人類第一顆水星探測衛星信使號進入水星軌道

□ 司馬杭仁

信使號結構示意圖

北京時間2011年3月18日8點45分，通過借助地球、金星和水星引力飛行6年半的美國信使號水星探測器，經過15分鐘的近水星制動，以1.6千米/秒的速度進入水星軌道，成為世界第1顆水星探測衛星。它將對水星進行為期1年的科學考察，將揭示被太陽炙烤的水星為何具有太陽系中最大的行星密度，以及在水星兩極陰暗的環形山中是否有冰存在。這是30年來人類探測器首次對水星進行全面的環繞探測。

在信使號進入水星軌道之際，美國航宇局局長博爾登也在位于馬里蘭州約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的信使號控制中心內。他說：“這項任務將在接下來的一年時間內繼續帶給我們有關水星的最新數據。美國航宇局的探測計劃正在不斷改寫著我們的教科書，而信使號計劃正是我們不斷努力擴展人類知識邊疆的最好例證。”

全副武裝的信使

耗資4.46億美元的美國信使號水星探測器由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室(APL)設計制造以及運行和管理，它于2004年8月3日由德爾它2號火箭發射升空。

水星（左）和地球的比較

信使號由推進分系統、熱控分系統、姿態控制分系統、電源分系統、電子設備及天線和科學探測儀器組成，采用2種模式的液體化學推進系統來進行巡航和入軌機動，其中裝有肼和四氧化二氮推進劑的雙組元主推進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動，裝有肼的16個小型單組元推進器用于在小的變軌機動或軌道保持時使用。推進系統與星體結構集成為一體，以節省質量。

由于水星非常接近太陽，在向水星進軍的過程中，信使號面臨的最大障礙是太陽的巨大引力和高溫。水星上太陽的亮度比地球上高出多達11倍，表面溫度可達到450℃，所以設計信使號的關鍵是如何應對水星的高熱環境。為克服高溫影響，信使號配備有了采用鈦材料制成的大型遮陽罩，它安裝在探測器前端，使信使號探測器具備抗熱性和高陽光反射性；為克服引力影響，信使號此前已多次近距離飛掠地球、金星和水星，實現持續緩慢減速。信使號項目科學家、約翰斯·霍普金斯大學天文學家拉爾夫·麥克納特表示，“信使”號的行程好比“宇宙撞球游戲”。

其熱控分系統主要采用由大約2.7米長、2.4米寬（也有報高2.4米，寬1.8米）、6毫米厚的耐高溫陶瓷材料制成的遮陽罩來遮護，能夠完全有效地阻擋太陽輻射。它像一個盾牌，裝在向陽的一面，以經受900°C以上的高溫。當探測器接近太陽時，遮陽罩的溫度可達到371°C，然而在遮陽罩的遮擋下，信使號探測器的溫度僅保持20°C常溫。探測器上多數的電子設備都在背陽的一面，并放置在接近室溫的空間內。遮陽罩的設計者巴齊特爾（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罩。巴切爾說：“如果沒有這層保護層，高溫將會把一切東西烤化。”

除了獨具特色的遮陽罩，信使號還有許多引人注目的特點。例如,信使號的兩翼就像兩面鏡子，人們甚至可以對著它們梳妝打扮。兩翼由數千個小“鏡子”組成，其中2/3的“鏡子”用于反射水星附近的強烈陽光，剩下的“鏡子”用于將陽光轉化成電能。信使號內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打開，向外排放電子儀器工作中釋放的熱量。當信使號飛到水星和太陽之間的位置時，這些排熱管將關閉，防止太陽釋放的熱量侵入探測器內部。水星探索計劃首席熱能工程師杰克·埃爾科萊解釋說：“它基本上就是個熱水瓶。”飛行6年半、80億千米的時空距離對于信使號的精確測控來說也是一大挑戰。一旦軌道控制不好，信使號將無法按照需要進行探測。

信使號拍到水星上的火山口

水星表面上的坑

信使號星體結構主要由石墨環氧材料制成。這種復合材料結構不僅質量較小，而且具有足以耐受發射環境的強度。其姿態測量系統由幾臺星跟蹤器和慣性測量單元完成，并用6臺數字太陽敏感器作為備份；慣性測量單元內有4臺陀螺和4臺加速度計；姿態控制由4個反作用動量輪和小功率推進器來完成。其電源分系統采用2個太陽電池翼和一組鎳氫電池。其“中樞”是綜合電子艙，艙中裝有2臺處理器。信使號主要通過其2副圓極化X波段相控陣天線來接收指令和發送數據，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發送控制指令。

