七步打造一艘水星飞船
Sean Blair, Christopher Semprimoschnig, Jan van Casteren　文　Shea　编译
	怎么样才能造一艘飞船，让它能够经受得住比在地球轨道上强10多倍的太阳光照，忍受得了足以让铅熔化的高温？回望2000年底贝比科隆博水星探测任务被选中之时，没有人确切知道答案。 　　对于贝比科隆博水星探测任务（BepiColombo），欧洲空间局（ESA）不仅必须拓展已有设计标准的极限，还不得不研发新的设计思路。去往水星本身就是一个大挑战：需要新一代的高效电推进系统，它要能够输出进入轨道所需的数万个小时的推力。 　　为此有一个庞大的科学家和工程师团队在为之工作，在各大领域都有大量的技术需要开发和测试。“贝比科隆博”其实是一个三合一的探测器，包含了一个由ESA制造的水星轨道器（MPO）、一个由日本制造的水星磁层轨道器（MMO）以及由ESA制造负责在行星际空间来运送前两者的水星运输模块（MTM）。 　　“贝比科隆博”将会成为自美国宇航局（NASA）20世纪70年代的“水手”10号和“信使”号之后第三个造访水星——太阳系中最靠近太阳的行星——的探测器。但与飞掠水星的“水手”10号以及在一个大椭圆轨道上运转的“信使”号比起来，“贝比科隆博”会以更近得多的距离来审视水星。 　　虽然“贝比科隆博”的水星磁层轨道器也会进入一条椭圆轨道，但将对水星进行测绘的水星轨道器则会进入距离水星热辐射表面400千米以内的范围。在特定的轨道位置上，它会处于太阳和水星之间，不得不忍受高达450℃的酷热。 [图片说明]：“贝比科隆博”探测器的概念图。版权：ESA。 第1步：保持凉爽 　　热控制问题主导着“贝比科隆博”的设计。如果你把它劈开，就会看到错综复杂的导热管。在许多之前的任务身上已经使用了这一方案。它们就像封闭循环的人类汗腺，其中装有液体，其蒸汽会把过剩的热量从水星轨道器向阳侧输送到朝向深空的辐射板。在那里蒸汽随即液化，使得整个循环过程再次开始。导热管可以使得水星轨道器的内部保持在和室温相当的水平。 　　但新的问题是这一辐射器的大小（约4米长、2米宽）以及它所需要面对的工作限制。这些辐射板必须要在低温的阴凉处才能工作。如果它们持续被阳光或者是来自水星表面的红外辐射所照射，就会罢工。 　　于是，“贝比科隆博”不得不研发出一套独特的涂层百叶窗，它能防止辐射器“直视”下方炙热的水星，同时又让其自身的辐射散逸到冰冷的太空中去。 [图片说明]：“贝比科隆博”环绕水星的概念图。版权：ESA。 第2步：材料问题 　　然而，上一步仅仅是排出“内热”，如果能让“贝比科隆博”不产生热量岂不是更好。这一真正的技术挑战就在于寻找新的外部材料，它能够抵御比地球轨道上强10倍的太阳辐射和温度。 　　这包括了天线、太阳能板和相关的太阳跟踪传感器、机械装置、导热管辐射器以及多层保护绝缘。在2001年初ESA便为“贝比科隆博”启动了一个关键的材料技术项目。其空间材料和成份部门的材料评估和辐射效应科一直在忙于检测新材料。由于之前对于如此严苛的环境没有任何经验，这已经成为了一个巨大的挑战。ESA最深入太阳系腹地的是金星快车探测器，但它应对的只是2倍于地球轨道的太阳辐射而非水星处的10倍。 [图片说明]：“贝比科隆博”是一个三合一的探测器。版权：ESA。 第3步：耗时测试 　　ESA的材料工程师也参与到了“贝比科隆博”中，因为他们知道什么材料会是理想的候选者以及哪些相关领域也许能提供有用的技术，例如喷气引擎涡轮的保护涂层。然而，测试这些新技术、改造已有的设施需要数年的时间。 　　当你把光和热的强度增大到之前实验室所用的10到20倍时，常常会出现故障。