在太陽系內部的四顆岩石行星中，水星是被人類探索最少的一顆。 直到2011年，美國國家航空暨太空總署（NASA）的MESSENGER（信差號）太空船才首次繞著水星運行。 相較之下，距離地球約五倍遠的木星早在上世紀九十年代就有了第一艘軌道飛行器。 由於水星靠近太陽，從地球觀測水星也極具挑戰性。 本文將探討導致研究水星如此困難的三大障礙。

2006年11月8日，日出號太陽觀測站上的三台主要儀器之一–太陽光學望遠鏡（SOT）拍攝到了這幅水星從太陽前方經過的影像。 圖片來源：Hinode JAXA/NASA/PPARC

1. 難以觀測

金木水火土五顆行星中，水星是被探索得最少的一顆。 與金星、火星、木星和土星不同，水星很難從地球觀測到。 作為太陽系最內側的行星，它總是顯得太靠近太陽。 雖然天文觀測的黃金時間是晚上，但水星在天空中的落下和升起幾乎與太陽同步。 這意味著只有在日出前不久和日落後才能短暫地觀測到水星，而且水星總是出現在地平線附近，高度很低。

雖然可以在白天用望遠鏡觀測到這顆行星，但天文學家需要採取額外的預防措施，因為強烈的陽光和太陽的持續靠近可能會損壞光學元件。 較大的望遠鏡通常根本不允許朝太陽的方向觀測，因為它們可能會受到損害。

例如，迄今為止最強大的天文觀測台之一，美國國家航空暨太空總署/歐洲太空總署（NASA/ESA）傳奇的哈伯太空望遠鏡從未拍攝到水星的圖像。 哈伯望遠鏡在大約550 千米（340 英里）的高度繞地球運行，觀測到了一些非常遙遠的天體，例如大約140 億光年外的綽號伊卡洛斯（Icarus）的藍色超巨星。 不過，由於擔心損壞敏感的光學儀器，哈伯從未觀測過水星。

在前往水星的七年旅程中，歐洲和日本的”BepiColombo”號飛行任務利用地球、金星和水星的引力調整其軌道並到達最終軌道。 該太空船於2018年發射升空，在2025年12月進入太陽​​系最內層行星軌道之前，它將執行九次重力輔助飛越機動（如動畫所示）。 圖片來源：ESA – European Space Agency， CC BY-SA 3.0 IGO

2. 難以到達

儘管美國太空總署的水手10號在20世紀70年代初繞太陽飛行時曾三次飛過水星，但直到2011年，美國太空總署的MESSENGER才首次進入直接環繞水星的軌道。

相較之下，火星在1971 年、金星在1975 年就迎來了它的第一個軌道飛行器。 木星距離地球最近時將近6.3 億公里（3.9 億英里），而水星平均距離地球只有7700 萬公里（4800 萬英里），木星在1995 年迎來了它的第一個軌道探測器。 就連更遙遠的土星也比水星早了七年才迎來卡西尼任務，這是美國太空總署、歐空局和義大利太空總署的一個聯合計畫。

為什麼對水星的研究如此之少？ 在1973 年和1974 年水手10 號太空船三次短暫飛越水星之後，近40 年來對這顆太陽系最內層行星的探索沒有任何進展。 令人驚訝的是，儘管水星比木星和土星更接近地球，但實際上卻更難到達。 據估計，到達矮行星冥王星所需的能量甚至都要比到達水星少。 原因在於水星距離太陽較近。 太空船不僅要在環繞太陽的軌道上飛越水星，而且要直接進入環繞水星的軌道，就必須不斷地煞車以抵禦恆星的引力。

歐空局”BepiColombo”任務項目科學家約翰內斯-本克霍夫（Johannes Benkhoff）說：”有兩種方法可以實現這種制動。要么製造攜帶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減速。

歐空局的太陽探測器”太陽軌道器”只用了不到兩年的時間就到達了環繞太陽的目標軌道，而太陽距離我們的母星比水星還要近。 令人驚訝的是，BepiColombo 需要七年的時間才能將自己放置在合適的位置上，以便放置兩個軌道器、 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（JAXA）的水星磁層軌道器進入水星周圍的正確軌道。 為了達到這個目的，太空船必須執行總共九次重力輔助機動或飛越，以幫助它煞車和調整軌道。

