王帥（北京空間科技信息研究所）

1 概述

水星是距離太陽最近的行星，由于向水星轉移需要非常大的速度增量且水星幾乎沒有大氣，進行水星環(huán)繞和著陸任務難度很大。另一方面，水星表面溫差極大，其宜居性差且探測難度較大。因此，人類過去探測水星的熱情并不高。目前，僅有水手－10（Mariner－10）和“信使”（MESSENGER）探測器進行過水星探測，歐日聯(lián)合探測任務“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）則正在飛行途中。然而，水星是太陽系中除地球之外唯一具有明顯全球性磁場的類地行星，對于了解太陽系起源與演化、認知磁場的產(chǎn)生原理具有重要意義，未來仍將是人類空間探測的一個重要目標。

盡管人類僅開展了有限次數(shù)的探測，但對于水星的基本情況已經(jīng)有了較為全面的了解，包括水星地貌、大氣、磁場和周邊空間環(huán)境等?！柏惼?科倫坡”將進一步深入研究水星磁場、磁氣圈、表層以及內(nèi)部結構。通過研究上述信息，有望揭示行星和太陽系起源等重要科學問題。

“水星磁氣圈軌道器”在軌飛行示意圖

2 水星探測科學意義

水星探測屬于深空探測領域，具備深空探測的普適性探測意義，即科學層面上揭示太陽系起源與演化、解答行星形成和生命起源等基礎科學問題；經(jīng)濟層面上牽動創(chuàng)新科技的發(fā)展，促進材料、控制、制造等領域的發(fā)展，進而帶動國家經(jīng)濟發(fā)展；政治層面上彰顯國家綜合國力和科學發(fā)展水平，激勵青少年探索和創(chuàng)新的科學精神，激發(fā)人民愛國熱情。此外，水星因其獨特的屬性具有其特異性的探測意義。

水星是太陽系最內(nèi)側的類地行星，對于揭示行星起源與演化具有重大意義

水星是距離太陽最近的一顆行星，與金星、地球和火星一樣屬于主要由硅酸鹽巖石或金屬構成的類地行星，結構與地球類似，是人類當前深空探測最主要的一類目標。探測類地行星能夠幫助揭示太陽系形成與演化、宇宙起源和生命起源等在內(nèi)的重大基礎科學問題，從而加深人類對生存環(huán)境的認知，有助于人類更好保護自身生存環(huán)境，為人類社會可持續(xù)發(fā)展服務。

水星還是太陽系最小的一顆行星，平均半徑為2440km，僅為地球半徑的1/3，但平均密度較高，達到5.427g/cm3，在太陽系中僅次于地球的5.515g/cm3。如果不考慮重力壓縮對物質密度的影響，水星物質的密度將是最高的—未經(jīng)重力壓縮的水星物質密度為5.3g/cm3，而地球物質密度為4.4g/cm3。這樣的高密度是當前水星探測的一個重點，對于了解其形成和演化具有重要意義，主要通過探測水星表面和內(nèi)部結構與構成揭示其原因。

除了地質構造以外，大氣條件同樣是行星探測的重點。然而，由于水星太小且溫度太高，其引力不足以長期留住大氣層，但水星確實有一個稀薄的、局限在表面的外逸層，包含著氫、氦、氧、硫、鈣、鉀和其他元素。水星外逸層并不穩(wěn)定，原子會不斷地流失并由其他不同的來源獲得補充。氫和氦可能來自太陽風，并在逃逸回太空之前先擴散至水星的磁層。

水星探測主要科學目標

水星具有明顯的全球性磁場，研究其磁場及磁氣圈有助于揭示行星磁場形成的問題

行星磁場對于生命的存在具有重大意義，磁場形成的磁氣圈將抵擋太陽風和宇宙射線的沖擊。如果沒有地球磁場，地球上的生命將很難出現(xiàn)和演化。水星是太陽系中地球外唯一具有明顯全球性磁場的類地行星，盡管其強度還不足地球磁場強度的1%。探測水星磁場可以幫助理解行星磁場形成的機制，更為深入地認知地球磁場的起源。探測水星磁場包括探測水星內(nèi)核、水星磁氣圈等。

綜上所述，水星探測的主要科學目標可以概括為水星的起源與演化，水星的磁場和磁氣圈，探測的對象包括水星表層、內(nèi)核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間。其中，水星地質探測的重點為水星的高密度特性以及水冰等。

