“贝皮·科伦布”上岗，首次传回水星图像

文/兰顺正

近些年，火星成为人类探索太空的新宠，各国先后发射过53个火星探测器。但对于水星，迄今为止只进行过3次探测，其中最近的一个探测器还是2018年10月20日发射的“贝皮·科伦布”号。不过，就是这个探测器，最近为我们带来了惊喜——首次捕捉并传回了水星的图像，使人类第一次近距离看到了水星的真实模样。

▲ “贝皮·科伦布”号水星探测器

太阳系中的“悬崖”

水星是外部由岩石构成的类地行星，直径约4880 千米，密度和地球几乎相同，内核被认为是占水星半径四分之三的巨大铁核。水星与太阳平均距离为4600 万～7000 万千米，是太阳系中离太阳最近的一个行星，面对太阳的一面温度可以高达430℃，而背对太阳的一面则低至-170℃；同时水星太小，大气极其稀薄，而且水星现在内部地质活动几乎停止，其磁场强度仅为地球的1.1%，无法抵御太阳附近强大的太阳风和电磁辐射，这些都意味着水星几乎不可能存在生命。由于距离太阳太近，水星的运转速度也是所有行星里最快的，达到了惊人的47.89 千米/秒，每87.968 个地球日绕行太阳一圈，每公转2.01 周的同时也自转3 圈。

有假说认为，水星和地球诞生之初几乎相同，但两者踏上了不同的演化之路，因此水星可能蕴含很多地球诞生之初的信息，了解水星地质信息，或许有助获知行星诞生之谜。但是，水星却是太阳系内被探索次数最少的行星，因为探测水星实在是太难了。航天器一旦离开地球向轨道内侧的太阳飞去时，便会受太阳的强大引力不断加速，越飞越快。可是水星引力小，速度快，又紧贴着太阳，航天器靠近时很难被水星引力捕获，一不小心不但无法进入水星轨道，还会被拉进太阳里，就好像对着悬崖冲刺还要一步停在崖边。以人类现有技术（推进器反向减速）不可能直接刹车留在这个轨道，所以探测水星需要用引力弹弓效应减速的方法，采用地球、金星、水星共同配合反复调整轨道，同时再加上航天器发动机拼尽全力工作，才有可能帮助航天器进入环绕水星轨道。这些高难度的操作导致抵达水星的能量耗费是到火星的8 倍，且需要更长的时间。

▲ 2021 年10 月1 日，“贝皮·科伦布”号首次捕捉并传回了水星的图像

全球“唯二”的探测

▲ “水手10 号”探测器

在此之前，只有美国对水星进行了两次探测，分别是“水手10 号”探测器和“信使号”探测器。“水手10号”于1973 年11 月3 日发射，1974年2 月进入一条以176 天为周期绕太阳飞行的椭圆轨道。这条轨道的近日点正好与水星绕太阳飞行的椭圆轨道的远地点相会，从而使“水手10 号”每隔约6 个月能与水星靠近两次。“水手10 号”曾于1974 年3 月29 日、9月21 日和1975 年3 月16 日3 次在日心椭圆轨道上和水星相遇，对水星进行了探测。在有限的观察时间内，“水手10 号”利用携带的相机拍下了约2800 张水星照片（约占水星表面的40%），这是人类第一次看清楚水星的表面。它还利用辐射仪发现了水星表面向阳面和背阴面存在巨大温差，以及周身几乎没有磁场。但受当时的技术水平所限，该探测器没能进入水星轨道，无法对水星进行长期、全面探测。

“信使号”于2004 年8 月3 日发射，该探测器采用了先进的防热措施，装有7 台用于完成6 项科学目标的探测仪器。由于旅途漫长，“信使号”历经7 年时间才于2011 年3 月17 日进入环水星轨道，成为全球首个水星探测轨道器，开始对水星进行科学考察。在此期间，“信使号”做了大量有价值的工作，不仅绘制了水星非常详细的全球地图、高程图，从地貌甚至可以反推出水星曾经的地质运动，例如火山喷发痕迹等，同时还研究了水星的磁场变化和大气演变。探测任务结束后，“信使号”于2015 年4 月30 日以螺旋硬着陆的方式受控与水星表面相撞而殒灭，在水星表面形成一个陨坑。

被寄予厚望的“贝皮·科伦布”

此次报道中提到的“贝皮·科伦布”是欧洲实施的第一个水星探测任务，探测器以已故意大利数学家兼工程师贝皮·科伦坡教授的名字命名（他曾帮助美国宇航局在“水手10 号”上使用金星和水星引力助推器），由日本宇宙航空研究开发机构和欧空局合作研制，欧空局成员国中的12个国家、30多个公司参与了项目。

除此之外，美国和俄罗斯也研制并提供了仪器。由于抵达水星需要等待适当的时机向金星和水星借力，因此“贝皮·科伦布”任务对于时间窗口极其敏感，发射时间几经推迟，最终才在2018 年10 月20 日发射升空。按照计划，“贝皮·科伦布”的旅程将历时7.2 年，需要在地球、金星和水星附近进行了9 次引力控制飞行。

▲ “水手10 号”探测器1974 年拍摄的金星照片

▲ “信使号”探测器

▲ 2008 年1 月，“信使号”探测器在水星表面200 千米上空拍摄的水星接近南极的区域

▲ “贝皮·科伦布”号的两个子轨道探测器（上方为MPO,下方为MMO）

按照此前公布的资料，“贝皮·科伦布”探测器由两个子轨道探测器、水星转移模块和太阳防护罩组成。两个子轨道器分别是欧空局的水星行星轨道器（MPO）和日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器（MMO）。其中MPO 携带11 台科学探测仪器，主要科学任务是观测水星表面地形、重力场，精密计测水星矿物质的化学成分；对水星成分进行测绘，研究水星表面和内部成分，以及水星磁场环境、行星与太阳风交互以及大气外层的化学组成。MMO 装有5 台科学载荷，将对水星的表面、内部及磁场等进行综合观测。这不仅有利于认识水星磁场、磁层的分布，还能通过分析比对，加深对地球乃至宇宙间各种磁层的了解。同时它还将观测水星的大气和地形，关注水星的地表组成和变化过程，以深入了解水星的特异结构，探索水星形成之谜。

而为了抵御酷热，“贝皮·科伦布”采用了新设计的多层隔热技术，最外层由陶瓷纤维制成。水星转移模块的太阳能电池板由60%的镜片和40%的特殊电池组成，镜片用于反射热量，使它能在更高温度下工作。MPO 上的散热器能快速散出太阳传导过来的热量，还能散出在飞掠行星时从行星反射过来的热量。八棱柱状的MMO 将用每分钟15 转的速度自转，以保证不会被太阳的热量损坏。

此次据英国天空新闻电视台报道，关于“贝皮·科伦布”首次在水星附近做引力控制变轨飞行，这一项目负责人埃尔莎·蒙塔尼翁表示，飞行“无懈可击”，“难以置信终于看到我们的目标行星了”。预计该探测器将于2025 年底到达水星，协作开展为期1年的水星探测任务。

▲ MPO 和MMO 以各自的轨道环绕水星飞行