美國“信使”水星探測器圓滿完成任務(wù)

美國“信使”水星探測器圓滿完成任務(wù)

在2015年1月21日最后一次助推器點(diǎn)火后，人類有史以來首個進(jìn)入水星軌道的探測器“信使”（MESSENGER）消耗掉所有燃料，其軌道高度將維持到今年4月底。屆時，該探測器將緩慢墜入水星，結(jié)束長達(dá)7年的探測任務(wù)。它對水星的探測結(jié)果，讓人類進(jìn)一步了解這顆距太陽最近的類地行星的諸多秘密。

水手-10探測器飛向水星

1　人類探測水星的歷史

相對于火星探測的如火如荼，水星更像是被人遺忘的星球。到目前為止，人類僅有兩次以水星為主任務(wù)目標(biāo)的探測活動。究其原因，一是由于水星是太陽系最內(nèi)側(cè)的星球，對探測器的熱控系統(tǒng)要求很高；二是由于水星上存在生命的概率基本為零，因此人類對探測水星熱情不高。

1973年11月3日美國發(fā)射了水手-10（Mariner-10）探測器，它于1974年3月29日從距離水星表面700km處掠過，然后進(jìn)入周期為176天的公轉(zhuǎn)軌道，環(huán)繞太陽運(yùn)行，其周期正好是兩個水星年，這使它每次回到水星時都在以前的同一地點(diǎn)。1974年9月21日，水手-10第2次飛掠水星；1975年3月16日，水手-10第3次也是最后一次飛掠水星，由于耗盡了用于軌道保持的冷氣，水手-10主任務(wù)正式宣布結(jié)束。這3次近距離觀測總共獲得了水星表面最高分辨率達(dá)1000m照片超過1萬張，覆蓋了水星45%的表面積?？茖W(xué)人員通過對照片的分析發(fā)現(xiàn)，水星表面和月球類似，充滿隕石撞擊和早期火山活動痕跡，同時發(fā)現(xiàn)水星存在一個微弱的偶極磁場。

由于水手-10為飛掠性質(zhì)的探測任務(wù)，因此不可能做到長時間對水星進(jìn)行細(xì)致觀測，為了完善人類對水星的認(rèn)知，美國于2004年8月3日發(fā)射了“信使”專用水星探測器，其主要目的是利用環(huán)繞探測的優(yōu)勢，深入研究水星表面的化學(xué)成分、地理環(huán)境、磁場、地質(zhì)年代、核的狀態(tài)及大小、自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動情況、散逸層及磁場的分布等問題。

2　探測器分系統(tǒng)組成與科學(xué)載荷簡介

分系統(tǒng)組成

“信使”探測器的主體結(jié)構(gòu)長、寬、高分別約為1.42m、1.85m、1.27m。它的兩側(cè)裝有2副1.5m×1.65m的太陽電池翼，在巡航階段能提供385～485 W的功率輸出，在環(huán)繞水星階段能提供640W的功率輸出?！靶攀埂钡脑O(shè)計和建造都由約翰-霍普斯金大學(xué)的應(yīng)用物理實驗室（JHU/APL）負(fù)責(zé)，總造價約為4.46億美元。

“信使”由熱控分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)和科學(xué)載荷組成。由于水星距離太陽很近，因此為了應(yīng)對高熱輻射環(huán)境的挑戰(zhàn)，探測器的熱控分系統(tǒng)很有特色。

水星為太陽系最內(nèi)側(cè)行星，表面溫度可達(dá)到450℃。為此，研究團(tuán)隊在探測器前端安裝了具有高反射性的耐熱遮陽罩，遮陽罩的主體框架采用熱強(qiáng)度很高的鈦合金制造，高約2.5m，寬約2m，外層覆蓋6mm厚的耐高溫陶瓷材料。遮陽罩的外層采用和航天飛機(jī)隔熱瓦相同的材料—Nextel陶瓷纖維編織，防熱陶瓷被切割成小塊，再用包有聚四氟乙烯絕緣材料的玻璃絲將小塊隔熱片縫合起來；遮陽罩的內(nèi)層為多層Kapton絕緣塑料。這樣的材料組合能有效地隔絕大部分熱量，當(dāng)探測器到達(dá)水星時，遮陽罩前端的溫度可達(dá)到371℃，但在遮陽罩的后面，探測器及其攜帶的儀器溫度卻能保持在20℃左右。

