水星探测意义及发展历程研究

王帅（北京空间科技信息研究所）

1 概述

水星是距离太阳最近的行星，由于向水星转移需要非常大的速度增量且水星几乎没有大气，进行水星环绕和着陆任务难度很大。另一方面，水星表面温差极大，其宜居性差且探测难度较大。因此，人类过去探测水星的热情并不高。目前，仅有水手－10（Mariner－10）和“信使”（MESSENGER）探测器进行过水星探测，欧日联合探测任务“贝皮-科伦坡”（BepiColombo）则正在飞行途中。然而，水星是太阳系中除地球之外唯一具有明显全球性磁场的类地行星，对于了解太阳系起源与演化、认知磁场的产生原理具有重要意义，未来仍将是人类空间探测的一个重要目标。

尽管人类仅开展了有限次数的探测，但对于水星的基本情况已经有了较为全面的了解，包括水星地貌、大气、磁场和周边空间环境等。“贝皮-科伦坡”将进一步深入研究水星磁场、磁气圈、表层以及内部结构。通过研究上述信息，有望揭示行星和太阳系起源等重要科学问题。

“水星磁气圈轨道器”在轨飞行示意图

2 水星探测科学意义

水星探测属于深空探测领域，具备深空探测的普适性探测意义，即科学层面上揭示太阳系起源与演化、解答行星形成和生命起源等基础科学问题；经济层面上牵动创新科技的发展，促进材料、控制、制造等领域的发展，进而带动国家经济发展；政治层面上彰显国家综合国力和科学发展水平，激励青少年探索和创新的科学精神，激发人民爱国热情。此外，水星因其独特的属性具有其特异性的探测意义。

水星是太阳系最内侧的类地行星，对于揭示行星起源与演化具有重大意义

水星是距离太阳最近的一颗行星，与金星、地球和火星一样属于主要由硅酸盐岩石或金属构成的类地行星，结构与地球类似，是人类当前深空探测最主要的一类目标。探测类地行星能够帮助揭示太阳系形成与演化、宇宙起源和生命起源等在内的重大基础科学问题，从而加深人类对生存环境的认知，有助于人类更好保护自身生存环境，为人类社会可持续发展服务。

水星还是太阳系最小的一颗行星，平均半径为2440km，仅为地球半径的1/3，但平均密度较高，达到5.427g/cm3，在太阳系中仅次于地球的5.515g/cm3。如果不考虑重力压缩对物质密度的影响，水星物质的密度将是最高的—未经重力压缩的水星物质密度为5.3g/cm3，而地球物质密度为4.4g/cm3。这样的高密度是当前水星探测的一个重点，对于了解其形成和演化具有重要意义，主要通过探测水星表面和内部结构与构成揭示其原因。

除了地质构造以外，大气条件同样是行星探测的重点。然而，由于水星太小且温度太高，其引力不足以长期留住大气层，但水星确实有一个稀薄的、局限在表面的外逸层，包含着氢、氦、氧、硫、钙、钾和其他元素。水星外逸层并不稳定，原子会不断地流失并由其他不同的来源获得补充。氢和氦可能来自太阳风，并在逃逸回太空之前先扩散至水星的磁层。

水星探测主要科学目标

水星具有明显的全球性磁场，研究其磁场及磁气圈有助于揭示行星磁场形成的问题

行星磁场对于生命的存在具有重大意义，磁场形成的磁气圈将抵挡太阳风和宇宙射线的冲击。如果没有地球磁场，地球上的生命将很难出现和演化。水星是太阳系中地球外唯一具有明显全球性磁场的类地行星，尽管其强度还不足地球磁场强度的1%。探测水星磁场可以帮助理解行星磁场形成的机制，更为深入地认知地球磁场的起源。探测水星磁场包括探测水星内核、水星磁气圈等。

综上所述，水星探测的主要科学目标可以概括为水星的起源与演化，水星的磁场和磁气圈，探测的对象包括水星表层、内核、外逸层、磁场、磁气圈以及行星际空间。其中，水星地质探测的重点为水星的高密度特性以及水冰等。

