第二個水星探測器蓄勢待發`

2014年7月19日，歐洲阿里安-5火箭將發射“貝皮·科倫布”（BepiColombo），這是繼美國信使號（MESSENGER）之后世界第2個水星探測器，其質量為4200公斤，擬于2020年11月13日進入水星軌道，開展為期一年的水星探測活動，總耗資高達6.65億歐元，包括發射和2020年前的運行費用。

水星探測比較難

由于水星是離太陽最近的一個星球，所以探測它十分困難，至今只有美國的水手-10（mariner10）和信使號探測器探測過水星。

1973年11月3日，美國發射了水手-10探測器，它在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地點相會，從而使水手-10每隔約6個月能與水星靠近兩次。水手-10于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日曾三次在日心橢圓軌道上和水星相遇，對水星進行了探測。

2004年8月3日，美國發射了世界第一個水星專用探測器——信使號。它采用了先進的防熱措施，裝有7臺用于完成6項科學目標的探測儀器。信使號于2011年3月17日進入環水星軌道，成為世界上第一顆水星探測軌道器，開始對水星進行為期一年的科學考察。探測任務結束后，它將與水星表面相撞而殞滅。

將于2014年7月19日發射的“貝皮·科倫布”水星探測器，是歐洲和日本聯合研制的。它實際上是兩個水星探測器，主要研究任務是：①使用攜帶的高科技設備完成對水星最全面、清晰度最高的覆蓋；②拍攝首批熱成像照片，確定水星表面成分，生成整體溫度圖；③提供水星表面特征的第一幅整體三維圖；④對水星引力環境進行有史以來最全面的數字測量，其結果將有助于驗證愛因斯坦的多條理論；⑤首次進行雙點研究，兩個軌道器同時在兩個地區對水星環境展開研究。

歐日聯合探水星

“貝皮·科倫布”由歐洲“水星行星軌道器”（MPO，主探測器）、日本“水星磁層軌道器”（MMO，次探測器）和“水星轉移模塊”（MTM）組成。“水星行星軌道器”是這一組合體的“大腦中樞”，執行協調管理任務。進入水星軌道后，由設在德國、隸屬于歐洲航天局的歐洲航天操作中心（ESOC）進行統一協調與運行管理。

此項目由歐洲航天局牽頭。歐洲航天局提供的“水星行星軌道器”采用三軸穩定，攜帶11臺儀器，觀測水星表面地形，精密計測水星上的礦物質，搞清其化學成分，執行重力場測量等，用于對水星進行測繪，研究水星表面和內部成分。

日本宇宙航空研究開發機構提供的“水星磁層軌道器”采用自旋穩定（轉速為15轉/分鐘），攜帶5臺儀器，觀測水星固有磁場、磁層、大氣和地形等，用于研究水星周圍的磁層。它們從多角度對水星表層和內部的磁場與磁層開展綜合觀測，這不僅有利于搞清水星的磁場和磁層的分布，還可通過所獲取的大量觀測數據與已掌握的各種數據進行分析、比較，加深對地球磁場、磁層以及宇宙間所存在的各種各樣磁層的了解；通過對水星表層和內部進行詳查來確認水星本身是一種具有特異結構的星體。通過對水星深入觀測、研究和分析，會對解開距太陽最近區域的水星形成之謎發揮重要作用。最終將完成至今對水星最廣泛和最詳盡的研究。

各有千秋的神眼

歐洲“水星行星軌道器”質量1147公斤，裝有11臺科學探測儀器，功耗174瓦，其中一臺（中子光譜儀）是俄羅斯研制的。這些儀器包括：①水星γ射線與中子光譜儀（MGNS），用以探測水星表面和亞表面的化學成分以及兩極永久陰影地區揮發沉積物分布；②水星成像X射線光譜儀（MIXS），以高分辨率繪制水星表面原子構成圖；③水星熱紅外光譜儀（MERTIS），以高分辨率光譜探測水星地表礦物構成；④逃逸層探測紫外光譜儀（PHEBUS），用以探測水星大氣逃逸層的構成與動力；⑤貝皮·科倫布激光高度計（BELA），用以測繪水星地表與地質特征；⑥意大利彈力加速計（ISA），用以探測水星內部結構并驗證愛因斯坦的廣義相對論；⑦水星磁強計（MERMAG），用以對水星磁場進行詳細測繪，并研究其與太陽風之間的相互作用；⑧水星軌道器無線電科學試驗儀（MORE），用以探測水星重力場、水星核大小與物理狀態；⑨探索逃逸層中補充與揮發的中子豐度的儀器（SERENA），用以研究水星表層、逃逸層、磁層與太陽風之間的氣態相互作用；⑩集成觀測系統光譜儀與成像儀（SYMBIO-SYS），用以探測水星地形、火山活動、全球構造、地表年齡與構成及其地質；（11）太陽密度X射線光譜儀（SIXS），以高分辨率和寬視場探測太陽X射線和粒子。

