「貝皮·科倫布」——再向水星行

2018年10月20日北京時間09：45，歐洲阿里安-5火箭成功發射了由歐洲和日本聯合研製的「貝皮·科倫布」（BepiColombo，20世紀義大利科學家及工程師，他率先發現了水星存在軌道共振現象，並為水手10號探測器計算和設計了一種經過金星的引力彈弓減速的方式來探測水星的方案）水星探測器，「貝皮·科倫布」預計將在2025年12月5日到達水星，展開為期一年的水星探測活動，最終完成對這顆行星迄今為止最廣泛和最詳盡的研究，這些研究將會大大刷新人類對水星的認知。

探水之旅，困難重重

據傳，公元前三千年，生活在兩河流域的閃米特人（有說是蘇美爾人）發現一顆星，把它叫作阿布·伊迪姆·古德·烏德（Ubu-idim-gud-ud）。這顆星就是水星。從地球上看去，水星距離太陽的角距離最大不會超過28°，而我們只有在28°附近才能看見水星。所以，水星或晨伴朝陽，或暮隨落日，我國古代稱它為「辰星」或「昏星」，希臘人給它起了兩個古老的名字，當它出現在早晨時叫阿波羅，當它出現在傍晚叫赫耳墨斯。由於水星緊伴太陽左右，常被太陽的光輝淹沒，所以，我們想要看見水星，並不是一件容易的事，難怪伽利略窮其一生，也未能一睹水星芳容。同樣因為水星與太陽的距離過於接近，地球上的觀測設備和太空中的「哈勃空間望遠鏡」等面對強烈的陽光照射，也都難以對它進行直接觀測，因此，發射水星探測器，近距離觀測水星，成為我們了解水星的重要途徑。

但是，去往水星附近，談何容易！最大的困難，同樣是因為水星離太陽太近！水星和太陽的平均距離為5790萬千米，約為日地距離的0.387倍，比其他太陽系的行星都近，到目前為止還沒有發現比水星更近太陽的行星。與太陽這個大火爐如此接近，水星探測器不可避免地將遭受高溫的「烤驗」，任何設備或儀器如果抵擋不住太陽的熊熊火焰，出師未捷身先死，則是必然的結局。再者，水星為太陽的近鄰，太陽強大的引力將使任何試圖進入水星軌道的空間探測器面臨飛蛾撲火的巨大危險。因此，自20世紀70年代以來，只有美國的水手10號（Mariner10）和信使號探測器（MESSENGER）探測過水星。科學家指出，水星是最接近太陽的行星，也可能是太陽系最古老的陸地行星，了解它的形成過程和具體構造，對於分析我們所居住的星球——地球的形成和演變過程以及與太陽的相互作用等方面有非常重要的意義。

水手10號探測器（圖片來自網路）

1973年11月3日，美國發射了水手10號探測器。它在1974年2月進入一條以176天為周期繞太陽飛行的橢圓軌道。這條軌道的近日點正好與水星繞太陽飛行的橢圓軌道的遠地點相會，從而使水手10號每隔約6個月能與水星靠近兩次。水手10號於1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日曾三次在日心橢圓軌道上和水星相遇，對水星進行了探測。

2004年8月3日，美國發射了世界第一個專用水星探測器——信使號。它採用了先進的防熱措施，裝有7台用於完成6項科學目標的探測儀器。信使號於2011年3月17日進入環水星軌道，成為世界上第1個水星探測軌道器，開始對水星進行為期1年的科學考察。探測任務結束後，超期服役的它於2015年4月30日以螺旋硬著陸的方式受控與水星表面相撞而殞滅，在水星表面形成一個隕坑。

信使號水星探測器（圖片來自網路）

這次發射的「貝皮·科倫布」水星探測器是以歐洲為主，歐洲與日本聯合研製的，也是人類近年來為數不多的水星計劃之一，還是除美國以外第一個水星探測計劃。它實際上包括兩個水星探測器，即歐洲和日本各自的第一個水星探測器，也是首次採用由兩個不同任務探測器組成的編隊來探測水星，任務複雜程度可想而知。這兩個水星探測器將調查研究水星的構成、地球物理學、大氣、磁氣圈和歷史，水星的起源和演變，回答關於太陽系和其他行星系統的基本問題。

