王帥（北京空間科技信息研究所）

1 概述

水星是距離太陽最近的行星，由于向水星轉(zhuǎn)移需要非常大的速度增量且水星幾乎沒有大氣，進(jìn)行水星環(huán)繞和著陸任務(wù)難度很大。另一方面，水星表面溫差極大，其宜居性差且探測難度較大。因此，人類過去探測水星的熱情并不高。目前，僅有水手－10（Mariner－10）和“信使”（MESSENGER）探測器進(jìn)行過水星探測，歐日聯(lián)合探測任務(wù)“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）則正在飛行途中。然而，水星是太陽系中除地球之外唯一具有明顯全球性磁場的類地行星，對(duì)于了解太陽系起源與演化、認(rèn)知磁場的產(chǎn)生原理具有重要意義，未來仍將是人類空間探測的一個(gè)重要目標(biāo)。

盡管人類僅開展了有限次數(shù)的探測，但對(duì)于水星的基本情況已經(jīng)有了較為全面的了解，包括水星地貌、大氣、磁場和周邊空間環(huán)境等?！柏惼?科倫坡”將進(jìn)一步深入研究水星磁場、磁氣圈、表層以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過研究上述信息，有望揭示行星和太陽系起源等重要科學(xué)問題。

“水星磁氣圈軌道器”在軌飛行示意圖

2 水星探測科學(xué)意義

水星探測屬于深空探測領(lǐng)域，具備深空探測的普適性探測意義，即科學(xué)層面上揭示太陽系起源與演化、解答行星形成和生命起源等基礎(chǔ)科學(xué)問題；經(jīng)濟(jì)層面上牽動(dòng)創(chuàng)新科技的發(fā)展，促進(jìn)材料、控制、制造等領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展；政治層面上彰顯國家綜合國力和科學(xué)發(fā)展水平，激勵(lì)青少年探索和創(chuàng)新的科學(xué)精神，激發(fā)人民愛國熱情。此外，水星因其獨(dú)特的屬性具有其特異性的探測意義。

水星是太陽系最內(nèi)側(cè)的類地行星，對(duì)于揭示行星起源與演化具有重大意義

水星是距離太陽最近的一顆行星，與金星、地球和火星一樣屬于主要由硅酸鹽巖石或金屬構(gòu)成的類地行星，結(jié)構(gòu)與地球類似，是人類當(dāng)前深空探測最主要的一類目標(biāo)。探測類地行星能夠幫助揭示太陽系形成與演化、宇宙起源和生命起源等在內(nèi)的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，從而加深人類對(duì)生存環(huán)境的認(rèn)知，有助于人類更好保護(hù)自身生存環(huán)境，為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

水星還是太陽系最小的一顆行星，平均半徑為2440km，僅為地球半徑的1/3，但平均密度較高，達(dá)到5.427g/cm3，在太陽系中僅次于地球的5.515g/cm3。如果不考慮重力壓縮對(duì)物質(zhì)密度的影響，水星物質(zhì)的密度將是最高的—未經(jīng)重力壓縮的水星物質(zhì)密度為5.3g/cm3，而地球物質(zhì)密度為4.4g/cm3。這樣的高密度是當(dāng)前水星探測的一個(gè)重點(diǎn)，對(duì)于了解其形成和演化具有重要意義，主要通過探測水星表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)成揭示其原因。

除了地質(zhì)構(gòu)造以外，大氣條件同樣是行星探測的重點(diǎn)。然而，由于水星太小且溫度太高，其引力不足以長期留住大氣層，但水星確實(shí)有一個(gè)稀薄的、局限在表面的外逸層，包含著氫、氦、氧、硫、鈣、鉀和其他元素。水星外逸層并不穩(wěn)定，原子會(huì)不斷地流失并由其他不同的來源獲得補(bǔ)充。氫和氦可能來自太陽風(fēng)，并在逃逸回太空之前先擴(kuò)散至水星的磁層。

水星探測主要科學(xué)目標(biāo)