日本“水星磁層軌道器”質量275公斤，裝有5臺科學儀器，功耗90瓦，其中一臺來自歐洲。它們用于探明水星上固有磁場的成因；找出水星上與地球上的磁層有哪些不同，并搞清其特異性；搞清水星表面所生成稀薄大氣及其消散的原理；對位于太陽附近行星間的空間進行觀測。這些儀器包括：①水星等離子體粒子實驗儀（MPPE），用以研究水星磁層的低能粒子與高能粒子密度、速度、溫度，以及能量分布，并搞清其組成成分；②水星等離子體波儀（P瓦I），采用電場、電磁波動和電波方式觀測水星磁圈及其內部的太陽圈，自動確定其電子密度和溫度，研究水星磁層的結構與動力；③水星鈉大氣光譜成像儀（MSASI），采用分光攝像方式搞清水星本身稀薄的鈉大氣的分布及其變化情況，探測水星逃逸層鈉離子豐度、分布與動力；④水星塵監測儀（MDM），用來檢測水星本體和內部太陽圈，以及恒星空間的氣溶膠的分布情況，研究水星軌道上的行星塵分布；⑤水星磁強計（MGF），用來搞清水星本身的起源，測量水星磁圈、內部太陽圈的磁場分布，詳細探測水星磁層及其與行星磁場和太陽風的相互作用。

轉移模塊不可少

由歐洲航天局負責研制的“水星轉移模塊”，與2個軌道器構成一個探測器組合體一起飛往水星。“水星轉移模塊”由太陽能電推進艙（SEPM）和化學推進艙（CPM）組成，前者用于星際巡航階段，后者用于發射后直至飛越月球。

太陽能電推進艙由總面積為33平方米的太陽電池翼提供電能，裝有3臺氙離子推力器，每臺推力器推力為0.17牛或0.34牛。太陽能電推進艙凈質量365公斤，并帶有230公斤氙氣燃料提供給“水星行星軌道器”使用，238公斤氙氣燃料提供給“水星磁層軌道器”使用。化學推進艙采用雙組元推進劑，裝有8臺20牛推力器用于姿態控制，1臺4000牛推力器用于軌道射入。化學推進艙凈質量71公斤，帶有156公斤燃料供“水星行星軌道器”使用，334公斤燃料供“水星磁層軌道器”使用。

由于太陽引力的作用，飛往水星并把探測器放入繞水星運行的穩定軌道是很難的。“貝皮·科倫布”將以一種新穎的方式飛往那里，巧妙地利用月球、地球、金星和水星本身的引力提高速度，以減少所需的燃料。

該探測器由火箭送入地球同步轉移軌道后，通過化學推進發動機送達距地面43.6萬公里處，飛越月球后進入行星軌道。此后，“貝皮·科倫布”將利用太陽能電推力器提供的推力巡航飛向水星。期間，它將1次飛越地球，2次飛越金星，3次飛越水星。經過6.5年約70億公里的長途飛行后，探測器將于2020年進入環繞水星的軌道。在距離水星約10萬公里時到達水星引力場影響范圍。

在抵近水星時，太陽能電推進艙將從“水星轉移模塊”分離出去，啟動化學推力器為組合體提供反推力來減速，并利用所謂的“弱穩定性邊界捕獲技術”使組合體進入近水點為400公里、遠水點為12000公里的水星極軌道，這時“水星磁層軌道器”與組合體分離，獨立運行；然后，通過化學推力器使組合體再次降低軌道高度，當進入近水點為400公里、遠水點為1500公里的水星極軌道時，“水星行星軌道器”與“水星轉移模塊”分離，獨立運行。

抵御烈日的烘烤

進入水星軌道后，由于“貝皮·科倫布”距離太陽很近，所以要面臨一系列重大技術挑戰。其中，最大的技術挑戰是高溫環境，因為探測器部分表面將受到太陽的直接炙烤，溫度升至350攝氏度左右。為此，“貝皮·科倫布”上有新設計的多層隔熱氈，其最外層由陶瓷纖維制成，用于對探測器進行隔熱。另外，探測器上還配備了高效率散熱器，使探測器對水星表面的熱紅外輻射不太敏感，以便探測器上的科學儀器和電子設備能在正常溫度下工作。

歐洲“水星行星軌道器”不僅進行了縝密的耐熱設計，還進行了精確的姿態控制：有效地控制探測器，使其耐熱性能強，加了熱屏蔽的那個面一直對準強太陽光照射區，這樣就可確保需要在允許溫度范圍工作的儀器和探測器本體內的溫度都能保持在要求范圍內，確保探測器按要求執行飛行任務。

日本“水星磁層軌道器”自旋軸與水星赤道面基本呈垂直狀態，這樣可防止強大的太陽輻射能量直射到探測器的上方或下方，還能確保即便是探測器的姿態發生變化，仍可將配置在探測器上部的高增益天線指向偏差控制在最小，以確保天線繼續高精度地指向地球，順利完成任務。探測器在強光可能會直接照射到的各個面上都覆上了抗強照射鏡（SSM），它具備“既可反射可見光，又能放射紅外線”的功能。覆上這種抗強照射鏡之后，可確保探測器內部一直保持常溫狀態，使探測器內的部件、儀器在設計壽命期內一直正常工作。

但是，“貝皮·科倫布”上的一些零件仍無處可藏。比如，太陽電池板的溫度必須保持在250攝氏度以下，因為這是太陽電池板及其電子設備所能承受的最大熱量限度。所以，研制者引入了創新手段，讓太陽能電池板由60%的鏡片和40%的特殊電池組成，在溫度超過250攝氏度時也能供電，其中鏡片用于反射熱量。另外，還將調整太陽能電池板的方向，使太陽光對它不進行垂直照射。