其總的科學任務是：使用攜帶的高科技設備完成對水星最全面、清晰度最高的覆蓋；拍攝首批熱成像照片，確定水星表面成分，生成整體溫度圖；提供水星表面特徵的第一幅整體三維圖；對水星引力環境進行有史以來最全面的數字測量，其結果將有助於驗證愛因斯坦的多條理論；首次進行雙點研究，兩個軌道器同時在兩個地區對水星環境展開研究。

超鏈接：水星小知識

太陽系跑得最快的行星

因為水星是距離太陽最近的行星，所以受到太陽的引力也最大，它的公轉速度比其他七顆行星都跑得快，軌道速度為每秒48千米，這樣快的速度，只用15分鐘就能環繞地球一周。難怪代表水星的標記和符號是根據希臘神話，把它比作腳穿飛鞋手持魔杖的使者。

太陽系溫差最大的行星

由於沒有大氣的調節，距離太陽又非常近，再加上它的白晝日照時間很長，因此水星表面赤道區域，白晝的溫度可以達到350℃，甚至連鉛都會被熔化，而夜間溫度可降到－170℃，晝夜溫差超過500℃，因此有人把水星比喻為「冰與火的世界」。

太陽系密度第二大行星

太陽系八大行星中，水星、金星、火星和地球，是陸地星球。而在這些陸地星球之中，水星的體積最小，密度卻相當大，達到5.427克/cm3 ，僅次於地球的5.515克/cm3 。這主要是因為它的內部是一顆巨大鐵核，水星的鐵核在總質量中的比重高達65%左右，相比之下，地球地核的比重為32%。

水星內部是一個巨大的鐵核。科學界的觀點是認為在太陽系早期的狂暴撞擊時代，水星曾遭遇嚴重撞擊，導致其失去了密度較低的一部分外殼，因此留下了密度相對較大的部分。（圖片來自百度）

一舉兩得 各得其所

「貝皮·科倫布」由歐洲「水星行星軌道器」（MercuryPlanetary Orbiter ——MPO，主探測器）、日本「水星磁層軌道器」（Mercury Magnetospheric Orbiter ——MMO，次探測器）和「水星轉移模塊」（Mercury_Transfer_Module——MTM）三部分組成。

「貝皮?科倫布」組合體構造。「貝皮·科倫布」實際上等於發射了兩個水星探測器。它們在發射和巡航階段將組裝在一起，構成一個探測器組合體。在分離進入水星軌道後將對水星的星體和環境進行探測，包括探測水星內部結構和水星磁層與太陽風的相互作用。這些研究將會大大刷新人類對水星的認知，甚至有可能揭示水星的成因以及它離太陽如此近的原因。

「水星行星軌道器」由歐洲航天局研製，是這一組合體的中樞神經——大腦，執行協調管理任務。進入水星軌道後，由設在德國、隸屬於歐洲航天局的歐洲航天操作中心（ESOC）進行統一協調與運行管理。它是主探測器，採用三軸穩定，主要科學任務是觀測水星表面地形，精密計測水星上礦物質，搞清其化學成分，測量重力場等，對水星進行測繪，研究水星表面和內部成分，詳細探測水星磁場環境、行星與太陽風交互以及大氣外層的化學組成。

本宇宙航空研究開發機構提供的「水星磁層軌道器」大約相當於一輛緊湊型的小轎車大小，採用自旋穩定（轉速為15轉/分鐘），主要科學任務是觀測水星固有磁場、磁層、大氣和地形等，關注水星的地表組成和變化過程，最終完成至今對水星最廣泛和最詳盡的研究。

「貝皮?科倫布」組合體進入水星軌道後先分離日本「水星磁層軌道器」

這兩個探測器將一道揭示太陽風交互作用對水星環境和地表的影響。此外，還將對這個過程進行多時空位點探測，這種探測方式只有使用兩個及以上的航天器才能實現，且它們的軌道必須滿足能夠對探測進行互相補充。

歐洲「水星行星軌道器」、日本「水星磁層軌道器」繞水星運行示意圖

歐洲航天局研製的「水星轉移模塊」通過電推進和化學推進系統，負責將組合體送往水星軌道。到達水星軌道後，歐洲「水星行星軌道器」將會用其小助推器將日本的「水星磁層軌道器」送入環繞水星的橢圓軌道，然後自身也將會分離並下降到更低的環繞軌道。