水星具有明顯的全球性磁場，研究其磁場及磁氣圈有助于揭示行星磁場形成的問題

行星磁場對(duì)于生命的存在具有重大意義，磁場形成的磁氣圈將抵擋太陽風(fēng)和宇宙射線的沖擊。如果沒有地球磁場，地球上的生命將很難出現(xiàn)和演化。水星是太陽系中地球外唯一具有明顯全球性磁場的類地行星，盡管其強(qiáng)度還不足地球磁場強(qiáng)度的1%。探測水星磁場可以幫助理解行星磁場形成的機(jī)制，更為深入地認(rèn)知地球磁場的起源。探測水星磁場包括探測水星內(nèi)核、水星磁氣圈等。

綜上所述，水星探測的主要科學(xué)目標(biāo)可以概括為水星的起源與演化，水星的磁場和磁氣圈，探測的對(duì)象包括水星表層、內(nèi)核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間。其中，水星地質(zhì)探測的重點(diǎn)為水星的高密度特性以及水冰等。

3 水星探測歷程回顧

水星探測歷程圖

截至2018年10月，僅有2顆探測器對(duì)水星進(jìn)行了探測，“貝皮-科倫坡”則正在飛行途中，將實(shí)現(xiàn)水星的第三次探測。1973年發(fā)射的水手－10探測器實(shí)現(xiàn)了水星的首次飛越探測；2004年發(fā)射的“信使”探測器則通過多次行星借力，于2011年成功進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，成為首個(gè)環(huán)繞水星的空間探測器，并于2015年3月在完成任務(wù)后按照計(jì)劃撞擊水星表面；2018年發(fā)射的“貝皮-科倫坡”將在多次飛行借力后，于2025年進(jìn)入水星環(huán)繞軌道。

首個(gè)水星探測任務(wù)為1973年11月3日發(fā)射的水手－10，由美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制和管理，其主要科學(xué)目標(biāo)為探測水星大氣、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次飛越了水星，對(duì)水星的半個(gè)表面進(jìn)行了繪制，首次揭示了與月球非常相似、布滿隕石坑的水星表面。同時(shí)，水手－10發(fā)現(xiàn)水星并不存在明顯的大氣，僅存在脆弱的外逸層。此外，水星－10還確認(rèn)了水星具有明顯的內(nèi)部磁場，以及動(dòng)態(tài)變化的磁氣圈。

在水手－10完成水星的普查性探測之后，直到20世紀(jì)末水星探測才再次被提上日程，NASA與歐洲航天局（ESA）幾乎同時(shí)確定了水星探測任務(wù)，其中NASA于1999年7月選擇“信使”作為第7次“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）任務(wù)，而ESA則在2000年10月確定的地平線－2000（Horizon-2000）計(jì)劃中將“貝皮-科倫坡”選擇為五大根基任務(wù)之一，日本也將核心參與該任務(wù)。這2個(gè)幾乎同時(shí)確立的水星探測任務(wù)引發(fā)了協(xié)同開展任務(wù)的探索，NASA與ESA簽訂了合作備忘錄，以協(xié)調(diào)2個(gè)任務(wù)的科學(xué)探測內(nèi)容，進(jìn)而最大化水星探測獲得的科學(xué)成果。2個(gè)任務(wù)均瞄準(zhǔn)水星－10識(shí)別的重要科學(xué)題目，包括水星形成過程、內(nèi)部成分、地質(zhì)歷史、磁場起源與特性、內(nèi)核構(gòu)成、極區(qū)水冰、外逸層成分等。

“信使”探測器全稱為“水星表面形貌、空間環(huán)境、星體化學(xué)及測距”，于2004年8月3日發(fā)射升空，主要任務(wù)目標(biāo)是研究水星的化學(xué)構(gòu)成、地質(zhì)學(xué)和磁場，獲得水星三維圖像、表面化學(xué)特征、內(nèi)部磁場以及幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。“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日進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，任務(wù)軌道為近拱點(diǎn)高度200km，遠(yuǎn)拱點(diǎn)高度15000km以上的極軌大偏心率軌道。2012年3月，“信使”完成1年時(shí)間的主任務(wù)。之后，“信使”2次實(shí)施擴(kuò)展任務(wù)至2015年，直到探測器軌道維持用的推進(jìn)劑耗盡為止。2015年4月30日，“信使”按照計(jì)劃撞擊水星表面，結(jié)束了將近11年的飛行任務(wù)。

