小火箭出品
本文作者：邢強博士
本文共6829字，65圖。預計閱讀時間：50分鐘。
公元2018年10月20日，人類最新款的水星探測器即將乘坐阿麗亞娜-5運載火箭，奔赴水星，踏上這為期7年的漫漫征程！
有關阿麗亞娜-5系列運載火箭，小火箭在經典運載火箭的第7季的開篇《站在巔峰，卻已準備告別：歐洲最強火箭傳奇》已經和大家詳細探討和分析過了。
今天，我們深入聊聊人類的水星探測吧！
本文，小火箭和大家共同探討如下8個問題：
第一：這顆水星探測器的基本情況；
第二：這是人類第三顆水星探測器，如果成功，將會是人類第二顆成功進入繞水星軌道的探測器。那麽，為什麽水星探測器這麽少？探測水星難在什麽地方？
第三：小火箭對相關軌道的計算；
第四：人類目前對水星了解多少（小火箭風格）；
第五：人類第一次派探測器了解水星是什麽情況；
第六：人類第二次派探測器了解水星的敘述；
第七：這一趟（第三次）準備怎樣探測；
第八：小火箭對水星的展望。
貝皮
貝皮可倫坡號水星探測器，按計劃，於公元2018年10月20日在位於法屬圭亞那的庫魯航天中心由阿麗亞娜-5運載火箭發射升空。
發射後，貝皮可倫坡號將通過1次飛掠地球、2次飛掠金星、5次飛掠水星的方式，借助引力彈弓效應來大量節省燃料，最終在2024年年底，減速到1.758公里/秒時，被水星引力所捕獲，進入繞水星軌道。
隨後，歐空局研製的水星行星軌道器與日本宇宙航空研究開發機構研製的水星磁層軌道器分離。
然後，水星磁層軌道器進入一條距離水星較遠的軌道，分析水星的磁層和大氣情況；水星行星軌道器則會開啟對地觀測模式，測繪水星高精度地圖。
小火箭風格：發射時刻公元2018年10月20日協調世界時1點45分28秒；當地時間2018年10月19日上午10點45分28秒。
發射地點：庫魯航天中心第3號工位（發射綜合體），坐標
北緯 5° 14′ 14″ N；西經 52° 45′ 38″ W
上圖為貝皮可倫坡號的水星行星軌道器。
水星行星軌道器，品質為1149.8公斤。在靠近太陽的過程中，其單板太陽能帆板將會展開，一邊為該軌道器提供高達1千瓦的可用電功率，一邊充當遮陽傘的作用，使處在太陽能帆板陰影中的軌道器本體能夠時刻處於200℃的溫度以下。
水星行星軌道器攜帶了11個有效載荷，其中包括：一系列光譜儀（中子、伽馬射線、X射線、紫外頻段和紅外頻段）、輻射強度計、超高精度雷射測高儀、磁強計、粒子綜合分析儀、高精度加速度測量陣列、通信轉發設備。
為了能夠把寶貴的資訊傳回地球，水星行星軌道器採用了1米長的耐高溫高增益天線（Ka波段和X波段）。（有關波段的事情，詳見小火箭的公號報告《小火箭暢聊雷達的三大關鍵技術》）
在地球上，直徑達35米的，位於西班牙中部的塞夫雷洛斯地面站將會承擔起接收回傳信號的重任。
如果一切順利，貝皮可倫坡號探測器的信號將會以每秒50Kb的速度回傳。從我們地球人來看，每年可以收集下載到1449Gb的數據。
水星磁層軌道器，整體呈八棱柱狀，品質為284.8公斤（其中，有效載荷品質為45公斤）。兩個對面直接的距離為180厘米，整體高為90厘米。
水星磁層軌道器沒有水星行星軌道器那樣的一把大遮陽傘，所以她有自己獨特的防曬和降溫秘訣。
進入繞水星軌道後，水星磁層軌道器將會開始以每分鐘15轉的速度自旋。其八棱柱身體的頂部和底部，都有專門設計用來散熱的百葉窗，以主動溫度控制的方式維持正常的工作溫度。
位於日本長野的63.9米直徑天線將用來接受水星磁層軌道器的數據。（每年160G）。
