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贝皮可伦坡号

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贝皮可伦坡号
BepiColombo
Mercury Planetary Orbiter and Mercury Magnetospheric Orbiter
艺术家笔下的贝皮可伦坡号（左边是MPO，右边是MMO）
任务类型行星科学
运营方欧洲空间局（ESA）
宇宙航空研究开发机构（JAXA）
国际卫星标识符2018-080A
卫星目录序号43653
网站贝皮可伦坡号官方网站
任务时长预定最短7年
飞行阶段: 7年（计划）
科学探索阶段: 1年（计划）
已过了6年2个月又4天（进行中）
航天器属性
制造方空中客车国防航天
宇宙科学研究所（日语：宇宙科学研究所）
发射质量4,100千克（9,000磅） [1]
初运行质量（英语：Service life）MPO：1,230千克（2,710磅）
Mio：255千克（562磅） [1]
干质量2,700千克（6,000磅） [1]
尺寸MPO：2.4米 × 2.2米 × 1.7米（7英尺10英寸 × 7英尺3英寸 × 5英尺7英寸）
Mio：1.8米 × 1.1米（5英尺11英寸 × 3英尺7英寸） [1]
功率MPO：150瓦
Mio：90瓦
任务开始
发射日期2018年10月20日
1时45分整 UTC
运载火箭阿丽亚娜5号运载火箭ECA型[2]
发射场圭亚那航天中心[3]
承包方阿丽亚娜空间
飞掠地球（重力助推）
最接近2020年4月10日，4时25分 UTC
距离12,677 km（7,877 mi）
飞掠金星（重力助推）
最接近2020年10月15日, 3时58分 UTC
距离10,720 km（6,660 mi）
飞掠金星（重力助推）
最接近2021年8月10日，13时51分 UTC
距离552 km（343 mi）
飞掠水星（重力助推）
最接近2021年10月1日，23时34分41秒 UTC
距离199 km（124 mi）
水星轨道器
航天器组件水星行星轨道器
（MPO）
入轨2025年12月5日（计划）
轨道参数
近水点480 km（300 mi）
远水点1,500 km（930 mi）
倾角90,0°
水星轨道器
航天器组件水星磁层轨道器
（MMO）
入轨2025年12月5日（计划）
轨道参数
近水点590 km（370 mi）
远水点11,640 km（7,230 mi）
倾角90.0°
Horizon 2000+计划
贝皮可伦坡号的轨道（蓝色为水星行星轨道器环绕水星轨道，红色为水星磁层轨道器环绕水星轨道）。

贝皮可伦坡号（英语：BepiColombo，日语：ベピ・コロンボ）是由欧洲空间局（ESA）与宇宙航空研究开发机构（JAXA）所合作的水星探测计划，于2018年10月20日发射升空[4]。此计划包含了两颗轨道器：水星行星轨道器（Mercury Planetary Orbiter，MPO）与水星磁层轨道器（Mercury Magnetospheric Orbiter，MMO，昵称：MIO）。贝皮可伦坡号探测器将对水星进行全面深入的研究，包括它的磁场，磁层，内部结构和地表特征。经过多年的计划和筹备工作，贝皮可伦坡号项目于2009年获得ESA批准，它是ESA的Horizon 2000+计划的第三个也是最后一个任务[5][6]。

命名

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此计划以意大利数学家，科学家与工程师朱塞佩·可伦坡的昵称（贝皮·可伦坡）命名。可伦坡首次提出了行星重力助推的设想，并在1974年的水手10号任务中被成功实施。这项技术现在被广泛运用于行星探测任务中。

水星磁层轨道器的昵称“MIO”（みお）是在面向日本公众的征名活动中选出的。“みお”（澪）在日语中的意思是船行的水道。根据JAXA的说法，它象征了讫今为止在研究开发领域中的里程碑事件。JAXA形容航天器将会像航行在海洋中一般在太阳风中穿行[7]。

任务

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贝皮可伦坡号任务包含三个组成部分，它们将在航天器抵达水星后分离[8]：

在发射及飞越阶段，这三个部分共同组成水星巡航系统（Mercury Cruise System（MCS））。

贝皮可伦坡号任务原来还计划包括一个叫水星表面元素（Mercury Surface Element，MSE）的水星着陆器，但因为预算限制的因素而被取消了[6]。

航天器主要由空中客车国防航天承建[9]。欧洲空间局负责贝皮可伦坡号任务的设计和整体规划以及水星转移模块和水星行星轨道器的研发，组装和航天器发射。贝皮可伦坡号于2018年10月20日顺利发射升空[10]。

