欧洲成功发射欧日合作水星探测器“贝皮-科伦坡”

肖武平（北京空间科技信息研究所）

“贝皮-科伦坡”（BepiColombo）是欧洲与日本合作开展的大型科学探测任务，目标是将欧洲航天局（ESA）研制的“水星行星轨道器”（MPO）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的“水星磁气圈轨道器”（MMO）投入水星周围的互补轨道上，分别对水星进行科学探测。该航天器以意大利科学家朱塞佩·科伦坡命名，他解释了水星的自旋轨道共振现象，并计算出了飞抵水星的途径和方式。

ESA早在20世纪末就确立了水星探测计划。2008年，日本文部科学省决定加入ESA的水星探测计划。“贝皮-科伦坡”最初计划于2013年发射，后由于离子发动机等关键部件研制出现困难和更换火箭等问题，发射被一再推迟。2018年5月，“水星磁气圈轨道器”由日本运抵法属圭亚那库鲁航天中心。此后，JAXA宣布“贝皮-科伦坡”将于2018年10月发射。圭亚那当地时间2018年10月19日10：45（北京时间2018年10月20日09：45），“贝皮-科伦坡”搭载在阿里安－5（Ariane－5）火箭成功发射，踏上了飞往水星的漫长旅程。

1 水星探测历史

水星是太阳系中最内侧的行星，由于过于接近太阳并且进入水星轨道需要很大的速度增量，导致航天器很难到达水星周围。人类至今仅2次发射航天器探测过水星。首个探测器是美国于1973年11月发射的水手－10（Mariner－10），目标是以飞越水星的方式探测水星的磁层、大气和地表，携带了相机、磁强计、红外辐射计等科学载荷。水手－10在1974年3月－1975年3月的1年时间内共3次飞掠水星，最接近的一次距离水星仅327km。由于探测器轨道特征，使得每次探测的都是面对着水星的同一面，所以只绘制了水星表面40%～45%地区的地图。水手－10发现水星地表与月球相似，布满陨石坑。水星拥有稀薄的大气层，主要是由氦组成，另外发现水星拥有磁场与巨大的铁质核心。

第二个水星探测器是美国2004年8月发射的“信使”（MESSENGER）。“信使”是首个环绕水星轨道的探测器，于2011年3月入轨，目标是研究水星大气和外逸层构成、地质演变，磁场、磁层性质以及内部结构等。“信使”搭载的科学仪器包括γ射线和中子质谱仪、激光测高仪、大气和表面成分分析仪、高能粒子和等离子质谱仪、磁强计等。“信使”携带的科学仪器较水手－10有很大改进，拍摄了大量清晰的水星照片；发现了水星的散逸层拥有大量的水存在；提供了水星表面从前曾经存在过火山活动的图像证据和水星的行星核心为液态铁的证据；在水星北极附近的一些撞击坑内发现了含碳有机化合物和水冰。

2 项目背景

欧洲在1993年5月首次提出了水星任务。1994年，ESA发起地平线－2000（Horizon－2000）计划的延长任务，将水星轨道飞行器作为其3个新的基础性任务之一，“盖亚”（Gaia）空间望远镜任务与“贝皮-科伦坡”水星探测任务竞争第5次基础性任务。2000年10月，ESA批准了2008－2013年的一揽子任务，其中包括“贝皮-科伦坡”和“盖亚”。2007年2月，“贝皮-科伦坡”被ESA批准为“宇宙远景”（Cosmic Vision）计划的一部分，并计划使用“联盟”（Soyuz）火箭发射。

日本曾于2000年讨论过独立的水星探测计划，由于当时日本没有能够发射该任务的大型火箭，最终计划中断。此后，日本在国际会议上与欧洲讨论在水星任务上进行合作，经多轮磋商后，双方最终敲定了“贝皮-科伦坡”搭载2个独立探测器的方案。

2008年，由于离子发动机研制出现问题，卫星研制进程受阻，并且质量比预期增加。2009年11月，ESA科学计划委员会批准了新设计方案，JAXA此时也正式加入了“贝皮-科伦坡”任务。由于整体质量大幅增加，卫星改为使用阿里安－5发射。

