□ 司馬杭仁

信使號結(jié)構(gòu)示意圖

北京時間2011年3月18日8點45分，通過借助地球、金星和水星引力飛行6年半的美國信使號水星探測器，經(jīng)過15分鐘的近水星制動，以1.6千米/秒的速度進(jìn)入水星軌道，成為世界第1顆水星探測衛(wèi)星。它將對水星進(jìn)行為期1年的科學(xué)考察，將揭示被太陽炙烤的水星為何具有太陽系中最大的行星密度，以及在水星兩極陰暗的環(huán)形山中是否有冰存在。這是30年來人類探測器首次對水星進(jìn)行全面的環(huán)繞探測。

在信使號進(jìn)入水星軌道之際，美國航宇局局長博爾登也在位于馬里蘭州約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的信使號控制中心內(nèi)。他說：“這項任務(wù)將在接下來的一年時間內(nèi)繼續(xù)帶給我們有關(guān)水星的最新數(shù)據(jù)。美國航宇局的探測計劃正在不斷改寫著我們的教科書，而信使號計劃正是我們不斷努力擴(kuò)展人類知識邊疆的最好例證?！?/p>

全副武裝的信使

耗資4.46億美元的美國信使號水星探測器由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室(APL)設(shè)計制造以及運行和管理，它于2004年8月3日由德爾它2號火箭發(fā)射升空。

水星（左）和地球的比較

信使號由推進(jìn)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、電子設(shè)備及天線和科學(xué)探測儀器組成，采用2種模式的液體化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)來進(jìn)行巡航和入軌機(jī)動，其中裝有肼和四氧化二氮推進(jìn)劑的雙組元主推進(jìn)器用于在飛往水星途中和入軌過程中的大幅度路線修正機(jī)動，裝有肼的16個小型單組元推進(jìn)器用于在小的變軌機(jī)動或軌道保持時使用。推進(jìn)系統(tǒng)與星體結(jié)構(gòu)集成為一體，以節(jié)省質(zhì)量。

由于水星非常接近太陽，在向水星進(jìn)軍的過程中，信使號面臨的最大障礙是太陽的巨大引力和高溫。水星上太陽的亮度比地球上高出多達(dá)11倍，表面溫度可達(dá)到450℃，所以設(shè)計信使號的關(guān)鍵是如何應(yīng)對水星的高熱環(huán)境。為克服高溫影響，信使號配備有了采用鈦材料制成的大型遮陽罩，它安裝在探測器前端，使信使號探測器具備抗熱性和高陽光反射性；為克服引力影響，信使號此前已多次近距離飛掠地球、金星和水星，實現(xiàn)持續(xù)緩慢減速。信使號項目科學(xué)家、約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家拉爾夫·麥克納特表示，“信使”號的行程好比“宇宙撞球游戲”。

其熱控分系統(tǒng)主要采用由大約2.7米長、2.4米寬（也有報高2.4米，寬1.8米）、6毫米厚的耐高溫陶瓷材料制成的遮陽罩來遮護(hù)，能夠完全有效地阻擋太陽輻射。它像一個盾牌，裝在向陽的一面，以經(jīng)受900°C以上的高溫。當(dāng)探測器接近太陽時，遮陽罩的溫度可達(dá)到371°C，然而在遮陽罩的遮擋下，信使號探測器的溫度僅保持20°C常溫。探測器上多數(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)計者巴齊特爾（Bachtell）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。巴切爾說：“如果沒有這層保護(hù)層，高溫將會把一切東西烤化?！?/p>

除了獨具特色的遮陽罩，信使號還有許多引人注目的特點。例如,信使號的兩翼就像兩面鏡子，人們甚至可以對著它們梳妝打扮。兩翼由數(shù)千個小“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打開，向外排放電子儀器工作中釋放的熱量。當(dāng)信使號飛到水星和太陽之間的位置時，這些排熱管將關(guān)閉，防止太陽釋放的熱量侵入探測器內(nèi)部。水星探索計劃首席熱能工程師杰克·埃爾科萊解釋說：“它基本上就是個熱水瓶。”飛行6年半、80億千米的時空距離對于信使號的精確測控來說也是一大挑戰(zhàn)。一旦軌道控制不好，信使號將無法按照需要進(jìn)行探測。

信使號拍到水星上的火山口

水星表面上的坑

信使號星體結(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。其姿態(tài)測量系統(tǒng)由幾臺星跟蹤器和慣性測量單元完成，并用6臺數(shù)字太陽敏感器作為備份；慣性測量單元內(nèi)有4臺陀螺和4臺加速度計；姿態(tài)控制由4個反作用動量輪和小功率推進(jìn)器來完成。其電源分系統(tǒng)采用2個太陽電池翼和一組鎳氫電池。其“中樞”是綜合電子艙，艙中裝有2臺處理器。信使號主要通過其2副圓極化X波段相控陣天線來接收指令和發(fā)送數(shù)據(jù)，其上的中增益和低增益天線既可用于上行通信也可用于下行通信，通過上行通信向信使號發(fā)送控制指令。