3 水星探测历程回顾

水星探测历程图

截至2018年10月，仅有2颗探测器对水星进行了探测，“贝皮-科伦坡”则正在飞行途中，将实现水星的第三次探测。1973年发射的水手－10探测器实现了水星的首次飞越探测；2004年发射的“信使”探测器则通过多次行星借力，于2011年成功进入水星环绕轨道，成为首个环绕水星的空间探测器，并于2015年3月在完成任务后按照计划撞击水星表面；2018年发射的“贝皮-科伦坡”将在多次飞行借力后，于2025年进入水星环绕轨道。

首个水星探测任务为1973年11月3日发射的水手－10，由美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）研制和管理，其主要科学目标为探测水星大气、表面及其物理特性。水手－10于1974年3月29日、1974年9月21日和1975年3月16日3次飞越了水星，对水星的半个表面进行了绘制，首次揭示了与月球非常相似、布满陨石坑的水星表面。同时，水手－10发现水星并不存在明显的大气，仅存在脆弱的外逸层。此外，水星－10还确认了水星具有明显的内部磁场，以及动态变化的磁气圈。

在水手－10完成水星的普查性探测之后，直到20世纪末水星探测才再次被提上日程，NASA与欧洲航天局（ESA）几乎同时确定了水星探测任务，其中NASA于1999年7月选择“信使”作为第7次“发现”（Discovery）任务，而ESA则在2000年10月确定的地平线－2000（Horizon-2000）计划中将“贝皮-科伦坡”选择为五大根基任务之一，日本也将核心参与该任务。这2个几乎同时确立的水星探测任务引发了协同开展任务的探索，NASA与ESA签订了合作备忘录，以协调2个任务的科学探测内容，进而最大化水星探测获得的科学成果。2个任务均瞄准水星－10识别的重要科学题目，包括水星形成过程、内部成分、地质历史、磁场起源与特性、内核构成、极区水冰、外逸层成分等。

“信使”探测器全称为“水星表面形貌、空间环境、星体化学及测距”，于2004年8月3日发射升空，主要任务目标是研究水星的化学构成、地质学和磁场，获得水星三维图像、表面化学特征、内部磁场以及几何结构等数据。“信使”在1次地球借力、2次金星借力以及3次水星借力之后，于2011年3月18日进入水星环绕轨道，任务轨道为近拱点高度200km，远拱点高度15000km以上的极轨大偏心率轨道。2012年3月，“信使”完成1年时间的主任务。之后，“信使”2次实施扩展任务至2015年，直到探测器轨道维持用的推进剂耗尽为止。2015年4月30日，“信使”按照计划撞击水星表面，结束了将近11年的飞行任务。

“信使”飞行示意图

“信使”是世界上首个进入水星轨道的深空探测器，它每天绕水星飞行2圈，拍摄了数十万张照片，在2013年3月6日完成了对水星的全球测绘，分辨率为250m。此外，“信使”还完成了全球成分测绘、水星磁气圈的3D建模、北半球的地形剖面、重力场、极地阴影区域的挥发物特性等。根据探测器对水星极区永久阴暗区陨坑的观测，显示水星极区可能存在水冰。探测器引力测量数据还表明，水星内部可能拥有巨大的铁核。

“水星行星轨道器”和“水星磁气圈轨道器”在轨飞行示意图

“贝皮-科伦坡”是ESA与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）合作的水星探测任务，于2018年10月20日发射升空，主要任务目标为研究水星内部与组成、地质与表面形态、磁场、形成及演化历史、与太阳风相互作用以及空间环境等。任务包括2个水星探测器，分别为ESA研制的“水星行星轨道器”（MPO）和JAXA研制的“水星磁气圈轨道器”（MMO）。2个探测器与ESA研制的“水星转移模块”（MTM）装配在一起飞向水星，预计将实施1次地球借力、2次金星借力、6次水星借力后，于2025年12月进入水星环绕轨道。“水星行星轨道器”将运行在480km×1500km的极轨上，而“水星磁气圈轨道器”将运行在590km×11640km的极轨上，预计将开展1年的协同探测任务，并可能执行1年的扩展期任务。

