人類第一顆水星探測(cè)衛(wèi)星信使號(hào)進(jìn)入水星軌道

□ 司馬杭仁

信使號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖

北京時(shí)間2011年3月18日8點(diǎn)45分，通過借助地球、金星和水星引力飛行6年半的美國(guó)信使號(hào)水星探測(cè)器，經(jīng)過15分鐘的近水星制動(dòng)，以1.6千米/秒的速度進(jìn)入水星軌道，成為世界第1顆水星探測(cè)衛(wèi)星。它將對(duì)水星進(jìn)行為期1年的科學(xué)考察，將揭示被太陽(yáng)炙烤的水星為何具有太陽(yáng)系中最大的行星密度，以及在水星兩極陰暗的環(huán)形山中是否有冰存在。這是30年來人類探測(cè)器首次對(duì)水星進(jìn)行全面的環(huán)繞探測(cè)。

在信使號(hào)進(jìn)入水星軌道之際，美國(guó)航宇局局長(zhǎng)博爾登也在位于馬里蘭州約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的信使號(hào)控制中心內(nèi)。他說：“這項(xiàng)任務(wù)將在接下來的一年時(shí)間內(nèi)繼續(xù)帶給我們有關(guān)水星的最新數(shù)據(jù)。美國(guó)航宇局的探測(cè)計(jì)劃正在不斷改寫著我們的教科書，而信使號(hào)計(jì)劃正是我們不斷努力擴(kuò)展人類知識(shí)邊疆的最好例證。”

全副武裝的信使

耗資4.46億美元的美國(guó)信使號(hào)水星探測(cè)器由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)設(shè)計(jì)制造以及運(yùn)行和管理，它于2004年8月3日由德爾它2號(hào)火箭發(fā)射升空。

水星（左）和地球的比較

信使號(hào)由推進(jìn)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、電子設(shè)備及天線和科學(xué)探測(cè)儀器組成，采用2種模式的液體化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)來進(jìn)行巡航和入軌機(jī)動(dòng)，其中裝有肼和四氧化二氮推進(jìn)劑的雙組元主推進(jìn)器用于在飛往水星途中和入軌過程中的大幅度路線修正機(jī)動(dòng)，裝有肼的16個(gè)小型單組元推進(jìn)器用于在小的變軌機(jī)動(dòng)或軌道保持時(shí)使用。推進(jìn)系統(tǒng)與星體結(jié)構(gòu)集成為一體，以節(jié)省質(zhì)量。

由于水星非常接近太陽(yáng)，在向水星進(jìn)軍的過程中，信使號(hào)面臨的最大障礙是太陽(yáng)的巨大引力和高溫。水星上太陽(yáng)的亮度比地球上高出多達(dá)11倍，表面溫度可達(dá)到450℃，所以設(shè)計(jì)信使號(hào)的關(guān)鍵是如何應(yīng)對(duì)水星的高熱環(huán)境。為克服高溫影響，信使號(hào)配備有了采用鈦材料制成的大型遮陽(yáng)罩，它安裝在探測(cè)器前端，使信使號(hào)探測(cè)器具備抗熱性和高陽(yáng)光反射性；為克服引力影響，信使號(hào)此前已多次近距離飛掠地球、金星和水星，實(shí)現(xiàn)持續(xù)緩慢減速。信使號(hào)項(xiàng)目科學(xué)家、約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家拉爾夫·麥克納特表示，“信使”號(hào)的行程好比“宇宙撞球游戲”。

其熱控分系統(tǒng)主要采用由大約2.7米長(zhǎng)、2.4米寬（也有報(bào)高2.4米，寬1.8米）、6毫米厚的耐高溫陶瓷材料制成的遮陽(yáng)罩來遮護(hù)，能夠完全有效地阻擋太陽(yáng)輻射。它像一個(gè)盾牌，裝在向陽(yáng)的一面，以經(jīng)受900°C以上的高溫。當(dāng)探測(cè)器接近太陽(yáng)時(shí)，遮陽(yáng)罩的溫度可達(dá)到371°C，然而在遮陽(yáng)罩的遮擋下，信使號(hào)探測(cè)器的溫度僅保持20°C常溫。探測(cè)器上多數(shù)的電子設(shè)備都在背陽(yáng)的一面，并放置在接近室溫的空間內(nèi)。遮陽(yáng)罩的設(shè)計(jì)者巴齊特爾（Bachtell）向自己的母親求教了縫紉技巧后，用特殊工具把新研制出來的陶瓷隔熱片切割成小塊，再用包有聚四氟乙烯絕緣材料的玻璃絲把一塊塊隔熱片縫合成遮陽(yáng)罩。巴切爾說：“如果沒有這層保護(hù)層，高溫將會(huì)把一切東西烤化?！?/p>

