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北京時間2018年10月20日上午9點45分，歐空局ESA和日本航天局JAXA聯(lián)合研制的“貝皮·哥倫布”號水星探測器（BepiColombo），搭乘歐洲最強大的火箭阿麗亞娜5號ECA型，開始了向水星進發(fā)的七年征程。
別看水星離地球這么近，人類60多年航天史上，總共才有3艘水星探測器，也就是說，在皮貝·哥倫布號之前，有且只有2艘探測器拜訪過水星。相比之下，去過土星的探測器都已經(jīng)有4艘了，更別提月球和火星這兩顆“探測大戶”了。
為什么水星探測器如此之少呢？
答案非常簡單，那就是——前往水星真的太難了。
作為一顆行星，水星實在是太小了。它的半徑只有地球的38%，質(zhì)量只有地球的5.5%——木衛(wèi)三和土衛(wèi)六都比水星大。
水星距離太陽也太近了，它到太陽的距離只有地球到太陽距離的1/3。那么，如此近的距離會帶來哪些挑戰(zhàn)，讓絕大多數(shù)探測器望而卻步呢？
首當其沖的是溫度。
水星地表的溫度在冰箱（-173℃）和烤箱（427℃）之間來回變換，究竟是什么箱取決于這一側(cè)是否朝向太陽。
探測器基本不懼嚴寒，它可以把各種能量轉(zhuǎn)換為熱能，供自身取暖。如今的新視野號已經(jīng)飛到了遙遠的柯伊伯帶，依然能在極寒的環(huán)境下健康工作。
然而在烤箱里，探測器的日子卻非常不好過，而且制冷比制熱的代價要大很多。為此，人們要設計各種散熱和隔熱的措施，即使這樣，探測器仍然不能長期待在高溫下，需要時不時去陰涼的地方休息。比如今年發(fā)射的帕克號，就為了抗高溫而絞盡腦汁（詳情請戳鏈接：帕克號：以極速觸吻太陽，圓個“追風夢”！）。
但過熱只是考驗的開胃菜，正餐則來源于太陽巨大的引力。
探測器不斷靠近太陽的過程，是一個引力勢能不斷轉(zhuǎn)化為動能的過程，而太陽巨大的引力則會讓探測器稍有不慎就加速過猛，那么就很容易會錯過又小又輕的水星。
雖然水星的軌道速度是八大行星里最快的（越近的話公轉(zhuǎn)速度越快，開普勒第三定律早就告訴我們了），但要想進入水星軌道，探測器依然必須耗費大量的能量進行剎車減速，來對抗太陽的引力勢能，就像一輛在下坡中的汽車踩好幾年剎車一樣，這使得制造水星探測昂貴而困難。
但人類從沒有退縮，而是在不斷挑戰(zhàn)極限。
貝皮·哥倫布號的名字來源于意大利的數(shù)學家和工程師約瑟佩·哥倫布（Giuseppe Colombo, 1920-1984），他的昵稱就是貝皮·哥倫布（Bepi Colombo）。他在水星軌道研究方面做出了巨大的貢獻，尤其是成功計算出了飛抵水星的途徑和方式。
由于直接飛抵水星需要耗費大量的能量進行剎車減速，這種做法十分地不經(jīng)濟。因此貝皮·哥倫布創(chuàng)造性地設計出了一種經(jīng)過金星的引力彈弓減速的方式，這種方式的軌道周期為176天，是水星公轉(zhuǎn)時間的兩倍。通過這種設計，飛船可以每隔176天造訪水星一次。但缺點是每次只能看到水星的同一個半球。這一方式還是被NASA采納，并最終應用在了人類的第一艘水星探測器——“水手10號”上。
1974年2月5日，“水手10號”成為人類歷史上第一個使用其他天體的引力彈弓改變自身速度的探測器，三次引力彈弓減速后進入一個公轉(zhuǎn)周期176天的軌道，使得探測器最終3次飛掠水星，成為第一個飛臨水星的探測器。
“水手10號”最終進入一個公轉(zhuǎn)周期是水星兩倍的軌道，這個軌道只看到了水星的同一半球，三次飛掠一共測繪了大約45%的水星地表。
根據(jù)“水手10號”的探測結果顯示，水星表面有著類似月球地表的隕石坑和巨型盆地，甚至還有數(shù)百公里長的巨型懸崖。同時水星大氣層十分稀薄，大氣壓只有地球表面的一萬億分之一。
在“水手10號”沉寂之后的30年里，人們再也沒有探訪過水星。
直到2004年，NASA才發(fā)射了人類的第二顆水星探測器——“信使號”（MESSANGER，全稱水星地表、空間環(huán)境、行星化學及測繪探測器MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging），這個名字正好貼合水星Mercury的名字來源（Mercury正是古羅馬神話中諸神之間的信使）。
經(jīng)過7年的漫長旅程，2011年，信使號實現(xiàn)了首次環(huán)繞水星，并為人們提供了迄今為止最全面的水星探測數(shù)據(jù)，包括完整的水星地表地圖。2015年，燃料幾乎耗盡的信使號選擇了長眠于水星。
信使號讓我們了解更多水星的秘密，也留下了更多的疑問——比如，為何水星的磁場中心偏離水星中心約20%的半徑？水星上過去的火山活動歷史是怎樣的？水星是如何在沒有地表板塊運動的情況下收縮的？水星表面的碳是怎么來的？
我們還需要新的探測器來回答這些新的疑問。
這個接力棒將由貝皮·哥倫布號探測器接過。這艘探測器預計于2025年進入水星軌道，屆時，人們還可以了解到水星在這十年中有何變化。