3 “贝皮-科伦坡”的科学目标

前2次水星探测获得了对水星地貌、大气、磁场等基本情况的了解，解开了水星神秘的面纱，但仍然留下众多谜团需要进一步探索。为解开这些科学谜团，“贝皮-科伦坡”将对水星的磁场、磁场、大气和地表及地壳进行进一步探索。

磁场

水星具有很高的密度（5.43g/cm3）。研究表明，地球型行星的平均半径和密度间具有一定关系，但是水星的高密度却背离了这种关系，这是因为水星存在占其质量70%的巨大中心核体，并且与其他行星的组成元素有很大差异。水星存在磁场，同是地球型行星且比水星质量大的金星却没有磁场。存在磁场是否与质量巨大的内核有关仍是一个未解之谜。“贝皮-科伦坡”将通过对水星周边的磁场进行详细、高准确度的观测，搞清行星上磁场的成因。

磁层

水手－10最先发现了水星的磁层，并观测到与地球相似的高能电子流爆发。水星磁层与地球有很大差异，由于没有足够的大气，磁层直接与地表连接，并且水星距离太阳更近，太阳风的条件也与地球不同。这些差异会带来何种影响，这样的磁层是否稳定，以及如何储存和释放能量存在多种意见。“贝皮-科伦坡”将详细地观测水星磁层的结构和运动状况，并与地球上的磁层进行比较，搞清行星磁层的普遍性和特异性。

大气

水星存在稀薄的散逸层（外气层），气体中钠元素占主要成分。研究认为，这是水星表面与太阳光、太阳风、磁层和宇宙尘等相互作用的结果，水星表面的物质被释放出来。以往观测结果显示，水星大气扩散到水星半径数倍的距离，在1日内大气的密度与分布有很大变化。为了解大气结构、组成和生消的过程对于了解水星的历史有重要意义。“贝皮-科伦坡”将观测水星表面稀薄大气，搞清其结构，观测其变化情况，掌握其生成和消散过程与原理。

地表和地壳结构

水星表面乍一看与月球相似，实际上有巨大差别。水星表面没有月球那样高地与“海”之间的高度差；有疑似水星初期伴随冷却形成的大规模地形；有火山性平原和巨大的火山遗迹。获得水星全部表面的地形的详细信息，有助于了解行星初期形成的过程。“贝皮-科伦坡”通过对整个水星表面进行拍摄，寻找尚可能残存的水星形成初期的踪迹，搞清水星表面地形的成因。同时，还将直接计测水星表面所放射出的气体，获取与水星起源有关的第一手信息。此外，还将通过对γ射线和中子进行观测，获取水星两极是否有冰存在的佐证，从而确认水星上有水的存在。

4 探测器情况

“贝皮-科伦坡”的设计特点是将2个独立的探测器集成于一个航天器。“贝皮-科伦坡”发射质量4100kg，干质量2700kg，尺寸为3.9m×3.6m×6.3m。整个航天器由“水星行星轨道器”、“水星磁气圈轨道器”、“水星转移模块”（MTM）和“水星磁气圈轨道器遮光罩与连接机构”（MOSIF）四部分构成。ESA负责整体设计和研制“水星行星轨道器”、“水星转移模块”和“水星磁气圈轨道器遮光罩与连接机构”。JAXA负责研制“水星磁气圈轨道器”。

“水星转移模块”提供航天器的动力，将2个轨道探测器运送到水星。“水星转移模块”由电推进模块（MEPS）和化学推进模块（MCPS）组成。电推进模块配备4台145mN氙离子推力器以及带有3个氙气储罐的氙气供给系统，共携带580kg氙气，可提供5400m/s的速度增量。离子推进器由英国QinetiQ公司制造，该离子推进器是首次被用于太阳系行星的任务。化学推进模块配备12台10N的双组元推进剂推进器，共携带157kg推进剂，可提供68m/s的速度增量。

“水星磁气圈轨道器遮光罩与连接机构”为“水星磁气圈轨道器”提供热防护以及机械和电气接口，断面呈18°倾斜，保证朝向太阳旋转时“水星磁气圈轨道器”不被照射。“水星磁气圈轨道器遮光罩与连接机构”外层附着由97层铝、塑料和陶瓷纤维组成的隔热材料，可使科学仪器尽可能接近常温。

