贝比科隆博号，Go！人类第三次水星探测任务发射成功

/ 文： @haibaraemily 、 @鸑鷟鹓鶵

北京时间今天（2018年10月20日）上午9时45分，欧空局ESA和日本航天局JAXA联合研制的贝比科隆博号水星探测器（BepiColombo），搭乘欧洲最强大的火箭阿丽亚娜5号ECA型，在法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，开始了向水星进发的7年征程。

“水”道难，难于上青天

别看水星离地球这么近，但贝比科隆博却是人类第3颗水星探测器。什么概念呢，去过土星的探测器都已经有4艘啦好么！更别提月球和火星这两颗“探测大户”了。

为什么水星探测器如此之少呢？

答案非常简单，那就是——

前往水星真的太难了。

这可能有点违背常识。

我们知道，越远的天体探测器越难以达到，毕竟速度上的技术极限至少现在还是把人类钉得死死的。

目前为止向太阳系外飞出最远的探测器——旅行者1号（Voyager 1），花了41年时间才飞到了距离太阳约144个天文单位（1个天文单位大约是平均日地距离）[1]。虽然说是飞出了太阳风的边界（日球层顶），但离太阳系的边界还早得很呢。

旅行者1号和2号目前的的大致位置。来源：NASA, ESA, Z. Levay (STScI)

距离太阳2000-200000个天文单位的奥尔特云还在远远地看着我们，就更别提什么时候能去探测太阳系外的天体了。

然而，向太阳外的探测固然非常艰难，但向太阳系内的探测却也丝毫没有更容易。

“水”道难，难在哪里？

水星距离太阳太近了，它到太阳的距离只有地球到太阳的1/3。如此近的距离下，首当其冲的挑战就是温度。

水星地表的温度在冰箱（-173℃）和烤箱（427℃）之间来回变换，究竟是什么箱取决于这一侧是否朝向太阳。

探测器基本不惧严寒，毕竟可以把各种能量转换为热能，供自身取暖，如今的新视野号已经飞到了遥远的柯伊伯带，但还是可以在极寒的环境下健康工作。

然而在烤箱里，探测器的日子却非常不好过，制冷比制热的代价要大很多。为此，人们要设计各种散热和隔热的措施。即使这样，探测器仍然不能长期待在高温下，需要时不时去阴凉的地方休息，比如今年发射的帕克号，就为了抗高温而绞尽脑汁（详情参见：帕克号探测器发射成功：你来人间一趟，你要看看太阳）。

但过热只是考验的开胃菜，正餐则来自太阳巨大的引力。

探测器不断靠近太阳的过程，是一个引力势能不断转化为动能的过程，而太阳巨大的引力则会让探测器稍有不慎就加速过猛，那么就很容易会错过又小又轻的水星。虽然水星的轨道速度是八大行星里最快的（越近的话公转速度越快对不对，开普勒第三定律早就告诉我们了），但要想进入水星轨道，探测器依然必须耗费大量的能量进行刹车减速，来对抗太阳的引力势能，就像一辆在陡下坡中的汽车踩好几年刹车一样。

雪上加霜的是，作为一颗行星，水星又实在是太小了。

它的半径只有地球的38%，质量只有地球的5.5%——木卫三和土卫六这两颗卫星都比水星大。这意味着探测器很难被水星的引力“抓住”，也就很难在克服太阳巨大引力的情况下近距离探测水星。

这也就不难理解为什么直到1973年，人类才有了第一艘水星探测器：水手10号，而且还只是飞掠水星而已（比最早的月球、火星、探测器晚了十几年）。不过，科学家们还是想尽办法，最终让这颗探测器能够在1974-75年间三次飞掠水星，尽可能多看看水星的样子。

但环绕水星进行稳定地探测，是直到2004年发射的信使号探测器才首次完成的。信使号经过地球和金星的引力助推，又三次飞掠水星，才于2011年艰难地进入水星轨道，路上一共用了7年。简直难以想象，人类用了7年时间才让探测器到达这个距离地球最近只有不到0.7个天文单位的地方，要知道新视野号到达距离地球约40个天文单位的冥王星，也不过用了9年。

而这一次，贝比科隆博号不仅要再次挑战水星，还要以比信使号更近的轨道环绕水星，探索水星的磁场、磁层、表面和内部结构。

为什么叫贝比科隆博号？

贝比科隆博号的名字来源于意大利的数学家和工程师约瑟佩·科隆博（Giuseppe Colombo, 1920-1984），贝比·科隆博（Bepi Colombo）是他的昵称。

贝比·科隆博是水星轨道研究中不可跳过的重要人物。

1、他首次解释了水星“奇特”的轨道共振特征

水星距离太阳非常近，这么近的距离下水星原本应当被太阳潮汐锁定的，也就是说，水星应当和月球之于地球一样，自转周期和公转周期相同，永远只有相同的一面朝向太阳。

然而1965年，人们通过雷达[2]和光学望远镜[3]的观测分别发现水星的自转周期只有59±5天和58.4天，总之和公转周期87.97天并不吻合。

同年，贝比·科隆博首次完整解释了这一现象的原因并精确预测了水星的自转周期应当是58.65天 [4]：由于水星的轨道非常不圆（离心率较大），水星在和太阳相距不同距离时受到的潮汐作用会有很大差别。结果就是虽然水星确实被太阳潮汐锁定了，但并没有达到同步自转那样1:1的轨道共振，而是只达到了3:2的轨道共振，也就是说，水星应当保持在这个“绕太阳公转2圈的时间里自己刚好自转3圈”的稳定状态，所以它的自转周期一定是58.65天。

