人類歷史上的探“水”行動(dòng)

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作為太陽系最深處的行星，水星軌道離太陽的平均距離只有5791萬公里，太近也太熱，因此走近它十分困難。至今只有美國的水手10號(hào)探測(cè)器和信使號(hào)探測(cè)器探測(cè)過水星。

“掠”式探測(cè)的“水手10號(hào)”

1973年11月3日發(fā)射的美國水手10號(hào)探測(cè)器是通過飛掠的方式探測(cè)了水星。

“水手10號(hào)”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日三次在日心橢圓軌道上和水星相遇。當(dāng)時(shí)“水手10號(hào)”拍攝了第一批水星照片，表明水星是一個(gè)布滿大小環(huán)形山、外貌很像月球的世界。

“水手10號(hào)”共發(fā)回5000多幀水星全景、近景和特寫照片。這些照片使人們首次在很近的距離上看清了這顆行星的真實(shí)面貌。

科學(xué)家對(duì)“水手10號(hào)”拍攝發(fā)回的水星表面照片進(jìn)行分析后，初步揭開了它的面紗：水星距太陽的平均距離為5791萬公里，水星到太陽的距離只有地球到太陽的1/3；水星赤道半徑為地球的2/5。水星上既無水，也沒有空氣。水星外觀同月球相似，只是水星上有更多的環(huán)形山，高地平原參差不齊。環(huán)形山保持著水星早期曾遭隕石轟擊的記錄，其周圍仍有明顯的輻射條紋，證明未經(jīng)風(fēng)化，亦即水星不曾有過大氣。與月面有所不同的是，水星表面分布著隆起的陡壁和山脊，宛如蘋果因水分蒸發(fā)而表面收縮形成的皺紋。水星表面寧靜、平滑，過去可能發(fā)生過火山活動(dòng)，有火山熔巖形成的平面狀地區(qū)，還遍布著大大小小的隕石坑。以水星北緯30°、西經(jīng)195°為中心有一個(gè)巨大的同心圓構(gòu)造，它位于赤道地帶，被科學(xué)家命名為卡路里（Caloris）盆地。水星表面有100多個(gè)具有放射條紋的坑穴，還有大量斷崖，有的長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里。

▲ 水手10號(hào)探測(cè)器

▲ “水手10號(hào)”拍攝的水星表面

“水手10號(hào)”發(fā)現(xiàn)水星的密度與地球接近，并有一個(gè)全球性的磁場(chǎng)。雖然其磁場(chǎng)強(qiáng)度僅為地球磁場(chǎng)的1%左右，但磁場(chǎng)位形與地球相似，也是偶極場(chǎng)，磁力線的分布圖形簡(jiǎn)直就是地球磁場(chǎng)按比例的縮影。同時(shí)，由于太陽風(fēng)中帶電粒子的壓力，使水星磁場(chǎng)發(fā)生變化，也形成一個(gè)與地球類似的磁層。水星磁場(chǎng)的發(fā)現(xiàn)，表示水星內(nèi)部可能是一個(gè)高溫液態(tài)的金屬核，這個(gè)既重又大的鐵鎳內(nèi)核直徑超過水星直徑的1/3，約為1600公里，即有整個(gè)月球那么大。 “水手10號(hào)”還探測(cè)出水星極稀薄的大氣中含有微量的氦、氬、氖，測(cè)量出水星的表面溫度為510℃～210℃。

由于受推進(jìn)系統(tǒng)和防熱系統(tǒng)等技術(shù)因素的制約，當(dāng)時(shí)還不知道如何利用有限的推進(jìn)能力把探測(cè)器送入環(huán)水星軌道，怎樣抵抗來自太陽的灼熱，水手10號(hào)探測(cè)器沒有進(jìn)入水星軌道。所以，它每次飛掠水星僅能觀測(cè)到水星的一側(cè)，繪制水星表面45%的面積，而且分辨率只有1.6公里。

當(dāng)然水星還有許多未解之謎。為此，發(fā)射專用水星探測(cè)器勢(shì)在必行，美國其后研制、發(fā)射了世界上第一個(gè)專用水星探測(cè)器——信使號(hào)。

▲ 紀(jì)念信使號(hào)水星探測(cè)器在太空飛行十年宣傳畫

▲ 2008年10月6日，“信使號(hào)”飛越水星時(shí)用窄角成像儀拍攝的水星表面特寫圖片

▲ 2011年3月29日“信使號(hào)”進(jìn)入水星軌道后拍攝的首張圖片，由先期開機(jī)的水星雙重成像系統(tǒng)采用廣角模式拍攝的水星南極

▲ 2015年“信使號(hào)”最后拍攝的水星圖像

“信使”出發(fā)