除了獨(dú)具特色的遮陽(yáng)罩，信使號(hào)還有許多引人注目的特點(diǎn)。例如,信使號(hào)的兩翼就像兩面鏡子，人們甚至可以對(duì)著它們梳妝打扮。兩翼由數(shù)千個(gè)小“鏡子”組成，其中2/3的“鏡子”用于反射水星附近的強(qiáng)烈陽(yáng)光，剩下的“鏡子”用于將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成電能。信使號(hào)內(nèi)部有許多和電子儀器相連的排熱管，一直通到飛行器外表。排熱管一般情況下都會(huì)打開，向外排放電子儀器工作中釋放的熱量。當(dāng)信使號(hào)飛到水星和太陽(yáng)之間的位置時(shí)，這些排熱管將關(guān)閉，防止太陽(yáng)釋放的熱量侵入探測(cè)器內(nèi)部。水星探索計(jì)劃首席熱能工程師杰克·埃爾科萊解釋說：“它基本上就是個(gè)熱水瓶。”飛行6年半、80億千米的時(shí)空距離對(duì)于信使號(hào)的精確測(cè)控來說也是一大挑戰(zhàn)。一旦軌道控制不好，信使號(hào)將無法按照需要進(jìn)行探測(cè)。

信使號(hào)拍到水星上的火山口

水星表面上的坑

信使號(hào)星體結(jié)構(gòu)主要由石墨環(huán)氧材料制成。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅質(zhì)量較小，而且具有足以耐受發(fā)射環(huán)境的強(qiáng)度。其姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)由幾臺(tái)星跟蹤器和慣性測(cè)量單元完成，并用6臺(tái)數(shù)字太陽(yáng)敏感器作為備份；慣性測(cè)量單元內(nèi)有4臺(tái)陀螺和4臺(tái)加速度計(jì)；姿態(tài)控制由4個(gè)反作用動(dòng)量輪和小功率推進(jìn)器來完成。其電源分系統(tǒng)采用2個(gè)太陽(yáng)電池翼和一組鎳氫電池。其“中樞”是綜合電子艙，艙中裝有2臺(tái)處理器。信使號(hào)主要通過其2副圓極化X波段相控陣天線來接收指令和發(fā)送數(shù)據(jù)，其上的中增益和低增益天線既可用于上行通信也可用于下行通信，通過上行通信向信使號(hào)發(fā)送控制指令。

細(xì)查水星的神眼

信使號(hào)對(duì)水星探測(cè)概念圖

信使號(hào)此行有6項(xiàng)任務(wù)：測(cè)探水星具有何種磁場(chǎng)特征、為什么水星的密度那樣高？水星具有何種地質(zhì)形成過程、水星核具有怎樣的構(gòu)成和形態(tài)、水星兩極的異常物質(zhì)是什么、水星表面有哪些不穩(wěn)定物質(zhì)對(duì)其外大氣層的形成起了重要作用。為了完成這些任務(wù)，信使號(hào)攜帶了7臺(tái)科學(xué)探測(cè)儀器，從而使這顆探測(cè)器“無所不能”，比如：繪制水星表面的詳細(xì)資料，獲取水星地殼成份，勘測(cè)其磁場(chǎng)屬性和纖薄大氣層。對(duì)水星表面構(gòu)成的研究可能有助于揭示水星密度大于太陽(yáng)系中其它行星的原因。

信使號(hào)還將進(jìn)行一項(xiàng)射電科學(xué)（RS）研究，利用多普勒效應(yīng)測(cè)量航天器繞水星運(yùn)行時(shí)速度的微小變化，使科學(xué)家能夠研究水星的質(zhì)量分布，包括其地殼厚度的變化情況。

