借力飞入水星轨道

1、借力飞入水星轨道2011 年 3 月 18 日，美国“信使号” ( MESSENGER ) 水星探测器将进行近水星制动而进入水星轨道，如果成功， 它将成为世界第一颗水星探测卫星，对水星进行为期一年的 科学考察。探测水星不容易有人说，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，则很可能有 结冰的水沉积物存在。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 黎明时分或太阳落山时分，人们才可以用肉眼看到在西边的 一个小亮点。由于水星离太阳很近，探测它十分困难，所以 至

2、今只有美国的水手 10 号和信使号探测器探测过水星。1973 年 11 月 3 日发射的美国 “水手 10 号”探测器是通 过掠过的方式来探测水星的，所以无法像水星的探测卫星那 样长期、全面、详细地探测水星。水手10 号在 1974 年 2 月探测了金星之后借助金星的引力改变轨道，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，从而使水手 10 号可以每隔两个水星年就与水星周期性相会一次，即每隔约 6 个月能与水星靠近两次，直到姿态控制气体耗尽。水手 10 号于 1974 年 3 月 29 日、9 月 21 日和 1975 年 3

3、 月 16 日曾三 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。它们第一次相会是在飞经水星表面 431 公里内， 当时水手 10 号及时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。第二次相会距水 星表面 48000 公里，第三次相会距水星表面 320 公里。即将环绕水星进行探测的美国信使号是于 2004年 8 月 3 日由德尔他 2 号火箭发射升空的。它的发射质量 1100 公斤， 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

4、和四氧化 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。该探测器上共携带约 600 公斤推进剂，占探测器发射总重的将近 55%。水星上太阳的亮度比在地球上高出多达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。其热控分系统主要采用由大约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 1 个盾牌，装在向阳的一面，能经受 900 摄氏度以上的高 温。探测器上多数的电子设备都在背阳

5、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

6、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 亿公里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密度较小，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

7、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，通过上行通信向信使号发送控制指令。六大任务七大眼信使号此行要探测水星 6 大奥秘：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？为了完成这一任务

8、，信使号携带了7 台科学探测仪器。其上的磁力计（ MAG ）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。其上的y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Y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

9、。其上的X射线光谱仪（XRS）用于探测因太阳发出的 y 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。其上的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，并探 测水星表面上的矿物质。其上的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哪些过程向水星的稀薄大气提供 了分子；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。其上的

10、水星双重成像系统（ MDIS ）由一台广角成像仪 和一台窄角成像仪组成，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。这两台成像仪相当于信使号 的一双眼。其上的水星激光高度计 （ MLA ）由一台激光器和一台传 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，可以精确测定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以及水星核的尺寸，并推测其中有 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