文/蘭順正

近些年，火星成為人類探索太空的新寵，各國先后發(fā)射過53個火星探測器。但對于水星，迄今為止只進行過3次探測，其中最近的一個探測器還是2018年10月20日發(fā)射的“貝皮·科倫布”號。不過，就是這個探測器，最近為我們帶來了驚喜——首次捕捉并傳回了水星的圖像，使人類第一次近距離看到了水星的真實模樣。

▲ “貝皮·科倫布”號水星探測器

太陽系中的“懸崖”

水星是外部由巖石構(gòu)成的類地行星，直徑約4880 千米，密度和地球幾乎相同，內(nèi)核被認(rèn)為是占水星半徑四分之三的巨大鐵核。水星與太陽平均距離為4600 萬～7000 萬千米，是太陽系中離太陽最近的一個行星，面對太陽的一面溫度可以高達430℃，而背對太陽的一面則低至-170℃；同時水星太小，大氣極其稀薄，而且水星現(xiàn)在內(nèi)部地質(zhì)活動幾乎停止，其磁場強度僅為地球的1.1%，無法抵御太陽附近強大的太陽風(fēng)和電磁輻射，這些都意味著水星幾乎不可能存在生命。由于距離太陽太近，水星的運轉(zhuǎn)速度也是所有行星里最快的，達到了驚人的47.89 千米/秒，每87.968 個地球日繞行太陽一圈，每公轉(zhuǎn)2.01 周的同時也自轉(zhuǎn)3 圈。

有假說認(rèn)為，水星和地球誕生之初幾乎相同，但兩者踏上了不同的演化之路，因此水星可能蘊含很多地球誕生之初的信息，了解水星地質(zhì)信息，或許有助獲知行星誕生之謎。但是，水星卻是太陽系內(nèi)被探索次數(shù)最少的行星，因為探測水星實在是太難了。航天器一旦離開地球向軌道內(nèi)側(cè)的太陽飛去時，便會受太陽的強大引力不斷加速，越飛越快?？墒撬且π?，速度快，又緊貼著太陽，航天器靠近時很難被水星引力捕獲，一不小心不但無法進入水星軌道，還會被拉進太陽里，就好像對著懸崖沖刺還要一步停在崖邊。以人類現(xiàn)有技術(shù)（推進器反向減速）不可能直接剎車留在這個軌道，所以探測水星需要用引力彈弓效應(yīng)減速的方法，采用地球、金星、水星共同配合反復(fù)調(diào)整軌道，同時再加上航天器發(fā)動機拼盡全力工作，才有可能幫助航天器進入環(huán)繞水星軌道。這些高難度的操作導(dǎo)致抵達水星的能量耗費是到火星的8 倍，且需要更長的時間。

▲ 2021 年10 月1 日，“貝皮·科倫布”號首次捕捉并傳回了水星的圖像

全球“唯二”的探測

▲ “水手10 號”探測器

在此之前，只有美國對水星進行了兩次探測，分別是“水手10 號”探測器和“信使號”探測器?！八?0號”于1973 年11 月3 日發(fā)射，1974年2 月進入一條以176 天為周期繞太陽飛行的橢圓軌道。這條軌道的近日點正好與水星繞太陽飛行的橢圓軌道的遠(yuǎn)地點相會，從而使“水手10 號”每隔約6 個月能與水星靠近兩次。“水手10 號”曾于1974 年3 月29 日、9月21 日和1975 年3 月16 日3 次在日心橢圓軌道上和水星相遇，對水星進行了探測。在有限的觀察時間內(nèi)，“水手10 號”利用攜帶的相機拍下了約2800 張水星照片（約占水星表面的40%），這是人類第一次看清楚水星的表面。它還利用輻射儀發(fā)現(xiàn)了水星表面向陽面和背陰面存在巨大溫差，以及周身幾乎沒有磁場。但受當(dāng)時的技術(shù)水平所限，該探測器沒能進入水星軌道，無法對水星進行長期、全面探測。