发射后，它将一次飞越地球、两次飞越金星、五次飞越水星，最终在2025年进入水星轨道[11]。 多次的行星重力助推将节省经费与燃料。它会在2020年4月飞越地球，利用地球的重力助推使它能够飞越金星。 2020年－2021年，两次的金星飞越使它几乎不需要利用推进就能降低其近日点，让它可以飞越水星。随后于2021年－2024年五次的水星飞越会将它的速率降至1.76千米/秒，这将导致它于2025年第六次接近水星时被水星俘获，进入环绕水星的轨道。 水星行星轨道器与水星磁层轨道器将在入轨后分离，然后利用化学能推力器调整各自的轨道[12][13]，当中的水星磁层轨道器将进入一条距离水星较远的轨道。贝皮可伦坡号搭载的科学仪表由欧洲国家和日本提供。水星行星轨道器将用以测绘水星地图；而水星磁层轨道器将以研究水星的磁场为主要任务。这次任务将完成水星引力场和磁场地图的绘制，此外它还将研究水星铁核（占行星半径的3⁄4）的特征，推断出固态及液态核心的大小[14]。由俄罗斯提供的加玛射线光分计和中子光谱仪可用于探测极地撞击坑是否存在水冰。

水星体积和质量太小，而且它的表面温度很高，它的重力难以长时间维持稳定的大气层，但水星稀薄的外气层[15]中包含了氢、氦、氧、钠、钙、钾等成分。贝皮可伦坡号任务将研究水星散逸层的组成和动态，包括大气的生成和流失。

贝皮可伦坡号的主要任务预计在2027年5月1日结束，而扩展任务则预计在2028年5月1日结束。

目标

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贝皮可伦坡号任务的主要目标包括[3][16]：

  • 研究水星的起源和演化过程。
  • 研究水星的内部构造、地质、组成及撞击坑。
  • 对水星大气的组成和动态（包括生成和流失）进行探测。
  • 探测水星磁层的结构和动态。
  • 研究水星磁场的起源。
  • 对后牛顿形式论的和参数进行准确的测算，从而验证爱因斯坦的广义相对论[17][18]。

历史

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欧洲空间局于2000年挑选了贝皮可伦坡号提案。科学有效载荷需求建议书（英语：Request for proposal）于2004年发表[19]。2007年确认阿斯特里姆（空中客车国防航天前身）为主要承包方，运载火箭为阿丽亚娜5号运载火箭[19]。最初的发射日期是2014年7月，之后一再被延后，主要是因为太阳能电动推进系统的研发工作被延迟[19]。贝皮可伦坡号任务的总成本在2017年被估计为接近20亿美元[20]。

贝皮可伦坡号于2020年4月飞掠地球时曾被误认为是近地小行星，并被临时编号为“2020 GL2”[21][22]。随后小行星中心纠正了错误并删除了临时编号2020 GL2[23]。

时间线

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  代表已完成

动画演示贝皮可伦坡号的飞行路径
  贝皮可伦坡号 ·   地球 ·   金星 ·   水星 ·   太阳
动画演示贝皮可伦坡号环绕水星的飞行路径
日期 事件 解说
2018年10月20日 01:45 UTC 发射 从圭亚那航天中心ELA-3（英语：ELA-3）发射台成功发射升空
2020年4月10日 04:25 UTC 飞掠地球 发射1.5年后
2020年10月15日 03:58 UTC 第一次飞掠金星 据ESA科学家约翰内斯·本克霍夫（Johannes Benkhoff）所述，探测器可能在金星大气层中测出了磷化氢，但他不确定贝皮可伦坡号的仪表是否足够敏锐[24]。2020年10月15日，ESA宣布飞越金星取得成功[25]。
2021年8月10日 13:51 UTC 第二次飞掠金星 自第一次飞掠金星后经过了1.35个金星年
2021年10月1日 23:34:41 UTC 第一次飞掠水星 飞掠的时点恰逢朱塞佩·可伦坡诞辰101周年
2022年6月23日 09:44 UTC 第二次飞掠水星 自第一次飞掠水星后经过了3个水星年，环绕太阳2周。最接近水星的距离大约是200公里[26]。
2023年6月19日 19:34 UTC 第三次飞掠水星 自第二次飞掠水星后经过了4.12个水星年，环绕太阳超过3周。最接近水星的距离大约是236公里[27][28]。
2024年9月5日 第四次飞掠水星 自第三次飞掠水星后经过了5.04个水星年，环绕太阳约4周
2024年12月2日 第五次飞掠水星 自第四次飞掠水星后经过了1个水星年，环绕太阳1周
2025年1月9日 第六次飞掠水星 自第五次飞掠水星后经过了0.43个水星年，环绕太阳0.43周
2025年12月5日 进入水星环绕轨道 航天器分离，自第六次飞掠水星后经过了3.75个水星年
2026年3月14日 水星行星轨道器（MPO）开始执行最后的科学环绕探测任务 自进入水星环绕轨道后经过了1.13个水星年
2027年5月1日 主要任务阶段结束 自进入水星环绕轨道后经过了5.82个水星年
2028年5月1日 扩展任务阶段结束 自进入水星环绕轨道后经过了9.98个水星年
贝皮可伦坡号从2018年10月20日到2025年11月2日的时间线，红色圆圈代表飞越太阳系行星的时间点。
贝皮可伦坡号飞掠地球
（2020年4月10日）
贝皮可伦坡号飞掠金星
（2020年10月15日）
贝皮可伦坡号飞掠水星
（2021年10月1日）

