人類即將第三次靠近水星！

原標題：人類即將第三次靠近水星！

語宙

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「預計於明日上午09:45發射升空」

BepiColombo探測器（圖片來源：歐空局）

本次探測任務簡介

2018年10月20日，人類歷史上第三個、歐洲第一個水星探測器「比皮科倫坡」（BepiColombo）將從法屬蓋亞那庫魯發射場由阿里安5號發射升空，一切順利的話，經過地球、金星和水星等一系列引力助推效應之後，度過7年時間、穿過90億公里路程，將於2025年12月5日最終進入環繞水星的軌道，進行為期一年的常規探測任務和一年的擴展任務。

BepiColombo這個項目代號，來源於義大利科學家和工程師GiuseppeColombo。Bepi是他的昵稱，之所以用這個項目命名來紀念他是因為他設計發明了重力輔助變軌（gravityassist manoeuvre）方法，也叫引力助推或引力彈弓效應，這一方法已經廣泛地應用於太陽系旅行中。

BepiColombo探測器項目由歐洲空間局（ESA）和日本宇航研究開發機構（JAXA）聯合進行，成本超過13億歐元。BepiColombo探測器高6.4米，由兩個模塊組成，即JAXA的水星磁層軌道器（MMO）和ESA的水星行星軌道衛星（MPO）。MMO將以磁層軌道器遮陽板和界面結構（MOSIF）為遮光器。一旦抵達水星軌道，這兩個模塊將分離進入各自的軌道，互為補充，研究水星的內部結構和磁場產生的特點，探究水星的起源與演變歷程，從而幫助我們更好地了解太陽系的整體演化歷史。

MPO（下部）和MMO（上部）（圖片來源：歐空局）

另外，電離子推進模塊（MercuryTransfer Module，MTM）和化學推進將為水星之旅提供動力。由於太陽能帆板需要滿足提供充足電能和防護熱量的重大任務，因此需要特殊設計。只有如此，電推進模塊才能順利展開工作，幫助整個探測器度過漫長軌道旅途。

本次探測的亮點

萬事開頭難。歐空局之前的任務都是去的相對較冷的區域，如木星、土星、小行星、彗星等，而此次任務將是歐洲第一次將行星探測器送入近太陽端，是歐空局第一個探測水星的任務，也是世界上第一個同時用兩個航天器對水星進行研究的任務。一旦成功，歐空局將成為繼NASA後第二家能達成「水星入軌」成就的機構。

由於水星極難抵達，本次探「水」軌道將要進行9次引力助推，分別藉助地球引力一次、金星引力兩次、水星引力六次，複雜的軌道設計也體現了歐空局高超的軌道控制技術水準。

BepiColombo也是首次在水星探測中使用電離子推進器的航天器，預計7年水星旅程中，離子推進器將運行4.5年。電離子推進器油耗量很少，產生的等離子體以每小時9萬英里的速度從推進器噴射。能否在長時間、長距離、高精度的空間探測活動中經受住考驗，值得關注。

在探測器抵達水星軌道後，搭載的兩個模塊將分開，協同工作，屆時將有兩個航天器同時觀測水星。水星行星探測器將在2個多小時周期的軌道上進行全波段全星球表面的成像探測，而水星磁場探測器將描畫出水星的磁場分布。在任務周期中，這兩個探測器將共同完成以下目標：

研究母星行星的起源和演化

全面對水星進行探測，研究水星的外大氣層，表面，內部，結構，地質，物質組成和撞擊坑

調查水星外大氣層的動態衍化，包括生成和消失

研究水星磁層的結構和動力學

調查水星磁場的起源

驗證愛因斯坦的廣義相對論

載荷分離圖示（圖片來源：AIRBUS）

本次水星探測，擁有迄今為止最全面的任務規劃、最新的儀器設備、最優的載荷配備、最強大的數據採集能力，BepiColombo將是人類在水星探測領域樹立起的一座標誌性豐碑。