通過信使號(hào)可進(jìn)行多項(xiàng)水星地質(zhì)研究，以確定其表面形成過程。如，用光譜儀確定構(gòu)成其表面巖石的元素與礦物成分；用成像儀對(duì)水星整個(gè)表面進(jìn)行立體拍攝，以確定該行星的全球地形變化和地貌；用激光高度計(jì)對(duì)北半球上進(jìn)行更準(zhǔn)確的地形測(cè)量。把所獲得的水星地形數(shù)據(jù)與通過對(duì)信使號(hào)跟蹤而測(cè)得的水星引力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可使科學(xué)家能夠確定水星地殼厚度的局部變化。

由于信使號(hào)的水星軌道將會(huì)十分接近水星北極，它將嘗試確認(rèn)某些水星環(huán)形山中是否存在冰。這種可能性是通過地基雷達(dá)觀測(cè)提出的。

簡(jiǎn)言之，利用多部成像設(shè)備和1臺(tái)激光高度計(jì)，信使號(hào)將測(cè)量水星環(huán)形山地帶的地形，確認(rèn)環(huán)形山深度和邊緣高度，并確認(rèn)它們是否處在永久的陰影中。這一點(diǎn)被認(rèn)為是水星上存在冰的必要條件，一般來講，水星上能被陽(yáng)光照射到的部分所接收到的熱能足以使冰融化。探測(cè)器還將在水星上尋找“冰汽化”的跡象。

已獲大量新發(fā)現(xiàn)

分辨率為18米的信使號(hào)在3次飛越水星的過程中就取得了大量成就，繪制了水星表面的詳細(xì)狀況，勘測(cè)了這顆行星的構(gòu)成成份、地磁環(huán)境以及稀薄的大氣層等多種特征。例如，信使號(hào)第1次飛越水星時(shí)實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器在最近33年來對(duì)水星的首次近距離觀測(cè)，當(dāng)時(shí)它與水星表面的距離一度僅有200千米。2008年7月3日，美國(guó)發(fā)布了信使號(hào)2008年1月第1次飛越水星所得觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，揭開了天文學(xué)界多個(gè)長(zhǎng)期探索的謎題，為證明這顆行星上平坦的平原是由遠(yuǎn)古火山活動(dòng)形成，并不是太空巖石撞擊的產(chǎn)物的說法提供了證據(jù)。

信使號(hào)對(duì)水星進(jìn)行探測(cè)

信使號(hào)探測(cè)器是第1個(gè)進(jìn)入水星軌道的探測(cè)器，但并不是第一顆進(jìn)入太陽(yáng)系最深處的探測(cè)器。在1974年至1975年之間，美國(guó)水手10號(hào)探測(cè)器曾3次飛越水星，使科學(xué)家獲得迄今最詳細(xì)的行星資料。但水手10號(hào)探測(cè)器每次僅能觀測(cè)到水星的一側(cè)，只能繪制表面45%的面積，而且分辨率只有1.6千米。水手10號(hào)曾于1975年拍到水星平坦表面的圖像。一些科學(xué)家當(dāng)時(shí)認(rèn)為，水星平原可能也像月球平原那樣，是受撞擊后被“轟”出來的。但也有科學(xué)家認(rèn)為，水星平原源于火山噴發(fā)。由于水手10號(hào)發(fā)回的圖像上并沒有火山口或者其他的火山特征，這一爭(zhēng)論一直未有定論。而根據(jù)信使號(hào)測(cè)量到的水星表面反射率、顏色變化等數(shù)據(jù)以及高分辨率圖像，科學(xué)家在水星一處盆地周圍發(fā)現(xiàn)了火山口存在的證據(jù)，證明導(dǎo)致水星平原形成的因素中，火山作用是最重要的因素之一。

水星質(zhì)量的60%都來源于鐵，但信使號(hào)卻發(fā)現(xiàn)水星表面礦物中鐵的分布相對(duì)較稀少，而且其地殼和地幔中很可能也是這種情形，所以高密度的水星表明其核心含鐵量很高。這一點(diǎn)可能與太陽(yáng)系內(nèi)的其他行星不同，造成這一現(xiàn)象的原因還有待信使號(hào)的進(jìn)一步探索。