細(xì)查水星的神眼

信使號對水星探測概念圖

信使號此行有6項任務(wù)：測探水星具有何種磁場特征、為什么水星的密度那樣高？水星具有何種地質(zhì)形成過程、水星核具有怎樣的構(gòu)成和形態(tài)、水星兩極的異常物質(zhì)是什么、水星表面有哪些不穩(wěn)定物質(zhì)對其外大氣層的形成起了重要作用。為了完成這些任務(wù)，信使號攜帶了7臺科學(xué)探測儀器，從而使這顆探測器“無所不能”，比如：繪制水星表面的詳細(xì)資料，獲取水星地殼成份，勘測其磁場屬性和纖薄大氣層。對水星表面構(gòu)成的研究可能有助于揭示水星密度大于太陽系中其它行星的原因。

信使號還將進(jìn)行一項射電科學(xué)（RS）研究，利用多普勒效應(yīng)測量航天器繞水星運行時速度的微小變化，使科學(xué)家能夠研究水星的質(zhì)量分布，包括其地殼厚度的變化情況。

通過信使號可進(jìn)行多項水星地質(zhì)研究，以確定其表面形成過程。如，用光譜儀確定構(gòu)成其表面巖石的元素與礦物成分；用成像儀對水星整個表面進(jìn)行立體拍攝，以確定該行星的全球地形變化和地貌；用激光高度計對北半球上進(jìn)行更準(zhǔn)確的地形測量。把所獲得的水星地形數(shù)據(jù)與通過對信使號跟蹤而測得的水星引力場數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可使科學(xué)家能夠確定水星地殼厚度的局部變化。

由于信使號的水星軌道將會十分接近水星北極，它將嘗試確認(rèn)某些水星環(huán)形山中是否存在冰。這種可能性是通過地基雷達(dá)觀測提出的。

簡言之，利用多部成像設(shè)備和1臺激光高度計，信使號將測量水星環(huán)形山地帶的地形，確認(rèn)環(huán)形山深度和邊緣高度，并確認(rèn)它們是否處在永久的陰影中。這一點被認(rèn)為是水星上存在冰的必要條件，一般來講，水星上能被陽光照射到的部分所接收到的熱能足以使冰融化。探測器還將在水星上尋找“冰汽化”的跡象。

已獲大量新發(fā)現(xiàn)

分辨率為18米的信使號在3次飛越水星的過程中就取得了大量成就，繪制了水星表面的詳細(xì)狀況，勘測了這顆行星的構(gòu)成成份、地磁環(huán)境以及稀薄的大氣層等多種特征。例如，信使號第1次飛越水星時實現(xiàn)了人類探測器在最近33年來對水星的首次近距離觀測，當(dāng)時它與水星表面的距離一度僅有200千米。2008年7月3日，美國發(fā)布了信使號2008年1月第1次飛越水星所得觀測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，揭開了天文學(xué)界多個長期探索的謎題，為證明這顆行星上平坦的平原是由遠(yuǎn)古火山活動形成，并不是太空巖石撞擊的產(chǎn)物的說法提供了證據(jù)。

信使號對水星進(jìn)行探測

信使號探測器是第1個進(jìn)入水星軌道的探測器，但并不是第一顆進(jìn)入太陽系最深處的探測器。在1974年至1975年之間，美國水手10號探測器曾3次飛越水星，使科學(xué)家獲得迄今最詳細(xì)的行星資料。但水手10號探測器每次僅能觀測到水星的一側(cè)，只能繪制表面45%的面積，而且分辨率只有1.6千米。水手10號曾于1975年拍到水星平坦表面的圖像。一些科學(xué)家當(dāng)時認(rèn)為，水星平原可能也像月球平原那樣，是受撞擊后被“轟”出來的。但也有科學(xué)家認(rèn)為，水星平原源于火山噴發(fā)。由于水手10號發(fā)回的圖像上并沒有火山口或者其他的火山特征，這一爭論一直未有定論。而根據(jù)信使號測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，但信使號卻發(fā)現(xiàn)水星表面礦物中鐵的分布相對較稀少，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)象的原因還有待信使號的進(jìn)一步探索。

第1次飛越水星時信使號發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家十分感興趣的水星磁場源自水星外核位置，核的冷卻收縮過程為磁場提供動力。研究證實，水星地核有熔巖，反映它跟我們居住的地球很相似，令人相信水星可以用作研究地球遠(yuǎn)古的活動和外貌。

信使號發(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。照片顯示，水星表面上出現(xiàn)許多懸崖和斷層。信使號2011年進(jìn)入水星軌道后可更近地察看這些懸崖。

飛越水星時信使號還調(diào)查了其磁場和磁氣圈，結(jié)果表明，像地球一樣，水星也有較大的兩極磁場，但沒有地球磁場強(qiáng)大；水星的磁場和太陽風(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。

信使號第2次飛越使科學(xué)家第1次窺見了水星西半球的真面目，由此發(fā)現(xiàn)這顆行星的磁場是高度對稱的，有望揭開更多的水星之謎。信使號首席科學(xué)家說：“整理這些數(shù)據(jù)，并將它們進(jìn)行對比后，我們將第一次擁有水星的全球景觀圖?！?/p>

