圖解深空探測史

文/ 葉楠

水星探測

即使在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后，水星這顆距離太陽最近的大行星依舊是個神秘的星球，每年只有在特定的日子，人們才能夠在日出前或日落后的很短時間內(nèi)觀測到它，只知道它很小，并計(jì)算出了它的公轉(zhuǎn)周期。20世紀(jì)60年代，通過雷達(dá)探測技術(shù)得到了水星的自轉(zhuǎn)周期，但也僅此而已。要想得到更多關(guān)于水星的信息，就必須去接近它。

困難重重的水星探測

由于水星距離太陽非常近，即使在遠(yuǎn)日點(diǎn)也只有不到7000萬公里，不到日地距離的一半。由于在太陽的引力作用下，探測器在飛向水星的過程中會不斷加速，過快的速度對于飛掠觀測會產(chǎn)生影響，同時要想進(jìn)入環(huán)繞水星軌道必須將速度降到和水星公轉(zhuǎn)速度相一致，根據(jù)計(jì)算，減速過程消耗的能量與從地球飛往木星所需要的能量相當(dāng)。

帕多瓦大學(xué)教授朱塞佩·科隆博（左圖）出生于意大利帕多瓦，是一名天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師，也是水星自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)軌道2:3共振（右圖）的發(fā)現(xiàn)者之一。1970年2月，在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一次研討會上，他指出探測器在飛掠金星后進(jìn)入176天周期的太陽軌道，這正好是水星公轉(zhuǎn)周期的2倍，如果能夠精確控制推進(jìn)劑，并對金星和水星的飛掠時間和距離進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，可以使得探測器在每個176天周期后能夠再次同水星相遇。美國宇航局接受了他的建議并著手改進(jìn)飛行程序。朱塞佩·科隆博還有一個更出名的昵稱——貝皮·科倫布。

水手10號：三次飛掠水星

1973年11月2日，經(jīng)過改進(jìn)的宇宙神-半人馬座火箭搭載水手10號探測器（左圖）從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。1974年2月5日，“水手10號”從距金星5768公里的地方飛過，拍攝了幾千張金星云層的照片，然后繼續(xù)朝水星前進(jìn)。

3月29日，“水手10號”從距水星表面703公里處飛過，并進(jìn)入周期為176天的公轉(zhuǎn)軌道，環(huán)繞太陽運(yùn)行，成為首個飛掠水星的探測器。在飛掠水星的過程中，開展了無線電掩星探測，但并沒有得到水星存在大氣層或電離層的直接證據(jù)。但根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在接近水星的過程中磁場強(qiáng)度緩慢增長，超出行星際磁場強(qiáng)度的5倍，這意味著水星是存在磁場的，表面磁場強(qiáng)度大約是地球的1/150。

9月21日，“水手10號”再次飛掠水星，距離為48069公里，利用長焦相機(jī)對水星南極地區(qū)進(jìn)行了成像觀測，紫外光譜儀探測到水星上空稀薄的氫氣層。

1975年3月16日，“水手10號”第三次飛掠水星，高度僅有327公里，根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)的探測結(jié)果以及等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備探測到弓形激波，證實(shí)了水星磁場的存在。

第三次飛掠水星8天后，“水手10號”用來控制姿態(tài)的氮?dú)庀拇M，探測器開始失控翻轉(zhuǎn)，未被遮陽板覆蓋的區(qū)域暴露在強(qiáng)烈的陽光下……

右圖為“水手10號”飛掠水星時拍攝的水星照片，顯示出水星的表面布滿隕石坑，與月球頗為相似。

水手10號的科學(xué)設(shè)備

“水手10號”由波音公司研制，為八邊形鎂金屬結(jié)構(gòu)，太陽能電池板每個長269厘米、寬97.5厘米，在近日點(diǎn)時可提供820瓦電能。配備有直徑137厘米的拋物面雙頻高增益天線以及管狀低增益天線。成像系統(tǒng)由4臺相機(jī)組成：2臺焦距為1500毫米，另外2臺焦距為62毫米，同時配備了8枚彩色濾光片轉(zhuǎn)盤。使用磁帶式記錄器存儲圖像信息，也可以117.6kbps的速率實(shí)時傳回數(shù)據(jù)。此外還攜帶了磁強(qiáng)計(jì)、帶電粒子探測儀、等離子體分析儀、紅外輻射測量儀以及紫外光譜儀等科學(xué)設(shè)備。

“水手10號”三次飛掠水星，共傳回2700多張照片，覆蓋水星表面45%的區(qū)域。最令人印象深刻的照片來自于位于晨昏線處的卡洛里斯盆地及相對水星正對面的區(qū)域，巨大的撞擊形成的地震波經(jīng)水星內(nèi)核向地表蔓延，能量最終在行星對面匯合，引發(fā)強(qiáng)烈的地震和地殼運(yùn)動，從而形成現(xiàn)在看到的丘陵地帶。