“信使”飛行示意圖

“信使”是世界上首個(gè)進(jìn)入水星軌道的深空探測器，它每天繞水星飛行2圈，拍攝了數(shù)十萬張照片，在2013年3月6日完成了對(duì)水星的全球測繪，分辨率為250m。此外，“信使”還完成了全球成分測繪、水星磁氣圈的3D建模、北半球的地形剖面、重力場、極地陰影區(qū)域的揮發(fā)物特性等。根據(jù)探測器對(duì)水星極區(qū)永久陰暗區(qū)隕坑的觀測，顯示水星極區(qū)可能存在水冰。探測器引力測量數(shù)據(jù)還表明，水星內(nèi)部可能擁有巨大的鐵核。

“水星行星軌道器”和“水星磁氣圈軌道器”在軌飛行示意圖

“貝皮-科倫坡”是ESA與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作的水星探測任務(wù)，于2018年10月20日發(fā)射升空，主要任務(wù)目標(biāo)為研究水星內(nèi)部與組成、地質(zhì)與表面形態(tài)、磁場、形成及演化歷史、與太陽風(fēng)相互作用以及空間環(huán)境等。任務(wù)包括2個(gè)水星探測器，分別為ESA研制的“水星行星軌道器”（MPO）和JAXA研制的“水星磁氣圈軌道器”（MMO）。2個(gè)探測器與ESA研制的“水星轉(zhuǎn)移模塊”（MTM）裝配在一起飛向水星，預(yù)計(jì)將實(shí)施1次地球借力、2次金星借力、6次水星借力后，于2025年12月進(jìn)入水星環(huán)繞軌道。“水星行星軌道器”將運(yùn)行在480km×1500km的極軌上，而“水星磁氣圈軌道器”將運(yùn)行在590km×11640km的極軌上，預(yù)計(jì)將開展1年的協(xié)同探測任務(wù)，并可能執(zhí)行1年的擴(kuò)展期任務(wù)。

4 水星探測進(jìn)展分析

水星探測的主要對(duì)象包括水星表層、內(nèi)核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間，3次水星探測任務(wù)針對(duì)這些對(duì)象開展了逐漸深入的探測。水星－10通過飛越觀測初步探測了水星的基本特征；“信使”在極軌大偏心率軌道上對(duì)水星進(jìn)行了全面的探測；而“貝皮-科倫坡”將更接近水星開展更為詳盡的探測，特別是其2個(gè)探測器將在2條不同高度的軌道上開展協(xié)同探測，豐富探測結(jié)果。

水星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)與有效載荷

水星表層

水手－10由于探測軌道的原因，僅能觀測到水星大約45%的表面，它對(duì)這些表面進(jìn)行了成像（中等分辨率圖像為每像素3～20km，一些高分辨率圖像為每像素140m），發(fā)現(xiàn)水星表面類似月球表面布滿了隕石坑。“信使”則對(duì)水星的整個(gè)表面進(jìn)行了成像和測高，發(fā)現(xiàn)水星并不像水手－10探測的那么凹凸不平，而是存在著大量由火山活動(dòng)形成的平原區(qū)域，同時(shí)在隕石坑發(fā)現(xiàn)了水星特有的表面特征，即稱為“凹地”的不對(duì)稱反光洼地?！靶攀埂边€對(duì)表面巖石的成分進(jìn)行了探測，發(fā)現(xiàn)盡管水星具有較高的密度并據(jù)推測可能有著鐵內(nèi)核，但其表面鐵含量較低，具有大量的易揮發(fā)元素（硫、鈉、氯）。此外，“信使”還發(fā)現(xiàn)了極區(qū)存在水冰的證據(jù)?！柏惼?科倫坡”將繪制更詳盡的水星表面圖像，重點(diǎn)揭示水星表面地質(zhì)學(xué)和隕石坑歷史，研究水星表面地質(zhì)活動(dòng)的情況，水星隕石坑的類型、數(shù)量和分布等。同時(shí)，“貝皮-科倫坡”將研究水星水冰的構(gòu)成及起源。

水星內(nèi)核

“信使”測量了水星地殼的厚度和結(jié)構(gòu)，并繪制了行星的引力場。“貝皮-科倫坡”將研究水星內(nèi)核和成分，探測其內(nèi)核是固態(tài)還是液態(tài)、以及內(nèi)核的尺寸、內(nèi)核中鐵的比例，揭示水星如此高密度的原因。