在第2次飛越中，信使號的速度達(dá)到了約23813千米/小時，所考察的區(qū)域相當(dāng)于整個南非的大小。美國于2008年10月29日公布了信使號探測器10月6日第2次飛越水星的觀測結(jié)果，水星上很多人類以前從未觀測到的表面得以露出真容，并獲得了有關(guān)水星大氣層和磁場的新數(shù)據(jù)。飛越期間，信使號共拍攝了1287幅水星表面照片，對水星表面此前未被觀測面積的約30%進(jìn)行了觀測，面積超過了南美洲的陸地總面積。

2009年9月29日，信使號探測器完成了第3次，也是最后一次飛越水星任務(wù)。它成功地拍攝了水星表面一些以前從未被觀測過的地方，使得水星表面被測繪面積擴(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數(shù)量的數(shù)據(jù)。長期以來，科學(xué)家認(rèn)為水星表面缺少鐵和鈦等重金屬元素，認(rèn)為水星是太陽系里最致密的巖質(zhì)行星。

2009年12月15日，美國地球物理學(xué)聯(lián)合會召開會議，發(fā)布了世界上第一幅水星表面地形圖。

由于水星環(huán)繞太陽運行非常快，僅88天便完成環(huán)繞一周。在每個水星年中，為了使其軌道的近水星點高度保持在500千米以下，信使號必須進(jìn)行2次軌道維持。由于一個水星日就相當(dāng)于176個地球日，所以信使號其實僅工作2個水星日。在第1個水星日期間，信使號主要通過不同的儀器進(jìn)行全球繪圖；在第2個水星日期間，則有選擇地進(jìn)行科學(xué)考察。環(huán)水星飛行1年后，科學(xué)家們將得到水星三維成像圖、全球表面化學(xué)特征及內(nèi)部磁場幾何結(jié)構(gòu)。

目前，美國航宇局計劃延長信使號探測器服役期一年，但未來具體的延長時間需要用時間來證明。信使號探測器并未攜帶足夠的燃料返回地球，因此它將最終螺旋式地碰撞在水星表面，在水星表面形成一個隕坑。

信使號探測器10月6日第2次飛越水星拍攝的照片

水手10號探測器拍到的水星

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信使號水星探測器六大驚人事實

□ 任秋凌

1. 信使號是一位馬拉松選手

從地球出發(fā)前往水星后，“信使”號探測器已經(jīng)飛行了大約79億千米，飛行時間超過6年半，在此過程中，它已經(jīng)繞太陽運行了15周。

2. 又是一位短跑選手

盡管旅途較為漫長，但“信使”號的飛行速度并不慢。研究人員表示，這顆探測器在6年半的太空飛行中相對于太陽的平均速度達(dá)到每小時13.6萬千米。這一速度幾乎是美國航宇局的航天飛機(jī)在低地球軌道飛行時的5倍。有時候，“信使”號的飛行速度超過每小時22.5萬千米，接近史上探測器的最快飛行速度。

3. 也是一只“油老虎”

2004年發(fā)射時，“信使”號的重量達(dá)到1100千克左右，推進(jìn)劑的比重占到55%左右，達(dá)到600千克。攜帶如此多的推進(jìn)劑的一個重要原因是，“信使”號需要減速以進(jìn)入水星軌道。研究人員表示，入軌過程——“信使”號飛行速度減至足以讓水星引力捕獲的程度——將消耗“信使”號在發(fā)射時所攜推進(jìn)劑的大約31%。

4.“信使”身軀并不龐大

信使號探測器軌道運行示意圖

“信使”號的主體高1.42米，寬1.85米，長4.2英尺1.27米，體積與一個大辦公桌相當(dāng)。它裝有2個太陽能電池板“翅膀”，面積1.5米×1.65米，在探測器兩側(cè)展開?！靶攀埂碧柊l(fā)射時的重量超過1噸，其中有

超過一半的負(fù)荷為燃料，探測器本身以及所攜帶科學(xué)儀器的總重量大約在500千克左右。

5. 長長的橢圓形軌道

“信使”號的12小時繞水軌道將是一個橢圓形。距離水星表面最近時，二者之間的距離不超過200千米，最遠(yuǎn)時的距離達(dá)到15193千米。距水星地表高度的短暫變化允許“信使”號更好地了解水星的地質(zhì)特征。此外，橢圓形軌道也能保護(hù)“信使”號免遭水星荒涼表面反射的大量熱量侵襲。

6. 追隨另一顆探測器的腳步

“信使”號將是第一顆進(jìn)入水星軌道的探測器，但它并不是第一顆對這顆太陽系最內(nèi)側(cè)行星進(jìn)行觀測的探測器。1974年和1975年，美國宇航局的“水手10號”探測器曾3次飛越水星，與30多年前的前輩“水手10號”相比，這顆探測器將幫助科學(xué)家進(jìn)一步了解水星。

水手10號探測器

信使號水星探測器在軌示意圖