3 水星探測歷程回顧

水星探測歷程圖

截至2018年10月，僅有2顆探測器對水星進行了探測，“貝皮-科倫坡”則正在飛行途中，將實現(xiàn)水星的第三次探測。1973年發(fā)射的水手－10探測器實現(xiàn)了水星的首次飛越探測；2004年發(fā)射的“信使”探測器則通過多次行星借力，于2011年成功進入水星環(huán)繞軌道，成為首個環(huán)繞水星的空間探測器，并于2015年3月在完成任務后按照計劃撞擊水星表面；2018年發(fā)射的“貝皮-科倫坡”將在多次飛行借力后，于2025年進入水星環(huán)繞軌道。

首個水星探測任務為1973年11月3日發(fā)射的水手－10，由美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）研制和管理，其主要科學目標為探測水星大氣、表面及其物理特性。水手－10于1974年3月29日、1974年9月21日和1975年3月16日3次飛越了水星，對水星的半個表面進行了繪制，首次揭示了與月球非常相似、布滿隕石坑的水星表面。同時，水手－10發(fā)現(xiàn)水星并不存在明顯的大氣，僅存在脆弱的外逸層。此外，水星－10還確認了水星具有明顯的內(nèi)部磁場，以及動態(tài)變化的磁氣圈。

在水手－10完成水星的普查性探測之后，直到20世紀末水星探測才再次被提上日程，NASA與歐洲航天局（ESA）幾乎同時確定了水星探測任務，其中NASA于1999年7月選擇“信使”作為第7次“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）任務，而ESA則在2000年10月確定的地平線－2000（Horizon-2000）計劃中將“貝皮-科倫坡”選擇為五大根基任務之一，日本也將核心參與該任務。這2個幾乎同時確立的水星探測任務引發(fā)了協(xié)同開展任務的探索，NASA與ESA簽訂了合作備忘錄，以協(xié)調(diào)2個任務的科學探測內(nèi)容，進而最大化水星探測獲得的科學成果。2個任務均瞄準水星－10識別的重要科學題目，包括水星形成過程、內(nèi)部成分、地質歷史、磁場起源與特性、內(nèi)核構成、極區(qū)水冰、外逸層成分等。

“信使”探測器全稱為“水星表面形貌、空間環(huán)境、星體化學及測距”，于2004年8月3日發(fā)射升空，主要任務目標是研究水星的化學構成、地質學和磁場，獲得水星三維圖像、表面化學特征、內(nèi)部磁場以及幾何結構等數(shù)據(jù)?！靶攀埂痹?次地球借力、2次金星借力以及3次水星借力之后，于2011年3月18日進入水星環(huán)繞軌道，任務軌道為近拱點高度200km，遠拱點高度15000km以上的極軌大偏心率軌道。2012年3月，“信使”完成1年時間的主任務。之后，“信使”2次實施擴展任務至2015年，直到探測器軌道維持用的推進劑耗盡為止。2015年4月30日，“信使”按照計劃撞擊水星表面，結束了將近11年的飛行任務。

“信使”飛行示意圖

“信使”是世界上首個進入水星軌道的深空探測器，它每天繞水星飛行2圈，拍攝了數(shù)十萬張照片，在2013年3月6日完成了對水星的全球測繪，分辨率為250m。此外，“信使”還完成了全球成分測繪、水星磁氣圈的3D建模、北半球的地形剖面、重力場、極地陰影區(qū)域的揮發(fā)物特性等。根據(jù)探測器對水星極區(qū)永久陰暗區(qū)隕坑的觀測，顯示水星極區(qū)可能存在水冰。探測器引力測量數(shù)據(jù)還表明，水星內(nèi)部可能擁有巨大的鐵核。

“水星行星軌道器”和“水星磁氣圈軌道器”在軌飛行示意圖

“貝皮-科倫坡”是ESA與日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）合作的水星探測任務，于2018年10月20日發(fā)射升空，主要任務目標為研究水星內(nèi)部與組成、地質與表面形態(tài)、磁場、形成及演化歷史、與太陽風相互作用以及空間環(huán)境等。任務包括2個水星探測器，分別為ESA研制的“水星行星軌道器”（MPO）和JAXA研制的“水星磁氣圈軌道器”（MMO）。2個探測器與ESA研制的“水星轉移模塊”（MTM）裝配在一起飛向水星，預計將實施1次地球借力、2次金星借力、6次水星借力后，于2025年12月進入水星環(huán)繞軌道。“水星行星軌道器”將運行在480km×1500km的極軌上，而“水星磁氣圈軌道器”將運行在590km×11640km的極軌上，預計將開展1年的協(xié)同探測任務，并可能執(zhí)行1年的擴展期任務。