水星外逸層

水手－10發(fā)現(xiàn)水星類似于月球，并不存在明顯的大氣，僅存在脆弱的外逸層，利用攜帶的紫外氣輝光譜儀探測了大氣密度；“信使”則深入探測了大氣的主要成分及其變化，利用攜帶的質(zhì)譜儀對(duì)外逸層成分進(jìn)行了詳盡的探測，并利用光譜儀發(fā)現(xiàn)外逸層中存在鎂；“貝皮-科倫坡”也將利用光譜儀、粒子探測器等儀器對(duì)外逸層的成分及變化進(jìn)行更為全面詳盡的探測。

水星磁氣圈

水星－10發(fā)現(xiàn)水星存在一個(gè)類似于地球的磁場；“信使”對(duì)水星內(nèi)部磁場進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)其不及地球的1%，僅能對(duì)太陽風(fēng)起到微弱的防護(hù)作用；“貝皮-科倫坡”將研究磁場產(chǎn)生的原理，水星磁場、磁氣圈以及大氣與太陽風(fēng)之間的交互作用。

水星周邊行星際空間

探測水星周邊行星際空間主要目的是研究水星周邊環(huán)境，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)太陽系的認(rèn)知。“貝皮-科倫坡”將觀測來自彗星或小行星的行星際塵埃和其他的自然空間碎片，從而更好地理解太陽內(nèi)及太陽附近的一些過程。

5 水星探測關(guān)鍵技術(shù)

水星探測的難度重點(diǎn)集中在兩點(diǎn)，分別是接近性差和高溫環(huán)境?；诋?dāng)前的運(yùn)載和推進(jìn)技術(shù)，只有通過多次行星借力才能實(shí)現(xiàn)水星交會(huì)，而高溫環(huán)境則需要探測器具備先進(jìn)的熱防護(hù)技術(shù)。

借力飛行技術(shù)

盡管水星軌道距離地球軌道并不算遙遠(yuǎn)，但與其交會(huì)所需要的速度增量高達(dá)約18.5km/s，而相比之下抵達(dá)遙遠(yuǎn)的冥王星僅需17km/s的速度增量，“羅塞塔”（Rosetta）探測器抵達(dá)目標(biāo)小行星總共也只需要5km/s的速度增量。這樣高的速度增量很難直接通過運(yùn)載火箭和探測器的推進(jìn)系統(tǒng)獲得，只能通過數(shù)次行星借力實(shí)現(xiàn)。

行星借力技術(shù)指借助行星的引力調(diào)整或改變探測器飛行軌道的軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，采用行星借力技術(shù)可以減小星際探測任務(wù)發(fā)射能量和總速度增量，進(jìn)而降低發(fā)射成本、降低燃料消耗、增加有效載荷質(zhì)量，是空間探測的一項(xiàng)重要技術(shù)。但行星借力技術(shù)通常會(huì)大幅度增加探測器的飛行時(shí)間，并且通常只適用于軌道與地球軌道相差較大的探測目標(biāo)，因此通常只有水星、火星以遠(yuǎn)探測任務(wù)會(huì)用到行星借力技術(shù)。

水手－10為飛越探測任務(wù)，所需要的速度增量較小，僅在飛行途中采用了1次金星借力即進(jìn)入所需的水星飛越軌道，這也是人類首次采用行星借力技術(shù)。“信使”和“貝皮-科倫坡”為環(huán)繞探測任務(wù)，需要實(shí)現(xiàn)水星交會(huì)，在飛行途中均采用了多次行星借力飛行，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“貝皮-科倫坡”則將采用1次地球借力、2次金星借力和6次水星借力，同時(shí)還采用了太陽能電推進(jìn)技術(shù)和“弱穩(wěn)定邊界”捕獲技術(shù)。要完成精準(zhǔn)的行星借力，不僅需要軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，還需要精確測控技術(shù)等的支持。

航天器熱控技術(shù)

水星與太陽的平均距離為6.0×107km，而地球與太陽的平均距離為1.5×108km，因此水星遭受的太陽輻射要遠(yuǎn)高于地球，其日間表面溫度可達(dá)400℃以上，而最冷的極低以及夜間可以達(dá)到-170℃。探測器需要先進(jìn)的熱控技術(shù)以保障溫度長期穩(wěn)定在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

