人类第一颗水星探测卫星信使号进入水星轨道

2011-05-16 05:59司马杭仁

太空探索 2011年5期

□ 司马杭仁

信使号结构示意图

北京时间2011年3月18日8点45分，通过借助地球、金星和水星引力飞行6年半的美国信使号水星探测器，经过15分钟的近水星制动，以1.6千米/秒的速度进入水星轨道，成为世界第1颗水星探测卫星。它将对水星进行为期1年的科学考察，将揭示被太阳炙烤的水星为何具有太阳系中最大的行星密度，以及在水星两极阴暗的环形山中是否有冰存在。这是30年来人类探测器首次对水星进行全面的环绕探测。

在信使号进入水星轨道之际，美国航宇局局长博尔登也在位于马里兰州约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的信使号控制中心内。他说：“这项任务将在接下来的一年时间内继续带给我们有关水星的最新数据。美国航宇局的探测计划正在不断改写着我们的教科书，而信使号计划正是我们不断努力扩展人类知识边疆的最好例证。”

全副武装的信使

耗资4.46亿美元的美国信使号水星探测器由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)设计制造以及运行和管理，它于2004年8月3日由德尔它2号火箭发射升空。

水星（左）和地球的比较

信使号由推进分系统、热控分系统、姿态控制分系统、电源分系统、电子设备及天线和科学探测仪器组成，采用2种模式的液体化学推进系统来进行巡航和入轨机动，其中装有肼和四氧化二氮推进剂的双组元主推进器用于在飞往水星途中和入轨过程中的大幅度路线修正机动，装有肼的16个小型单组元推进器用于在小的变轨机动或轨道保持时使用。推进系统与星体结构集成为一体，以节省质量。

由于水星非常接近太阳，在向水星进军的过程中，信使号面临的最大障碍是太阳的巨大引力和高温。水星上太阳的亮度比地球上高出多达11倍，表面温度可达到450℃，所以设计信使号的关键是如何应对水星的高热环境。为克服高温影响，信使号配备有了采用钛材料制成的大型遮阳罩，它安装在探测器前端，使信使号探测器具备抗热性和高阳光反射性；为克服引力影响，信使号此前已多次近距离飞掠地球、金星和水星，实现持续缓慢减速。信使号项目科学家、约翰斯·霍普金斯大学天文学家拉尔夫·麦克纳特表示，“信使”号的行程好比“宇宙撞球游戏”。

其热控分系统主要采用由大约2.7米长、2.4米宽（也有报高2.4米，宽1.8米）、6毫米厚的耐高温陶瓷材料制成的遮阳罩来遮护，能够完全有效地阻挡太阳辐射。它像一个盾牌，装在向阳的一面，以经受900°C以上的高温。当探测器接近太阳时，遮阳罩的温度可达到371°C，然而在遮阳罩的遮挡下，信使号探测器的温度仅保持20°C常温。探测器上多数的电子设备都在背阳的一面，并放置在接近室温的空间内。遮阳罩的设计者巴齐特尔（Bachtell）向自己的母亲求教了缝纫技巧后，用特殊工具把新研制出来的陶瓷隔热片切割成小块，再用包有聚四氟乙烯绝缘材料的玻璃丝把一块块隔热片缝合成遮阳罩。巴切尔说：“如果没有这层保护层，高温将会把一切东西烤化。”

除了独具特色的遮阳罩，信使号还有许多引人注目的特点。例如,信使号的两翼就像两面镜子，人们甚至可以对着它们梳妆打扮。两翼由数千个小“镜子”组成，其中2/3的“镜子”用于反射水星附近的强烈阳光，剩下的“镜子”用于将阳光转化成电能。信使号内部有许多和电子仪器相连的排热管，一直通到飞行器外表。排热管一般情况下都会打开，向外排放电子仪器工作中释放的热量。当信使号飞到水星和太阳之间的位置时，这些排热管将关闭，防止太阳释放的热量侵入探测器内部。水星探索计划首席热能工程师杰克·埃尔科莱解释说：“它基本上就是个热水瓶。”飞行6年半、80亿千米的时空距离对于信使号的精确测控来说也是一大挑战。一旦轨道控制不好，信使号将无法按照需要进行探测。