航天器组成部分

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奎奈蒂克T6 规格 [29][30]
类型 离子推力器
数量 4 [31][32]
直径 22 cm（8.7英寸）
最大推力 每个145 mN
比冲
(Isp)		 4300秒
推进剂 氙
总功率 4628瓦

水星转移模块

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水星转移模块（Mercury Transfer Module，缩写为MTM）承担水星行星轨道器和水星磁层轨道器的运输任务。水星转移模块主要采用太阳能电动推进系统来为航天器加速，它搭载的四个奎奈蒂克T6（QinetiQ-T6）离子推力器可以单独或两个一组运作，最大的推力合计可达到290 mN[33]。取决于MTM和太阳之间的距离，它的供电范围介于7千瓦和14千瓦。根据预期的推力大小，每个T6离子推力器需要消耗的电力介于2.5千瓦到4.5千瓦之间。

太阳能电动推进系统的推力低，但通常具有非常高的比冲。贝皮可伦坡号将经历持续数月的低推力减速阶段，加上受到行星重力助推的影响，它的速度会逐渐地减慢。在航行过程中，MTM可为休眠中的轨道器和它的太阳能电动推进系统供电，这归功于两个长达14米长的光伏板。在即将进入水星环绕轨道之前，水星巡航系统将抛开水星转移模块[34]。当水星轨道器和水星转移模块分离后，MPO会向MMO提供它所需要的动力以及数据资源，直到MPO和MMO分离为止。

水星行星轨道器

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水星行星轨道器（摄于ESTEC）
对水星行星轨道器进行无线电测试

水星行星轨道器（Mercury Planetary Orbiter，缩写为MPO）的质量为1,150千克（2,540磅）。MPO使用电力可达到一千瓦的光伏板，它利用玻璃二次表面镜将温度控制在200摄氏度以下。太阳能板需要不停地旋转，使之在发电的同时把温度控制在一定的范围内[34]。水星行星轨道器一共搭载了11台科学仪表，其中有相机，光谱仪（红外线、紫外线、X射线、加玛射线和中子），一台辐射计，一台光学雷达，一台磁强计，一台粒子分析仪，一台Ka波段转发器以及一台加速规。在MPO顶部安装了一根直径为1.0米（3英尺3英寸）的可耐高温的高增益天线。MPO的数据传输速率为50 kbit/秒，一年之中可传输总量达到1,550 Gbit的数据，信号传输频率在X波段和Ka波段。在水星探测的整个过程中，欧洲空间局通过设在西班牙的塞夫雷罗斯深空站与水星行星轨道器保持通信联络[34]。

科学有效载荷

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水星行星轨道器科学有效载荷包含了以下11台科学仪表[35]：

  • 贝皮可伦坡号光学雷达（BEpiColombo Laser Altimeter，缩写为BELA），由德国航空航天中心研制，和伯恩大学、马克斯·普朗克太阳系研究所及安达卢西亚天体物理研究所合作
  • 意大利之春加速规（Italian Spring Accelerometer，缩写为ISA），由意大利研制
  • 水星磁强计（MERcury MAGnetometer，缩写为MPO-MAG或MERMAG），由德国和英国研制[34]
  • 水星辐射计和热红外光谱仪（MErcury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer，缩写为MERTIS），由德国研制
  • 水星加玛射线光分计（Mercury Gamma-ray and Neutron Spectrometer，缩写为MGNS），由俄罗斯研制
  • 水星成像X射线光谱仪（Mercury Imaging X-ray Spectrometer，缩写为MIXS），由莱斯特大学、马克斯·普朗克太阳系研究所及马克斯·普朗克外星物理研究所研制[36]
  • 水星轨道器无线电科学实验仪（Mercury Orbiter Radio-science Experiment，缩写为MORE），由意大利和美国研制
  • 探测水星散逸层紫外-可见分光光度仪（Probing of Hermean Exosphere By Ultraviolet Spectroscopy，缩写为PHEBUS），由法国和俄罗斯研制
  • 水星散逸层中性原子分析仪（Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances，缩写为SERENA）[37]，由两台中性粒子分析仪和两台离子化粒子分析仪组成：ELENA（低能量中性原子分析仪），由意大利研制；STROFIO（质谱仪），由美国研制； MIPA（微型离子沉淀分析仪），由瑞典研制；PICAM（行星离子相机），由奥地利空间研究所（IWF），俄罗斯空间研究所（IKI），环境科学研究所（CETP/IPSL），欧洲空间研究与技术中心（ESTEC），粒子和核物理研究所（KFKI-RMKI）和马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）研制
  • 贝皮可伦坡号水星行星轨道器整合观测系统光谱仪和成像仪（Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory SYStem，缩写为SIMBIO-SYS），由意大利、法国和瑞士研制
  • 太阳光强度X射线和粒子光谱仪（Solar Intensity X-ray and Particle Spectrometer，缩写为SIXS），由芬兰和英国研制

