肖武平（北京空間科技信息研究所）

“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）是歐洲與日本合作開展的大型科學(xué)探測任務(wù)，目標(biāo)是將歐洲航天局（ESA）研制的“水星行星軌道器”（MPO）和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的“水星磁氣圈軌道器”（MMO）投入水星周圍的互補(bǔ)軌道上，分別對水星進(jìn)行科學(xué)探測。該航天器以意大利科學(xué)家朱塞佩·科倫坡命名，他解釋了水星的自旋軌道共振現(xiàn)象，并計算出了飛抵水星的途徑和方式。

ESA早在20世紀(jì)末就確立了水星探測計劃。2008年，日本文部科學(xué)省決定加入ESA的水星探測計劃?！柏惼?科倫坡”最初計劃于2013年發(fā)射，后由于離子發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵部件研制出現(xiàn)困難和更換火箭等問題，發(fā)射被一再推遲。2018年5月，“水星磁氣圈軌道器”由日本運(yùn)抵法屬圭亞那庫魯航天中心。此后，JAXA宣布“貝皮-科倫坡”將于2018年10月發(fā)射。圭亞那當(dāng)?shù)貢r間2018年10月19日10：45（北京時間2018年10月20日09：45），“貝皮-科倫坡”搭載在阿里安－5（Ariane－5）火箭成功發(fā)射，踏上了飛往水星的漫長旅程。

1 水星探測歷史

水星是太陽系中最內(nèi)側(cè)的行星，由于過于接近太陽并且進(jìn)入水星軌道需要很大的速度增量，導(dǎo)致航天器很難到達(dá)水星周圍。人類至今僅2次發(fā)射航天器探測過水星。首個探測器是美國于1973年11月發(fā)射的水手－10（Mariner－10），目標(biāo)是以飛越水星的方式探測水星的磁層、大氣和地表，攜帶了相機(jī)、磁強(qiáng)計、紅外輻射計等科學(xué)載荷。水手－10在1974年3月－1975年3月的1年時間內(nèi)共3次飛掠水星，最接近的一次距離水星僅327km。由于探測器軌道特征，使得每次探測的都是面對著水星的同一面，所以只繪制了水星表面40%～45%地區(qū)的地圖。水手－10發(fā)現(xiàn)水星地表與月球相似，布滿隕石坑。水星擁有稀薄的大氣層，主要是由氦組成，另外發(fā)現(xiàn)水星擁有磁場與巨大的鐵質(zhì)核心。

第二個水星探測器是美國2004年8月發(fā)射的“信使”（MESSENGER）。“信使”是首個環(huán)繞水星軌道的探測器，于2011年3月入軌，目標(biāo)是研究水星大氣和外逸層構(gòu)成、地質(zhì)演變，磁場、磁層性質(zhì)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等?！靶攀埂贝钶d的科學(xué)儀器包括γ射線和中子質(zhì)譜儀、激光測高儀、大氣和表面成分分析儀、高能粒子和等離子質(zhì)譜儀、磁強(qiáng)計等。“信使”攜帶的科學(xué)儀器較水手－10有很大改進(jìn)，拍攝了大量清晰的水星照片；發(fā)現(xiàn)了水星的散逸層擁有大量的水存在；提供了水星表面從前曾經(jīng)存在過火山活動的圖像證據(jù)和水星的行星核心為液態(tài)鐵的證據(jù)；在水星北極附近的一些撞擊坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)了含碳有機(jī)化合物和水冰。

2 項目背景

歐洲在1993年5月首次提出了水星任務(wù)。1994年，ESA發(fā)起地平線－2000（Horizon－2000）計劃的延長任務(wù)，將水星軌道飛行器作為其3個新的基礎(chǔ)性任務(wù)之一，“蓋亞”（Gaia）空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)與“貝皮-科倫坡”水星探測任務(wù)競爭第5次基礎(chǔ)性任務(wù)。2000年10月，ESA批準(zhǔn)了2008－2013年的一攬子任務(wù)，其中包括“貝皮-科倫坡”和“蓋亞”。2007年2月，“貝皮-科倫坡”被ESA批準(zhǔn)為“宇宙遠(yuǎn)景”（Cosmic Vision）計劃的一部分，并計劃使用“聯(lián)盟”（Soyuz）火箭發(fā)射。