科學(xué)載荷儀器

為了實現(xiàn)6項科學(xué)目標(biāo)，“信使”攜帶了7種科學(xué)載荷，主要用于水星表面成像，大氣、表層化學(xué)成分及外大氣層和磁場的測量。科學(xué)載荷的選取是實現(xiàn)典型科學(xué)目標(biāo)與包括質(zhì)量、能源、機(jī)械結(jié)構(gòu)、日程安排及成本等多種因素在內(nèi)的任務(wù)資源的平衡過程。對于“信使”來說，質(zhì)量和機(jī)械結(jié)構(gòu)是最主要的限制因素，由于需要大量的推進(jìn)劑來執(zhí)行軌道插入，載荷質(zhì)量被控制在50kg，同時，任務(wù)應(yīng)對高熱輻射環(huán)境所需的獨(dú)特?zé)峥貥?gòu)型限制了其他部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3　“信使”的運(yùn)行軌道

2011年3月17日，“信使”經(jīng)過15min的近水星制動后以1.6km/s的速度成功插入一條短半徑為201km、長半徑為15000km的大橢圓軌道，實現(xiàn)水星軌道捕獲，而在這之前的6年半時間里，“信使”已經(jīng)飛行了大約8.84×109km，期間繞太陽運(yùn)行了15周，飛掠地球1次、金星2次、水星3次。

“信使”探測器結(jié)構(gòu)圖

“信使”的科學(xué)載荷

“信使”探測器飛行軌道

作為太陽系最內(nèi)側(cè)的行星，水星與地球之間的距離并不算遙遠(yuǎn)。飛行路線如此迂回曲折且漫長的原因是，探測器要克服太陽的巨大引力被水星捕獲成為其衛(wèi)星。為了進(jìn)入水星軌道，“信使”需要大幅減速，當(dāng)其所受水星引力大于太陽引力，且速度能滿足繞水星質(zhì)心的圓周運(yùn)動時，才能實現(xiàn)探測器的捕獲，讓其成為環(huán)繞水星運(yùn)動的衛(wèi)星。同時，水星大氣層極為稀薄，無法實施大氣制動。對于像火星、金星這樣有大氣的星球來說，探測器在抵近后可通過與大氣的摩擦來降低動能實現(xiàn)減速，這一過程稱為“大氣制動”，但“信使”無法在水星大氣層做到這一點(diǎn)，因為水星大氣層平均壓力約為10～15Pa。所以，自2004年發(fā)射升空以來，“信使”已多次飛越金星和水星，利用“引力彈弓”效應(yīng)進(jìn)行緩慢減速和軌道修正，但即使這樣，速度增量仍不夠?qū)崿F(xiàn)軌道捕獲，在水星環(huán)繞軌道的插入機(jī)動過程中，“信使”消耗了其在發(fā)射時所攜推進(jìn)劑的大約31%。

4　“信使”取得的科學(xué)成果

在“信使”探測器10年的征程中，它3次飛掠水星，利用“引力彈弓”原理減速和修正軌道，并最終于2011年3月進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，在其主任務(wù)（2011年9月18日-2012年3月25日）結(jié)束后，“信使”還完成了2次擴(kuò)展任務(wù)。在對水星探測將近4年的時間里，“信使”共向地球傳回了25萬余張照片，面向公眾發(fā)布了多達(dá)10TByte的科學(xué)數(shù)據(jù)，獲取了繼水手-10以來水星表面地質(zhì)地貌、磁場、稀薄大氣等最全面、最真實的數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了人類對水星認(rèn)識的空白。

“信使”完成了既定的任務(wù)目標(biāo)，并且通過擴(kuò)展任務(wù)讓科學(xué)家們對水星有了更全面、立體的認(rèn)識，其上搭載的7種科學(xué)載荷傳回的科學(xué)數(shù)據(jù)面向科研人員和公眾開放。載荷的地面校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將于2015年9月發(fā)布，最終的綜合分析報告將在2016年3月發(fā)布。除了這些數(shù)據(jù)外，“信使”團(tuán)隊還將任務(wù)執(zhí)行中使用的水星軌道數(shù)據(jù)瀏覽器（MODE）與用于和“信使”交互使用的簡易地圖等工具向公眾開放并提供下載。同時，“信使”科研團(tuán)隊注重這些珍貴科研數(shù)據(jù)的積累與轉(zhuǎn)化，在1998-2014年這10多年時間里，從早期任務(wù)整體方案規(guī)劃中的水星軌道與科學(xué)載荷設(shè)計，到后來的科學(xué)載荷數(shù)據(jù)分析，共發(fā)表了上百篇的論文，并在世界國際空間大會（COSPAR）、月球與行星科學(xué)大會（LPSC）等多個空間探索領(lǐng)域頂級會議上匯報?！靶攀埂碧綔y器的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，打破了以往用望遠(yuǎn)鏡等傳統(tǒng)手段觀測水星所產(chǎn)生的模糊，甚至錯誤的認(rèn)識，用豐富、真實、深入的科學(xué)發(fā)現(xiàn)增進(jìn)了人們對水星的理解。