ESA的材料专家不得不应对类似灯座和反射镜融化这样的问题，但他们还是成功建造了一些具有代表性的模拟室，例如协同温度加速辐射设施。 　　科学家们需要能够预言所有被研究的材料在其寿终正寝时的情况。在多年强烈的阳光照射下，这些材料对于该任务至关重要的特性会如何改变？反射涂层是否会褪色，多层绝缘材料是否会开裂，太阳能板的转化和热辐射效率是否会降低？ 　　“贝比科隆博”暴露在阳光下的总时间相当于100,000个小时。通常，为了加速寿命测试需要升高照明的亮度，但是把辐射能流密度从11倍于太阳常数提升到30或者40倍并非易事。由于非线性效应，其精度存在不确定性——材料可能会因为多种原因而意外失效。 　　为“金星快车”而做的材料寿命估计为此提供了一个切入点。这一设计寿命5年的任务实际工作了9年，证明其团队对材料寿命的最初估计普遍较为准确。 [图片说明]：“贝比科隆博”上由ESA制造的水星轨道器。版权：ESA。 第4步：尽在真空 　　就像是被阳光炙烤的塑料一样，在这样的极端环境下，任何东西就会老化。但科学家们需要精确地知道在轨道上材料的关键性质随着时间是如何老化的。但当测试样本从真空室中取出进行检测时，由于暴露在空气中时会引发材料本身中的“基”——具有高度化学活性的原子、离子或分子——发生反应。这些基是老化的生成物，会改变老化的状态。隔一天之后去测量，你就会发现材料的情况大为不同。如果根据这些结果外推，你会得到一条性能曲线，但实际的曲线要比这糟得多。为此工程师们专门在真空室中安装了测量系统。一方面可以节省时间，同时也能得到更可靠的结果。 [图片说明]：“贝比科隆博”上由日本制造的水星磁层轨道器。版权：ESA。 第5步：超越临界点 　　ESA必须要确定它所选择的材料在多年之后功能依然可靠。于是科学家们会测试材料性能的极限，看看当它们失效之后会发生什么。这些结果蕴涵了丰富的信息，可以惠及许多其他领域。 [图片说明]：水星轨道器和水星磁层轨道器将分别在不同的轨道上探测水星及其周围的环境。版权：ESA。 第6步：多层绝缘 　　覆盖“贝比科隆博”舱体的多层绝缘材料使用陶瓷结构。其不同层之间有一定的间隙，设计上要求它尽量的轻——这些绝缘层中的一些厚度不足一页纸的十分之一，仅7.5微米厚。它的重量远远小于金属箔，但同时也更为脆弱。 [图片说明]：工程师们正在对材料进行极端热环境老化测试。版权：ESA。 第7步：保护太阳能板 　　太阳能电池板是最具挑战的材料问题。通过模拟发现，其性能的老化率达到了惊人的每月下降20%。 　　这几乎把“贝比科隆博”推到了被取消的边缘。这一现象是在紫外辐射和高温共同作用下破坏太阳能板转化效率的结果。 　　通过保护性的涂层并且小心地调整太阳能板的角度可以解决这个问题。如果直接对准太阳，太阳能板就会被加热进而老化。因此，它们必须倾斜一个最佳的角度——此时尽管其能量的输出水平较低，但它的温度也会很低。 [图片说明]：工程师们在对“贝比科隆博”太阳能板的粘合剂进行测试。版权：ESA。 　　虽然缘由不同，但“贝比科隆博”的主天线也需要保护性的涂层。为了获得最大的性能——满足探测太阳周围时空弯曲的高精度无线电科学实验的需要，该天线由很薄的钛制成。在阳光的照射下，其自身会像其他金属一样升温到700℃。但必须要防止由此而带来的形变。一种特殊的涂层将会帮助把它的温度保持在300℃以下，同时又使得电磁波信号可以自由的穿行。
[ESA Bulletin 146]

2001-2018火流星工作组制作


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