美國“信使”水星探測器圓滿完成任務

美國“信使”水星探測器圓滿完成任務

在2015年1月21日最后一次助推器點火后，人類有史以來首個進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，結束長達7年的探測任務。它對水星的探測結果，讓人類進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目標的探測活動。究其原因，一是由于水星是太陽系最內側的星球，對探測器的熱控系統要求很高；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，然后進入周期為176天的公轉軌道，環繞太陽運行，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。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主任務正式宣布結束。這3次近距離觀測總共獲得了水星表面最高分辨率達1000m照片超過1萬張，覆蓋了水星45%的表面積。科學人員通過對照片的分析發現，水星表面和月球類似，充滿隕石撞擊和早期火山活動痕跡，同時發現水星存在一個微弱的偶極磁場。

由于水手-10為飛掠性質的探測任務，因此不可能做到長時間對水星進行細致觀測，為了完善人類對水星的認知，美國于2004年8月3日發射了“信使”專用水星探測器，其主要目的是利用環繞探測的優勢，深入研究水星表面的化學成分、地理環境、磁場、地質年代、核的狀態及大小、自轉軸的運動情況、散逸層及磁場的分布等問題。

2　探測器分系統組成與科學載荷簡介

分系統組成

“信使”探測器的主體結構長、寬、高分別約為1.42m、1.85m、1.27m。它的兩側裝有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，在環繞水星階段能提供640W的功率輸出。“信使”的設計和建造都由約翰-霍普斯金大學的應用物理實驗室（JHU/APL）負責，總造價約為4.46億美元。

“信使”由熱控分系統、推進分系統、姿態控制分系統、電源分系統和科學載荷組成。由于水星距離太陽很近，因此為了應對高熱輻射環境的挑戰，探測器的熱控分系統很有特色。

水星為太陽系最內側行星，表面溫度可達到450℃。為此，研究團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，當探測器到達水星時，遮陽罩前端的溫度可達到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。

科學載荷儀器

為了實現6項科學目標，“信使”攜帶了7種科學載荷，主要用于水星表面成像，大氣、表層化學成分及外大氣層和磁場的測量。科學載荷的選取是實現典型科學目標與包括質量、能源、機械結構、日程安排及成本等多種因素在內的任務資源的平衡過程。對于“信使”來說，質量和機械結構是最主要的限制因素，由于需要大量的推進劑來執行軌道插入，載荷質量被控制在50kg，同時，任務應對高熱輻射環境所需的獨特熱控構型限制了其他部件的機械結構設計。

3　“信使”的運行軌道

2011年3月17日，“信使”經過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，實現水星軌道捕獲，而在這之前的6年半時間里，“信使”已經飛行了大約8.84×109km，期間繞太陽運行了15周，飛掠地球1次、金星2次、水星3次。

“信使”探測器結構圖

“信使”的科學載荷

“信使”探測器飛行軌道

作為太陽系最內側的行星，水星與地球之間的距離并不算遙遠。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星。為了進入水星軌道，“信使”需要大幅減速，當其所受水星引力大于太陽引力，且速度能滿足繞水星質心的圓周運動時，才能實現探測器的捕獲，讓其成為環繞水星運動的衛星。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，因為水星大氣層平均壓力約為10～15Pa。所以，自2004年發射升空以來，“信使”已多次飛越金星和水星，利用“引力彈弓”效應進行緩慢減速和軌道修正，但即使這樣，速度增量仍不夠實現軌道捕獲，在水星環繞軌道的插入機動過程中，“信使”消耗了其在發射時所攜推進劑的大約31%。

4　“信使”取得的科學成果

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月進入水星環繞軌道，在其主任務（2011年9月18日-2012年3月25日）結束后，“信使”還完成了2次擴展任務。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，面向公眾發布了多達10TByte的科學數據，獲取了繼水手-10以來水星表面地質地貌、磁場、稀薄大氣等最全面、最真實的數據，填補了人類對水星認識的空白。

“信使”完成了既定的任務目標，并且通過擴展任務讓科學家們對水星有了更全面、立體的認識，其上搭載的7種科學載荷傳回的科學數據面向科研人員和公眾開放。載荷的地面校準數據將于2015年9月發布，最終的綜合分析報告將在2016年3月發布。除了這些數據外，“信使”團隊還將任務執行中使用的水星軌道數據瀏覽器（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”科研團隊注重這些珍貴科研數據的積累與轉化，在1998-2014年這10多年時間里，從早期任務整體方案規劃中的水星軌道與科學載荷設計，到后來的科學載荷數據分析，共發表了上百篇的論文，并在世界國際空間大會（COSPAR）、月球與行星科學大會（LPSC）等多個空間探索領域頂級會議上匯報。“信使”探測器的科學發現，打破了以往用望遠鏡等傳統手段觀測水星所產生的模糊，甚至錯誤的認識，用豐富、真實、深入的科學發現增進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（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）