水星磁层轨道器

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水星磁层轨道器

水星磁层轨道器（Mercury Magnetospheric Orbiter，缩写为MMO，昵称为MIO（日语：みお））由日本制造，它的质量为285千克（628磅）。水星磁层轨道器搭载了五组不同的科学仪表（总重量为45千克（99磅）），包括了日本生产的等离子体及尘埃探测仪还有奥地利制造的磁强计[3][38][39]。水星磁层轨道器的长度是180 cm（71英寸），高度是90 cm（35英寸）[3][40]，形状像是一个八边形棱镜。水星磁层轨道器的转速将稳定在15 rpm，它的旋转轴和水星的赤道垂直。MMO将在高度为590 km × 11,640 km（370 mi × 7,230 mi）的水星极轨道上对水星进行探测。轨道器的顶部和底部为百叶散热器，可以起到控制温度的作用。轨道器四面安装了太阳能电池，可提供90瓦电力。它将通过一根直径为0.8米（2英尺7英寸）的高增益天线和两根中增益天线和地球通信，通信的频率在X波段。MMO的轨道在MPO轨道的外侧[38]。远测传输速率约为5 kbit/秒，相当于一年160 Gbit。水星磁层轨道器的反应和控制系统的工作原理基于冷气助推器。MMO进入水星环绕轨道后，JAXA的相模原管制中心（日语：相模原管制センター）将通过位于日本长野县的臼田宇宙空间观测所的直径为64米（210英尺）的天线与水星磁层轨道器进行通信[41]。

科学有效载荷

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  • 水星等离子体粒子实验仪（Mercury Plasma Particle Experiment，缩写为MPPE），研究来自水星的等离子体和中性粒子，水星磁层以及太阳风。它包含了以下仪表：
  • 水星磁强计（Mercury Magnetometer，缩写为MMO-MGF），探测水星的磁场，磁层和行星际太阳风。
  • 等离子体波探测仪（Plasma Wave Investigation，缩写为PWI），探测水星电场，电磁波以及来自磁层和太阳风的无线电波。
  • 水星大气钠分布光谱成像仪（Mercury Sodium Atmosphere Spectral Imager，缩写为MSASI），研究水星稀薄的钠成分大气。
  • 水星尘埃监视器（Mercury Dust Monitor，缩写为MDM），对水星和行星际空间的尘埃进行研究。

被取消计划

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水星表面元素

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水星表面元素（Mercury Surface Element，缩写为MSE）因预算限制而于2003年被取消[6]。水星表面元素着陆器是一个重44千克（97磅）的小型水星着陆器，它的设计工作寿命大约是一周[12]。水星表面元素的形状像是一个直径为0.9米（2英尺11英寸）的圆盘。原本它的预定着陆区在纬度85°的地带。设想中的着陆模式为运用减速机动让着陆器在降落到距地面120米（390英尺）的高度时把速度减至零，随之推进装置弹出，启动安全气囊，最后着陆器以最高不超过30 m/s（98 ft/s）的速度落到水星表面。在计划取消之前，原来的设想是让水星表面元素通过一根特高频天线将已存储的科学数据发送给水星行星轨道器（MPO）或者水星磁层轨道器（MMO）。按照原来的计划，MSE搭载7千克（15磅）重的科学有效载荷，其中包括相机，阿尔法粒子X射线光谱仪，磁强计，地震仪，土壤穿透装置以及一辆微型探测车[43]。

流行文化

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水星磁层轨道器（MMO（MIO））搭载了一幅由日本漫画家石川雅之描绘的插画作品，插画中的人物是石川雅之的漫画作品《不惑之星》（日语：惑わない星）中水星的拟人化角色[44]。石川雅之后来在原稿的基础上增加了水星磁层轨道器的图案[45]。

图集

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太阳能板转动中
部署磁强计吊杆
测试高增益天线
贝皮可伦坡号遥望地球

参见

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  • 信使号：首次实现水星环绕的探测器

参考资料

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