2004年8月3日，美國信使號(hào)水星探測(cè)器升空。它采用了先進(jìn)的防熱措施，裝有7臺(tái)用于完成6項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)的探測(cè)儀器，于2011年3月17日進(jìn)入環(huán)水星軌道，成為世界上第一個(gè)進(jìn)入水星軌道的探測(cè)器，開始對(duì)水星進(jìn)行為期一年的科學(xué)考察。這是“水手10號(hào)”任務(wù)30多年后人類探測(cè)器首次對(duì)水星進(jìn)行全面的環(huán)繞探測(cè)。

一年后，“信使號(hào)”又超期服役。最終它于2015年4月30日以螺旋硬著陸的方式受控與水星表面相撞而殞滅，在水星表面形成一個(gè)隕坑?！靶攀固?hào)”探測(cè)器拍攝了25萬多張水星照片，為科學(xué)家勘測(cè)研究水星提供了大量資料。

▲ 馬肖（Machaut）隕石坑直徑約為100公里，這張照片是“信使號(hào)”在2008年10月6日拍攝的

▲ 水星上的列儂隕石坑

▲ 圖中是藝術(shù)家描繪的信使號(hào)探測(cè)器環(huán)繞水星軌道運(yùn)行，水星引力緩慢牽引“信使號(hào)”脫離當(dāng)前軌道位置，使其最終碰撞在水星表面

避熱有絕招

由于水星上太陽的亮度比在地球上高出多達(dá)11倍，水星表面溫度可達(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。

為了抵御來自太陽的高溫，“信使號(hào)”裝有先進(jìn)的大型遮陽罩。它是由耐高溫陶瓷材料制成，很像一個(gè)盾牌。當(dāng)探測(cè)器接近太陽時(shí)，遮陽罩的溫度可達(dá)到371℃，然而在遮陽罩的遮擋下，信使號(hào)探測(cè)器的溫度僅保持在20℃常溫。探測(cè)器上多數(shù)的電子設(shè)備都在背陽的一面，并放置在接近室溫的空間內(nèi)。

遮陽罩的設(shè)計(jì)者巴齊特爾是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的。

“信使號(hào)”還有許多引人注目的特點(diǎn)。例如,其太陽電池翼就像兩面鏡子，人們甚至可以對(duì)著它們梳妝打扮。該翼由數(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)烈陽光，剩下的“鏡子”用于將陽光轉(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)”飛到水星和太陽之間的位置時(shí)，這些排熱管將關(guān)閉，防止太陽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。”

“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。其各重要系統(tǒng)都有備份，以防出現(xiàn)不測(cè)；使用了現(xiàn)成的部件和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)界面，避免了對(duì)未經(jīng)驗(yàn)證或代價(jià)可能過高的新技術(shù)的需求；采用了“近地小行星交會(huì)”小行星探測(cè)器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；使用的天線不是展開式，而是固定式，為的是減少在天線展開過程中與地面失去聯(lián)系的可能。

為了少帶燃料，節(jié)約成本，“信使號(hào)”沒有直奔水星，而是通過多次借助地球、金星和水星的引力,飛行了79億公里（環(huán)繞太陽15圈）后才進(jìn)入水星軌道。

▲ 水星受陽光照耀的一面

▲令人尤感興趣的是水星南北兩極的隕石坑陰影處。由于陽光照不到極地，科學(xué)家期待“信使號(hào)”能在該處找到結(jié)冰的水

在三次飛越水星的過程中，“信使號(hào)”已取得了大量成就，例如，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。這些是30多年來得到的首批水星數(shù)據(jù)，也是對(duì)水星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的前奏。

成績(jī)卓著

“信使號(hào)”取得大量科學(xué)數(shù)據(jù)，使人類更加深入地了解了這顆太陽系最內(nèi)側(cè)的行星世界。例如：在水星南極區(qū)發(fā)現(xiàn)“永晝點(diǎn)”，該點(diǎn)接受了近82%的光照，近乎全時(shí)光照；起初傳回的圖像中布滿了撞擊坑，后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常光滑的水星地貌；發(fā)現(xiàn)水星地表存在兩類成分差異極大的巖石成分，這種差異表明水星表面45億年前或存巨大巖漿洋；發(fā)現(xiàn)水星極地或存大量水冰，厚度足以覆蓋華盛頓。

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)可能與太陽系內(nèi)的其他行星不同，造成這一現(xiàn)象的原因還有待進(jìn)一步探索。

在第一次飛越水星時(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，這表示水星跟我們居住的地球很相似，可以據(jù)此研究地球遠(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。

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)”第二次飛越使科學(xué)家第一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。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)器完成了第三次飛越水星任務(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)。