勘察水星表面地質形態與化學成分

水手-10探測器傳回的照片讓科學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”對水星地形和化學成分的細致調查，顯示了一些獨一無二的特征地貌，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，這些物質同樣出現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年齡更小，并存在揮發成分。霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家稱，“這些淺坑的出現時間比隕石坑晚，證明了水星上仍存在地質活動，這在其他石質星球上尚未發現”。同時，“信使”對水星表面鎂/硅、鋁/硅、鈣/硅的比率分析結果顯示，水星表面并非像月球那樣由富含長石族礦物的巖石組成；還發現了水星表面富含硫化物，驗證了此前地基望遠鏡對水星的光譜分析。這項發現暗示，與其他類地行星相比，水星初始地質構造活動中氧化反應發生得更少，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家深入研究水星內部的主要線索，這也是研究行星形成和演變的主要證據。科學家認為水星的內部結構和其他類地星球并不相同，根據水手-10數據推斷，水星的內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。

最初認為水星的內核很早之前就已冷卻，因此不能利用“行星發電機效應”產生磁場。然而，“信使”磁強計的測量和之前地面雷達觀測的結果顯示，水星表面存在磁場，其強度僅為地球的1%，而且兩極比赤道的磁場略強。霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家稱：“水星確實為偶極磁場，我們并未發現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電機模型”。

此外，“信使”探測器發現水星磁場中心位于水星球體中心北側，偏離近乎20%半徑的距離，這造成北半球磁場強度約為南半球的3.5倍，這種偏差與行星的半徑比值較其他星球大。南北半球磁場強度差異如此明顯，意味著水星南半球承受高能粒子，太陽風與電子的撞擊頻率遠高于北半球，這也導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生“褪色”現象。

完成水星大氣成分與動力學研究

水星的引力僅為地球的38%，而且是距離太陽最近的行星，其所處空間環境理應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據，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、水蒸氣和一些被認為在空間環境中不易保存的揮發性元素。同時，在強烈的太陽輻射壓作用下，大氣背向太陽方向壓縮延伸，形成了數千千米類似于彗尾的延伸帶。

“信使”的窄角相機拍攝的水星Seuss隕石坑東北角圖像（分辨率32m）

水星磁場分布示意

水星大氣成分補充示意

科學家認為，水星大氣有如此多的揮發元素，是在水星火山氣體噴發、微隕石撞擊和太陽風的長期共同作用下形成的，并且太陽風可能是水星大氣不斷得到物質補充的重要原因。水星的微弱磁場不能阻擋太陽風對表面的直接轟擊，在風中高能帶電粒子的離子濺射效應作用下，水星表面的易揮發性元素以游離態逃逸到水星大氣中，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現象，磁場重聯造成了磁尾分裂，導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水星背陽面，同樣是在離子濺射作用下，背面的化學物質也以游離態離子形式補充到水星大氣中。以上兩種情況共同構成了水星上大氣成分的補充機制。

確認極區水冰沉積物存在

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

20世紀90年代初，地基射電望遠鏡對水星的雷達照射顯示水星極區存在一些反射率很高的“亮區”，其反射率特性和水冰非常相似。此外，這些“亮區”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，但由于水手-10未能獲得水星極區的圖像，因此無法確定永久陰影區位置是否同樣相互吻合。隨著“信使”抵達水星，這些問題迎刃而解。“信使”探測器搭載的水星雙成像系統拍攝的圖像顯示，那些水星兩極的“亮區”都位于永久陰影區內；同時確認了，水星北極永久陰影區內沉積物的主要成分確是水冰。在溫度較低的區域，水冰直接暴露于地表；而在一些溫度稍高的區域，水冰表面上覆蓋著一層尚未確定成分的深色物質。

“信使”還使用中子光譜儀測量“亮區”的氫原子豐度來推算出水冰的沉積量，測量結果顯示“亮區”存在一層平均厚度約為數十厘米的富氫物質層，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　結語

人類有史以來首顆進入水星環繞軌道的探測器“信使”，已經圍繞水星運行了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”還將在從未到達的高度測量內部磁場，撞擊產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現的元素。這些珍貴的數據將為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