“貝皮·科倫布”上崗，首次傳回水星圖像

文/蘭順正

近些年，火星成為人類探索太空的新寵，各國(guó)先后發(fā)射過53個(gè)火星探測(cè)器。但對(duì)于水星，迄今為止只進(jìn)行過3次探測(cè)，其中最近的一個(gè)探測(cè)器還是2018年10月20日發(fā)射的“貝皮·科倫布”號(hào)。不過，就是這個(gè)探測(cè)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(shí)模樣。

▲ “貝皮·科倫布”號(hào)水星探測(cè)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(gè)行星，面對(duì)太陽的一面溫度可以高達(dá)430℃，而背對(duì)太陽的一面則低至-170℃；同時(shí)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(dòng)幾乎停止，其磁場(chǎng)強(qiáng)度僅為地球的1.1%，無法抵御太陽附近強(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn)速度也是所有行星里最快的，達(dá)到了驚人的47.89 千米/秒，每87.968 個(gè)地球日繞行太陽一圈，每公轉(zhuǎn)2.01 周的同時(shí)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(yùn)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?yàn)樘綔y(cè)水星實(shí)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(shí)，便會(huì)受太陽的強(qiáng)大引力不斷加速，越飛越快?？墒撬且π。俣瓤?，又緊貼著太陽，航天器靠近時(shí)很難被水星引力捕獲，一不小心不但無法進(jìn)入水星軌道，還會(huì)被拉進(jìn)太陽里，就好像對(duì)著懸崖沖刺還要一步停在崖邊。以人類現(xiàn)有技術(shù)（推進(jìn)器反向減速）不可能直接剎車留在這個(gè)軌道，所以探測(cè)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(shí)再加上航天器發(fā)動(dòng)機(jī)拼盡全力工作，才有可能幫助航天器進(jìn)入環(huán)繞水星軌道。這些高難度的操作導(dǎo)致抵達(dá)水星的能量耗費(fèi)是到火星的8 倍，且需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

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

全球“唯二”的探測(cè)

▲ “水手10 號(hào)”探測(cè)器

在此之前，只有美國(guó)對(duì)水星進(jìn)行了兩次探測(cè)，分別是“水手10 號(hào)”探測(cè)器和“信使號(hào)”探測(cè)器。“水手10號(hào)”于1973 年11 月3 日發(fā)射，1974年2 月進(jìn)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(diǎn)正好與水星繞太陽飛行的橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)相會(huì)，從而使“水手10 號(hào)”每隔約6 個(gè)月能與水星靠近兩次?！八?0 號(hào)”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(duì)水星進(jìn)行了探測(cè)。在有限的觀察時(shí)間內(nèi)，“水手10 號(hào)”利用攜帶的相機(jī)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(chǎng)。但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平所限，該探測(cè)器沒能進(jìn)入水星軌道，無法對(duì)水星進(jìn)行長(zhǎng)期、全面探測(cè)。

“信使號(hào)”于2004 年8 月3 日發(fā)射，該探測(cè)器采用了先進(jìn)的防熱措施，裝有7 臺(tái)用于完成6 項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)的探測(cè)儀器。由于旅途漫長(zhǎng)，“信使號(hào)”歷經(jīng)7 年時(shí)間才于2011 年3 月17 日進(jìn)入環(huán)水星軌道，成為全球首個(gè)水星探測(cè)軌道器，開始對(duì)水星進(jìn)行科學(xué)考察。在此期間，“信使號(hào)”做了大量有價(jià)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(yùn)動(dòng)，例如火山噴發(fā)痕跡等，同時(shí)還研究了水星的磁場(chǎng)變化和大氣演變。探測(cè)任務(wù)結(jié)束后，“信使號(hào)”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(gè)隕坑。

被寄予厚望的“貝皮·科倫布”

此次報(bào)道中提到的“貝皮·科倫布”是歐洲實(shí)施的第一個(gè)水星探測(cè)任務(wù)，探測(cè)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(guó)宇航局在“水手10 號(hào)”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(jī)構(gòu)和歐空局合作研制，歐空局成員國(guó)中的12個(gè)國(guó)家、30多個(gè)公司參與了項(xiàng)目。

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

▲ “水手10 號(hào)”探測(cè)器1974 年拍攝的金星照片

▲ “信使號(hào)”探測(cè)器

▲ 2008 年1 月，“信使號(hào)”探測(cè)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(hào)的兩個(gè)子軌道探測(cè)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(cè)器由兩個(gè)子軌道探測(cè)器、水星轉(zhuǎn)移模塊和太陽防護(hù)罩組成。兩個(gè)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(jī)構(gòu)的水星磁層軌道器（MMO）。其中MPO 攜帶11 臺(tái)科學(xué)探測(cè)儀器，主要科學(xué)任務(wù)是觀測(cè)水星表面地形、重力場(chǎng)，精密計(jì)測(cè)水星礦物質(zhì)的化學(xué)成分；對(duì)水星成分進(jìn)行測(cè)繪，研究水星表面和內(nèi)部成分，以及水星磁場(chǎng)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(tái)科學(xué)載荷，將對(duì)水星的表面、內(nèi)部及磁場(chǎng)等進(jìn)行綜合觀測(cè)。這不僅有利于認(rèn)識(shí)水星磁場(chǎng)、磁層的分布，還能通過分析比對(duì)，加深對(duì)地球乃至宇宙間各種磁層的了解。同時(shí)它還將觀測(cè)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(jì)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(shí)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(huì)被太陽的熱量損壞。

此次據(jù)英國(guó)天空新聞電視臺(tái)報(bào)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(xiàng)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(jì)該探測(cè)器將于2025 年底到達(dá)水星，協(xié)作開展為期1年的水星探測(cè)任務(wù)。

▲ MPO 和MMO 以各自的軌道環(huán)繞水星飛行