飞近水星的信使

计划”系列空间探测计划的第7项任务。“发现计划”已经确定了10项任务，主要宗旨是到达未知的太空领域，做以前没有人做过的探索，进行技术创新。其主要探测目标是通过探索行星及其卫星和小星体如彗星、小行星，提高人类对太阳系的认识。“信使”号水星探测器的任务是弄清水星密度高的原因，确定水星磁场源，研究水星地质演化，观测水星极区是否有水冰，分析水星外层的挥发性成分和深入探测水星的磁层。

水星上太阳的亮度比在地球上高出11倍，表面温度可达到450摄氏度，所以设计“信使”号的关键是如何应对水星的高热环境。其热控分系统主要由大约2.7米长、2.4米宽、6毫米厚的耐高温陶瓷材料制成的遮阳罩来遮护。它像一个盾牌，装在向阳的一面，以经受900摄氏度以上的高温。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。有关遮阳罩的设计还有一段小插曲。其设计者巴齐特尔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，再用包覆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、行程80亿千米对于“信使”号的精确测控也是一大挑战。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恒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台陀螺仪和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1对太阳电池翼和一组镍氢电池。其“中枢”是综合电子舱，舱内装有2台处理器。“信使”号主要通过其两副圆极化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，并通过上行通信向“信使”号发送控制指令。

细观水星的神眼

“信使”号此行有6项任务：水星具有何种磁场特征？为什么水星的密度那样高？水星具有怎样的地质形成过程？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到了重要作用？为了寻找这些答案，“信使”号携带了7台科学探测仪器。

磁力计位于3.6米长支杆的末端，用于测量水星的磁场，并搜索水星地壳被磁化的岩石范围。它将用4个水星年（每个水星年相当于地球上的88天）详细地描述水星的磁场特征，以确定其确切的强度和其强度随位置、高度不同而发生的变化；它还能与高能粒子与等离子体光谱仪一起测定太阳对磁场动态特点的影响。

γ射线与中子光谱仪（GRNS）用于探测水星表面上放射性元素或水星表面元素受宇宙射线激发后而发出的γ射线和中子，从而确定不同元素的相对丰度，并有助于确定从未受到过阳光直射的水星两极区域是否有冰存在；它将在各种极区沉积物中探测氢的存在。

X射线光谱仪（XRS）用于探测因太阳发出的γ射线和高能X射线撞击到水星表面元素所激发出的低能X射线，以测定水星地壳物质中各种元素的丰度。

水星大气与表面成分光谱仪（MASCS）可以敏锐感知从红外线到紫外线的光谱，用于测定大气气体的丰度和探测水星表面上的矿物质。

高能粒子与等离子体光谱仪（EPPS）用于测量水星磁层中带电粒子（电子和各种离子）的成分、分布及能量；确定水星外逸层的成分；认识水星极区沉积物的成分可澄清内太阳系中有哪些挥发性物质；它还和水星大气与表面成分光谱仪一起探测在沉积物上方的稀薄蒸气中是否有硫。

水星双重成像系统（MDIS）由1台广角成像仪和1台窄角成像仪组成，用于测绘地貌，跟踪表面光谱的变化，并采集地形信息。它装在枢轴式工作台上，以便使该仪器指向科学家选择的任意方向。这2台成像仪相当于“信使”号的两只眼睛。

水星激光高度计（MLA）由1台激光器和1台传感器组成，其中的激光器向水星表面发射激光，激光被水星表面反射后由传感器接收。通过测定光线往返水星表面一次所用的时间，由此可以精确测“信使”号与水星表面的距离，使科学家精确绘制出水星表面的地形图。利用激光高度计测量水星的天平动（行星绕其自旋轴发生的缓慢摆动），可确定水星核是否存在液态的外层和水星核的尺寸以及其中有多大一部分是固态，了解水星核的状态有助于解释地球等类地行星为什么会产生磁场。