義大利工程師Giuseppe (Bepi) Colombo是研究利用行星飛越來修正太空任務軌跡的先驅之一。 正是Bepi Colombo 提議透過飛越金星來優化水手10 號的飛行軌跡，最終實現三次飛越水星，而不是最初計劃的一次。 現在的歐洲-日本水星飛行任務BepiColombo 就是以他的名字命名的。

約翰內斯說：”我們到達水星的大部分能量都來自飛越。我們使用燃料主要是為了完成正確的飛越，在飛越行星時將航天器調整到正確的位置，以獲得最大的能量，從而製動並沿著正確的方向飛向太陽。

歐空局以前的大多數星際飛行任務都是前往太陽系中相對寒冷的地區。 BepiColombo是歐空局首次前往水星，那裡的太陽強度大約是地球的10倍。 太空船的溫度將超過450°C，比比薩烤箱還要熱。 為了應對這種情況，必須開發外部塗層和機械裝置，並對其進行單獨測試，以證明其能力。 圖片來源：歐空局

3. 溫度太高，無法近距離繞行

美國國家航空暨太空總署（NASA）的水手10號太空船在與水星的三次短暫接觸中，距離水星表面最近的一次是327千米（203英里）。 MESSENGER 太空船在2011 年至2015 年期間圍繞水星運行，其橢圓形軌道隨著時間的推移發生了一些變化。 軌道的最近點距離水星表面約200千米（124英里），而最遠點則從最初的15200千米（9445英里）變為任務即將結束時的約9000千米（5600英里）。

歐空局的水星行星軌道器（MPO）是組成BepiColombo飛行任務的兩個軌道器之一，它將沿著一個更緊密的軌道繞著水星飛行，最近點距離水星表面的初始距離為480 千米（ 298 英里），最遠點僅為1500 公里（932 英里）。 隨著時間的推移，BepiColombo 的軌道將發生變化，距離表面最近的點將下降到大約200 千米（124 英里），然後再次上升。

儘管水手10號和MESSENGER可能都曾短暫地接近水星，但它們並沒有持續停留在水星附近的炙熱環境。 因此，這兩個任務都沒有獲得水星整個表面的高解析度數據，而BepiColombo應該可以解決這個問題。

歐洲科學家為BepiColombo制定了一個雄心勃勃的計劃，這讓歐空局及其合作者的工程團隊感到力不從心。

歐空局BepiColombo 系統工程師Daniele Stramaccioni 將BepiColombo 將面臨的情況比作把一台工作的筆記型電腦塞進一個熱披薩烤箱。大約80% 的設備都是從零開始研發的。 如果沒有廣泛的創新，它將永遠無法飛行。在研發過程中，BepiColombo 所面臨的環境比歐空局先前的任何任務都要惡劣。

水星周圍的日照強度不僅是地球附近的10 倍，水星焦灼的表面還會向太空輻射熱量。 因此，MPO 必須承受高達450°C （約 840 華氏度）的高溫，其溫度足以融化鉛。

標準太空任務中使用的材料無法承受如此高的溫度。 例如，標準的太陽能電池陣列在140°C （284°F）時就開始散架。 因此，工程師必須找到全新的材料來完成這項工作。 碳纖維增強聚合物能夠將太陽能板的工作溫度提高到200°C 以上（392°F），但電池陣列仍需傾斜70 度以減少陽光照射。

太陽能板技術是這次飛行任務成敗的關鍵之一，其開發過程中的挫折一度使該計畫瀕臨取消。

MPO 還安裝了一套複雜的冷卻管道系統，將太空船內部的熱量輸送到太空船遮陽面上的散熱器。 這些散熱器和數十層太空隔熱材料一起，使MPO 內部保持室溫，這對太空船的敏感儀器非常重要。 隔熱毯由鈦合金、鋁合金和陶瓷纖維組成，使太空船的質量增加了94 公斤（207 磅）。

BepiColombo號不僅要面對極端高溫，在水星的夜面，溫度可能會低至180°C（356°F），使材料承受更大的壓力。在開發過程中，歐空局必須對荷蘭歐洲太空研究與技術中心（ESTEC）的測試設施進行改動，以適應這項具有挑戰性的任務。

編譯自/ ScitechDaily