信使号拍到水星上的火山口

水星表面上的坑

信使号星体结构主要由石墨环氧材料制成。这种复合材料结构不仅质量较小，而且具有足以耐受发射环境的强度。其姿态测量系统由几台星跟踪器和惯性测量单元完成，并用6台数字太阳敏感器作为备份；惯性测量单元内有4台陀螺和4台加速度计；姿态控制由4个反作用动量轮和小功率推进器来完成。其电源分系统采用2个太阳电池翼和一组镍氢电池。其“中枢”是综合电子舱，舱中装有2台处理器。信使号主要通过其2副圆极化X波段相控阵天线来接收指令和发送数据，其上的中增益和低增益天线既可用于上行通信也可用于下行通信，通过上行通信向信使号发送控制指令。

细查水星的神眼

信使号对水星探测概念图

信使号此行有6项任务：测探水星具有何种磁场特征、为什么水星的密度那样高？水星具有何种地质形成过程、水星核具有怎样的构成和形态、水星两极的异常物质是什么、水星表面有哪些不稳定物质对其外大气层的形成起了重要作用。为了完成这些任务，信使号携带了7台科学探测仪器，从而使这颗探测器“无所不能”，比如：绘制水星表面的详细资料，获取水星地壳成份，勘测其磁场属性和纤薄大气层。对水星表面构成的研究可能有助于揭示水星密度大于太阳系中其它行星的原因。

信使号还将进行一项射电科学（RS）研究，利用多普勒效应测量航天器绕水星运行时速度的微小变化，使科学家能够研究水星的质量分布，包括其地壳厚度的变化情况。

通过信使号可进行多项水星地质研究，以确定其表面形成过程。如，用光谱仪确定构成其表面岩石的元素与矿物成分；用成像仪对水星整个表面进行立体拍摄，以确定该行星的全球地形变化和地貌；用激光高度计对北半球上进行更准确的地形测量。把所获得的水星地形数据与通过对信使号跟踪而测得的水星引力场数据进行比较，可使科学家能够确定水星地壳厚度的局部变化。

由于信使号的水星轨道将会十分接近水星北极，它将尝试确认某些水星环形山中是否存在冰。这种可能性是通过地基雷达观测提出的。

简言之，利用多部成像设备和1台激光高度计，信使号将测量水星环形山地带的地形，确认环形山深度和边缘高度，并确认它们是否处在永久的阴影中。这一点被认为是水星上存在冰的必要条件，一般来讲，水星上能被阳光照射到的部分所接收到的热能足以使冰融化。探测器还将在水星上寻找“冰汽化”的迹象。

已获大量新发现

分辨率为18米的信使号在3次飞越水星的过程中就取得了大量成就，绘制了水星表面的详细状况，勘测了这颗行星的构成成份、地磁环境以及稀薄的大气层等多种特征。例如，信使号第1次飞越水星时实现了人类探测器在最近33年来对水星的首次近距离观测，当时它与水星表面的距离一度仅有200千米。2008年7月3日，美国发布了信使号2008年1月第1次飞越水星所得观测数据的分析结果，揭开了天文学界多个长期探索的谜题，为证明这颗行星上平坦的平原是由远古火山活动形成，并不是太空岩石撞击的产物的说法提供了证据。

信使号对水星进行探测

信使号探测器是第1个进入水星轨道的探测器，但并不是第一颗进入太阳系最深处的探测器。在1974年至1975年之间，美国水手10号探测器曾3次飞越水星，使科学家获得迄今最详细的行星资料。但水手10号探测器每次仅能观测到水星的一侧，只能绘制表面45%的面积，而且分辨率只有1.6千米。水手10号曾于1975年拍到水星平坦表面的图像。一些科学家当时认为，水星平原可能也像月球平原那样，是受撞击后被“轰”出来的。但也有科学家认为，水星平原源于火山喷发。由于水手10号发回的图像上并没有火山口或者其他的火山特征，这一争论一直未有定论。而根据信使号测量到的水星表面反射率、颜色变化等数据以及高分辨率图像，科学家在水星一处盆地周围发现了火山口存在的证据，证明导致水星平原形成的因素中，火山作用是最重要的因素之一。