當然，建於1984年的這個天線到時候會比較老了。按小火箭數據，該天線旁邊近幾年會建一座新的54米直徑天線。雖然口徑小了些，但是功能比之前的老天線強大不少。
入軌後的情況：
水星行星軌道器運行在近水點400公里，遠水點1500公里的軌道上，水星磁層軌道器的軌道高度則相對高一些。
難點
這是人類第3顆奔向水星的探測器，同時也是第2顆能夠實現環繞水星飛行的探測器。
自從人類在1957年10月4日小心翼翼地將第一個人造物體送入繞地球飛行的近地軌道以來，人類從未停止過對太空和星辰大海的追求。
按小火箭數據庫統計，人類明確有過發射任務的火星探測項目，有56個（從1960年10月10日的那枚蘇聯莫尼亞火箭算起，到2018年5月5日發射的洞察號）。
考慮到地球和火星每隔26個月的最佳發射視窗，可以說，從人類有能力把飛行器送到火星那一刻開始，幾乎沒有一個視窗被浪費過。
上個世紀，人類工程師（尤其是蘇聯的）對金星的執著更是讓人肅然起敬，在煉獄般的金星表面，人類探測器成功著陸並且發回了信號。
（金星探測：1961年2次，1962年5次，1964年3次，1965年3次。總計上世紀60年代18次，上世紀70年代11次，上世紀80年代7次，之後還有）。
人類對月球的探測更是不勝枚舉。小火箭在這裡不再贅述人類月球探測的數量，僅給出一組數據：
人類迄今為止，從月球上帶回了379.98公斤樣本，留在月球表面187.41噸人造物體。
在月球、火星和金星的探測次數都早已兩位數的時候，在人類的探測器已經觸摸到了太陽系邊緣的時候，對於離太陽最近的行星水星的探測，加上一次飛掠的，到今天這才是第3次的剛剛開始。
到底是什麽原因，導致了水星探測的次數這麽少呢？
無他，就是難了些。
在小火箭的公號報告《踏上征程，觸摸太陽！對人類最強太陽探測器的六點分析》中，已經提到過往太陽附近飛比起飛離太陽系，從能量的角度來看，要更難一些。
本文正好借此機會把詳細的計算過程發布一下，和大家共同探討：
在帕克探測器一文末尾，小火箭給了一道思考題。
小火箭思考題：
地球到太陽的距離，定義為1個天文部門。
假如我們現在有一門威力巨大的火炮。現在，我們要從兩個任務當中選一個：
從地球發射一枚炮彈，命中太陽；
或者從地球發射一枚炮彈，命中太陽系外，距離我們有10000個天文部門遠的目標。
假設人類的科技水準，已經使得精確瞄準目標與炮彈的可靠飛行能夠實現，那麽僅從能量的角度來分析，命中太陽更難，還是命中太陽系外的遙遠目標更難？
或者一句話，從地球飛到太陽和從地球飛到太陽系以外遙遠的地方，哪個更難？
現在，我們把這道題詳細計算一下：
先看看，這枚炮彈如果飛到10000個天文部門之外，或者乾脆就能夠在某一天飛到太陽系之外更遠的地方，至少需要多少能量吧。
小火箭手繪和手寫了推導過程。
按能量守恆來計算，需要咱們的大炮或者火箭提供12.3公里/秒的速度增量。
（小火箭注：總共需要42.1公里/秒的速度才能掙脫太陽的巨大引力，但是地球繞太陽公轉本身，已經給我們提供了29.8公里/秒的速度。我們有這樣好的一個起點，向太陽系外進發，只需補齊剩下的12.3公里/秒就行了。）
而如果我們想要往太陽系裡面跑，命中太陽呢？
比較粗暴的方案：把相對於太陽的速度減為0，靠太陽的強大引力把炮彈/探測器吸引過去。
上上圖，我們能夠看到，通過小火箭和大家一起的推導，得知，地球繞太陽公轉的速度，是29.8公里/秒。需要一下子減掉這麽多速度，需要太多能量。
一定有更省能量的辦法。
沒錯，上圖給出了通過橢圓軌道來命中太陽的方法。