奇怪的水星

太陽系行星

水星是太陽系內離太陽最近且最小的一顆行星，沒有天然衛星，距離太陽只有5800萬公里，其運轉速度最快，並且水星每公轉2周就自轉3周，如果人站在水星上的某些地方，可以看到雙日落和雙日出。水星這個名字似乎寓意星球上有水，但事實上除了北極有水冰之外，還沒有發現水。水星這個中文名字其實來源於古代時期「五行」學說。

由於水星太靠近太陽，除非有日食，否則在陽光的照耀下通常看不見水星。自古以來，水星凌日幾乎就是觀測水星最好的機會。

水星（圖片來源：NASA）

在太陽系中，水星是除地球外唯一擁有穩定磁場的岩石行星，但是水星的磁場太弱了，大約只有地球磁場強度的1.1%。水星可以說是沒有大氣，不能提供對太陽輻射的防護，其表面的輻射水平不適合地球上的生命形式生存。

水星表面溫度很極端，介於450℃到零下180℃之間，晝夜溫差極大。

水星幾乎完全由核組成――地幔和地殼的薄殼圍繞著一個巨大的金屬球，其內部的地質活動也完全停止。水星擁有比太陽系任何一顆行星都要多的熔融鐵核心，其鐵核心體積佔到整個水星的42%。

探「水」有哪些難度

首先需要明確一點，登陸水星並非易事，然而難度並不在於太遠，而在於水星自身奇怪的特質。

太陽質量比水星大得多，水星距離太陽又非常近，受到太陽強大引力影響，飛船向水星飛行的時候很容易被太陽加速。而要想順利進入水星軌道，飛船必須將自己的速度降到足夠低，才能被水星微弱的引力所捕獲。這就給軌道設計帶來了非常大的困難。要麼飛船本身需要攜帶足夠多的燃料，足以自己進行「剎車減速」；要麼飛船必須藉助引力助推降速，但這就要求加力行星在合適的時間出現在合適的位置，機會難得，耗時長、窗口期短。

美國行星科學家豪克打過一個形象的比喻：「你基本上需要3枚火箭才能來到水星：一枚讓航天器離開地球；一枚讓航天器從地球到達水星；一枚讓航天器小心翼翼地降落在水星上（因為水星缺乏可以減速的大氣層）。宇宙飛船需要遵循複雜的軌跡才能到達水星，所以，整個過程需要6―7年。」

本次BepiColombo探測任務裝備了可以超長時間工作的電離子推進驅動模塊，作為向水星進發軌道的主要動力，也是從能源角度考慮的，畢竟電推進加速時間很長，發動機比沖很大，且不需要化學燃料那樣大量的推進劑。

另外，水星表面極端的溫度條件（超過350攝氏度的高溫）和高能太陽輻射條件，也對環繞探測器和登陸探測器提出了很高的設計要求，因此與「帕克」探測器類似，本次任務也需要一頂足夠強悍的遮光器，來應對太陽的巨大熱量和高能輻射干擾。稍有不慎，探測器就會前功盡棄。到目前為止，還沒有人工著陸器能夠成功登陸水星。

我們做過哪些努力

由於困難重重，人類歷史上一共只開展過兩次水星探測，向水星派出了兩個探測器：NASA於上世紀70年代發射的「水手10」號（Mariner10）和2004年發射的「信使」號。

水手10號攜帶的儀器圖示（來源：NASA）

1973年10月3日，水手10號從美國肯尼迪中心成功發射，是第一個運用引力助推技術的航天器，也是第一個採用X波段和S波段的航天器。三個月後，水手10號飛躍金星，依靠金星的引力加速改變了速度和軌跡，在1974年3月29日，人類探測器首次飛掠水星。水手10號攜帶了用於研究金星和水星大氣、地表、物理特性的一系列儀器。

水手10號整裝待發（來源：NASA）

水手10號的軌道（來源：NASA）

受當時技術水平的限制，水手10號並不能真正進入水星軌道，而只是飛掠水星。在整個任務期間，「水手10號」一共三次飛過水星附近，第二次飛掠水星是在1974年9月21日，第三次則是在1975年3月16日。在此期間它傳回了水星部分地區的高清圖像，並對水星地表環境與其附近進行了考察。