航天器熱控制就是通過對(duì)航天器內(nèi)外的熱交換過程的控制，保證航天器各個(gè)部件及星上儀器設(shè)備在整個(gè)任務(wù)期間都處于正常工作的溫度范圍。熱管理系統(tǒng)技術(shù)可以分為三大子領(lǐng)域：低溫系統(tǒng)技術(shù)、熱控制系統(tǒng)技術(shù)以及熱防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)。為保持水星探測處于適當(dāng)?shù)臏囟?，需要重點(diǎn)關(guān)注熱防護(hù)與熱控制技術(shù)。由于被動(dòng)熱控技術(shù)簡單、性能可靠、質(zhì)量小、成本低、通用性好、適于大面積使用，是目前航天器熱控制的主要手段。

水星－10探測器的一端裝有遮陽板，掃描平臺(tái)安裝在背向太陽一側(cè)，熱控采用多層隔熱氈、百葉窗以及遮陽板；“信使”探測器的側(cè)面裝有長2.5m、寬2m的半圓柱形遮陽板，熱控采用不透明陶瓷纖維遮陽板、散熱器、多層隔熱材料和低傳導(dǎo)率連接件，并在必要時(shí)啟動(dòng)加熱器維持工作溫度；而“貝皮-科倫坡”的“水星行星軌道器”采用熱管嵌入板構(gòu)成的散熱器，并對(duì)外部部件采用專門的耐高溫技術(shù)；而“水星磁氣圈軌道器”在飛行組合體中利用“水星磁氣圈軌道器遮光罩與連接機(jī)構(gòu)”（MOSIF）進(jìn)行熱防護(hù)，航天器本體采用外部八棱錐外殼防護(hù)太陽輻射，外殼可能被照射的各面上都覆上了抗強(qiáng)照射鏡?？梢钥吹剑翘綔y器主要采用被動(dòng)熱控技術(shù)，輔以簡單的主動(dòng)熱控技術(shù)。

6 結(jié)論

水星探測是太陽系探測的重要組成部分，有助于揭示行星的起源與演化等重大科學(xué)問題，特別是探測其磁場可以幫助了解行星磁場形成的奧秘。人類已經(jīng)先后開展了水手－10和“信使”等2次水星探測任務(wù)，并正在開展“貝皮-科倫坡”任務(wù)，對(duì)水星表面地質(zhì)環(huán)境、外逸層、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成、磁場與磁氣圈等要素的探測與研究正不斷深入，逐步揭開水星的神秘面紗。

水星因其軌道與地球軌道之間存在較大偏差，導(dǎo)致前往水星所需的速度增量巨大，在現(xiàn)有發(fā)射與推進(jìn)技術(shù)能力下只能借助于借力飛行技術(shù)實(shí)現(xiàn)交會(huì)，“信使”和“貝皮-科倫坡”均采用了多次借力才得以進(jìn)入水星環(huán)繞軌道。同時(shí)，水星距離太陽非常近，處于太陽的高強(qiáng)輻射之下，需要良好的熱防護(hù)才能保障探測器正常工作，探測器通常會(huì)安裝遮陽罩以實(shí)現(xiàn)探測器的熱防護(hù)。

值得注意的是，盡管水星探測任務(wù)僅有3次，相隔時(shí)間也非常長，但任務(wù)之間存在著緊密的聯(lián)系，水星－10開展了普查性的探測，獲知了水星的基本特征，而“信使”和“貝皮-科倫坡”則瞄準(zhǔn)水星－10揭示的問題開展協(xié)同的深入探測。多次水星探測之間體現(xiàn)出了良好的繼承性和協(xié)同性，這也正是科學(xué)探測的一個(gè)重要特征，即科學(xué)探測目的為促進(jìn)科學(xué)發(fā)展、推進(jìn)全人類文明，其探測成果具有一定全球共享特性，因此各國在實(shí)施任務(wù)過程中通常會(huì)引入國際協(xié)調(diào)與合作機(jī)制，避免重復(fù)探索，提高探測效率，進(jìn)而最大化科學(xué)探測成果。