通過計算，尤其是引入了角動量守恆（相對於太陽的質心），可以得出：
命中太陽，至少需要向我們公轉的反方向提供26.9公里/秒的速度減量。
看上去，還是一個非常大的數值，但是比起簡單下墜的方法，還是省了不少能量。
小火箭：從初始動能的角度來看，我們命中太陽所需的動能是徹底飛出太陽系所需動能的4.78倍！
由此可見，對於從地球表面出發的人類來說，往太陽系外面飛，要比往太陽系裡面飛容易得多！
哈！這樣的設計！很明顯，是在鼓勵人類向太陽系外面探索！
好在太陽系內，在地球和水星之間，還有金星。能夠借助行星的引力彈弓，進一步省一些能量。
上圖為貝皮可倫坡號探測器從2018年10月20到2025年11月的設計軌道。
綠色內圈為水星繞日軌道；青色中圈為金星繞日軌道；藍色外圈為地球繞日軌道。
紫色細線為貝皮可倫坡號的設計軌道。
通過1次飛掠地球、2次飛掠金星、5次飛掠水星的方式，借助引力彈弓效應來大量節省燃料，比起剛剛咱們說的直接的橢圓方式要省能量，但是依然比飛出太陽系還是難了些（從能量的角度）。
該探測器的主承包商是歐洲空中客車公司。這是空客的第121次太空任務，同時也是歐空局的第51次太空任務，是阿麗亞娜火箭的第73次發射，也是阿麗亞娜火箭的第23次深空探索任務，而終於可以說，這是歐洲好不容易等到的第1次水星探測任務。
上圖為貝皮可倫坡號相對於水星的速度曲線和距離曲線。
4台T6型離子推進器為貝皮可倫坡號提供動力。有關離子電推進，詳見小火箭的公號報告《離子發動機：星際遠征的重要動力》《有關電推進發動機的幾個設想》。
這4台離子推進器由世界第52大軍火巨頭（英國第6大軍火企業）奎奈蒂克集團研製。
這家軍火集團的產品線比較豐富，有時間咱們可以專門聊一聊的。
水星
目前，人類對水星的一些了解：
水星的半徑為2439.7公里，相當於地球的三分之一多一點（0.3829倍）。
如果把地球掏空，成為一個軟袋子的話，能夠塞進去18個水星。
水星是太陽系裡面最小的行星（目前來看是這樣的），其直徑僅僅是月球的1.5倍。
水星表格：
嗯，在水星上待3個水星日，相當於2個水星年了。
（捂臉開始：）
小火箭覺得，如果在水星上有座學校還是比較不錯的，3天放2次年假。
勞動人民的智慧是無窮的：
小火箭記得，有個詞叫 “三天兩頭”。
而中國人民有個傳統的節日，叫二月二龍抬頭，每年春節之後有這麽一次。
三天，能夠過兩次龍抬頭。
哈！古人很早就發現了有這麽一個星球符合這樣的自轉和公轉周期關係啊！（：捂臉結束）
體重100斤的人，在水星上的彈簧秤來看，只有37.8斤。
水星白天很熱，足以融化金屬錫和金屬鉛；水星的晚上又很冷，足以低到標準狀態下的液氧的溫度。
水星的表面積為7500萬平方公里，約為地球表面積的10％。如果我們可以像剝桔子那樣剝開水星並攤平的話，這塊大桔子皮約是亞洲面積的1.7倍（亞洲面積4457.9萬平方公里）。
上圖從左到右：水星、金星、地球、火星。
水手
公元1973年11月3日，協調世界時05點45分00秒，一枚宇宙神SLV-3D運載火箭從卡納維拉爾角36B發射場起飛。人類第一顆水星探測器水手10號從此踏上征程。
意大利軌道動力學天才、數學家朱塞可倫坡（昵稱：貝皮可倫坡）率先提出了利用引力彈弓來幫助深空探測器飛行的理論。
水手10號是人類第一個利用行星際引力彈弓進行飛行的探測器。
而計劃在2018年10月20日發射的歐洲第1顆水星探測器，起名為貝皮可倫坡號，正是為了紀念貝皮對人類的這項貢獻。
由水手10號探測器拍攝的地球和月球照片拚接起來的圖片。