細查水星的神眼

信使號對水星探測概念圖

信使號此行有6項任務：測探水星具有何種磁場特征、為什么水星的密度那樣高？水星具有何種地質形成過程、水星核具有怎樣的構成和形態、水星兩極的異常物質是什么、水星表面有哪些不穩定物質對其外大氣層的形成起了重要作用。為了完成這些任務，信使號攜帶了7臺科學探測儀器，從而使這顆探測器“無所不能”，比如：繪制水星表面的詳細資料，獲取水星地殼成份，勘測其磁場屬性和纖薄大氣層。對水星表面構成的研究可能有助于揭示水星密度大于太陽系中其它行星的原因。

信使號還將進行一項射電科學（RS）研究，利用多普勒效應測量航天器繞水星運行時速度的微小變化，使科學家能夠研究水星的質量分布，包括其地殼厚度的變化情況。

通過信使號可進行多項水星地質研究，以確定其表面形成過程。如，用光譜儀確定構成其表面巖石的元素與礦物成分；用成像儀對水星整個表面進行立體拍攝，以確定該行星的全球地形變化和地貌；用激光高度計對北半球上進行更準確的地形測量。把所獲得的水星地形數據與通過對信使號跟蹤而測得的水星引力場數據進行比較，可使科學家能夠確定水星地殼厚度的局部變化。

由于信使號的水星軌道將會十分接近水星北極，它將嘗試確認某些水星環形山中是否存在冰。這種可能性是通過地基雷達觀測提出的。

簡言之，利用多部成像設備和1臺激光高度計，信使號將測量水星環形山地帶的地形，確認環形山深度和邊緣高度，并確認它們是否處在永久的陰影中。這一點被認為是水星上存在冰的必要條件，一般來講，水星上能被陽光照射到的部分所接收到的熱能足以使冰融化。探測器還將在水星上尋找“冰汽化”的跡象。

已獲大量新發現

分辨率為18米的信使號在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狀況，勘測了這顆行星的構成成份、地磁環境以及稀薄的大氣層等多種特征。例如，信使號第1次飛越水星時實現了人類探測器在最近33年來對水星的首次近距離觀測，當時它與水星表面的距離一度僅有200千米。2008年7月3日，美國發布了信使號2008年1月第1次飛越水星所得觀測數據的分析結果，揭開了天文學界多個長期探索的謎題，為證明這顆行星上平坦的平原是由遠古火山活動形成，并不是太空巖石撞擊的產物的說法提供了證據。

信使號對水星進行探測

信使號探測器是第1個進入水星軌道的探測器，但并不是第一顆進入太陽系最深處的探測器。在1974年至1975年之間，美國水手10號探測器曾3次飛越水星，使科學家獲得迄今最詳細的行星資料。但水手10號探測器每次僅能觀測到水星的一側，只能繪制表面45%的面積，而且分辨率只有1.6千米。水手10號曾于1975年拍到水星平坦表面的圖像。一些科學家當時認為，水星平原可能也像月球平原那樣，是受撞擊后被“轟”出來的。但也有科學家認為，水星平原源于火山噴發。由于水手10號發回的圖像上并沒有火山口或者其他的火山特征，這一爭論一直未有定論。而根據信使號測量到的水星表面反射率、顏色變化等數據以及高分辨率圖像，科學家在水星一處盆地周圍發現了火山口存在的證據，證明導致水星平原形成的因素中，火山作用是最重要的因素之一。

水星質量的60%都來源于鐵，但信使號卻發現水星表面礦物中鐵的分布相對較稀少，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。這一點可能與太陽系內的其他行星不同，造成這一現象的原因還有待信使號的進一步探索。

第1次飛越水星時信使號發現，科學家十分感興趣的水星磁場源自水星外核位置，核的冷卻收縮過程為磁場提供動力。研究證實，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古的活動和外貌。

信使號發回的一組水星表面照片讓不少天文學家大吃一驚：水星上存在一種特殊的地形，此前從未在太陽系行星照片上出現過：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，水星表面上出現許多懸崖和斷層。信使號2011年進入水星軌道后可更近地察看這些懸崖。

飛越水星時信使號還調查了其磁場和磁氣圈，結果表明，像地球一樣，水星也有較大的兩極磁場，但沒有地球磁場強大；水星的磁場和太陽風間存在強烈的相互作用，這種情況引起的超動力能交換，大約相當于地球上的100座中型發電站輸出的能量。