“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。

对于水星的密度和金属含量为何比金星、地球和火星高出如此之多这一谜团，现有三大解释理论，每项理论对水星表面岩石的构成都做了不同的推测。“信使”号将通过测定水星表面的成分来确定其中哪项理论是正确的。比如，用X射线光谱仪和γ射线与中子光谱仪测量表面岩石中现有的元素，并确定其中是否缺乏挥发性元素，或者说本应富集于地壳中的元素是否很稀少。

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。

多次飞越的旅行

“信使”号借助地球、金星和水星的引力，飞行6年多才准备进入水星轨道。它1次飞越地球（2005年7月）、2次飞越金星（2006年10月、2007年6月）、3次飞越水星（2008年1月、2008年10月、2009年9月），最终定于2011年3月18日进入环水星轨道。每次借力飞行都可以改变“信使”号轨道的形状、尺寸和倾角，并节省了推进剂的消耗，直到把探测器从环绕太阳的轨道送入环绕水星的轨道。

在这项伟大的飞行计划背后，有着一个华人女性的多年努力，她叫陈婉妍(音译)。地球距水星约9100万千米，“信使”号直接飞到水星只要3个月左右时间，但如果这样做，“信使”号为了“刹车”减速进入环水星轨道需要消耗更多燃料，这意味着需要更大的运载火箭和更高的成本。陈婉妍在20世纪80年代发现，利用地球、金星和水星3个行星的引力来改变“信使”号的飞行轨道，可以使得这次水星探测成为可能。这也就是为什么“信使”号的飞行轨道如此复杂的原因。

如果飞行中发生故障，“信使”号可通过美国深空网与地面控制人员取得联系。如果遇到的是小问题，它甚至可以在与地面取得联系之前就自行关掉受影响的部件，然后恢复正常的工作；如果遇到的问题比较严重，需要进行修复，那么“信使”号会进入安全模式。在安全模式下，遮阳罩会正对着太阳，中增益天线会对着地球，以等待地面控制人员发出修复指令。

为了验证以前的观测数据，在飞越金星过程中，“信使”号曾对金星外大气层进行可见光和近红外成像；监测金星磁场和带电粒子，了解太阳风的加速离子特征；测量金星的紫外-可见光谱，观察金星外大气层成分的变化情况。

“信使”号已3次近距离飞越水星表面，每次飞越后约2个月，探测器都要做一次路线修正机动，调整其轨道，而第三次飞越后使其最终能够进入环水星轨道。在3次飞越水星的过程中，“信使”号对水星全球进行了拍照，成功地观测到了水星表面的火山喷发、磁暴以及太阳风等自然现象，并对其表面成分、大气成分和磁层进行了测量，所获数据是人类在30多年来得到的首批来自水星的新数据，是对水星进行科学探测的前奏，对以后持续1年的环水星轨道的科学考察有重要的意义。美国航空航天局希望在“信使”号绕水星飞行的一年时间里，完成对水星架构的研究，绘制水星表面的地图和磁场分布图，在水星表面的阴影处寻找水冰存在的证据等科学任务。美国华盛顿卡耐基研究所的科学家希恩·索罗门表示：“当上述任务都顺利完成之后，我们对于水星的认识将上升到一个全新的层面。”

已获大量新发现

“信使”号在3次飞越水星的过程中已收获颇丰。例如，第一次飞越水星时实现了人类探测器近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月第一次飞越水星所得到观测数据的分析结果，揭开了天文学界多个长期困扰的谜题，为证明这颗行星上平坦的平原是由远古火山活动形成，而非太空岩石撞击的产物的说法提供了证据。

美国“水手”10号探测器曾于1975年拍摄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，火山活动非常重要。

水星质量的60%都是铁，但“信使”号却发现水星表面矿物中铁的分布较为稀少，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其他行星不同，造成这一现象的原因还有待“信使”号进一步探索。

第一次飞越水星时，“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，与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”号还调查了其磁场等，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”号第二次飞越水星，使科学家第一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。”

在第二次飞越水星中，“信使”号的速度达到了每小时23800千米，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日第二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”号探测器完成了第三次，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%。这次飞越水星，还为科学家提供了这颗行星表面特定元素含量的数据。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，在会上代表们发布了世界上第一幅水星表面地形图。

责任编辑：兆然

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