第1次飛越水星時(shí)信使號(hào)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家十分感興趣的水星磁場(chǎng)源自水星外核位置，核的冷卻收縮過程為磁場(chǎng)提供動(dòng)力。研究證實(shí)，水星地核有熔巖，反映它跟我們居住的地球很相似，令人相信水星可以用作研究地球遠(yuǎn)古的活動(dòng)和外貌。

信使號(hào)發(fā)回的一組水星表面照片讓不少天文學(xué)家大吃一驚：水星上存在一種特殊的地形，此前從未在太陽(yáng)系行星照片上出現(xiàn)過：一處約800米高的高地周圍有上百條向外輻射的裂紋，從空中看去如同一只張牙舞爪的百足蜘蛛。研究人員遂將這種地形命名為“蜘蛛”地形。照片顯示，水星表面上出現(xiàn)許多懸崖和斷層。信使號(hào)2011年進(jìn)入水星軌道后可更近地察看這些懸崖。

飛越水星時(shí)信使號(hào)還調(diào)查了其磁場(chǎng)和磁氣圈，結(jié)果表明，像地球一樣，水星也有較大的兩極磁場(chǎng)，但沒有地球磁場(chǎng)強(qiáng)大；水星的磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)間存在強(qiáng)烈的相互作用，這種情況引起的超動(dòng)力能交換，大約相當(dāng)于地球上的100座中型發(fā)電站輸出的能量。

信使號(hào)第2次飛越使科學(xué)家第1次窺見了水星西半球的真面目，由此發(fā)現(xiàn)這顆行星的磁場(chǎng)是高度對(duì)稱的，有望揭開更多的水星之謎。信使號(hào)首席科學(xué)家說：“整理這些數(shù)據(jù)，并將它們進(jìn)行對(duì)比后，我們將第一次擁有水星的全球景觀圖?！?/p>

在第2次飛越中，信使號(hào)的速度達(dá)到了約23813千米/小時(shí)，所考察的區(qū)域相當(dāng)于整個(gè)南非的大小。美國(guó)于2008年10月29日公布了信使號(hào)探測(cè)器10月6日第2次飛越水星的觀測(cè)結(jié)果，水星上很多人類以前從未觀測(cè)到的表面得以露出真容，并獲得了有關(guān)水星大氣層和磁場(chǎng)的新數(shù)據(jù)。飛越期間，信使號(hào)共拍攝了1287幅水星表面照片，對(duì)水星表面此前未被觀測(cè)面積的約30%進(jìn)行了觀測(cè)，面積超過了南美洲的陸地總面積。

2009年9月29日，信使號(hào)探測(cè)器完成了第3次，也是最后一次飛越水星任務(wù)。它成功地拍攝了水星表面一些以前從未被觀測(cè)過的地方，使得水星表面被測(cè)繪面積擴(kuò)大到98%；在水星上發(fā)現(xiàn)了季節(jié)變化的跡象，并在這顆行星的表面發(fā)現(xiàn)了含量較多的金屬元素鐵。水星在圍繞軌道運(yùn)行期間，大氣受到季節(jié)影響，了解這些季節(jié)性差異，將有助于科學(xué)家了解水星表面物質(zhì)是如何喪失的，以及這顆行星表面是如何隨時(shí)間發(fā)生變化的。這次飛越水星，還為科學(xué)家提供了這顆行星表面特定元素?cái)?shù)量的數(shù)據(jù)。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家認(rèn)為水星表面缺少鐵和鈦等重金屬元素，認(rèn)為水星是太陽(yáng)系里最致密的巖質(zhì)行星。

2009年12月15日，美國(guó)地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)召開會(huì)議，發(fā)布了世界上第一幅水星表面地形圖。

由于水星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行非?？?，僅88天便完成環(huán)繞一周。在每個(gè)水星年中，為了使其軌道的近水星點(diǎn)高度保持在500千米以下，信使號(hào)必須進(jìn)行2次軌道維持。由于一個(gè)水星日就相當(dāng)于176個(gè)地球日，所以信使號(hào)其實(shí)僅工作2個(gè)水星日。在第1個(gè)水星日期間，信使號(hào)主要通過不同的儀器進(jìn)行全球繪圖；在第2個(gè)水星日期間，則有選擇地進(jìn)行科學(xué)考察。環(huán)水星飛行1年后，科學(xué)家們將得到水星三維成像圖、全球表面化學(xué)特征及內(nèi)部磁場(chǎng)幾何結(jié)構(gòu)。

