一文讀懂歐日首次發射水星探測器：研究水星的演化和磁場
[ 摘要 ]一直以來，由於要克服太陽的高溫以及巨大的引力加速作用，只有兩顆探測器造訪過水星，本次的兩個子探測器的科學研究重心分別為：水星的結構演化和磁場。
文 | 騰訊科技 特約作者喬輝
今天上午，北京時間10月20日9時45分，由歐洲空間局（ESA）和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）聯合實施的水星探測計劃貝皮o科倫布（BepiColombo）探測器將升空，發射地點位於法屬蓋亞那庫魯航天中心。
貝皮o科倫布實際上由兩個子探測器組成，分別是歐空局的水星行星軌道器（MPO）和日本的水星磁層軌道器（MMO），它們在抵達水星時分離，分別進入不同高度的互補軌道。開展探究水星的起源與演變，水星內部結構和磁場產生特點等基本科學問題。
這是歐空局第一次，人類第三次向水星發射探測器，前兩次分別是NASA實施的“水手10號”和“信使號”探測器，由於當時技術能力有限，“水手10號”並沒有真正進入水星軌道，而是一次次飛掠，發射的時間分別為1973年和2004年。
本次探測計劃的主要科學目標是什麼？
拿水星作為樣板，研究靠近恆星的行星的起源和演化；
研究水星的形成，內部結構、組成特點、地質構造、以及表面的環形山；
研究水星表面外逸層的組成和動力學特徵，包括其產生和逃逸的過程；
研究水星磁層的結構和動力學；
研究水星磁場的起源；
順手驗證一下愛因斯坦的廣義相對論。
本次探測計劃的主要時間線如下：
2018年10月20日，發射；
2020年04月06日，飛掠地球；
2020年12月12日，首次飛掠金星；
2021年04月11日，第二次飛掠金星；
2021年10月02日，第一次飛掠水星；
2022年06月23日，第二次飛掠水星；
2023年06月20日，第三次飛掠水星；
2024年09月05日，第四次飛掠水星；
2024年12月02日，第五次飛掠水星；
2025年01月09日，第六次飛掠水星；
2025年12月05日，進入水星軌道，開展科學任務。
本次探測計劃的特點是什麼？
一、這次探測任務由兩個探測器組成。分別是來自歐空局的水星行星軌道器（MPO）和日本宇宙航空研究開發機構的水星磁層軌道器（MMO），二者執行在不同高度的水星極地軌道上，任務具有互補性。
圖注：水星行星軌道衛星（MPO）【左】和日本宇宙航空研究開發機構的水星磁層軌道器（MMO）【右】
二、該探測任務採用了先進的離子推進技術，總推力能達到290毫牛，是目前太空探測器所使用的最強離子推進探測器。290毫牛頓什麼概念？我手頭的蘋果6S手機的質量是143克，其所受到的重力大約是1400毫牛。在太空無空氣和弱引力的環境下，即便這種小的推力，經過長時間的積累，也能完成極大的變軌動作。離子推進一大好處是“比衝”比傳統的化學推進要高得多，這是因為離子噴射的速度特別快，好處是能夠極大節約攜帶燃料的重量。
三、上面我們列舉了水星探測的時間線，大家會發現該探測器將一次次飛掠地球、金星和水星，最終才能進入水星的軌道。這是為什麼呢？
給大家糾正一個錯覺，千萬不要以為想抵達像水星這樣的內地行星比遙遠的冥王星更容易。這是因為，探測器發射之前和地球一起圍繞太陽以30公里每秒的速度運動，要想抵達水星就要降低軌道能量，進行剎車！如果用動力反推的方式減速，將要消耗極大的燃料，也給探測器本身增加很多額外的重量。有什麼更好的辦法呢？有！就是通過一次次飛掠各大行星，藉助行星的引力來完成減速，這個過程的專業術語叫“引力助推”。
在向更遙遠的行星發射探測器的時候，例如土星，可利用相同的方式，通過調整飛掠行星的時機，也可對探測器進行加速。例如，著名的“卡西尼-惠更斯”土星探測器，以及飛得最遙遠的探測器“旅行者一號”，都是採用了這個方式。非常有意思的是，這次探測任務的名字貝皮o科倫布（BepiColombo），就是為了紀念義大利科學家BepiColombo，他是首先把“引力助推”應用到行星際航行的人。
本次探測的意義是什麼？
由於水星是太陽系內最靠近太陽的一顆行星，探測水星能夠很好地瞭解太陽系的演化等基本科學問題。一直以來，由於要克服太陽的高溫以及巨大的引力加速作用，只有兩顆探測器造訪過水星，因此人類對水星的瞭解相對匱乏，需要從更多角度對其進行科學研究，本次的兩個子探測器的科學研究重心分別為：水星的結構演化和磁場。
這與火星探測形成了鮮明對比，迄今人類發射到火星的各種型別的探測器不計其數，有關火星的知識浩如煙海。探測火星除了具有基礎科學層次上的意義之外，火星還是人類未來潛在的移民星球。而水星上沒有大氣，溫度極高，人類根本沒法登陸。
水星探測簡史
圖注：水星和地球大小比較
水星（英語：Mercury）是太陽系八大行星最內側，也是最小的一顆行星，在八大行星中，軌道離心率最大，也就是軌道最扁，公轉週期為87.968個地球日，每公轉2周同時自轉3圈，在天體力學上稱為自轉—軌道共振。水星表面受到極端溫度的影響，範圍從+450到-180攝氏度，在水星極區的一些隕坑內卻存在著水冰。由於其非常靠近太陽，除非有日食，否則在陽光的照耀下通常很難直接看到水星。
水星由大約70%的金屬和30%的矽酸鹽組成，水星的密度是5.427克/cm?，在太陽系中是第二高的，僅次於地球的5.515克/cm?。它的核心由鐵組成，像是個太陽系內的超級大號鐵球。
此前，人類曾經二次向水星發射了探測器，分別是1973年11月3日，美國發射了“水手10號”探測器和2004年8月3日發射的“信使號”探測器。
由於受當時技術水平的限制，“水手10號”並沒有進入圍繞水星的軌道，而是在一個大的橢圓軌道上繞太陽執行，利用一次次接近水星的機會對其進行探測。“水手10號”於1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日曾三次與水星擦肩而過，對水星進行了探測。這種方式無法對水星進行長期穩定的研究。
“信使號”探測器則採用了先進的隔熱手段，配備有7臺科學儀器，用於完成6項科學目標。該探測器於2011年3月17日進入水星軌道，開展了重要的科學研究工作。探測任務完成後，2015年4月30日，科學家控制其墜入到水星表面，完成了壯麗的謝幕。