4 水星探測進展分析

水星探測的主要對象包括水星表層、內(nèi)核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間，3次水星探測任務針對這些對象開展了逐漸深入的探測。水星－10通過飛越觀測初步探測了水星的基本特征；“信使”在極軌大偏心率軌道上對水星進行了全面的探測；而“貝皮-科倫坡”將更接近水星開展更為詳盡的探測，特別是其2個探測器將在2條不同高度的軌道上開展協(xié)同探測，豐富探測結果。

水星探測任務的科學目標與有效載荷

水星表層

水手－10由于探測軌道的原因，僅能觀測到水星大約45%的表面，它對這些表面進行了成像（中等分辨率圖像為每像素3～20km，一些高分辨率圖像為每像素140m），發(fā)現(xiàn)水星表面類似月球表面布滿了隕石坑?！靶攀埂眲t對水星的整個表面進行了成像和測高，發(fā)現(xiàn)水星并不像水手－10探測的那么凹凸不平，而是存在著大量由火山活動形成的平原區(qū)域，同時在隕石坑發(fā)現(xiàn)了水星特有的表面特征，即稱為“凹地”的不對稱反光洼地?！靶攀埂边€對表面巖石的成分進行了探測，發(fā)現(xiàn)盡管水星具有較高的密度并據(jù)推測可能有著鐵內(nèi)核，但其表面鐵含量較低，具有大量的易揮發(fā)元素（硫、鈉、氯）。此外，“信使”還發(fā)現(xiàn)了極區(qū)存在水冰的證據(jù)。“貝皮-科倫坡”將繪制更詳盡的水星表面圖像，重點揭示水星表面地質學和隕石坑歷史，研究水星表面地質活動的情況，水星隕石坑的類型、數(shù)量和分布等。同時，“貝皮-科倫坡”將研究水星水冰的構成及起源。

水星內(nèi)核

“信使”測量了水星地殼的厚度和結構，并繪制了行星的引力場?！柏惼?科倫坡”將研究水星內(nèi)核和成分，探測其內(nèi)核是固態(tài)還是液態(tài)、以及內(nèi)核的尺寸、內(nèi)核中鐵的比例，揭示水星如此高密度的原因。

水星外逸層

水手－10發(fā)現(xiàn)水星類似于月球，并不存在明顯的大氣，僅存在脆弱的外逸層，利用攜帶的紫外氣輝光譜儀探測了大氣密度；“信使”則深入探測了大氣的主要成分及其變化，利用攜帶的質譜儀對外逸層成分進行了詳盡的探測，并利用光譜儀發(fā)現(xiàn)外逸層中存在鎂；“貝皮-科倫坡”也將利用光譜儀、粒子探測器等儀器對外逸層的成分及變化進行更為全面詳盡的探測。

水星磁氣圈

水星－10發(fā)現(xiàn)水星存在一個類似于地球的磁場；“信使”對水星內(nèi)部磁場進行了測量，發(fā)現(xiàn)其不及地球的1%，僅能對太陽風起到微弱的防護作用；“貝皮-科倫坡”將研究磁場產(chǎn)生的原理，水星磁場、磁氣圈以及大氣與太陽風之間的交互作用。

水星周邊行星際空間

探測水星周邊行星際空間主要目的是研究水星周邊環(huán)境，進一步增強對太陽系的認知?！柏惼?科倫坡”將觀測來自彗星或小行星的行星際塵埃和其他的自然空間碎片，從而更好地理解太陽內(nèi)及太陽附近的一些過程。

5 水星探測關鍵技術

水星探測的難度重點集中在兩點，分別是接近性差和高溫環(huán)境?；诋斍暗倪\載和推進技術，只有通過多次行星借力才能實現(xiàn)水星交會，而高溫環(huán)境則需要探測器具備先進的熱防護技術。

借力飛行技術

盡管水星軌道距離地球軌道并不算遙遠，但與其交會所需要的速度增量高達約18.5km/s，而相比之下抵達遙遠的冥王星僅需17km/s的速度增量，“羅塞塔”（Rosetta）探測器抵達目標小行星總共也只需要5km/s的速度增量。這樣高的速度增量很難直接通過運載火箭和探測器的推進系統(tǒng)獲得，只能通過數(shù)次行星借力實現(xiàn)。

行星借力技術指借助行星的引力調(diào)整或改變探測器飛行軌道的軌道設計技術，采用行星借力技術可以減小星際探測任務發(fā)射能量和總速度增量，進而降低發(fā)射成本、降低燃料消耗、增加有效載荷質量，是空間探測的一項重要技術。但行星借力技術通常會大幅度增加探測器的飛行時間，并且通常只適用于軌道與地球軌道相差較大的探測目標，因此通常只有水星、火星以遠探測任務會用到行星借力技術。