貝皮·哥倫布號探測器攜帶了更先進，也更專業(yè)的科學儀器，同時，探測器最低的環(huán)繞軌道也將低于信使號，以便更仔細和更清晰楚地把這個神秘天體展現(xiàn)給我們。
貝皮·哥倫布號探測器實際上可以被看成是一小分隊，隊長是兩個相互獨立的探測器：一個是歐空局主導的水星軌道探測器 (Mercury Planetary Orbiter)，另一個是日本宇航局主導的水星磁場探測器(Mercury Magnetospheric Orbiter)。水星磁場探測器有一個專用日語名MIO，因為MIO在日語里有“航路”、“水路”的意思，因此包含了祈禱航程平安的美好愿望。
陪伴這兩艘探測器隊長一同前往水星的還有兩個輔助設備隊員，其中一個是MIO的專用接口和太陽光防護盾MOSIF(MIO Sunshield and Interface Structure)，保護尚未運轉(zhuǎn)的MIO免受太陽的炙烤。
另一個是水星轉(zhuǎn)移軌道推進器MTM(Mercury Transfer Module)，畢竟進入水星軌道是個高耗能的“體力活兒”，這個專門的推進器將為探測器進入水星軌道提供必備的動力。MTM巨大的太陽能帆板有42平方米，雖然太陽內(nèi)側(cè)的太陽能更豐富，但灼熱的溫度可能烤壞太陽能帆板，因此MTM的太陽能帆板不能受陽光直射，只能以一個小的入射角接受太陽光，這使得對太陽能的利用率打了個折扣。
當小分隊抵臨水星時，MTM結束使命，先行卸任。而在進入MIO的預定軌道后，MIO入軌分離，隨后MOSIF與大家永別。由于MPO自帶動力，因此可以另辟軌道環(huán)繞水星。MPO的軌道將比信使號更加接近水星，因此可以測繪出分辨率更高的水星地形和重力場。
MPO和MIO雙子星的優(yōu)點在于，兩艘探測器可以在同一時間的不同位置獲得的數(shù)據(jù)。這對研究水星，以及近在咫尺的強烈太陽風非常有幫助——兩艘探測器可以一近一遠，分別探測太陽風與水星磁場之間的相互作用。
水星軌道探測器MPO總重1810千克，主體是2.4*2.2*1.7米的立方體，外加兩個大的伸展。
其中一個延展是7.5米長的太陽能帆板，帆板通過旋轉(zhuǎn)來避免被太陽光烘烤過熱。
另一個延展則是3.7m長的大型散熱器——水星靠近太陽的一側(cè)實在是太熱了，絕大多數(shù)科學儀器都放在散熱器附近。
MPO的軌道遠水星點是1500千米，近水星點是480千米，將采用極地軌道的方式環(huán)繞水星——極地軌道橫穿天體南北極上空，可以探測到目標天體的每一寸地表，更方便此次對水星極區(qū)永久陰影區(qū)的重點考察。
與MPO相比，水星磁場探測器MIO則是完全不同的畫風。
首先，MIO要小得多，形狀為軸對稱的八面體，直徑1.8米，高0.9米?？傊匾仓挥?85千克，只有MPO的1/6。
MPO和現(xiàn)在的絕大多數(shù)衛(wèi)星以及探測器類似，采用了三軸平衡的姿態(tài)控制，都是立方體的框架，而MIO卻采用了早期衛(wèi)星使用的自旋平衡，每分鐘旋轉(zhuǎn)15周。
MIO采用了早期衛(wèi)星使用的自旋平衡，每分鐘旋轉(zhuǎn)15周。
所謂自旋平衡，是指高速旋轉(zhuǎn)的物體能自我保持一個被動的姿態(tài)穩(wěn)定，不易被外界干擾，最典型的例子是高速旋轉(zhuǎn)的陀螺。但是自旋平衡是一種被動式的穩(wěn)定控制，因此現(xiàn)在多使用三軸平衡這種主動穩(wěn)定控制。
為何MIO采用自旋平衡的老式控制方式呢？
根據(jù)日本工程師的描述，通過這種控制方式，MIO帶有太陽能帆板的八面體能夠旋轉(zhuǎn)著輪流朝向太陽防止過熱，而放置儀器的頂部和底部則永遠背對太陽，從而有效保護其關鍵組件。此外，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可以用于部署4個15米長的線天線，用于測量水星電場和電磁波。
MIO的軌道要比MPO高的多，主要的目的是探測水星磁場和太陽風——在太陽風的猛烈吹襲之下，水星的磁場顯現(xiàn)出一邊薄，一邊長尾的特點。MIO的軌道也依照這一特點設計軌道，其近水點和MPO相近，距水星表面約為590千米，遠水點則有11640千米遠。
貝皮·哥倫布號的水星之旅。來源：ESA
根據(jù)計劃，貝皮·哥倫布號將用7年的時間進入水星環(huán)繞軌道，和信使號所用的時間相同。
由于自帶動力，所以探測器可以在發(fā)射后以低于第一宇宙速度的速度（3.47 km/s）離開地球。在一年半后，探測器將經(jīng)過一次地球引力彈弓前往金星，兩次金星引力彈弓使得探測器軌道降低到水星軌道，在進入環(huán)繞軌道之前，還會6次飛掠水星，這會最終將探測器和水星之間的相對速度降低到1.84km/s，總共9次引力彈弓。而直到2025年12月5日，它與水星的約會才正式開始。探測器的常規(guī)任務預計于2027年5月1日結束，延長任務于2028年5月1日結束。
長達10年的旅途究竟會收獲哪些新發(fā)現(xiàn)，讓我們拭目以待。
感謝行星科學博士haibaraemily對本文的寫作幫助。
（編輯：Yuki）