完成水星全貌測繪

“信使”在繞水星飛行的2年時間里共拍攝了將近17000張照片，實現(xiàn)了水星表面的全貌覆蓋。每幅全貌圖都由上千張照片拼接而成，其中彩色全貌圖使用紅、綠、藍(lán)（1000nm、750nm、430nm）3個譜段合成。科研人員稱，水星全貌圖有助于深刻地了解水星地殼的演化和形成。

水星全貌合成圖像（左為全色、右為彩色）

勘察水星表面地質(zhì)形態(tài)與化學(xué)成分

水手-10探測器傳回的照片讓科學(xué)家看到一個和月球外表一樣布滿隕石坑和火山活動痕跡的水星，而“信使”對水星地形和化學(xué)成分的細(xì)致調(diào)查，顯示了一些獨(dú)一無二的特征地貌，其中最吸引人目光的是水星表面廣泛分布的淺坑，它們尤其集中在撞擊坑中，周邊分散著白色高反光的沉積物，這些物質(zhì)同樣出現(xiàn)在火山坑中心的山峰及撞擊坑邊緣。這些飽受侵蝕的地形有可能暗示水星的外殼地質(zhì)年齡更小，并存在揮發(fā)成分?；羝战鹚勾髮W(xué)應(yīng)用物理實驗室的科學(xué)家稱，“這些淺坑的出現(xiàn)時間比隕石坑晚，證明了水星上仍存在地質(zhì)活動，這在其他石質(zhì)星球上尚未發(fā)現(xiàn)”。同時，“信使”對水星表面鎂/硅、鋁/硅、鈣/硅的比率分析結(jié)果顯示，水星表面并非像月球那樣由富含長石族礦物的巖石組成；還發(fā)現(xiàn)了水星表面富含硫化物，驗證了此前地基望遠(yuǎn)鏡對水星的光譜分析。這項發(fā)現(xiàn)暗示，與其他類地行星相比，水星初始地質(zhì)構(gòu)造活動中氧化反應(yīng)發(fā)生得更少，這對水星上火山的成因有很大幫助。

完成水星磁場測量

磁場和重力場是科學(xué)家深入研究水星內(nèi)部的主要線索，這也是研究行星形成和演變的主要證據(jù)?？茖W(xué)家認(rèn)為水星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其他類地星球并不相同，根據(jù)水手-10數(shù)據(jù)推斷，水星的內(nèi)核占到整個星球體積的61%，向外分別是硅酸鹽成分的地幔和很薄的外殼。

最初認(rèn)為水星的內(nèi)核很早之前就已冷卻，因此不能利用“行星發(fā)電機(jī)效應(yīng)”產(chǎn)生磁場。然而，“信使”磁強(qiáng)計的測量和之前地面雷達(dá)觀測的結(jié)果顯示，水星表面存在磁場，其強(qiáng)度僅為地球的1%，而且兩極比赤道的磁場略強(qiáng)。霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的科學(xué)家稱：“水星確實為偶極磁場，我們并未發(fā)現(xiàn)水星外殼存在明顯的短波輻射異常，這意味著它是一個新式的行星發(fā)電機(jī)模型”。

此外，“信使”探測器發(fā)現(xiàn)水星磁場中心位于水星球體中心北側(cè)，偏離近乎20%半徑的距離，這造成北半球磁場強(qiáng)度約為南半球的3.5倍，這種偏差與行星的半徑比值較其他星球大。南北半球磁場強(qiáng)度差異如此明顯，意味著水星南半球承受高能粒子，太陽風(fēng)與電子的撞擊頻率遠(yuǎn)高于北半球，這也導(dǎo)致了南半球外層大氣和表層成分在受到帶電粒子轟擊后產(chǎn)生“褪色”現(xiàn)象。

