为何水星距离我们不算远但仍是一个谜？因为探索它太困难了

在太阳系内部的四颗岩石行星中，水星是被人类探索最少的一颗。 直到2011年，美国国家航空航天局（NASA）的MESSENGER（信使号）飞船才首次绕水星运行。 相比之下，距离地球约五倍远的木星早在上世纪九十年代就有了第一艘轨道飞行器。 由于水星靠近太阳，从地球观测水星也极具挑战性。 本文将探讨导致研究水星如此困难的三大障碍。

2006年11月8日，日出号太阳观测站上的三台主要仪器之一--太阳光学望远镜（SOT）拍摄到了这幅水星从太阳前方经过的图像。 图片来源：Hinode JAXA/NASA/PPARC

1. 难以观测

金木水火土五颗行星中，水星是被探索得最少的一颗。 与金星、火星、木星和土星不同，水星很难从地球上观测到。 作为太阳系最内侧的行星，它总是显得离太阳太近。 虽然天文观测的黄金时间是晚上，但水星在天空中的落下和升起几乎与太阳同步。 这意味着只有在日出前不久和日落后才能短暂地观测到水星，而且水星总是出现在地平线附近，高度很低。

虽然可以在白天用望远镜观测到这颗行星，但天文学家需要采取额外的预防措施，因为强烈的阳光和太阳的持续靠近可能会损坏光学器件。 较大的望远镜通常根本不允许朝太阳的方向观测，因为它们可能会受到损坏。

例如，迄今为止最强大的天文观测台之一，美国国家航空航天局/欧洲航天局（NASA/ESA）传奇的哈勃太空望远镜从未拍摄到水星的图像。 哈勃望远镜在大约 550 千米（340 英里）的高度绕地球运行，观测到了一些非常遥远的天体，例如大约 140 亿光年外的绰号伊卡洛斯（Icarus）的蓝色超巨星。 不过，由于担心损坏敏感的光学仪器，哈勃从未观测过水星。

在前往水星的七年旅程中，欧洲和日本的"BepiColombo"号飞行任务利用地球、金星和水星的引力调整其轨道并到达最终轨道。 该航天器于2018年发射升空，在2025年12月进入太阳系最内层行星轨道之前，它将执行九次重力辅助飞越机动（如动画所示）。 图片来源：ESA - European Space Agency， CC BY-SA 3.0 IGO

2. 难以到达

尽管美国宇航局的水手10号在20世纪70年代初绕太阳飞行时曾三次飞过水星，但直到2011年，美国宇航局的MESSENGER才首次进入直接环绕水星的轨道。

相比之下，火星在 1971 年、金星在 1975 年就迎来了它的第一个轨道飞行器。 木星距离地球最近时将近 6.3 亿公里（3.9 亿英里），而水星平均距离地球只有 7700 万公里（4800 万英里），木星在 1995 年迎来了它的第一个轨道探测器。 就连更遥远的土星也比水星早了七年才迎来卡西尼任务，这是美国宇航局、欧空局和意大利航天局的一个联合项目。

为什么对水星的研究如此之少？ 在 1973 年和 1974 年水手 10 号飞船三次短暂飞越水星之后，近 40 年来对这颗太阳系最内层行星的探索没有任何进展。 令人惊讶的是，尽管水星比木星和土星更接近地球，但实际上却更难到达。 据估计，到达矮行星冥王星所需的能量甚至都要比到达水星少。 原因在于水星距离太阳较近。 航天器不仅要在环绕太阳的轨道上飞越水星，而且要直接进入环绕水星的轨道，就必须不断地制动以抵御恒星的引力。

欧空局"BepiColombo"任务项目科学家约翰内斯-本克霍夫（Johannes Benkhoff）说："有两种方法可以实现这种制动。要么制造携带大量燃料的巨大航天器，要么可以利用其他行星的引力沿途减速。 要到达水星，就需要进行多次这样的行星飞越，因此旅程需要很长时间。"

欧空局的太阳探测器"太阳轨道器"只用了不到两年的时间就到达了环绕太阳的目标轨道，而太阳距离我们的母星比水星还要近。 令人惊讶的是，BepiColombo 需要七年的时间才能将自己放置在合适的位置上，以便放置两个轨道器、 欧空局的水星行星轨道器（MPO）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的水星磁层轨道器进入水星周围的正确轨道。 为了达到这一目的，航天器必须执行总共九次重力辅助机动或飞越，以帮助它制动和调整轨道。