日本曾于2000年討論過獨立的水星探測計劃，由于當(dāng)時日本沒有能夠發(fā)射該任務(wù)的大型火箭，最終計劃中斷。此后，日本在國際會議上與歐洲討論在水星任務(wù)上進(jìn)行合作，經(jīng)多輪磋商后，雙方最終敲定了“貝皮-科倫坡”搭載2個獨立探測器的方案。

2008年，由于離子發(fā)動機(jī)研制出現(xiàn)問題，衛(wèi)星研制進(jìn)程受阻，并且質(zhì)量比預(yù)期增加。2009年11月，ESA科學(xué)計劃委員會批準(zhǔn)了新設(shè)計方案，JAXA此時也正式加入了“貝皮-科倫坡”任務(wù)。由于整體質(zhì)量大幅增加，衛(wèi)星改為使用阿里安－5發(fā)射。

3 “貝皮-科倫坡”的科學(xué)目標(biāo)

前2次水星探測獲得了對水星地貌、大氣、磁場等基本情況的了解，解開了水星神秘的面紗，但仍然留下眾多謎團(tuán)需要進(jìn)一步探索。為解開這些科學(xué)謎團(tuán)，“貝皮-科倫坡”將對水星的磁場、磁場、大氣和地表及地殼進(jìn)行進(jìn)一步探索。

磁場

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徑和密度間具有一定關(guān)系，但是水星的高密度卻背離了這種關(guān)系，這是因為水星存在占其質(zhì)量70%的巨大中心核體，并且與其他行星的組成元素有很大差異。水星存在磁場，同是地球型行星且比水星質(zhì)量大的金星卻沒有磁場。存在磁場是否與質(zhì)量巨大的內(nèi)核有關(guān)仍是一個未解之謎。“貝皮-科倫坡”將通過對水星周邊的磁場進(jìn)行詳細(xì)、高準(zhǔn)確度的觀測，搞清行星上磁場的成因。

磁層

水手－10最先發(fā)現(xiàn)了水星的磁層，并觀測到與地球相似的高能電子流爆發(fā)。水星磁層與地球有很大差異，由于沒有足夠的大氣，磁層直接與地表連接，并且水星距離太陽更近，太陽風(fēng)的條件也與地球不同。這些差異會帶來何種影響，這樣的磁層是否穩(wěn)定，以及如何儲存和釋放能量存在多種意見。“貝皮-科倫坡”將詳細(xì)地觀測水星磁層的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動狀況，并與地球上的磁層進(jìn)行比較，搞清行星磁層的普遍性和特異性。

大氣

水星存在稀薄的散逸層（外氣層），氣體中鈉元素占主要成分。研究認(rèn)為，這是水星表面與太陽光、太陽風(fēng)、磁層和宇宙塵等相互作用的結(jié)果，水星表面的物質(zhì)被釋放出來。以往觀測結(jié)果顯示，水星大氣擴(kuò)散到水星半徑數(shù)倍的距離，在1日內(nèi)大氣的密度與分布有很大變化。為了解大氣結(jié)構(gòu)、組成和生消的過程對于了解水星的歷史有重要意義?！柏惼?科倫坡”將觀測水星表面稀薄大氣，搞清其結(jié)構(gòu)，觀測其變化情況，掌握其生成和消散過程與原理。

地表和地殼結(jié)構(gòu)