完成水星大氣成分與動力學(xué)研究

水星的引力僅為地球的38%，而且是距離太陽最近的行星，其所處空間環(huán)境理應(yīng)使其無法保持擁有大氣。但“信使”上的離子分光計長期觀測傳回的數(shù)據(jù)，證實水星確實存在大氣，盡管極為稀薄近似于真空，但卻很活躍，并且富含氫、氦、氧、鈣、硫、納、鉀、水蒸氣和一些被認(rèn)為在空間環(huán)境中不易保存的揮發(fā)性元素。同時，在強(qiáng)烈的太陽輻射壓作用下，大氣背向太陽方向壓縮延伸，形成了數(shù)千千米類似于彗尾的延伸帶。

“信使”的窄角相機(jī)拍攝的水星Seuss隕石坑?xùn)|北角圖像（分辨率32m）

水星磁場分布示意

水星大氣成分補(bǔ)充示意

科學(xué)家認(rèn)為，水星大氣有如此多的揮發(fā)元素，是在水星火山氣體噴發(fā)、微隕石撞擊和太陽風(fēng)的長期共同作用下形成的，并且太陽風(fēng)可能是水星大氣不斷得到物質(zhì)補(bǔ)充的重要原因。水星的微弱磁場不能阻擋太陽風(fēng)對表面的直接轟擊，在風(fēng)中高能帶電粒子的離子濺射效應(yīng)作用下，水星表面的易揮發(fā)性元素以游離態(tài)逃逸到水星大氣中，它們在太陽輻射壓的作用下跑到背陽面。同時，水星上還存在磁場重聯(lián)現(xiàn)象，磁場重聯(lián)造成了磁尾分裂，導(dǎo)致磁尾中大部分的等離子體被拋射入太空；同時，另一部分粒子在形成的漩渦磁場中抵達(dá)水星背陽面，同樣是在離子濺射作用下，背面的化學(xué)物質(zhì)也以游離態(tài)離子形式補(bǔ)充到水星大氣中。以上兩種情況共同構(gòu)成了水星上大氣成分的補(bǔ)充機(jī)制。

確認(rèn)極區(qū)水冰沉積物存在

水星相對于太陽赤道的軌道傾角僅為3.38°，因此在水星極區(qū)存在很多陽光照射不到的永久陰影區(qū)。正如月球極區(qū)被證實存在大量水冰一樣，科學(xué)家們相信，在水星上這些永久陰影區(qū)尤其是撞擊坑內(nèi)可能存在水冰。

20世紀(jì)90年代初，地基射電望遠(yuǎn)鏡對水星的雷達(dá)照射顯示水星極區(qū)存在一些反射率很高的“亮區(qū)”，其反射率特性和水冰非常相似。此外，這些“亮區(qū)”的位置和水手-10拍攝的水星地表大型撞擊坑的位置相對應(yīng)，但由于水手-10未能獲得水星極區(qū)的圖像，因此無法確定永久陰影區(qū)位置是否同樣相互吻合。隨著“信使”抵達(dá)水星，這些問題迎刃而解?！靶攀埂碧綔y器搭載的水星雙成像系統(tǒng)拍攝的圖像顯示，那些水星兩極的“亮區(qū)”都位于永久陰影區(qū)內(nèi)；同時確認(rèn)了，水星北極永久陰影區(qū)內(nèi)沉積物的主要成分確是水冰。在溫度較低的區(qū)域，水冰直接暴露于地表；而在一些溫度稍高的區(qū)域，水冰表面上覆蓋著一層尚未確定成分的深色物質(zhì)。

“信使”還使用中子光譜儀測量“亮區(qū)”的氫原子豐度來推算出水冰的沉積量，測量結(jié)果顯示“亮區(qū)”存在一層平均厚度約為數(shù)十厘米的富氫物質(zhì)層，其上方覆蓋有一層10～20cm厚的表層，這層中的氫含量則相對較低。

5　結(jié)語

人類有史以來首顆進(jìn)入水星環(huán)繞軌道的探測器“信使”，已經(jīng)圍繞水星運(yùn)行了4年，這是一次漫長而收獲頗豐的旅行，但再長的旅行終有盡頭，耗盡所有燃料的“信使”即將緩慢墜入水星。在生命的最后時刻，其上搭載的相機(jī)鏡頭將會為人類提供水星表面景觀；同時，“信使”還將在從未到達(dá)的高度測量內(nèi)部磁場，撞擊產(chǎn)生的濺射塵埃也能用于研究水星表面是否存在逃逸層未發(fā)現(xiàn)的元素。這些珍貴的數(shù)據(jù)將為2017年啟程的又一個水星探險者“貝皮-科倫布”（Bepi-Colombo）水星探測器提供重要幫助。

劉嘉寧/文

NASA’s MESSENGER Mission Completes Task Successfully