神眼觀星，探微揭秘

歐洲「水星行星軌道器」質量1147千克，將在貼近水星的軌道運行。它裝有11台十分先進的科學探測儀器，重80千克，功耗174瓦，其中1台（中子光譜儀）是俄羅斯研製的，其另外的10台由各自的首席科學家利用歐洲航天局各成員國的國家資金提供。它們側重對水星地形和物質構成的探測。

歐洲「水星行星軌道器」上的科學儀器（圖片來源：作者，處理：向淑君）

值得關注的一台科學儀器是水星成像X射線光譜儀。它是首個探測另一個行星體的X射線成像儀，用於觀察水星表面，確定水星表面組成和水星與其環境之間的複雜相互作用，以幫助提供迄今為止最完整的水星探索和研究。通過測量水星表面發光的X射線，該儀器將提供水星表面元素組成的詳細分析，可使人類了解水星的進化和形成過程；其數據還將提供水星表面外逸層與磁層相互作用的信息。

「水星磁層軌道器」關鍵部件的配置圖（圖片來源：作者，處理：向淑君）

日本「水星磁層軌道器」質量275千克。它裝有5台科學儀器，重45千克，功耗90瓦，其中1台來自歐洲,另4台來自日本。它們用於探明水星上固有磁場的成因；找出水星與地球上的磁層有哪些不同，並搞清其特異性；搞清水星表面所生成稀薄大氣及其消散的原理；對位於太陽附近行星間的空間進行觀測。

引力控制，轉移飛行

由歐洲航天局負責研製的「水星轉移模塊」與兩個軌道器構成一個探測器組合體一起飛往水星。「水星轉移模塊」由太陽能電推進艙（SEPM）和化學推進艙（CPM）組成。它在飛行過程中會藉助地球、金星和水星的引力，將歐洲「水星行星軌道器」、日本「水星磁層軌道器」送入水星軌道。太陽能電推進艙由總面積為33米2的太陽電池翼提供電能，裝有3台氙離子推力器。化學推進艙採用雙組元推進劑，裝有8台20牛推力器用於姿態控制，1台4000牛推力器用於軌道射入。

歐日研製的「貝皮·科倫布」水星探測器。里圈是歐洲研製的「水星行星軌道器」，外圈是日本研製的「水星磁層軌道器」。（圖片來源：作者，處理：向淑君）

因為太陽引力的作用，飛往水星並把探測器送入繞水星軌道是很難的。「貝皮·科倫布」將以一種新穎的方式飛往那裡，巧妙地利用地球、金星和水星本身的引力控制速度，以減少所需的燃料。它將在地球、金星和水星附近進行9次引力控制飛行。

這是因為水星的直徑只有4880千米，引力太小，而太陽引力依然是最大的阻礙。空間探測器如果直飛太陽，會在這個比地球重33萬倍的巨大恆星的引力作用下瘋狂加速。雖然在飛越金星和地球時可以「借力」調整探測器的軌道形狀和飛行速度，使其能夠路過水星，但引力僅與月球相近的水星很難「捕獲」飛越的空間探測器；而且水星也是整個太陽系運行最快的行星，因此空間探測器更難進入水星軌道。所以，「貝皮·科倫布」採用地球、金星、水星共同配合反覆調整軌道；同時，其上的發動機拼盡全力工作，才有可能進入環繞水星軌道。

該探測器由火箭送入地球同步轉移軌道後，通過化學推進發動機到達距地面4.36×105千米，飛越月球後進入行星軌道。此後，「貝皮·科倫布」將利用太陽能電推力器提供的推力巡航飛向水星。在整個7.2年的飛行期間，它要1次飛越地球、2次飛越金星、6次飛越水星。經過7.2年約90億千米的長途飛行後，探測器將於2025年12月5日進入環繞水星的軌道。在距離水星約1×105千米時到達水星引力場影響範圍。

「貝皮·科倫布」將在發射後3年內首次飛越水星。在行星飛越期間，「水星轉移模塊」的「網路攝像頭」將拍攝一般質量的水星圖像。歐洲和日本的探測器分別進入各自的最終軌道後，將對水星及其環境進行互補測量，以提供迄今為止對水星的最佳測量資料。測量結果將幫助科學家了解水星是如何在太陽附近形成並演化的。