信使號第2次飛越使科學家第1次窺見了水星西半球的真面目，由此發現這顆行星的磁場是高度對稱的，有望揭開更多的水星之謎。信使號首席科學家說：“整理這些數據，并將它們進行對比后，我們將第一次擁有水星的全球景觀圖。”

在第2次飛越中，信使號的速度達到了約23813千米/小時，所考察的區域相當于整個南非的大小。美國于2008年10月29日公布了信使號探測器10月6日第2次飛越水星的觀測結果，水星上很多人類以前從未觀測到的表面得以露出真容，并獲得了有關水星大氣層和磁場的新數據。飛越期間，信使號共拍攝了1287幅水星表面照片，對水星表面此前未被觀測面積的約30%進行了觀測，面積超過了南美洲的陸地總面積。

2009年9月29日，信使號探測器完成了第3次，也是最后一次飛越水星任務。它成功地拍攝了水星表面一些以前從未被觀測過的地方，使得水星表面被測繪面積擴大到98%；在水星上發現了季節變化的跡象，并在這顆行星的表面發現了含量較多的金屬元素鐵。水星在圍繞軌道運行期間，大氣受到季節影響，了解這些季節性差異，將有助于科學家了解水星表面物質是如何喪失的，以及這顆行星表面是如何隨時間發生變化的。這次飛越水星，還為科學家提供了這顆行星表面特定元素數量的數據。長期以來，科學家認為水星表面缺少鐵和鈦等重金屬元素，認為水星是太陽系里最致密的巖質行星。

2009年12月15日，美國地球物理學聯合會召開會議，發布了世界上第一幅水星表面地形圖。

由于水星環繞太陽運行非常快，僅88天便完成環繞一周。在每個水星年中，為了使其軌道的近水星點高度保持在500千米以下，信使號必須進行2次軌道維持。由于一個水星日就相當于176個地球日，所以信使號其實僅工作2個水星日。在第1個水星日期間，信使號主要通過不同的儀器進行全球繪圖；在第2個水星日期間，則有選擇地進行科學考察。環水星飛行1年后，科學家們將得到水星三維成像圖、全球表面化學特征及內部磁場幾何結構。

目前，美國航宇局計劃延長信使號探測器服役期一年，但未來具體的延長時間需要用時間來證明。信使號探測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隕坑。

信使號探測器10月6日第2次飛越水星拍攝的照片

水手10號探測器拍到的水星

相關鏈接

信使號水星探測器六大驚人事實

□ 任秋凌

1. 信使號是一位馬拉松選手

從地球出發前往水星后，“信使”號探測器已經飛行了大約79億千米，飛行時間超過6年半，在此過程中，它已經繞太陽運行了15周。

2. 又是一位短跑選手

盡管旅途較為漫長，但“信使”號的飛行速度并不慢。研究人員表示，這顆探測器在6年半的太空飛行中相對于太陽的平均速度達到每小時13.6萬千米。這一速度幾乎是美國航宇局的航天飛機在低地球軌道飛行時的5倍。有時候，“信使”號的飛行速度超過每小時22.5萬千米，接近史上探測器的最快飛行速度。

3. 也是一只“油老虎”

2004年發射時，“信使”號的重量達到1100千克左右，推進劑的比重占到55%左右，達到600千克。攜帶如此多的推進劑的一個重要原因是，“信使”號需要減速以進入水星軌道。研究人員表示，入軌過程——“信使”號飛行速度減至足以讓水星引力捕獲的程度——將消耗“信使”號在發射時所攜推進劑的大約31%。

4.“信使”身軀并不龐大

信使號探測器軌道運行示意圖

“信使”號的主體高1.42米，寬1.85米，長4.2英尺1.27米，體積與一個大辦公桌相當。它裝有2個太陽能電池板“翅膀”，面積1.5米×1.65米，在探測器兩側展開。“信使”號發射時的重量超過1噸，其中有

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

5. 長長的橢圓形軌道

“信使”號的12小時繞水軌道將是一個橢圓形。距離水星表面最近時，二者之間的距離不超過200千米，最遠時的距離達到15193千米。距水星地表高度的短暫變化允許“信使”號更好地了解水星的地質特征。此外，橢圓形軌道也能保護“信使”號免遭水星荒涼表面反射的大量熱量侵襲。

6. 追隨另一顆探測器的腳步

“信使”號將是第一顆進入水星軌道的探測器，但它并不是第一顆對這顆太陽系最內側行星進行觀測的探測器。1974年和1975年，美國宇航局的“水手10號”探測器曾3次飛越水星，與30多年前的前輩“水手10號”相比，這顆探測器將幫助科學家進一步了解水星。

水手10號探測器

信使號水星探測器在軌示意圖