4 水星探测进展分析

水星探测的主要对象包括水星表层、内核、外逸层、磁场、磁气圈以及行星际空间，3次水星探测任务针对这些对象开展了逐渐深入的探测。水星－10通过飞越观测初步探测了水星的基本特征；“信使”在极轨大偏心率轨道上对水星进行了全面的探测；而“贝皮-科伦坡”将更接近水星开展更为详尽的探测，特别是其2个探测器将在2条不同高度的轨道上开展协同探测，丰富探测结果。

水星探测任务的科学目标与有效载荷

水星表层

水手－10由于探测轨道的原因，仅能观测到水星大约45%的表面，它对这些表面进行了成像（中等分辨率图像为每像素3～20km，一些高分辨率图像为每像素140m），发现水星表面类似月球表面布满了陨石坑。“信使”则对水星的整个表面进行了成像和测高，发现水星并不像水手－10探测的那么凹凸不平，而是存在着大量由火山活动形成的平原区域，同时在陨石坑发现了水星特有的表面特征，即称为“凹地”的不对称反光洼地。“信使”还对表面岩石的成分进行了探测，发现尽管水星具有较高的密度并据推测可能有着铁内核，但其表面铁含量较低，具有大量的易挥发元素（硫、钠、氯）。此外，“信使”还发现了极区存在水冰的证据。“贝皮-科伦坡”将绘制更详尽的水星表面图像，重点揭示水星表面地质学和陨石坑历史，研究水星表面地质活动的情况，水星陨石坑的类型、数量和分布等。同时，“贝皮-科伦坡”将研究水星水冰的构成及起源。

水星内核

“信使”测量了水星地壳的厚度和结构，并绘制了行星的引力场。“贝皮-科伦坡”将研究水星内核和成分，探测其内核是固态还是液态、以及内核的尺寸、内核中铁的比例，揭示水星如此高密度的原因。

水星外逸层

水手－10发现水星类似于月球，并不存在明显的大气，仅存在脆弱的外逸层，利用携带的紫外气辉光谱仪探测了大气密度；“信使”则深入探测了大气的主要成分及其变化，利用携带的质谱仪对外逸层成分进行了详尽的探测，并利用光谱仪发现外逸层中存在镁；“贝皮-科伦坡”也将利用光谱仪、粒子探测器等仪器对外逸层的成分及变化进行更为全面详尽的探测。

水星磁气圈

水星－10发现水星存在一个类似于地球的磁场；“信使”对水星内部磁场进行了测量，发现其不及地球的1%，仅能对太阳风起到微弱的防护作用；“贝皮-科伦坡”将研究磁场产生的原理，水星磁场、磁气圈以及大气与太阳风之间的交互作用。

水星周边行星际空间

探测水星周边行星际空间主要目的是研究水星周边环境，进一步增强对太阳系的认知。“贝皮-科伦坡”将观测来自彗星或小行星的行星际尘埃和其他的自然空间碎片，从而更好地理解太阳内及太阳附近的一些过程。

5 水星探测关键技术

水星探测的难度重点集中在两点，分别是接近性差和高温环境。基于当前的运载和推进技术，只有通过多次行星借力才能实现水星交会，而高温环境则需要探测器具备先进的热防护技术。

借力飞行技术

尽管水星轨道距离地球轨道并不算遥远，但与其交会所需要的速度增量高达约18.5km/s，而相比之下抵达遥远的冥王星仅需17km/s的速度增量，“罗塞塔”（Rosetta）探测器抵达目标小行星总共也只需要5km/s的速度增量。这样高的速度增量很难直接通过运载火箭和探测器的推进系统获得，只能通过数次行星借力实现。

行星借力技术指借助行星的引力调整或改变探测器飞行轨道的轨道设计技术，采用行星借力技术可以减小星际探测任务发射能量和总速度增量，进而降低发射成本、降低燃料消耗、增加有效载荷质量，是空间探测的一项重要技术。但行星借力技术通常会大幅度增加探测器的飞行时间，并且通常只适用于轨道与地球轨道相差较大的探测目标，因此通常只有水星、火星以远探测任务会用到行星借力技术。