在抵近水星時，太陽能電推進艙先將從「水星轉移模塊」分離出去，啟動化學推力器為組合體提供反推力來減速，並利用所謂的「弱穩定性邊界捕獲技術」使組合體進入近水點為400千米、遠水點約為12000千米水星軌道，這時「水星磁層軌道器」與組合體分離，獨立運行在距離水星近水點400千米、遠水點12000千米軌道。然後，通過化學推力器使組合體再次降低軌道高度，當進入近水點為400千米、遠水點為1500千米水星軌道時，「水星行星軌道器」與「水星轉移模塊」分離，獨立運行在近水點400千米、遠水點1500千米的水星軌道。

超鏈接：水星，是否名副其實？

浸沒在太陽光熱中的水星絕非一個尋找水的好地方。有人說，水星名不副實，因為它是太陽系中距太陽最近的行星，溫度很高，所以上面根本沒有水。但也有人認為，在水星朝向太陽的一面，其表層溫度最高可達400餘攝氏度，在這種環境下基本上不太有可能有冰存在；而在水星極地則很可能有結冰的水沉積物存在。2012年，信使號探測器傳回照片顯示冰水物質可能存在於水星。科學家分析，這是因為水星相對於太陽赤道的軌道傾角僅為3.38°，所以在水星極區存在很多陽光照射不到的永久陰影區，在水星上這些永久陰影區尤其是撞擊坑內可能存在水冰。

圖像中的紅色區域標示出了水星北極地區迄今在所有信使號觀測圖像中均沒有光照涉及的永久陰影區，黃色區域則是地基雷達觀測顯示出的高反射明亮區域。可以看出，雷達回波圖像中的明亮區域還是和水星兩極地區的已知的環形山相關聯的。儘管現在還沒有直接的證據表明水星的兩極區域內有冰存在。（圖片來自https://www.universetoday.com）

精心設計，抵禦烘烤

進入水星軌道後，由於「貝皮·科倫布」距離太陽很近，所以要面臨一系列重大技術挑戰。其中，最大的技術挑戰是高溫環境，因為探測器部分表面將受到太陽的直接炙烤，溫度升至350°C左右。

為此，「貝皮·科倫布」採用了新設計的多層隔熱氈。其最外層由陶瓷纖維製成，用於對探測器進行隔熱。另外，探測器上還配備了高效率散熱器，使探測器對水星表面的熱紅外輻射不太敏感，以便探測器上的科學儀器和電子設備能在正常溫度下工作。

歐洲不僅對「水星行星軌道器」進行了縝密的耐熱設計，還進行了精確的姿態控制，從而能有效地控制探測器，使其加了熱屏蔽的那個面一直對準強太陽光照射區，這樣就可確保需要在允許溫度範圍工作的儀器和探測器本體內的溫度都能保持在要求範圍內，確保探測器按要求執行飛行任務。

「貝皮?科倫布」組合體進行熱真空試驗（作者供圖）

日本「水星磁層軌道器」的自旋軸與水星赤道面基本呈垂直狀態，這樣可防止強大的太陽輻射能量直射到探測器的上方或下方，還能確保即便是探測器的姿態發生變化仍可將配置在探測器上部的高增益天線指向偏差控制在最小，以確保天線繼續高精度地指向地球，順利完成任務。同時，在強光可能會直接照射到探測器的各個面上都覆上了抗強照射鏡（SSM），它具備「既可反射可見光，又能放射紅外線」的功能，覆上這種抗強照射鏡之後，可確保探測器內部一直保持常溫狀態，使探測器內的部件、儀器在設計壽命期內一直正常工作。

但是，「貝皮·科倫布」上的一些部件無法採用熱屏蔽方式。比如，太陽電池翼，其溫度必須保持在250°C以下，這是太陽電池板及其電子設備所能承受的最大熱量限度。為此，研製了創新技術，即讓太陽能電池板由60%的鏡片和40%的特殊電池組成，在溫度超過250°C時也能供電，其中鏡片用於反射熱量。另外，還將調整太陽能電池板的方向，使太陽光對它不進行垂直照射。

最後，預祝「貝皮·科倫布順利進入水星軌道，圓滿完成探測任務。

責任編輯張恩紅

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