意大利工程师 Giuseppe (Bepi) Colombo是研究利用行星飞越来修正太空任务轨迹的先驱之一。 正是 Bepi Colombo 提议通过飞越金星来优化水手 10 号的飞行轨迹，最终实现三次飞越水星，而不是最初计划的一次。 现在的欧洲-日本水星飞行任务 BepiColombo 就是以他的名字命名的。

约翰内斯说："我们到达水星的大部分能量都来自飞越。我们使用燃料主要是为了完成正确的飞越，在飞越行星时将航天器调整到正确的位置，以获得最大的能量，从而制动并沿着正确的方向飞向太阳。"

欧空局以前的大多数星际飞行任务都是前往太阳系中相对寒冷的地区。 BepiColombo是欧空局首次前往水星，那里的太阳强度大约是地球的10倍。 航天器的温度将超过 450°C，比比萨饼烤箱还要热。 为了应对这种情况，必须开发外部涂层和机械装置，并对其进行单独测试，以证明其能力。 图片来源：欧空局

3. 温度太高，无法近距离绕行

美国国家航空航天局（NASA）的水手10号飞船在与水星的三次短暂接触中，距离水星表面最近的一次是327千米（203英里）。 MESSENGER 航天器在 2011 年至 2015 年期间围绕水星运行，其椭圆形轨道随着时间的推移发生了一些变化。 轨道的最近点距离水星表面约200千米（124英里），而最远点则从最初的15200千米（9445英里）变为任务即将结束时的约9000千米（5600英里）。

欧空局的水星行星轨道器（MPO）是组成BepiColombo飞行任务的两个轨道器之一，它将沿着一个更紧密的轨道绕水星飞行，最近点距离水星表面的初始距离为 480 千米（298 英里），最远点仅为 1500 千米（932 英里）。 随着时间的推移，BepiColombo 的轨道将发生变化，距离表面最近的点将下降到大约 200 千米（124 英里），然后再次上升。

尽管水手10号和MESSENGER可能都曾短暂地接近过水星，但它们并没有持续停留在水星附近的炙热环境中。 因此，这两次任务都没有获得水星整个表面的高分辨率数据，而BepiColombo应该能解决这个问题。

欧洲科学家为BepiColombo制定了雄心勃勃的计划，这让欧空局及其合作者的工程团队感到力不从心。

欧空局 BepiColombo 系统工程师 Daniele Stramaccioni 将 BepiColombo 将面临的情况比作把一台工作的笔记本电脑塞进一个热披萨烤箱。大约 80% 的设备都是从零开始研发的。 如果没有广泛的创新，它将永远无法飞行。在研发过程中，BepiColombo 所面临的环境比欧空局之前的任何任务都要恶劣。

水星周围的日照强度不仅是地球附近的 10 倍，而且水星焦灼的表面还会向太空辐射热量。 因此，MPO 必须承受高达 450°C （约 840 华氏度）的高温，其温度足以融化铅。

标准太空任务中使用的材料无法承受如此高的温度。 例如，标准的太阳能电池阵列在 140°C （284°F）时就开始散架。 因此，工程师们必须找到全新的材料来完成这项工作。 碳纤维增强聚合物能够将太阳能电池板的工作温度提高到 200°C 以上（392°F），但电池阵列仍需倾斜 70 度以减少阳光照射。

太阳能电池板技术是这次飞行任务成败的关键之一，其开发过程中的挫折一度使该项目濒临取消。

MPO 还安装了一套复杂的冷却管道系统，将飞船内部的热量输送到飞船遮阳面上的散热器。 这些散热器和数十层太空隔热材料一起，使 MPO 内部保持室温，这对航天器的敏感仪器非常重要。 隔热毯由钛合金、铝合金和陶瓷纤维组成，使航天器的质量增加了 94 千克（207 磅）。

BepiColombo号不仅要面对极端高温，而且在水星的夜面，温度可能会低至180°C（356°F），使材料承受更大的压力。在开发过程中，欧空局不得不对荷兰欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）的测试设施进行改动，以适应这项具有挑战性的任务。

编译自/ScitechDaily