水手－10為飛越探測任務，所需要的速度增量較小，僅在飛行途中采用了1次金星借力即進入所需的水星飛越軌道，這也是人類首次采用行星借力技術?！靶攀埂焙汀柏惼?科倫坡”為環(huán)繞探測任務，需要實現(xiàn)水星交會，在飛行途中均采用了多次行星借力飛行，其中“信使”采用了1次地球借力、2次金星借力和3次水星借力，而“貝皮-科倫坡”則將采用1次地球借力、2次金星借力和6次水星借力，同時還采用了太陽能電推進技術和“弱穩(wěn)定邊界”捕獲技術。要完成精準的行星借力，不僅需要軌道設計技術，還需要精確測控技術等的支持。

航天器熱控技術

水星與太陽的平均距離為6.0×107km，而地球與太陽的平均距離為1.5×108km，因此水星遭受的太陽輻射要遠高于地球，其日間表面溫度可達400℃以上，而最冷的極低以及夜間可以達到-170℃。探測器需要先進的熱控技術以保障溫度長期穩(wěn)定在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。

航天器熱控制就是通過對航天器內(nèi)外的熱交換過程的控制，保證航天器各個部件及星上儀器設備在整個任務期間都處于正常工作的溫度范圍。熱管理系統(tǒng)技術可以分為三大子領域：低溫系統(tǒng)技術、熱控制系統(tǒng)技術以及熱防護系統(tǒng)技術。為保持水星探測處于適當?shù)臏囟龋枰攸c關注熱防護與熱控制技術。由于被動熱控技術簡單、性能可靠、質量小、成本低、通用性好、適于大面積使用，是目前航天器熱控制的主要手段。

水星－10探測器的一端裝有遮陽板，掃描平臺安裝在背向太陽一側，熱控采用多層隔熱氈、百葉窗以及遮陽板；“信使”探測器的側面裝有長2.5m、寬2m的半圓柱形遮陽板，熱控采用不透明陶瓷纖維遮陽板、散熱器、多層隔熱材料和低傳導率連接件，并在必要時啟動加熱器維持工作溫度；而“貝皮-科倫坡”的“水星行星軌道器”采用熱管嵌入板構成的散熱器，并對外部部件采用專門的耐高溫技術；而“水星磁氣圈軌道器”在飛行組合體中利用“水星磁氣圈軌道器遮光罩與連接機構”（MOSIF）進行熱防護，航天器本體采用外部八棱錐外殼防護太陽輻射，外殼可能被照射的各面上都覆上了抗強照射鏡。可以看到，水星探測器主要采用被動熱控技術，輔以簡單的主動熱控技術。

6 結論

水星探測是太陽系探測的重要組成部分，有助于揭示行星的起源與演化等重大科學問題，特別是探測其磁場可以幫助了解行星磁場形成的奧秘。人類已經(jīng)先后開展了水手－10和“信使”等2次水星探測任務，并正在開展“貝皮-科倫坡”任務，對水星表面地質環(huán)境、外逸層、內(nèi)部結構與組成、磁場與磁氣圈等要素的探測與研究正不斷深入，逐步揭開水星的神秘面紗。

水星因其軌道與地球軌道之間存在較大偏差，導致前往水星所需的速度增量巨大，在現(xiàn)有發(fā)射與推進技術能力下只能借助于借力飛行技術實現(xiàn)交會，“信使”和“貝皮-科倫坡”均采用了多次借力才得以進入水星環(huán)繞軌道。同時，水星距離太陽非常近，處于太陽的高強輻射之下，需要良好的熱防護才能保障探測器正常工作，探測器通常會安裝遮陽罩以實現(xiàn)探測器的熱防護。

值得注意的是，盡管水星探測任務僅有3次，相隔時間也非常長，但任務之間存在著緊密的聯(lián)系，水星－10開展了普查性的探測，獲知了水星的基本特征，而“信使”和“貝皮-科倫坡”則瞄準水星－10揭示的問題開展協(xié)同的深入探測。多次水星探測之間體現(xiàn)出了良好的繼承性和協(xié)同性，這也正是科學探測的一個重要特征，即科學探測目的為促進科學發(fā)展、推進全人類文明，其探測成果具有一定全球共享特性，因此各國在實施任務過程中通常會引入國際協(xié)調(diào)與合作機制，避免重復探索，提高探測效率，進而最大化科學探測成果。