信使號：首個環(huán)繞水星的探測器

在告別“水手10號”30多年以后，水星才迎來了下一位訪客——信使號水星探測器（上圖）。“信使號”是其英文名MESSENGER的直譯，全稱為“水星表面、太空環(huán)境、地理化學(xué)與廣泛探索”，主要目標(biāo)是研究水星表面及大氣的化學(xué)成分、地理環(huán)境和磁場分布。

2004年8月3日，“信使號”從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。一年以后，2005年8月2日飛掠地球，最近距離為2347公里；同年12月12日“信使號”將軌道調(diào)整到朝向金星方向，于2006年10月24日第一次飛掠金星，距離金星表面2992公里；2007年6月5日第二次飛掠金星，距離金星表面338公里；同年10月17日，再次執(zhí)行變軌，“信使號”在繞日公轉(zhuǎn)3周后終于將目標(biāo)轉(zhuǎn)向水星。

“信使號”分別于2008年1月14日、10月6日和2009年9月29日三次飛掠水星，并逐步降低探測器速度，最終在2011年3月18日進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，軌道為橢圓形，距離水星表面最近只有200公里，最遠(yuǎn)則有15000公里。選擇這條軌道，主要是為了在盡量接近水星的同時也盡量避免探測器受到水星表面熱輻射的影響。經(jīng)過了近7年的旅程，繞太陽公轉(zhuǎn)7圈后，“信使號”成為了歷史上第一個環(huán)繞水星飛行的探測器。在之后的4年里，“信使號”一直陪在水星身邊，2014年底，“信使號”推進(jìn)劑耗盡，軌道開始衰減；2015年4月30日，“信使號”以每小時1.4萬公里的速度撞擊水星表面，結(jié)束了它長達(dá)11年的水星探測歷程。下圖是“信使號”拍攝的最后一張照片。

信使號的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“信使號”由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造，長1.27米、寬1.42米、高1.85米，探測器由兩塊太陽能板提供電力，太陽能板可旋轉(zhuǎn)并且加裝了日光反射器用來防止溫度過高。除此以外“信使號”還配備了一個長2.5米、寬2米的陶瓷遮陽板（Sunshade），對探測器本體提供被動溫度控制。“信使號”攜帶的主要科學(xué)載荷（上圖）有：水星雙鏡頭成像系統(tǒng)（MDIS），用來繪制水星地圖；伽馬射線光譜儀和中子光譜儀（GRNS），用來探測水星表面的放射性元素，測量水星表面元素分布；水星激光測高儀（MLA），用來精確測量水星地形；水星大氣及表面成分光譜儀（MASCS）和X射線光譜儀（XRS），用來測量大氣豐度及探測地表礦物；高能粒子和等離子光譜儀（EPPS），用來測量水星磁場中帶電粒子的組成、分布和能量；磁強(qiáng)計(jì)（MAG），用來測量水星附近空間磁場強(qiáng)度。

下圖為“信使號”飛掠金星時拍攝的金星照片。

信使號的新發(fā)現(xiàn)

“信使號”的探測結(jié)果顯示，水星擁有豐富的揮發(fā)性元素，這否定了之前提出的很多水星形成理論，為未來探討類地行星的形成提供了重要觀測依據(jù)。“信使號”發(fā)現(xiàn)水星兩極永久陰影區(qū)域存在水冰（左圖），還發(fā)現(xiàn)水星曾經(jīng)擁有火山熔巖的證據(jù)。右圖中，提姆加德谷位于照片左上角，吳哥窟谷位于右下角，兩個山谷是由快速流動的熾熱熔巖對水星表面的侵蝕形成的。同時還發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)部冷卻收縮引起水星表面破裂的痕跡。通過水星大氣光譜儀測得水星大氣中的鈉散射陽光發(fā)出明亮的橙色光芒，隨著水星距離太陽隨時間變化，某些時候太陽輻射壓力足夠強(qiáng)，足以剝離大部分大氣。水星的磁場也會在太陽風(fēng)及行星磁場的作用下產(chǎn)生快速的變化。

貝皮·科倫布號：歐日合作探水星

貝皮·科倫布號探測器是由歐空局和日本宇宙探索局合作開展的水星探測任務(wù)。此項(xiàng)任務(wù)包含兩個軌道飛行器：歐空局主導(dǎo)的水星行星軌道飛行器（左圖中上方）和日本主導(dǎo)的水星磁層軌道飛行器（左圖中下方），以各自的軌道環(huán)繞水星飛行（右圖）。“貝皮·科倫布號”的命名就是為了紀(jì)念上文中提到的為“水手10號”做出重大貢獻(xiàn)的貝皮·科倫布。

“貝皮·科倫布號”于2018年10月20日從圭亞那航天中心發(fā)射升空，同之前的“信使號”一樣，它也將通過引力減速的方式抵達(dá)水星。計(jì)劃于2020年4月飛掠地球，同年10月飛掠金星，2021年8月第二次飛掠金星，之后通過5次飛掠水星進(jìn)行減速，最終于2025年進(jìn)入水星環(huán)繞軌道。“貝皮·科倫布號”未來會有怎樣的發(fā)現(xiàn)，值得我們期待。