水星距离太阳仅约5.8×107km，白天行星的表面超过350℃，足以使一些金属熔化。因此，热防护和应对红外辐射对水星轨道上的航天器是巨大挑战。“贝皮-科伦坡”除配备一个散热器外，外表面还附有由50层陶瓷纤维和铝制成的隔热材料。天线由耐热钛合金制成，并覆盖新型耐热涂层。

“水星磁气圈轨道器”

“水星磁气圈轨道器”质量为275kg，整体为8角棱柱体形状，相对两棱柱面间的距离为180cm、棱柱高为90cm。采用自旋稳定，这是为了方便测量电子、离子的空间分布和速度，以及通过离心力使测量电场的线性天线（共4根，长15m）和测量磁场的磁力矩柱（共2根，长5m）伸展。在执行对水星进行观测的稳态运行阶段，自旋周期为4s。自旋轴与水星赤道面基本呈垂直状态，不仅可防止太阳辐射能量直射到探测器的上方或下方，还可确保即便是探测器的姿态发生变化仍可将配置在探测器上部的高增益天线的指向偏差控制在最小。探测器上配备高增益天线，发射时高增益天线、线性天线和磁力矩柱都收缩回探测器本体内。探测器由通信、姿态控制、指令数据处理、电源和热控等5个分系统组成。

探测器上配备了等离子/粒子观测装置、磁场测量装置、等离子波动和电场观测装置、大气分光摄像装置和水星气溶胶观测装置5种有效载荷仪器，总质量约45kg。

“水星行星轨道器”

“水星磁气圈轨道器”在轨运行示意图

“水星行星轨道器”是由ESA宇宙科学研究所领导，空客防务与航天公司（ADS）为主承包商研制的航天器干质量为1147kg，本体为1.6m×1.7m×1.9m的箱型结构，采用三轴稳定姿态控制方式，目的是确保探测器实现高精度姿态和轨道控制，使探测器上所搭载的相机、分光光度计和各种遥感器都能一直对准其正下方的观测对象，实现详细、精密的观测。

发射时太阳电池翼和天线等呈折叠收拢状态，入轨后分别通过伸展控制和离心力展开。探测器上配备了5种有效载荷仪器，质量约80kg。推进系统由4个22N和4个5N推进器组成，其中22N推进器是双组元推进剂推进器，5N推进器是单组元推进剂推进器，所有推力器共携带669kg推进剂，可提供1000m/s的速度增量。

“水星磁气圈轨道器”搭载的5种有效载荷仪器及其功能和指标

探测器上配备了11种有效载荷仪器，包括激光高度仪（BELA）、加速度计（ISA）、磁 强 计（MERMAG）、γ射线和中子检测器（MGNS）、X线分光光度计（MIXS）、无线电科学实验（MOER）、紫外分光摄像机（PHESUS）、中性粒子和离子检测器（SERENA）、可见光与近红外相机（SIMBIO-SYS）、红外摄像机（MERTIS-TIS）和太阳辐射强度X射线和粒子光谱仪（SIXS）。

“水星行星轨道器”在轨运行示意图

5 后续任务情况

“贝皮-科伦坡”需要7年时间才能进入水星轨道。在此期间，它将借助电推力发动机和9次借力飞行飞向水星。2020年4月将飞越地球；2020年和2021年2次飞越金星，2021－2025年6次飞越水星。该航天器将以3.475km/s的速度离开地球。最初，该航行器在与地球轨道相似的轨道上飞行，在航天器和地球都绕轨1.5周后，它返回地球进行借力飞行并向金星偏转。此后，连续2次飞越金星将降低近日点，拉近与水星的距离，期间几乎不需要推力。此后，6次水星飞行将相对速度降低至1.76km/s。在第4次飞越水星之后，航天器将处于与水星轨道相似的轨道上飞行，并将一直处于水星附近。2025年12月5日，航天器将进入远地点为178000km的水星轨道。此后使用化学推进器进行降轨。再接着，“水星磁气圈轨道器”分离，进入预定的近水点400km、远水点12000km的绕水星运行的极轨道，开始独立运行；此后，化学推进模块再次喷射以降低轨道高度，确保“水星行星轨道器”安全分离并进入预定的近水点400km、远水点1500km、轨道倾角为90°的绕水星运行的极轨道。

“贝皮-科伦坡”关键事件时间节点及说明