水星质量的60%都来源于铁，但信使号却发现水星表面矿物中铁的分布相对较稀少，而且其地壳和地幔中很可能也是这种情形，所以高密度的水星表明其核心含铁量很高。这一点可能与太阳系内的其他行星不同，造成这一现象的原因还有待信使号的进一步探索。

第1次飞越水星时信使号发现，科学家十分感兴趣的水星磁场源自水星外核位置，核的冷却收缩过程为磁场提供动力。研究证实，水星地核有熔岩，反映它跟我们居住的地球很相似，令人相信水星可以用作研究地球远古的活动和外貌。

信使号发回的一组水星表面照片让不少天文学家大吃一惊：水星上存在一种特殊的地形，此前从未在太阳系行星照片上出现过：一处约800米高的高地周围有上百条向外辐射的裂纹，从空中看去如同一只张牙舞爪的百足蜘蛛。研究人员遂将这种地形命名为“蜘蛛”地形。照片显示，水星表面上出现许多悬崖和断层。信使号2011年进入水星轨道后可更近地察看这些悬崖。

飞越水星时信使号还调查了其磁场和磁气圈，结果表明，像地球一样，水星也有较大的两极磁场，但没有地球磁场强大；水星的磁场和太阳风间存在强烈的相互作用，这种情况引起的超动力能交换，大约相当于地球上的100座中型发电站输出的能量。

信使号第2次飞越使科学家第1次窥见了水星西半球的真面目，由此发现这颗行星的磁场是高度对称的，有望揭开更多的水星之谜。信使号首席科学家说：“整理这些数据，并将它们进行对比后，我们将第一次拥有水星的全球景观图。”

在第2次飞越中，信使号的速度达到了约23813千米/小时，所考察的区域相当于整个南非的大小。美国于2008年10月29日公布了信使号探测器10月6日第2次飞越水星的观测结果，水星上很多人类以前从未观测到的表面得以露出真容，并获得了有关水星大气层和磁场的新数据。飞越期间，信使号共拍摄了1287幅水星表面照片，对水星表面此前未被观测面积的约30%进行了观测，面积超过了南美洲的陆地总面积。

2009年9月29日，信使号探测器完成了第3次，也是最后一次飞越水星任务。它成功地拍摄了水星表面一些以前从未被观测过的地方，使得水星表面被测绘面积扩大到98%；在水星上发现了季节变化的迹象，并在这颗行星的表面发现了含量较多的金属元素铁。水星在围绕轨道运行期间，大气受到季节影响，了解这些季节性差异，将有助于科学家了解水星表面物质是如何丧失的，以及这颗行星表面是如何随时间发生变化的。这次飞越水星，还为科学家提供了这颗行星表面特定元素数量的数据。长期以来，科学家认为水星表面缺少铁和钛等重金属元素，认为水星是太阳系里最致密的岩质行星。

2009年12月15日，美国地球物理学联合会召开会议，发布了世界上第一幅水星表面地形图。

由于水星环绕太阳运行非常快，仅88天便完成环绕一周。在每个水星年中，为了使其轨道的近水星点高度保持在500千米以下，信使号必须进行2次轨道维持。由于一个水星日就相当于176个地球日，所以信使号其实仅工作2个水星日。在第1个水星日期间，信使号主要通过不同的仪器进行全球绘图；在第2个水星日期间，则有选择地进行科学考察。环水星飞行1年后，科学家们将得到水星三维成像图、全球表面化学特征及内部磁场几何结构。

目前，美国航宇局计划延长信使号探测器服役期一年，但未来具体的延长时间需要用时间来证明。信使号探测器并未携带足够的燃料返回地球，因此它将最终螺旋式地碰撞在水星表面，在水星表面形成一个陨坑。

信使号探测器10月6日第2次飞越水星拍摄的照片

水手10号探测器拍到的水星