水星表面乍一看與月球相似，實際上有巨大差別。水星表面沒有月球那樣高地與“?！敝g的高度差；有疑似水星初期伴隨冷卻形成的大規(guī)模地形；有火山性平原和巨大的火山遺跡。獲得水星全部表面的地形的詳細(xì)信息，有助于了解行星初期形成的過程。“貝皮-科倫坡”通過對整個水星表面進(jìn)行拍攝，尋找尚可能殘存的水星形成初期的蹤跡，搞清水星表面地形的成因。同時，還將直接計測水星表面所放射出的氣體，獲取與水星起源有關(guān)的第一手信息。此外，還將通過對γ射線和中子進(jìn)行觀測，獲取水星兩極是否有冰存在的佐證，從而確認(rèn)水星上有水的存在。

4 探測器情況

“貝皮-科倫坡”的設(shè)計特點是將2個獨立的探測器集成于一個航天器?！柏惼?科倫坡”發(fā)射質(zhì)量4100kg，干質(zhì)量2700kg，尺寸為3.9m×3.6m×6.3m。整個航天器由“水星行星軌道器”、“水星磁氣圈軌道器”、“水星轉(zhuǎn)移模塊”（MTM）和“水星磁氣圈軌道器遮光罩與連接機(jī)構(gòu)”（MOSIF）四部分構(gòu)成。ESA負(fù)責(zé)整體設(shè)計和研制“水星行星軌道器”、“水星轉(zhuǎn)移模塊”和“水星磁氣圈軌道器遮光罩與連接機(jī)構(gòu)”。JAXA負(fù)責(zé)研制“水星磁氣圈軌道器”。

“水星轉(zhuǎn)移模塊”提供航天器的動力，將2個軌道探測器運(yùn)送到水星。“水星轉(zhuǎn)移模塊”由電推進(jìn)模塊（MEPS）和化學(xué)推進(jìn)模塊（MCPS）組成。電推進(jìn)模塊配備4臺145mN氙離子推力器以及帶有3個氙氣儲罐的氙氣供給系統(tǒng)，共攜帶580kg氙氣，可提供5400m/s的速度增量。離子推進(jìn)器由英國QinetiQ公司制造，該離子推進(jìn)器是首次被用于太陽系行星的任務(wù)?；瘜W(xué)推進(jìn)模塊配備12臺10N的雙組元推進(jìn)劑推進(jìn)器，共攜帶157kg推進(jìn)劑，可提供68m/s的速度增量。

“水星磁氣圈軌道器遮光罩與連接機(jī)構(gòu)”為“水星磁氣圈軌道器”提供熱防護(hù)以及機(jī)械和電氣接口，斷面呈18°傾斜，保證朝向太陽旋轉(zhuǎn)時“水星磁氣圈軌道器”不被照射。“水星磁氣圈軌道器遮光罩與連接機(jī)構(gòu)”外層附著由97層鋁、塑料和陶瓷纖維組成的隔熱材料，可使科學(xué)儀器盡可能接近常溫。

水星距離太陽僅約5.8×107km，白天行星的表面超過350℃，足以使一些金屬熔化。因此，熱防護(hù)和應(yīng)對紅外輻射對水星軌道上的航天器是巨大挑戰(zhàn)?！柏惼?科倫坡”除配備一個散熱器外，外表面還附有由50層陶瓷纖維和鋁制成的隔熱材料。天線由耐熱鈦合金制成，并覆蓋新型耐熱涂層。

“水星磁氣圈軌道器”

“水星磁氣圈軌道器”質(zhì)量為275kg，整體為8角棱柱體形狀，相對兩棱柱面間的距離為180cm、棱柱高為90cm。采用自旋穩(wěn)定，這是為了方便測量電子、離子的空間分布和速度，以及通過離心力使測量電場的線性天線（共4根，長15m）和測量磁場的磁力矩柱（共2根，長5m）伸展。在執(zhí)行對水星進(jìn)行觀測的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，自旋周期為4s。自旋軸與水星赤道面基本呈垂直狀態(tài)，不僅可防止太陽輻射能量直射到探測器的上方或下方，還可確保即便是探測器的姿態(tài)發(fā)生變化仍可將配置在探測器上部的高增益天線的指向偏差控制在最小。探測器上配備高增益天線，發(fā)射時高增益天線、線性天線和磁力矩柱都收縮回探測器本體內(nèi)。探測器由通信、姿態(tài)控制、指令數(shù)據(jù)處理、電源和熱控等5個分系統(tǒng)組成。