受當時火箭推力和探測器姿軌控系統能力的製約，水手10號無法進入環繞水星飛行的軌道。
但是，水手10號三次飛掠水星，首次為人類近距離觀察水星提供了條件，其意義是開創性的。
當然，在沒有大規模計算陣列（估計當時NASA的整個算力還不如小火箭計算中心#2機的一半）的時候，能夠設計出這樣的軌道，還是非常不容易的。
公元1974年3月29日20點47分，水手10號第一次從水星附近飛掠，最近距離為702.8公里。
水手10號第一次飛掠水星式拍攝的水星照片（從遠到近，6個小時拍的多張照片調整大小後拚接而成）。
水手10號第一次飛掠水星式拍攝的水星照片（從近到遠，6個小時拍的多張照片調整大小後拚接而成）。
半年後，在1974年9月21日，水手10號在水星南極上空48069.2公里處第二次飛掠水星，拍下了上圖這張非常有名的照片。
再半年，水手10號第3次飛掠水星，距離水星北極僅327公里。
一次驚險的擦肩而過，然後水手10號奔向深邃的宇宙太空。在氮氣耗盡後，整個探測器關機，在發回最後一批珍貴照片後，與地球失去聯繫。
按小火箭的計算，水手10號依然在環繞太陽飛行。總有一天，她會再次飛掠水星。我們以後很有可能會在太陽系深處打撈到她。
3次飛掠，讓水手10號拍到了水星45%的表面，並以2800張照片的形式傳回了地球。這是人類首次近距離對水星進行測繪和分析。
水星的莎士比亞區、貝多芬區、米開朗基羅區、托爾斯泰區的全部，巴赫區和維多利亞區的部分，得以繪製成高精度地圖。
信使
水手10號水星探測器發射之後，整整過了31年，人類才終於等到了第2顆水星探測器的發射。
公元2004年8月3日，協調世界時6點15分56秒，一枚德爾塔II型7925H-9.5運載火箭在卡納維拉爾角17B發射場發射成功。
信使號水星探測器開始奔赴水星。（值得注意的是，水手10號和信使號水星探測器都是當地時間的夜間發射的，或許是怕水星附近太熱吧，畢竟靠近太陽了。捂臉。）
她是第2顆水星探測器，不過卻是第1顆能夠環繞水星飛行的人類探測器。
通過漫長而又精彩的軌道飛行，信使號探測器在2011年3月18日，到達繞水星軌道，隨後開始了用曼妙的舞姿陪伴水星。
信使號是個會飛的照相大師。上圖和上上圖是她飛掠地球時的練手之作。
信使號在1.83億公里遠的地方一回眸，拍下了相依為命的地球和月球。
到達水星軌道的信使號探測器，為了滿足人類的好奇心，開始大量拍攝。
信使號探測器對水星成的地質影像。
信使號探測器對水星全表面進行的光譜掃描成像。
2014年，信使號探測器進入衰減軌道。利用最後剩餘的氦氣，信使號向水星表面猛撲過去，在2015年4月30日協調世界時19點26分05秒，撞擊到水星表面。
按動能當量計算，信使號探測器會在水星表面撞出一個直徑16米的小坑。
這投入水星溫暖懷抱的瞬間，成為信使號留給我們的永遠。
上圖為信使號拍攝的第一張水星照片（攝於2011年3月29日）和最後一張水星照片（2015年4月30日，即將撞上水星表面，來不及好好對焦了）。
未來
水手10號和信使號水星探測器給我們人類帶來了很多水星的資訊，揭開了人類以前所未知的很多知識。
上圖為信使號探測器獲取的人類第一張水星彩色照片。
但是，在人類對水星了解更多的同時，也有很多疑問尚未解決。
嗯，這就是人類，永遠有著好奇心。而小火箭認為，愛情、好奇心和戰爭是僅有的三種能夠真正影響人類文明進程的事物。
水星上到底有沒有水？
趙孟頫隕石坑，小火箭風格：水星南緯87.3°S，水星西經 132.4°W，也就是水星南極地區，有40%的區域處於永久陰影區，始終照不到太陽，溫度極低。