通過「水手10號」探測器，人類第一次看到了水星地表的真實情況。水星呈現在世人面前的是荒蕪的地表和遍布的撞擊坑。但有一點比較特殊，科學家們在水星表面上發現了一些斷崖，目前一般認為這可能是水星內部逐漸冷卻時出現整體收縮而導致的地表開裂。

水手10號拍攝、處理後的一張水星南半球的照片（來源：NASA）

2004年8月3日，第二次水星探測項目開啟，「信使號」飛船成功在美國發射。由於經費有限，「信使號」使用了十分經濟而又費時間的飛行方式，即不斷使用地球、金星、水星的引力助推減速。

這艘飛船和「水手10號」不同。飛行期間三次近距離經過行星表面，但速度仍然過大，無法被水星引力捕獲。最終2011年3月18日，在複雜可靠的軌道設計和足夠多的燃料（飛船質量的55%都是燃料）的支持下，歷經7年，「信使號」探測器終於成功進入水星軌道，成為人類歷史上首個成功進入水星軌道的探測器，拍到了第一張從水星軌道上拍攝的水星地表圖像。

信使號的軌道（來源：NASA）

信使號探測器（來源：NASA）

信使號拍攝的水星照片（來源：NASA）

「信使號」探測計劃耗資4．27億美元，重達1.2噸的飛船攜有7種科學儀器，其中包括成像系統、測量地形用的激光測高儀、探測水星磁場用的磁強計以及能研究水星外殼、磁場、磁層和大氣層的光譜儀。另外，「信使號」還攜帶一面5平方米的「盾牌」，用於遮擋、反射太陽光，就是圖中的Sunshade。

太陽輻射的γ射線和X射線到達水星後，撞擊不同元素有不同的表現，通過探測器上的儀器能夠了解水星上的元素分布。尤其是水星南北極，這兩個從未被太陽照過的地方，是否有冰存在。後來，「信使號」探測器真的在水星的北極區域發現了冰。

2015年4月30日，「信使號」水星探測器壽終正寢，被水星引力逐漸拉近，義無反顧地投入水星的懷抱，在水星北極附近留下一個直徑大約15米的撞擊坑。

信使號「死」前為自己拍攝的埋葬處（來源：NASA）

功勛卓著的信使號（來源：NASA）

在長達11年的飛行探測工作期間，「信使號」探測器拍攝並回傳了超過25萬張圖像，並使用其搭載的7台科學載荷採集了海量數據，為人類加深對水星的理解奠定了堅實的基礎。「信使號」探測器在技術上也留下了重要遺產，它的成功對於未來嚴酷環境下的探測器技術提升有很大幫助，某種意義上，「帕克」探測器也是站在了「信使號」的基礎上。

水星如此「貧瘠」，為什麼要探測

前邊提到過，水星探測難度很大，當然耗費也很大。但水星自身的條件並不適宜人類居住，現在也並沒有發現水星包含豐富的可利用資源。那為什麼還要探測水星呢？

其實，科學家如此迫切想要了解水星的各項性質，著眼點並非僅僅局限於水星本身。對於水星的考察將幫助我們了解各類行星作為一個整體的一些性質。

如果我們想要回答地球是如何形成的這一問題，我們就需要了解形成太陽系內所有其他行星的機制和過程。同樣的情況也適用於對太陽系外行星的研究。截至目前科學家們已經發現超過2000顆系外行星，另外還有數以千計的目標等待被確認。如果我們能夠搞清楚行星形成的機制和過程，那麼我們就能夠更有把握地估算出在各種不同的情況下將會形成何種類型的行星。

換句話說，我們並非僅僅在研究水星。我們可能實際上正在對數以千計的行星體開展研究，而其中的大部分我們還從未曾目睹，但通過對水星的考察和研究，我們將能夠了解這些未知世界的許多相關信息。

就像記者採訪英國登山隊員馬洛里，詢問為什麼要攀登珠穆朗瑪峰時他的回答一樣：

「Because it"s there.」

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第 206 期

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