信使号进入水 星轨道成为世界上第1颗水星探测卫星

□□2011年3月17日，经过15min的近水星制动减速，美国信使号（MESSENGER）水星探测器成功进入近水点200km、远水点15193km、周期12h的水星轨道，从而成为世界上第1颗水星探测卫星，将对水星进行为期1年的科学考察。它已于3月29日从水星轨道传回首张图片，4月4日正式展开对水星的观测。信使号是2004年8月3日由德尔他-2火箭发射升空的，其发射质量为1100kg，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、天线和科学探测仪器组成。其推进分系统与星体结构集成为一体，以节省质量。该探测器上共携带约600kg推进剂，体积与大型办公桌相近。

1 探测水星的先驱

有人说，水星名不副实，因为它是太阳系中距太阳最近的行星，温度很高，所以上面根本没有水。但也有人认为，在水星极地永远照不到阳光的阴暗陨石坑深处，很可能存在结冰的水沉积物。因为水星距太阳最近，被太阳耀眼的光芒所笼罩，所以人们在地球上很难看清它的身影，只有在黎明或太阳落山时分，才可以用肉眼看到在西边天空上的一个小亮点。也是由于水星离太阳很近的原因，探测它十分困难，所以至今只有美国的水手-10（Mariner-10）空间探测器和信使号水星探测器探测过水星。

1973年11月3日发射的美国水手-10探测器是通过掠过的方式来探测水星的，所以无法像水星探测卫星那样长期、全面、详细地探测水星。水手-10曾于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日3次在日心椭圆轨道上与水星相遇，在这一过程中它对水星进行了探测。它们第1次相会时，水手-10在距水星表面703km处拍摄了第1批水星照片，使人类看到水星是一个布满大小环形山、外貌很像月球的世界。第2、3次相会是水手-10距水星表面分别为48069km和327km。

2 不怕高温是关键

美国信使号是世界上第1颗真正意义上的水星探测卫星。由于水星上太阳的亮度比在地球上高出11倍，表面温度可达450℃，所以设计信使号水星探测器的关键是如何应对水星的高热环境。其热控分系统主要采用由大约2.7m长、2.4m宽、6mm厚的耐高温陶瓷材料制成的遮阳罩来遮护，它像1个盾牌，装在向阳的一面，以承受900℃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。遮阳罩的设计者巴切尔是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。”

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水手-10是世界上第1个既探测金星又探测水星的双行星探测器。1974年2月5日在距金星5760km处飞过，借助金星引力场飞向水星，进入一条以176天为周期绕太阳飞行的椭圆轨道。这条轨道的近日点正好与水星绕太阳飞行的椭圆轨道的远地点相会。它绕日轨道周期（绕太阳运行1圈）约为水星的2倍，约每隔6个月能与水星靠近2次。水手-10带有粒子探测器、红外辐射计、紫外光度计和2台高性能照相机。它发现水星有一球形磁场，其强度为地球磁场强度的1%；探测出水星极稀薄的大气中含有微量的氦、氩、氖；水星的表面温度为210～510℃；水星的环形山类似地球内核的铁核，其直径约为1600km。

除了独具特色的遮阳罩外，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。另外，该探测器的重要系统都有备份；使用现成的部件和标准的数据界面；采用“近地小行星交会”小行星探测器的子系统设计等。

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，以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6.5年、8×109km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2个太阳电池翼和1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2副圆极化X频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能用于上行通信也可用于下行通信。

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信使号水星探测器是美国航空航天局“发现计划”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。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。

3 七大神眼担重任

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。

•磁力计（MAG），位于3.6m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），可以敏感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和如何向水星的稀薄大气提供分子；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2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1次所用的时间，可以精确地测出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），可以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的，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。

信使号进行上天前的试验

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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。

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。

4 奇妙的借力飞越

信使号是通过借助地球、金星和水星的引力飞行6年多才进入水星轨道的。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），最终于2011年3月17日进入绕水星轨道。每次借力飞行都可以改变信使号轨道的形状、高低和倾角，以在减速时节省推进剂的消耗，直到把探测器从绕日轨道送入绕水星轨道。

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9.1×107km，信使号直接飞到水星只要3个月左右，但如果这样做，信使号在制动减速进入绕水星轨道时需要消耗大量燃料，这就需要更大的运载火箭和更高的成本。陈婉妍通过研究发现，利用地球、金星和水星这3颗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。

飞行中如果发生故障，信使号可以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，信使号会进入安全模式。在安全模式下，遮阳罩正对着太阳，中增益天线对着地球，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，观察到金星外大气层成分的变化情况。

信使号已3次近距离从水星表面飞越，每次飞越后约2个月，探测器都要做1次路线修正机动，调整其轨道，第3次飞跃后使其最终能够进入绕水星轨道。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火山喷发、磁暴以及太阳风等自然现象的场景，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年的绕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1年时间里，完成对水星架构的研究，绘制出水星表面的地图和磁场分布图，在水星表面的阴影处寻找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：“当上述都顺利完成之后，我们对水星的认识将上升到一个全新的层面。”

5 3次飞越获新知

信使号在3次飞越水星的过程中就取得了大量成就。例如，信使号第1次飞越水星时实现了30多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200km。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而不是太空岩石撞击的产物这种说法提供了证据。

美国水手-10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，证明在导致水星平原形成的因素中，火山作用是重要的因素之一。

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却相对比较稀少，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。

在这个炽热的不毛之地，能见到许多陨石坑，与月球相比，多数大小相同的陨石坑看起来似乎更浅一些。水星上相对较强的重力有助于将表面上较高的地形变得平坦。

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，这与我们居住的地球很相似，因此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1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：一处约800m高的高地周围有上百条向外辐射的裂纹，从空中看去如同1只张牙舞爪的百足蜘蛛，此前从未在太阳系行星照片上出现过。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次飞越水星使科学家第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1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27410km/h，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展露真容，并获得了有关水星大气层和磁场的新数据。在这次飞越期间，信使号共拍摄了1287幅水星表面照片，加上2008年1月14日第1次飞越水星以及水手-10拍摄的水星数据，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。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，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，会上代表们发布了世界上第1幅水星表面地形图。

信使号之后，2013年8月将发射由欧洲航天局牵头，欧洲和日本联合研制的“贝皮·科伦布”水星探测器（BepiColombo，它以20世纪意大利天文学家朱塞佩·科伦布的名字命名，其绰号叫“贝皮”，曾完成很多有关水星的先驱性研究），它将于2019年进入绕水星轨道，展开为期1年的水星探测活动，研究水星表面特征、内部结构和磁场状态等。“贝皮·科伦布”是继美国信使号探测器之后世界上第2个水星探测器，将揭示这颗行星的构成和太阳对它的影响等奥秘。

欧洲和日本联合研制的“贝皮·科伦布”水星探测器

“贝皮·科伦布”由欧洲“水星行星轨道器”（主探测器）、日本“水星磁层轨道器”（次探测器）和1个运输模块组成，其中运输模块携带这2个轨道器。“水星行星轨道器”携带11台仪器，用于研究水星表面和内部成分；“水星磁层轨道器”携带5台仪器，用于研究水星周围的磁层。它们将最终完成对水星迄今为止最广泛和最详尽的研究。■