而水手10號早在上世紀70年代，就發現了這裡的反射率很高，極像是冰。可惜她只是驚鴻一瞥然後匆匆飛走了，沒來得及仔細觀看。
這就給人類留下了一個值得探討的問題。這一次，趙孟頫隕石坑應該會是重點考察對象。
在水星這個偉大藝術家雲集的星球上，趙孟頫和貝多芬還有莎士比亞將會是未來人類經常提到的熱門地區。
有人說了，水星嘛，顧名思義，當然是得有水了。從水星這個中文名來分析，水星剛好有50%的水。仔細分析，還會有25%概率有生命。
但是，其實，根據小火箭考據，水星的中文名是這麽來的：
還記得咱們在探討月球的時候，聊過的歷法麽？
人類有史以來最早的完備天文歷法《太初歷》，第一次明確了二十四節氣，同時規定一個回歸年為365.197132616天（365+（385/1539）），一個朔望月為29.530864198天（29+（43/81）） 。
這份在漢武帝太初元年（公元前104年），由司馬遷、唐都和落下閎3位精通數學和天文推算的科學家共同確立。該歷法改變了秦代使用的顓頊歷以十月為歲首的習慣，而改以正月為歲首，奠定了其後兩千年來所尊奉的歷法基礎。
（當然，司馬遷後來以一部《史記》唱響了千古以來的史家經典，被更多人認作為歷史學家和文學家了。）
司馬遷除了推算了相當精確的歷法，寫了一本史書之外，還喜歡夜觀天象。
（當然，那時候還不流行文理分科，數學推算和天文觀測其實是一位優秀史官的日常。）
當時，還沒有水星、金星、火星之類的說法，而是辰星、太白、熒惑這樣的叫法。
有一天，司馬遷詩興大發，同時靈光閃現，參悟出了五行與五大行星的關係：
五行者，木為青，火為赤，土為黃，金為白，水為黑。
顏色先配上了。
然後，
太白為白色，故稱金星；
歲星呈青色，故稱木星；
辰星呈灰色，故以黑色配水星；
熒惑呈紅色，故稱火星；
填星為黃色，故稱土星。
司馬遷把這些內容以類似公眾號文章的形式（天官書）寫了出來。
從此，西漢人立刻接受了他的觀點。金木水火土五大行星的叫法也就開始在中文圈子裡流傳開來。
此時，距離西方有個叫威廉·赫歇爾的大帥哥在1783年11月15日和他媳婦兒一起發現海王星還有1800多年，所以五行之外再用什麽來命名行星，就不是司馬遷要考慮的事情了。
（和司馬遷之後的史學家，中國歷史上第一部編年體通史《資治通鑒》的作者司馬光也沒有太大關係，畢竟司馬光在公元1086年就逝世了。）
在希臘/羅馬神話體系中，水星對應的名字是墨丘利。他是能夠快速飛行的信使之神。這個與水星是太陽系所有已知行星中，公轉速度最快的，這個事實還是比較相符的。
墨丘利同時還是旅行者、醫生和商人的保護神。
但願他能夠保佑貝皮可倫坡號水星探測器順利完成任務。
鐵蛋
當然，說起名字，小火箭倒是覺得，水星如果有小名兒的話，應該叫 鐵蛋 吧！
水星的個頭兒雖然是太陽系已知的行星裡面最小的，但是卻很結實。
我們知道，地球的密度是八大行星中最大的，而排第二的，就是水星了。
而且，對於地球來說，地核僅佔地球總重的32.1%，而鐵蛋，噢不，水星的鐵核佔總重高達65.7%！
如果水星是個桃兒的話，這核兒也太大了些。
水星的大鐵核直徑達3780公里，鐵核外面的殼子，僅不到600公里厚。
這麽多的鐵，或者說這麽高比例的鐵，到底是怎麽來的？
水星，到底經歷了什麽才變成了鐵蛋呢？
這個就需要貝皮可倫坡號探測器在7年之後去慢慢研究了。
全文結束。
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