人类历史上的探“水”行动

文/

作为太阳系最深处的行星，水星轨道离太阳的平均距离只有5791万公里，太近也太热，因此走近它十分困难。至今只有美国的水手10号探测器和信使号探测器探测过水星。

“掠”式探测的“水手10号”

1973年11月3日发射的美国水手10号探测器是通过飞掠的方式探测了水星。

“水手10号”于1974年3月29日、9月21日和1975年3月16日三次在日心椭圆轨道上和水星相遇。当时“水手10号”拍摄了第一批水星照片，表明水星是一个布满大小环形山、外貌很像月球的世界。

“水手10号”共发回5000多帧水星全景、近景和特写照片。这些照片使人们首次在很近的距离上看清了这颗行星的真实面貌。

科学家对“水手10号”拍摄发回的水星表面照片进行分析后，初步揭开了它的面纱：水星距太阳的平均距离为5791万公里，水星到太阳的距离只有地球到太阳的1/3；水星赤道半径为地球的2/5。水星上既无水，也没有空气。水星外观同月球相似，只是水星上有更多的环形山，高地平原参差不齐。环形山保持着水星早期曾遭陨石轰击的记录，其周围仍有明显的辐射条纹，证明未经风化，亦即水星不曾有过大气。与月面有所不同的是，水星表面分布着隆起的陡壁和山脊，宛如苹果因水分蒸发而表面收缩形成的皱纹。水星表面宁静、平滑，过去可能发生过火山活动，有火山熔岩形成的平面状地区，还遍布着大大小小的陨石坑。以水星北纬30°、西经195°为中心有一个巨大的同心圆构造，它位于赤道地带，被科学家命名为卡路里（Caloris）盆地。水星表面有100多个具有放射条纹的坑穴，还有大量断崖，有的长达数百公里。

▲ 水手10号探测器

▲ “水手10号”拍摄的水星表面

“水手10号”发现水星的密度与地球接近，并有一个全球性的磁场。虽然其磁场强度仅为地球磁场的1%左右，但磁场位形与地球相似，也是偶极场，磁力线的分布图形简直就是地球磁场按比例的缩影。同时，由于太阳风中带电粒子的压力，使水星磁场发生变化，也形成一个与地球类似的磁层。水星磁场的发现，表示水星内部可能是一个高温液态的金属核，这个既重又大的铁镍内核直径超过水星直径的1/3，约为1600公里，即有整个月球那么大。 “水手10号”还探测出水星极稀薄的大气中含有微量的氦、氩、氖，测量出水星的表面温度为510℃～210℃。

由于受推进系统和防热系统等技术因素的制约，当时还不知道如何利用有限的推进能力把探测器送入环水星轨道，怎样抵抗来自太阳的灼热，水手10号探测器没有进入水星轨道。所以，它每次飞掠水星仅能观测到水星的一侧，绘制水星表面45%的面积，而且分辨率只有1.6公里。

当然水星还有许多未解之谜。为此，发射专用水星探测器势在必行，美国其后研制、发射了世界上第一个专用水星探测器——信使号。

▲ 纪念信使号水星探测器在太空飞行十年宣传画

▲ 2008年10月6日，“信使号”飞越水星时用窄角成像仪拍摄的水星表面特写图片

▲ 2011年3月29日“信使号”进入水星轨道后拍摄的首张图片，由先期开机的水星双重成像系统采用广角模式拍摄的水星南极

▲ 2015年“信使号”最后拍摄的水星图像

“信使”出发

2004年8月3日，美国信使号水星探测器升空。它采用了先进的防热措施，装有7台用于完成6项科学目标的探测仪器，于2011年3月17日进入环水星轨道，成为世界上第一个进入水星轨道的探测器，开始对水星进行为期一年的科学考察。这是“水手10号”任务30多年后人类探测器首次对水星进行全面的环绕探测。

一年后，“信使号”又超期服役。最终它于2015年4月30日以螺旋硬着陆的方式受控与水星表面相撞而殒灭，在水星表面形成一个陨坑。“信使号”探测器拍摄了25万多张水星照片，为科学家勘测研究水星提供了大量资料。

▲ 马肖（Machaut）陨石坑直径约为100公里，这张照片是“信使号”在2008年10月6日拍摄的

▲ 水星上的列侬陨石坑

▲ 图中是艺术家描绘的信使号探测器环绕水星轨道运行，水星引力缓慢牵引“信使号”脱离当前轨道位置，使其最终碰撞在水星表面

避热有绝招

由于水星上太阳的亮度比在地球上高出多达11倍，水星表面温度可达到450℃，所以设计“信使号”的关键是如何应对水星的高热环境。

为了抵御来自太阳的高温，“信使号”装有先进的大型遮阳罩。它是由耐高温陶瓷材料制成，很像一个盾牌。当探测器接近太阳时，遮阳罩的温度可达到371℃，然而在遮阳罩的遮挡下，信使号探测器的温度仅保持在20℃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的。

“信使号”还有许多引人注目的特点。例如,其太阳电池翼就像两面镜子，人们甚至可以对着它们梳妆打扮。该翼由数千个小“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。”

“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。其各重要系统都有备份，以防出现不测；使用了现成的部件和标准的数据界面，避免了对未经验证或代价可能过高的新技术的需求；采用了“近地小行星交会”小行星探测器子系统设计；使用的天线不是展开式，而是固定式，为的是减少在天线展开过程中与地面失去联系的可能。

为了少带燃料，节约成本，“信使号”没有直奔水星，而是通过多次借助地球、金星和水星的引力,飞行了79亿公里（环绕太阳15圈）后才进入水星轨道。

▲ 水星受阳光照耀的一面

▲令人尤感兴趣的是水星南北两极的陨石坑阴影处。由于阳光照不到极地，科学家期待“信使号”能在该处找到结冰的水

在三次飞越水星的过程中，“信使号”已取得了大量成就，例如，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。这些是30多年来得到的首批水星数据，也是对水星进行科学探测的前奏。

成绩卓著

“信使号”取得大量科学数据，使人类更加深入地了解了这颗太阳系最内侧的行星世界。例如：在水星南极区发现“永昼点”，该点接受了近82%的光照，近乎全时光照；起初传回的图像中布满了撞击坑，后发现了一个异常光滑的水星地貌；发现水星地表存在两类成分差异极大的岩石成分，这种差异表明水星表面45亿年前或存巨大岩浆洋；发现水星极地或存大量水冰，厚度足以覆盖华盛顿。

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进一步探索。

在第一次飞越水星时“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，这表示水星跟我们居住的地球很相似，可以据此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。

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”第二次飞越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。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。