探測器上配備了等離子/粒子觀測裝置、磁場測量裝置、等離子波動和電場觀測裝置、大氣分光攝像裝置和水星氣溶膠觀測裝置5種有效載荷儀器，總質(zhì)量約45kg。

“水星行星軌道器”

“水星磁氣圈軌道器”在軌運(yùn)行示意圖

“水星行星軌道器”是由ESA宇宙科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)，空客防務(wù)與航天公司（ADS）為主承包商研制的航天器干質(zhì)量為1147kg，本體為1.6m×1.7m×1.9m的箱型結(jié)構(gòu)，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，目的是確保探測器實現(xiàn)高精度姿態(tài)和軌道控制，使探測器上所搭載的相機(jī)、分光光度計和各種遙感器都能一直對準(zhǔn)其正下方的觀測對象，實現(xiàn)詳細(xì)、精密的觀測。

發(fā)射時太陽電池翼和天線等呈折疊收攏狀態(tài)，入軌后分別通過伸展控制和離心力展開。探測器上配備了5種有效載荷儀器，質(zhì)量約80kg。推進(jìn)系統(tǒng)由4個22N和4個5N推進(jìn)器組成，其中22N推進(jìn)器是雙組元推進(jìn)劑推進(jìn)器，5N推進(jìn)器是單組元推進(jìn)劑推進(jìn)器，所有推力器共攜帶669kg推進(jìn)劑，可提供1000m/s的速度增量。

“水星磁氣圈軌道器”搭載的5種有效載荷儀器及其功能和指標(biāo)

探測器上配備了11種有效載荷儀器，包括激光高度儀（BELA）、加速度計（ISA）、磁 強(qiáng) 計（MERMAG）、γ射線和中子檢測器（MGNS）、X線分光光度計（MIXS）、無線電科學(xué)實驗（MOER）、紫外分光攝像機(jī)（PHESUS）、中性粒子和離子檢測器（SERENA）、可見光與近紅外相機(jī)（SIMBIO-SYS）、紅外攝像機(jī)（MERTIS-TIS）和太陽輻射強(qiáng)度X射線和粒子光譜儀（SIXS）。

“水星行星軌道器”在軌運(yùn)行示意圖

5 后續(xù)任務(wù)情況

“貝皮-科倫坡”需要7年時間才能進(jìn)入水星軌道。在此期間，它將借助電推力發(fā)動機(jī)和9次借力飛行飛向水星。2020年4月將飛越地球；2020年和2021年2次飛越金星，2021－2025年6次飛越水星。該航天器將以3.475km/s的速度離開地球。最初，該航行器在與地球軌道相似的軌道上飛行，在航天器和地球都繞軌1.5周后，它返回地球進(jìn)行借力飛行并向金星偏轉(zhuǎn)。此后，連續(xù)2次飛越金星將降低近日點，拉近與水星的距離，期間幾乎不需要推力。此后，6次水星飛行將相對速度降低至1.76km/s。在第4次飛越水星之后，航天器將處于與水星軌道相似的軌道上飛行，并將一直處于水星附近。2025年12月5日，航天器將進(jìn)入遠(yuǎn)地點為178000km的水星軌道。此后使用化學(xué)推進(jìn)器進(jìn)行降軌。再接著，“水星磁氣圈軌道器”分離，進(jìn)入預(yù)定的近水點400km、遠(yuǎn)水點12000km的繞水星運(yùn)行的極軌道，開始獨立運(yùn)行；此后，化學(xué)推進(jìn)模塊再次噴射以降低軌道高度，確?！八切行擒壍榔鳌卑踩蛛x并進(jìn)入預(yù)定的近水點400km、遠(yuǎn)水點1500km、軌道傾角為90°的繞水星運(yùn)行的極軌道。

“貝皮-科倫坡”關(guān)鍵事件時間節(jié)點及說明