下一站，水星！揭秘贝皮·科伦坡任务

Lina Hadid

法国国家科学研究中心（CNRS）等离子体物理实验室（LPP）研究员

“信使号”航天器捕捉到水星上存在冰特征。水星离太阳如此之近、如此之热，水星上是否真的存在冰？这一多年来备受争议的问题或将通过第三次水星探测——“贝皮·科伦坡任务”得到确切的答案。

贝皮·科伦坡（BepiColombo）任务（2018-2028）是航天史上第三次探索水星地表和环境的任务。

水星是距离太阳最近的行星。科伦坡任务旨在进一步了解水星及其与太阳的相互作用。

由于太阳的引力过大，需要使用引力辅助技术才能避免航天器栽进太阳——这可是个太空力学难题。

科伦坡航天器上的质谱分析仪（MSA）将测量水星的离子构成。

航天器还会确认水星极地陨石坑中究竟存不存在冰。

水星是太阳系中最小的行星，四颗类地行星之一（以硅酸盐岩石为主要成分），离太阳最近，也是唯一一颗与地球一样有磁场的行星。然而，由于距离太阳太近，运行速度太快，对水星的研究也是在所有行星中最少的。

继美国国家航空航天局的“水手10号”探测器（1973年至1975年）和“信使号”探测器（2004年至2015年）后，贝皮·科伦坡任务（下称科伦坡任务）是史上第三次探索水星地表和环境的任务，将分析水星的结构、内部动力、磁场产生及其与太阳和太阳风的相互作用。通过比较研究，该任务还将加深人类对地球的理解，揭秘地球的陆地环境和行星际介质的相互关联。

科伦坡任务以意大利数学家、工程师贝皮·科伦坡（Giuseppe Colombo，亦称Bepi Colombo，1920-1984）命名。在第一次前往水星的水手10号任务中，利用科伦坡提出的理论成功地进行了引力辅助轨道的力学计算。

科伦坡任务还将勘探水星地表特征和化学成分。由于水星自转轴的倾斜度极低，两极陨石坑底部得不到阳光直射，此次任务将确认永远处于阴影中的极地陨石坑中是否存在冰。此类观测有利于了解太阳系的形成及母恒星附近行星的演化。

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史无前例的科伦坡

科伦坡任务是欧洲首次进行的水星的探测项目，共有两个水星子轨道探测器，分别由欧洲航天局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）开发，还有一个地球轨道卫星。双探测器的设置创下了行星探测史上的先例。第一个探测器是欧空局的水星行星轨道器（MPO），这是一颗三轴稳定卫星，在水星附近轨道运行，研究水星的地表、地质成分和外逸层（薄大气层）。第二个探测器是日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器（MMO），为了凸显日本元素，又称 “澪（Mio）”，将在水星磁层中的远距离轨道运行。

“澪”将对水星周围的磁场、电场、粒子（离子和电子）和内日光层进行原位测量。由于两个轨道飞行器处于不同的位置，人类将首次从两个角度对水星进行观测，并从空间和时间两个维度分析太阳风和水星磁层之间的耦合、磁层和外逸层之间的能量物质交换以及传输过程。

“当到达水星附近时，科伦坡航天器将经受强烈辐射和超过350°C的高温。”

科伦坡航天器还搭载了另外两个模块：水星转移模块（MTM）和水星磁层轨道飞行器遮阳板和接口结构模块（MOSIF），前者使用太阳能电力推进技术，将航天器从地球送往水星，后者则安装在探测器顶部，以保护“澪”在巡航阶段免受热流和红外辐射的影响。当航天器到达水星附近时，将经受强烈的辐射和超过350°C的高温——高到足以熔化探测器的所有部件仪器。为了抵御超高温，此次任务设计了热控制系统，避免航天器被强烈的紫外线辐射和来自太阳风的带电粒子流损坏。

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高难度太空力学操作

科伦坡航天器已于2018年10月从法属圭亚那的库鲁发射，并将于2025年12月进入绕水星轨道。据法国国家科学研究中心（CNRS）等离子体物理实验室（LPP [1]）研究员Lina Hadid介绍：“航天器想要进入水星轨道非常困难。水星离太阳很近，航天器容易被太阳引力‘吸走’。”为了防止坠入太阳，航天器必须在水星内侧日光层大幅减速。这是一个不小的太空力学挑战！