“信使號”于2004 年8 月3 日發(fā)射，該探測器采用了先進的防熱措施，裝有7 臺用于完成6 項科學(xué)目標(biāo)的探測儀器。由于旅途漫長，“信使號”歷經(jīng)7 年時間才于2011 年3 月17 日進入環(huán)水星軌道，成為全球首個水星探測軌道器，開始對水星進行科學(xué)考察。在此期間，“信使號”做了大量有價值的工作，不僅繪制了水星非常詳細(xì)的全球地圖、高程圖，從地貌甚至可以反推出水星曾經(jīng)的地質(zhì)運動，例如火山噴發(fā)痕跡等，同時還研究了水星的磁場變化和大氣演變。探測任務(wù)結(jié)束后，“信使號”于2015 年4 月30 日以螺旋硬著陸的方式受控與水星表面相撞而殞滅，在水星表面形成一個隕坑。

被寄予厚望的“貝皮·科倫布”

此次報道中提到的“貝皮·科倫布”是歐洲實施的第一個水星探測任務(wù)，探測器以已故意大利數(shù)學(xué)家兼工程師貝皮·科倫坡教授的名字命名（他曾幫助美國宇航局在“水手10 號”上使用金星和水星引力助推器），由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)和歐空局合作研制，歐空局成員國中的12個國家、30多個公司參與了項目。

除此之外，美國和俄羅斯也研制并提供了儀器。由于抵達水星需要等待適當(dāng)?shù)臅r機向金星和水星借力，因此“貝皮·科倫布”任務(wù)對于時間窗口極其敏感，發(fā)射時間幾經(jīng)推遲，最終才在2018 年10 月20 日發(fā)射升空。按照計劃，“貝皮·科倫布”的旅程將歷時7.2 年，需要在地球、金星和水星附近進行了9 次引力控制飛行。

▲ “水手10 號”探測器1974 年拍攝的金星照片

▲ “信使號”探測器

▲ 2008 年1 月，“信使號”探測器在水星表面200 千米上空拍攝的水星接近南極的區(qū)域

▲ “貝皮·科倫布”號的兩個子軌道探測器（上方為MPO,下方為MMO）

按照此前公布的資料，“貝皮·科倫布”探測器由兩個子軌道探測器、水星轉(zhuǎn)移模塊和太陽防護罩組成。兩個子軌道器分別是歐空局的水星行星軌道器（MPO）和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的水星磁層軌道器（MMO）。其中MPO 攜帶11 臺科學(xué)探測儀器，主要科學(xué)任務(wù)是觀測水星表面地形、重力場，精密計測水星礦物質(zhì)的化學(xué)成分；對水星成分進行測繪，研究水星表面和內(nèi)部成分，以及水星磁場環(huán)境、行星與太陽風(fēng)交互以及大氣外層的化學(xué)組成。MMO 裝有5 臺科學(xué)載荷，將對水星的表面、內(nèi)部及磁場等進行綜合觀測。這不僅有利于認(rèn)識水星磁場、磁層的分布，還能通過分析比對，加深對地球乃至宇宙間各種磁層的了解。同時它還將觀測水星的大氣和地形，關(guān)注水星的地表組成和變化過程，以深入了解水星的特異結(jié)構(gòu)，探索水星形成之謎。

而為了抵御酷熱，“貝皮·科倫布”采用了新設(shè)計的多層隔熱技術(shù)，最外層由陶瓷纖維制成。水星轉(zhuǎn)移模塊的太陽能電池板由60%的鏡片和40%的特殊電池組成，鏡片用于反射熱量，使它能在更高溫度下工作。MPO 上的散熱器能快速散出太陽傳導(dǎo)過來的熱量，還能散出在飛掠行星時從行星反射過來的熱量。八棱柱狀的MMO 將用每分鐘15 轉(zhuǎn)的速度自轉(zhuǎn)，以保證不會被太陽的熱量損壞。

此次據(jù)英國天空新聞電視臺報道，關(guān)于“貝皮·科倫布”首次在水星附近做引力控制變軌飛行，這一項目負(fù)責(zé)人埃爾莎·蒙塔尼翁表示，飛行“無懈可擊”，“難以置信終于看到我們的目標(biāo)行星了”。預(yù)計該探測器將于2025 年底到達水星，協(xié)作開展為期1年的水星探測任務(wù)。

▲ MPO 和MMO 以各自的軌道環(huán)繞水星飛行