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跋涉八年,欧洲“贝皮·科伦坡”终于摸到了水星的门

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艺术家绘制的贝皮科伦布号推进模块(底部)与两个科学轨道器分离的示意图。

图源:ESA/ATG medialab 和 NASA/JPL

本周,欧洲空间局主导的“贝皮·科伦坡”(BepiColombo)水星探测任务,在长达八年的星际长途跋涉中迈过了一道关键关口。它的目的地,是太阳系最内侧、被烈日炙烤的铁质世界,水星。

任务性质:机器人科学探测器,由欧洲空间局(ESA)牵头,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)与美国NASA参与研制。

总花费:约20亿美元。

发射时间:2018年。

入轨计划:预计2026年11月21日进入水星轨道,科学观测最早于2027年4月正式开始。

航天器构成:由三部分“叠罗汉”组成——欧洲建造的“水星转移模块”与“水星行星轨道器”,以及日本建造的“水星磁层轨道器”(昵称Mio)。

一、比去冥王星还“费油”的旅程

很多人对星际旅行的第一直觉是“越远越难”,但水星恰恰是个反例。NASA的“新视野号”飞掠冥王星用了近十年,而“贝皮·科伦坡”要做的不仅是抵达比地球离太阳近得多的水星,还要真正被水星的引力捕获、进入环绕轨道,这项工作所需的速度增量(delta-v),反而比飞掠一次冥王星还要高。



水星转移模块上的监测相机在2025年1月8日飞越水星时,拍下了这张布满陨石坑的水星表面图像。图源:ESA/BepiColombo/MTM

水星围绕太阳飞驰的速度极快,探测器想要“追上”它并被其引力捕获,必须先把自己从地球出发时的高速状态大幅“刹车”减速。为此,“贝皮·科伦坡”的飞行路线堪称史无前例:先后借助地球、金星和水星本身的引力,完成了多达九次行星借力飞掠,一步步调整轨道,才为今年晚些时候进入水星轨道创造了条件。与此同时,探测器还携带了迄今送入深空的最强大电推进系统,四台离子推力器,在历次借力飞掠之间不断修整其环绕太阳的轨道。

二、一次“太空断舍离”:抛掉推进舱

如今,“贝皮·科伦坡”距离旅程终点只剩几个月,那套服役八年的离子推进系统也完成了自己的使命。本周四,探测器正式抛离了搭载离子推力器的“水星转移模块”,在长达八年的巡航途中,正是这个模块负责发电与提供推力。

但进入水星轨道前,这个模块必须被甩掉。“贝皮·科伦坡”本质上是一个“三合一”的航天器叠层:欧洲建造的水星转移模块与水星行星轨道器,加上日本建造、昵称“Mio”的水星磁层轨道器。本周四的分离,只是甩掉了已经完成使命的转移模块;欧洲与日本的两台轨道器仍会捆绑在一起继续飞行,直到12月两者抵达水星初始轨道后再各自分开。届时,两台轨道器将各自用自己的仪器展开科学观测,而失去用途的转移模块则成了一堆“死重”,无需再带在身边。

三、极端环境下的“高风险手术”

像这样在如此严苛的环境中主动“肢解”航天器,此前从未有任务尝试过。转移模块的分离发生在距太阳约3900万英里(约6300万公里)处,不到地日距离的一半,探测器要承受极端高温与强烈太阳辐射的双重考验。

“这基本相当于重新发射一枚新的航天器,其中蕴含着相当大的风险。” ——伊格纳西奥·坦科(Ignacio Tanco),欧空局内太阳系任务运控负责人

他解释说,抛掉转移模块之后,剩下的航天器必须立刻自行接管发电、推进、姿态指向与热控制等一系列此前由转移模块承担的任务,而这一切都发生在紧贴太阳飞行、稍有差池就可能致命的环境里。

“分离是否成功,我们只有在完成之后才能知道;而且这次会启用姿态控制系统里的好几个全新传感器和机构。” ——伊格纳西奥·坦科

此前,探测器上包括最好的相机在内的多台科学仪器,一直被转移模块遮挡,无法工作。坦科表示,“只有等转移模块脱离之后,这些仪器才能第一次真正‘看到’外界。”