图片来源：欧空局 - 科伦坡航天器接近水星

尽管配备了新型高效离子电推进器，但重达数吨的航天器几乎不可能仅通过反推力刹车制动进入绕水星轨道。Hadid补充道：“为了克服这个问题，科伦坡航天器需要利用引力辅助原理，在途中特地飞越几个行星以调整轨道，所以巡航阶段非常长。在巡航阶段，探测器会得到三颗行星提供的九次‘助推’：地球1次、金星2次、水星6次，每次飞越都会收紧轨道，航天器最终将于2025年12月到达水星。”

2021年10月，科伦坡首次飞越水星，2022年6月第二次飞越，飞行高度仅距离水星表面不到200公里（“水手10号”、“信使号”都未曾降至此高度），拍摄到了布满陨石坑的水星大地。自发射以来，探测器还于2020年4月飞过地球一次、2020年10月和2021年8月飞过金星两次。

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水星环境离子组成分析

Hadid指出：“科伦坡的巡航时间漫长，部分仪器在途中会关闭，所以无法频繁进行各类测量。不过‘澪’的一台离子质谱分析仪（MSA）会开启——这是LPP开发的设备，我参与了开发工作。”这台质谱仪将测量水星周围的离子（带电粒子）组成。尽管“信使号”上的FIPS仪器也具备类似功能，但它无法以高质量精度识别重离子（氧及原子数更高的元素）而且其视野很有限。

Hadid进一步解释：“MSA光谱仪可识别多种离子，如镁（Mg+，原子质量M=24u）、硅（Si+，28u）、分子氧（O2+，32u）、钾（K+，39u）或钙（Ca+，40u），其质量分辨率在太空任务中无与伦比。另外，‘澪’还搭载了双波段磁通计，可于测量高频磁场（100 mHz-640 kHz）。”

“我们利用首次飞越金星和水星的时机，纠正了机载软件的一些问题。”

巡航期也是飞行器仪器检查的重要阶段。Hadid说：“正确校准太空中的仪器，以确保其正常运行至关重要！以MSA为例，我们利用了航天器第一次金星和水星飞越的时机，纠正了MSA机载软件的一些问题，随后静候2022年6月第二次水星飞越期间的测量结果。果然，在第二次飞越期间，MSA揭示了高能行星质子和氦离子（He+）的存在，还观测到了重离子，但密度比‘信使号’先前探测到的要低。我们目前正在分析这些数据，以更好地了解这些离子的来源，与此同时期待着2023年6月的下一次水星飞越！”

水星上是否存在冰？这一多年来备受争议的问题或将通过科伦坡任务得到确切的答案。20世纪90年代，研究人员通过阿雷西博射电望远镜发现水星北部部分高纬度地区表现出异常高的光反射率。“信使号”的机载相机也观察到这一现象，这些区域与水星表面存在的撞击坑相吻合。与地球不同的是，由于水星的自转轴没有倾斜，因此这些陨石坑永远处于阴影中。

Hadid解释道：“高反射率可能是由于陨石坑底部存在冰——但水星离太阳如此之近、如此之热，这是一个难以置信的猜想。如果猜想得到证实，说明这些地方数十亿年来都没有太阳光的照耀！”

贝皮·科伦坡任务主要时间节点

2018年10月20日（01:45:28 UT）：从法属圭亚那航天中心发射

2020年4月13日：飞越地球

2020年10月16日：飞越金星

2021年8月11日：飞越金星

2021年10月1日：首次飞越水星

2023年6月20日：飞越水星

2024年9月5日：飞越水星

2024年12月2日：飞越水星

2025年1月9日：飞越水星

2025年12月5日：进入水星轨道

2027年5月1日：完成主体任务

2028年5月1日：完成后期任务

作者

Isabelle Dumé

编辑

https://www.esa.int/Space_in_Member_States/France/Lancement_de_BepiColombo_vers_Mercure

1.*LPP: a joint research unit of CNRS, École Polytechnique – Institut Polytechnique de Paris, Observatoire de Paris, Sorbonne University, Université Paris-Saclay