采用太阳帆推进技术的水星侦察任务概念

由NASA的信使号航天器拍摄的水星图像。（来源：NASA约翰霍普金斯大学应用物理实验室亚利桑那州立大学华盛顿卡内基研究所）

水星是离太阳最近的行星，也是航天器最难访问和探索的行星。这是因为当航天器靠近水星时，太阳巨大的引力会将其拉向太阳，极大地增加其速度，使得在不消耗大量燃料的情况下减速变得困难。但如果航天器既能前往水星又能在不使用燃料的情况下探索它呢？这可以大幅降低任务成本，同时提供有影响力的科学成果。

目前，布朗大学的一组研究人员或许离实现这一任务又近了一步，他们提出了一个名为水星侦察兵的太阳帆动力探索级任务概念，并在一项研究中对其进行了介绍，该研究已在某次月球与行星科学会议上展示。探索级任务是美国国家航空航天局（NASA）的低成本任务（预算低于10亿美元），与预算达数十亿美元的大型旗舰任务相比，其研发速度更快。以水星任务为例，NASA的信使号任务是首个环绕水星运行的任务，它就是一项探索级任务。在该研究中，研究人员讨论了水星侦察兵的推进系统、科学目标、科学仪器、航天器设计以及通信系统。

水星侦察兵最引人注目的方面可以说是太阳帆推进技术，它利用太阳辐射为航天器提供动力。研究人员指出，除了不需要燃料外，这种方法还可用于控制航天器的方向和姿态。此外，由于组件数量减少且航天器尺寸更小，太阳帆推进技术还能延长航天器的寿命，从而增加对这颗离太阳最近的行星的科学数据收集量。到目前为止，唯一在太空中成功使用太阳帆推进技术的航天器是日本的IKAROS任务，而行星协会的LightSail2也曾成功利用太阳帆提升其轨道。NASA近期测试了其先进复合太阳帆系统（ACS3）技术，该系统已发射并成功展开了帆。虽然ACS3目前处于近地轨道，但这艘搭载着一个约微波炉大小的立方体卫星的航天器出现了翻滚现象，相关情况仍在监测中。

水星侦察兵任务的总体目标是使用窄角相机（NAC）执行地质成像任务，该相机可提供最高1米（3.2英尺）每像素的高分辨率图像。作为参考，美国国家航空航天局（NASA）的月球勘测轨道飞行器使用的窄角相机分辨率为0.5米（1.6英尺）每像素，而NASA的信使号航天器所配备的窄角相机能够实现最高20米（65英尺）每像素的图像分辨率。

利用NAC，水星侦察兵任务的科学目标是深入了解水星的地壳历史，因为水星地壳估计约26公里（16英里）厚，与太阳系其他行星相比相对较薄。其他科学目标包括研究当前或近期的地质活动，并将这些发现与信使号等过往任务的结果进行对比。

水星侦察兵将以成像为重点，NAC计划成为其唯一的科学有效载荷。为了热控制，考虑到距离太阳极近，水星侦察兵将采用高度椭圆轨道，其与水星表面的距离范围从约200公里（124英里）到约10000公里（6214英里）不等。在通信方面，水星侦察兵将采用类似美国国家航空航天局（NASA）的信使号和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的晓号任务所使用的平板天线，晓号任务旨在研究金星大气。

研究指出：这种重新规划的水星侦察概念表明，仅搭载NAC的简化有效载荷与太阳帆推进相结合，能够通过长期、高分辨率成像对水星表面演化进行有针对性的高影响力研究。尽管在指向稳定性、热生存能力和姿态控制方面仍存在技术挑战，但本研究表明，采用无推进剂架构在水星轨道实现米级分辨率成像不存在根本物理障碍。

水星侦察兵将如何在未来数年及数十年里帮助科学家探索水星？只有时间能给出答案，而这正是我们进行科学研究的原因

一如既往，继续做科学研究，继续仰望星空

BY: Laurence Tognetti, MSc

FY: AI

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