水星南纬87.3°S，水星西经 132.4°W，也就是水星南极地区，有40%的区域处于永久阴影区，始终照不到太阳，温度极低。 而水手10号早在上世纪70年代，就发现了这里的反射率很高，极像是冰。可惜她只是惊鸿一瞥然后匆匆飞走了，没来得及仔细观看。 这就给人类留下了一个值得探讨的问题。这一次，赵孟頫陨石坑应该会是重点考察对象。
在水星这个伟大艺术家云集的星球上，赵孟頫和贝多芬还有莎士比亚将会是未来人类经常提到的热门地区。 有人说了，水星嘛，顾名思义，当然是得有水了。从水星这个中文名来分析，水星刚好有50%的水。仔细分析，还会有25%概率有生命。 但是，其实，根据小火箭考据，水星的中文名是这么来的： 还记得咱们在探讨月球的时候，聊过的历法么？ 人类有史以来最早的完备天文历法《太初历》，第一次明确了二十四节气，同时规定一个回归年为365.197132616天（365+（385/1539）），一个朔望月为29.530864198天（29+（43/81）） 。 这份在汉武帝太初元年（公元前104年），由司马迁、唐都和落下闳3位精通数学和天文推算的科学家共同确立。该历法改变了秦代使用的颛顼历以十月为岁首的习惯，而改以正月为岁首，奠定了其后两千年来所尊奉的历法基础。 （当然，司马迁后来以一部《史记》唱响了千古以来的史家经典，被更多人认作为历史学家和文学家了。） 司马迁除了推算了相当精确的历法，写了一本史书之外，还喜欢夜观天象。 （当然，那时候还不流行文理分科，数学推算和天文观测其实是一位优秀史官的日常。） 当时，还没有水星、金星、火星之类的说法，而是辰星、太白、荧惑这样的叫法。 有一天，司马迁诗兴大发，同时灵光闪现，参悟出了五行与五大行星的关系： 五行者，木为青，火为赤，土为黄，金为白，水为黑。 颜色先配上了。 然后， 太白为白色，故称金星； 岁星呈青色，故称木星； 辰星呈灰色，故以黑色配水星； 荧惑呈红色，故称火星； 填星为黄色，故称土星。 司马迁把这些内容以类似公众号文章的形式（天官书）写了出来。 从此，西汉人立刻接受了他的观点。金木水火土五大行星的叫法也就开始在中文圈子里流传开来。
此时，距离西方有个叫威廉·赫歇尔的大帅哥在1783年11月15日和他媳妇儿一起发现海王星还有1800多年，所以五行之外再用什么来命名行星，就不是司马迁要考虑的事情了。 （和司马迁之后的史学家，中国历史上第一部编年体通史《资治通鉴》的作者司马光也没有太大关系，毕竟司马光在公元1086年就逝世了。）
在希腊/罗马神话体系中，水星对应的名字是墨丘利。他是能够快速飞行的信使之神。这个与水星是太阳系所有已知行星中，公转速度最快的，这个事实还是比较相符的。 墨丘利同时还是旅行者、医生和商人的保护神。 但愿他能够保佑贝皮可伦坡号水星探测器顺利完成任务。 铁蛋 当然，说起名字，小火箭倒是觉得，水星如果有小名儿的话，应该叫 铁蛋 吧！
水星的个头儿虽然是太阳系已知的行星里面最小的，但是却很结实。 我们知道，地球的密度是八大行星中最大的，而排第二的，就是水星了。 而且，对于地球来说，地核仅占地球总重的32.1%，而铁蛋，噢不，水星的铁核占总重高达65.7%！ 如果水星是个桃儿的话，这核儿也太大了些。 水星的大铁核直径达3780公里，铁核外面的壳子，仅不到600公里厚。 这么多的铁，或者说这么高比例的铁，到底是怎么来的？ 水星，到底经历了什么才变成了铁蛋呢？
这个就需要贝皮可伦坡号探测器在7年之后去慢慢研究了。 全文结束。 版权声明： |
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来自： 物业不是东西 > 《航天器、地外航空器与轨道》
