一文读懂欧日首次发射水星探测器：2025年才能抵达

[ 摘要 ]一直以来，由于要克服太阳的高温以及巨大的引力加速作用，只有两颗探测器造访过水星，本次的两个子探测器的科学研究重心分别为：水星的结构演化和磁场。

文 | 腾讯科技 特约作者乔辉

今天上午，北京时间10月20日9时45分，由欧洲空间局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合实施的水星探测计划贝皮科伦布（BepiColombo）探测器将升空，发射地点位于法属圭亚那库鲁航天中心。

贝皮科伦布实际上由两个子探测器组成，分别是欧空局的水星行星轨道器（MPO）和日本的水星磁层轨道器（MMO），它们在抵达水星时分离，分别进入不同高度的互补轨道。开展探究水星的起源与演变，水星内部结构和磁场产生特点等基本科学问题。

这是欧空局第一次，人类第三次向水星发射探测器，前两次分别是NASA实施的“水手10号”和“信使号”探测器，由于当时技术能力有限，“水手10号”并没有真正进入水星轨道，而是一次次飞掠，发射的时间分别为1973年和2004年。

本次探测计划的主要科学目标是什么？

拿水星作为样板，研究靠近恒星的行星的起源和演化；

研究水星的形成，内部结构、组成特点、地质构造、以及表面的环形山；

研究水星表面外逸层的组成和动力学特征，包括其产生和逃逸的过程；

研究水星磁层的结构和动力学；

研究水星磁场的起源；

顺手验证一下爱因斯坦的广义相对论。

本次探测计划的主要时间线如下：

2018年10月20日，发射；

2020年04月06日，飞掠地球；

2020年12月12日，首次飞掠金星；

2021年04月11日，第二次飞掠金星；

2021年10月02日，第一次飞掠水星；

2022年06月23日，第二次飞掠水星；

2023年06月20日，第三次飞掠水星；

2024年09月05日，第四次飞掠水星；

2024年12月02日，第五次飞掠水星；

2025年01月09日，第六次飞掠水星；

2025年12月05日，进入水星轨道，开展科学任务。

本次探测计划的特点是什么？

一、这次探测任务由两个探测器组成。分别是来自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），二者运行在不同高度的水星极地轨道上，任务具有互补性。

图注：水星行星轨道卫星（MPO）【左】和日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器（MMO）【右】

二、该探测任务采用了先进的离子推进技术，总推力能达到290毫牛，是目前太空探测器所使用的最强离子推进探测器。290毫牛顿什么概念？我手头的苹果6S手机的质量是143克，其所受到的重力大约是1400毫牛。在太空无空气和弱引力的环境下，即便这种小的推力，经过长时间的积累，也能完成极大的变轨动作。离子推进一大好处是“比冲”比传统的化学推进要高得多，这是因为离子喷射的速度特别快，好处是能够极大节约携带燃料的重量。

三、上面我们列举了水星探测的时间线，大家会发现该探测器将一次次飞掠地球、金星和水星，最终才能进入水星的轨道。这是为什么呢？

给大家纠正一个错觉，千万不要以为想抵达像水星这样的内地行星比遥远的冥王星更容易。这是因为，探测器发射之前和地球一起围绕太阳以30公里每秒的速度运动，要想抵达水星就要降低轨道能量，进行刹车！如果用动力反推的方式减速，将要消耗极大的燃料，也给探测器本身增加很多额外的重量。有什么更好的办法呢？有！就是通过一次次飞掠各大行星，借助行星的引力来完成减速，这个过程的专业术语叫“引力助推”。

在向更遥远的行星发射探测器的时候，例如土星，可利用相同的方式，通过调整飞掠行星的时机，也可对探测器进行加速。例如，著名的“卡西尼-惠更斯”土星探测器，以及飞得最遥远的探测器“旅行者一号”，都是采用了这个方式。非常有意思的是，这次探测任务的名字贝皮科伦布（BepiColombo），就是为了纪念意大利科学家BepiColombo，他是首先把“引力助推”应用到行星际航行的人。

本次探测的意义是什么？

由于水星是太阳系内最靠近太阳的一颗行星，探测水星能够很好地了解太阳系的演化等基本科学问题。一直以来，由于要克服太阳的高温以及巨大的引力加速作用，只有两颗探测器造访过水星，因此人类对水星的了解相对匮乏，需要从更多角度对其进行科学研究，本次的两个子探测器的科学研究重心分别为：水星的结构演化和磁场。

这与火星探测形成了鲜明对比，迄今人类发射到火星的各种类型的探测器不计其数，有关火星的知识浩如烟海。探测火星除了具有基础科学层次上的意义之外，火星还是人类未来潜在的移民星球。而水星上没有大气，温度极高，人类根本没法登陆。

水星探测简史

图注：水星和地球大小比较

水星（英语：Mercury）是太阳系八大行星最内侧，也是最小的一颗行星，在八大行星中，轨道离心率最大，也就是轨道最扁，公转周期为87.968个地球日，每公转2周同时自转3圈，在天体力学上称为自转—轨道共振。水星表面受到极端温度的影响，范围从+450到-180摄氏度，在水星极区的一些陨坑内却存在着水冰。由于其非常靠近太阳，除非有日食，否则在阳光的照耀下通常很难直接看到水星。

水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐组成，水星的密度是5.427克/cm?，在太阳系中是第二高的，仅次于地球的5.515克/cm?。它的核心由铁组成，像是个太阳系内的超级大号铁球。

此前，人类曾经二次向水星发射了探测器，分别是1973年11月3日，美国发射了“水手10号”探测器和2004年8月3日发射的“信使号”探测器。

由于受当时技术水平的限制，“水手10号”并没有进入围绕水星的轨道，而是在一个大的椭圆轨道上绕太阳运行，利用一次次接近水星的机会对其进行探测。“水手10号”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日曾三次与水星擦肩而过，对水星进行了探测。这种方式无法对水星进行长期稳定的研究。

“信使号”探测器则采用了先进的隔热手段，配备有7台科学仪器，用于完成6项科学目标。该探测器于2011年3月17日进入水星轨道，开展了重要的科学研究工作。探测任务完成后，2015年4月30日，科学家控制其坠入到水星表面，完成了壮丽的谢幕。