这张信息图展示了贝皮科伦布号任务抵达水星的关键步骤。图源:欧洲空间局

从目前掌握的信息看,本周四的分离操作一切顺利:探测器按预先设定好的指令完成断电与解锁,四根弹簧随即将两部分推开。地面收到的遥测数据显示,水星行星轨道器的太阳能帆板已经开始正常发电。

“在巡航阶段,它们一直没能照到太阳。现在我们已经确认,航天器的功率余量是正的,太阳能帆板正在为分离过程中耗电的电池重新充电,这一切都是极好的消息。” ——艾尔莎·蒙塔尼翁(Elsa Montagnon),“贝皮·科伦坡”航天器运控经理

通往水星的这段旅程并非一帆风顺:2024年,探测器的离子推力器一度出现部分动力损失,工程师们不得不将巡航期延长一年,以弥补推力不足的影响。截至目前,“贝皮·科伦坡”已经飞行超过60亿英里(约100亿公里),目前的计划是在11月21日实施机动,进入环绕水星的轨道。

四、为什么非要送两台探测器去水星

“这是一次雄心勃勃的任务。水星是一个极具挑战性的目的地:抵达它很难,在如此靠近太阳的极端环境中运行也很难。但这次任务真正独特的地方在于,这是人类探索太空以来第一次同时把两台航天器送到水星附近,并让它们双双环绕这颗神秘天体运行。这将为人类和科学界带来前所未有的水星视角,为我们理解太阳系打开新的一页。” ——桑塔·马丁内斯(Santa Martinez),欧空局“贝皮·科伦坡”任务经理

任务的名字来自意大利数学家、工程师朱塞佩·“贝皮”·科伦坡(Giuseppe “Bepi” Colombo),他是轨道力学领域的先驱之一,当年正是他帮助NASA设计了借助行星借力飞掠的轨道方案,使“水手10号”得以在20世纪70年代三次飞掠水星。到了2011年,NASA的“信使号”(MESSENGER)成为首个进入水星轨道的探测器,完成了这颗无大气行星的首幅全球地图,并于2015年结束使命。

如今,接力棒交到了“贝皮·科伦坡”手中。

“还有大量未知等待我们去揭晓。我们需要绘制整颗行星的高分辨率地图,回答“信使号”首次详细勘测水星系统后留下的诸多问题。” ——杰兰特·琼斯(Geraint Jones),欧空局“贝皮·科伦坡”任务项目科学家

乍看之下,水星很像月球:布满陨石坑、色调单一的灰色地表,长期遭受辐射和微陨石轰击。和月球两极部分陨石坑坑底可能存在水冰类似,水星极区背阴的坑底也被认为可能藏有水冰。

“我们想用肉眼看不到的‘新颜色’去观察它,从而了解它到底是由什么构成的。” ——杰兰特·琼斯

按照分工,欧洲建造的轨道器将飞得更靠近水星,搭载相机与各类仪器研究水星表面;日本的轨道器体积更小,运行在更高的轨道上,重点搭载探测磁场、等离子体与尘埃的传感器。如果后续的入轨与分离环节一切顺利,常规科学观测预计将于明年4月正式启动。

“同时拥有两台探测器在那里,这本身就是开创性的——它将极大帮助我们理解太阳风对水星这类行星的影响。所以归根结底,我们想弄清这颗行星从何而来,又为何变成了今天这个样子。” ——杰兰特·琼斯

五、结语

从2018年发射至今,“贝皮·科伦坡”已经在太阳系里绕行了八年,飞过地球、金星,反复借力水星本身,只为了在合适的速度上与这颗炙热的内侧行星“相遇”。本周的推进舱分离,是这场漫长旅程中最惊险的一步之一,也意味着探测器已经卸下包袱、轻装上阵。11月的入轨、12月的两器分离、次年4月的科学观测启动,接下来的每一步,都会决定人类能否第一次真正看清这颗离太阳最近的世界。

参考

//arstechnica.com/space/2026/09/after-8-years-europes-bepicolombo-mission-is-on-final-approach-to-mercury/

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