事实上，直到水手10号的探测数据传回之后，1975年人们才第一次真正通过水手10号拍摄的影像观测到58.646天这个精确的水星自转周期数值。

2、他还首次把引力弹弓原理应用到探测器轨道设计中，并成功帮助水手10号抵达水星

由于直接飞抵水星需要耗费大量的能量进行刹车减速，这种做法十分不经济。因此贝比·科隆博创造性地设计出了一种经过金星的引力弹弓减速的方式[5]，这种方式的轨道周期为176天，是水星公转周期的两倍，通过这种设计，飞船可以每隔176天造访水星一次。但缺点是每次只能看到水星的同一个半球。这一方式还是被NASA采纳，并最终在应用在了人类的第一艘水星探测器——发射于1973年的水手10号上。

而如今，探测器利用大行星的引力弹弓进行加速或减速，早已成为了深空探测和轨道设计中的常用方法。

贝比科隆博号：2艘水星探测器组成的舰队

作为ESA和JAXA的联合任务，本次的贝比·科隆博号探测器实际上可以被看成是2艘水星探测器组成的舰队[6]：

一艘是ESA主导的水星探测轨道器MPO (Mercury Planetary Orbiter)，

另一艘是JAXA主导的水星磁层轨道器MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter)。

1、水星探测轨道器MPO

水星轨道探测器MPO总重1810千克，主体是2.4×2.2×1.7米的立方体，外加两个大的延展[7]：

其中一个延展是7.5米长的太阳能帆板。不过，距离太阳这么近的探测器会怕太阳能不够吗？当然不会！怕的是太阳能太多了。为了抗高温，帆板并不会正对着太阳，而是会通过旋转一定的角度来避免被太阳光烘烤过热，此外，三块太阳能板的材料中本身就混合了30-70%的光学反射材料（比如镜子），总之会保证太阳能板温度不超过200摄氏度。

另一个延展则是3.7米见方的散热器——这一面会始终保持背向太阳的方向。

MPO一共带了11个科学仪器[8]，摆明了是要做个“多面手”了，毕竟来水星的机会真的太少了，来都来了，就啥都测一点吧…

这是11个科学仪器分别是：

– 激光高度计BELA：用于测量水星表面地形

– 加速度计ISA：一方面是探测水星内部结构，另一方面以前所未有的高精度检验爱因斯坦的广义相对论

– 磁力计MPO-MAG：测量水星的磁场与太阳风的相互作用

– 辐射计与热红外光谱仪MERTIS：用于探测水星表面的矿物成分、温度、内部的热；

– 伽马射线和中子谱仪MGNS：探测水星表层和次表层的元素成分，探测极区永久阴影区的挥发物分布

– X射线成像光谱MIXS：用于制作水星表面高空间分辨率的原子成分全球图

– 无线电科学实验仪MORE：探测水星的重力场和内核状态

– 紫外光谱赫尔曼外逸层探测仪PHEBUS：探测水星的外逸层并在高纬撞击坑的永久阴影区中寻找水冰

– 中性及电离粒子分析仪SERENA：用于研究水星表面、外逸层、磁层、太阳风、星际介质之间的粒子相互作用

– 光谱仪与相机集成观测系统SIMBIO-SYS：拍摄立体和彩色影像，进行光谱分析

– 太阳光强X射线和粒子谱仪SIXS：探测来自太阳的X射线和粒子强度

2、水星磁层轨道器MMO（MIO）

与MPO相比，水星磁层轨道器MMO完全是另一种画风。

MMO的名片。原版太有设计感了，就不汉化了，不然字体就不好看了orz。来源：twitter@JAXA_MMO

MMO要小得多，形状为轴对称的八面体，直径1.8米，高0.9米，总重285千克，只有MPO的1/6 [9]。MMO没有展开的太阳能板，它的太阳能板贴在“滚轮”的周身，和隼鸟2号的MINERVA-II的设计有几分相似之处（详情参见《进击的隼鸟2号》）。

从名字就可以看出，水星磁层轨道器MMO的探测目标要比水星探测轨道器MPO“专一”得多：主要目标就是水星的磁场和太阳风。

MMO携带的科学仪器也精简得多，只带了5个，分别是：

– 尘埃监测计MDM：用于统计接触到的尘埃粒子

– 磁力计MGF（2个）：用于和MPO的磁力计配合工作，共同探测太阳风对水星磁场的影响

– 等离子体粒子实验仪MPPE：测量水星周围的电子、离子和中子

– 大气钠光谱成像仪MSASI：用于研究水星大气层中的钠分布

– 等离子体波研究仪PWI（4个）：用于探测等离子体波动和电磁场

MPO和现在的绝大多数卫星以及探测器类似，采用了三轴平衡的姿态控制，都是立方体的框架，而MMO却采用了早期卫星使用的自旋平衡，每分钟旋转15周。

两组小分队最终会在各自的轨道上对水星进行针对性地观测，既可分别观测，也可联合观测。两艘探测器都会采用极地轨道的方式环绕水星，周期性地飞掠天体南北极上空，这种轨道不仅有助于探测器扫过水星每一片区域，也更方便此次对水星极区永久阴影区的重点考察。

3、辅助队员MOSIF和MTM

陪伴这两名主力队员一同前往水星的还有两个辅助设备队员：一个是MMO的太阳光防护盾和专用接口MOSIF (MIO Sunshield and Interface Structure)，保护尚未运转的MIO免受太阳的炙烤。

另一个是水星转移轨道推进器MTM (Mercury Transfer Module)，毕竟进入水星轨道是个高耗能的“体力活儿”，这个专门的推进器将为探测器进入水星轨道提供必备的动力。MTM巨大的太阳能帆板有42平方米，但同样为了防止灼热的温度烤坏太阳能帆板，MTM的太阳能帆板也不能受阳光直射，而要以一个小的入射角接受太阳光来降低“伤害”。