目前，美國(guó)航宇局計(jì)劃延長(zhǎng)信使號(hào)探測(cè)器服役期一年，但未來具體的延長(zhǎng)時(shí)間需要用時(shí)間來證明。信使號(hào)探測(cè)器并未攜帶足夠的燃料返回地球，因此它將最終螺旋式地碰撞在水星表面，在水星表面形成一個(gè)隕坑。

信使號(hào)探測(cè)器10月6日第2次飛越水星拍攝的照片

水手10號(hào)探測(cè)器拍到的水星

相關(guān)鏈接

信使號(hào)水星探測(cè)器六大驚人事實(shí)

□ 任秋凌

1. 信使號(hào)是一位馬拉松選手

從地球出發(fā)前往水星后，“信使”號(hào)探測(cè)器已經(jīng)飛行了大約79億千米，飛行時(shí)間超過6年半，在此過程中，它已經(jīng)繞太陽(yáng)運(yùn)行了15周。

2. 又是一位短跑選手

盡管旅途較為漫長(zhǎng)，但“信使”號(hào)的飛行速度并不慢。研究人員表示，這顆探測(cè)器在6年半的太空飛行中相對(duì)于太陽(yáng)的平均速度達(dá)到每小時(shí)13.6萬(wàn)千米。這一速度幾乎是美國(guó)航宇局的航天飛機(jī)在低地球軌道飛行時(shí)的5倍。有時(shí)候，“信使”號(hào)的飛行速度超過每小時(shí)22.5萬(wàn)千米，接近史上探測(cè)器的最快飛行速度。

3. 也是一只“油老虎”

2004年發(fā)射時(shí)，“信使”號(hào)的重量達(dá)到1100千克左右，推進(jìn)劑的比重占到55%左右，達(dá)到600千克。攜帶如此多的推進(jìn)劑的一個(gè)重要原因是，“信使”號(hào)需要減速以進(jìn)入水星軌道。研究人員表示，入軌過程——“信使”號(hào)飛行速度減至足以讓水星引力捕獲的程度——將消耗“信使”號(hào)在發(fā)射時(shí)所攜推進(jìn)劑的大約31%。

4.“信使”身軀并不龐大

信使號(hào)探測(cè)器軌道運(yùn)行示意圖

“信使”號(hào)的主體高1.42米，寬1.85米，長(zhǎng)4.2英尺1.27米，體積與一個(gè)大辦公桌相當(dāng)。它裝有2個(gè)太陽(yáng)能電池板“翅膀”，面積1.5米×1.65米，在探測(cè)器兩側(cè)展開?！靶攀埂碧?hào)發(fā)射時(shí)的重量超過1噸，其中有

超過一半的負(fù)荷為燃料，探測(cè)器本身以及所攜帶科學(xué)儀器的總重量大約在500千克左右。

5. 長(zhǎng)長(zhǎng)的橢圓形軌道

“信使”號(hào)的12小時(shí)繞水軌道將是一個(gè)橢圓形。距離水星表面最近時(shí)，二者之間的距離不超過200千米，最遠(yuǎn)時(shí)的距離達(dá)到15193千米。距水星地表高度的短暫變化允許“信使”號(hào)更好地了解水星的地質(zhì)特征。此外，橢圓形軌道也能保護(hù)“信使”號(hào)免遭水星荒涼表面反射的大量熱量侵襲。

6. 追隨另一顆探測(cè)器的腳步

“信使”號(hào)將是第一顆進(jìn)入水星軌道的探測(cè)器，但它并不是第一顆對(duì)這顆太陽(yáng)系最內(nèi)側(cè)行星進(jìn)行觀測(cè)的探測(cè)器。1974年和1975年，美國(guó)宇航局的“水手10號(hào)”探測(cè)器曾3次飛越水星，與30多年前的前輩“水手10號(hào)”相比，這顆探測(cè)器將幫助科學(xué)家進(jìn)一步了解水星。

水手10號(hào)探測(cè)器

信使號(hào)水星探測(cè)器在軌示意圖