水手－10为飞越探测任务，所需要的速度增量较小，仅在飞行途中采用了1次金星借力即进入所需的水星飞越轨道，这也是人类首次采用行星借力技术。“信使”和“贝皮-科伦坡”为环绕探测任务，需要实现水星交会，在飞行途中均采用了多次行星借力飞行，其中“信使”采用了1次地球借力、2次金星借力和3次水星借力，而“贝皮-科伦坡”则将采用1次地球借力、2次金星借力和6次水星借力，同时还采用了太阳能电推进技术和“弱稳定边界”捕获技术。要完成精准的行星借力，不仅需要轨道设计技术，还需要精确测控技术等的支持。

航天器热控技术

水星与太阳的平均距离为6.0×107km，而地球与太阳的平均距离为1.5×108km，因此水星遭受的太阳辐射要远高于地球，其日间表面温度可达400℃以上，而最冷的极低以及夜间可以达到-170℃。探测器需要先进的热控技术以保障温度长期稳定在适当的范围内。

航天器热控制就是通过对航天器内外的热交换过程的控制，保证航天器各个部件及星上仪器设备在整个任务期间都处于正常工作的温度范围。热管理系统技术可以分为三大子领域：低温系统技术、热控制系统技术以及热防护系统技术。为保持水星探测处于适当的温度，需要重点关注热防护与热控制技术。由于被动热控技术简单、性能可靠、质量小、成本低、通用性好、适于大面积使用，是目前航天器热控制的主要手段。

水星－10探测器的一端装有遮阳板，扫描平台安装在背向太阳一侧，热控采用多层隔热毡、百叶窗以及遮阳板；“信使”探测器的侧面装有长2.5m、宽2m的半圆柱形遮阳板，热控采用不透明陶瓷纤维遮阳板、散热器、多层隔热材料和低传导率连接件，并在必要时启动加热器维持工作温度；而“贝皮-科伦坡”的“水星行星轨道器”采用热管嵌入板构成的散热器，并对外部部件采用专门的耐高温技术；而“水星磁气圈轨道器”在飞行组合体中利用“水星磁气圈轨道器遮光罩与连接机构”（MOSIF）进行热防护，航天器本体采用外部八棱锥外壳防护太阳辐射，外壳可能被照射的各面上都覆上了抗强照射镜。可以看到，水星探测器主要采用被动热控技术，辅以简单的主动热控技术。

6 结论

水星探测是太阳系探测的重要组成部分，有助于揭示行星的起源与演化等重大科学问题，特别是探测其磁场可以帮助了解行星磁场形成的奥秘。人类已经先后开展了水手－10和“信使”等2次水星探测任务，并正在开展“贝皮-科伦坡”任务，对水星表面地质环境、外逸层、内部结构与组成、磁场与磁气圈等要素的探测与研究正不断深入，逐步揭开水星的神秘面纱。

水星因其轨道与地球轨道之间存在较大偏差，导致前往水星所需的速度增量巨大，在现有发射与推进技术能力下只能借助于借力飞行技术实现交会，“信使”和“贝皮-科伦坡”均采用了多次借力才得以进入水星环绕轨道。同时，水星距离太阳非常近，处于太阳的高强辐射之下，需要良好的热防护才能保障探测器正常工作，探测器通常会安装遮阳罩以实现探测器的热防护。

值得注意的是，尽管水星探测任务仅有3次，相隔时间也非常长，但任务之间存在着紧密的联系，水星－10开展了普查性的探测，获知了水星的基本特征，而“信使”和“贝皮-科伦坡”则瞄准水星－10揭示的问题开展协同的深入探测。多次水星探测之间体现出了良好的继承性和协同性，这也正是科学探测的一个重要特征，即科学探测目的为促进科学发展、推进全人类文明，其探测成果具有一定全球共享特性，因此各国在实施任务过程中通常会引入国际协调与合作机制，避免重复探索，提高探测效率，进而最大化科学探测成果。