[科普中国]-信使探测器

20世纪70年代，水手－10探测器曾成功飞越水星，获得了一些关于水星的珍贵资料，激发了人们试图进一步探索水星的兴趣，希望能把探测器送入环水星轨道。但是，当时的科学研究者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。20世纪80 年代中期，研究者发现，通过利用多次飞越金星和水星得到的引力辅助，可实现环水星飞行的目的。然而，由于1986 年挑战号航天飞机失事，使得美国航宇局（NASA）准备用航天飞机发射的所有深空探测器的计划都暂停，一些新的行星探索任务被搁置。直到20 世纪90 年代中后期，美国才开始把探测水星列入日程表中。

“信使”（MESSENGER）水星探测器是NASA“发现”系列空间探测计划的第7 项任务，MESSENGER 实际上是“Mercury Surface，Space Environment ， Geochemistry， andRanging”（水星表面、空间环境、地质化学和测距）的缩写，而且，Mercury 的原意是古罗马神话中众神的“信使”。

MESSENGER 原计划于2004 年5 月11 日由德尔他－2 火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射，但3 月23 日美国宣布，为了充分做好发射前的准备，将此次发射推迟到7 月30 日～8 月13 日，它进入水星轨道的时间也由2009 年改为2011 年。1

水手－10 探测器于1974 年和1975 年3 次飞越水星，但仅拍摄到了45%的水星表面照片，而且分辨率只有1km。尽管如此，这些信息对人类了解水星提供了很大帮助，并为MESSENGER 的探测指明了方向。 MESSENGER 的科学目标主要有6 项：

·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？

·水星具有何种磁场特征？

·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？1

MESSENGER 主要由推进分系统、电源分系统、姿态控制分系统、热控分系统、电子设备及天线和科学有效载荷组成。

MESSENGER 装有2 种模式的液体化学推进系统。其中1 种是装有肼和四氧化氮的双组元主推进器，它用于在大的变轨机动，如进入环水星轨道时使用；另1 种是装有肼的16 个小型单组元推进器，它用于在小的变轨机动或轨道保持时使用。发射时，MESSENGER 携带的推进剂质量达618kg，约是其总质量（1130kg）的55%。 MESSENGER 的电源分系统主要是太阳电池翼和镍氢电池，电池储存太阳电池阵产生的能量，然后提供给其他分系统。MESSENGER 的姿态控制主要由4 个反作用动量轮来完成，必要时还可以使用小功率推进器来帮助完成姿态控制任务。为了确定轨道和姿态，MSSENGER 采用了几台星跟踪器及一个由4 台陀螺仪和4 个加速计组成的惯性测量单元完成，并用6 台数字太阳敏感器作为备份。

MESSENGER 设计的关键在于适应水星上的高温环境。水星上的表面温度可达到450℃，因此，百叶窗是MESSENGER 热控分系统的重要组成部分，由耐高温的陶瓷材料制成，保护MESSENGER 不受太阳的直接照射。即使在水星的高温环境中，也能保证其电子设备和仪器正常工作。

MESSENGER 的“大脑”是有冗余的综合电子舱（IEMs），每个舱中装有2 台处理器，其中1 台是25MHz 的主处理器，另1 台是10MHz 的容错处理器。MESSENGER 的2 副圆极化X 波段相控阵天线用于下行通信，向地球发送科学数据及MESSENGER 的状态信息；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MESSENGER 发送控制指令。1

MESSENGER 携带8 台科学仪器，其名称及功能如下。

(1) 水星双重成像系统（MDIS）。该仪器由1 台广角成像仪和1 台窄角成像仪组成，用于绘制地形图和搜集地形信息。其枢轴式工作台将有助于成像仪指向科学家选择的任意方向。

(2) γ射线和中子分光计（GRNS）。该仪器将探测由水星表面放射性元素及被宇宙射线激活的水星表面元素发出的γ射线和中子，得到的数据拟用来确定不同元素的相对丰度，以及确定没有被太阳光直接照射的水星极地是否存在冰。2

(3) X 射线分光计（XRS）。太阳发出的γ射线和高能X 射线撞击到水星表面，能引起表面元素发出低能X 射线。XRS 将探测这些低能X 射线，以便测出水星外壳中各种元素的丰度。

(4) 磁力计（MAG）。它将测量水星的磁场，并考察水星外壳被磁化的岩石范围。

(5) 水星激光高度计（MLA）。该仪器的工作原理是：向水星表面发射激光，激光被水星表面反射后，用1 个传感器接收。通过计算激光从发射到返回的时间，可以精确测定MESSENGER 与水星表面的距离，而依据距离的变化量可以精确绘制出水星表面的地形图。

(6) 水星大气和表面成分分光计（MASCS）。它的感光范围从红外线到紫外线，将测量大气丰度，并探测水星表面矿物质。

(7) 高能粒子和等离子体分光计（EPPS）。它可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。

(8) 无线电科学研究（RS）。它将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，以便科学家能研究水星的质量分布及其外壳厚度的变化。

在到达目的地之前，MESSENGER将飞行6年多。在此期间，它将会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）。MESSENGER最终于2011 年进入环水星轨道，并对水星进行为期1 年的科学考察。

在飞越地球、金星和水星的过程中，它将利用行星的引力来改变其环太阳的轨道，以节省推进剂的消耗。因为当MESSENGER 携带的推进剂能满足其进入预定的环水星轨道所需的动力时，MESSENGER 才能从绕太阳的轨道进入环水星的轨道。

在飞越金星过程中，科学家可以检查MESSENGER 携带的仪器，并为MESSENGER 考察地球的这颗姊妹行星提供极好机会。MESSENGER 拟对金星外大气层进行可见光和近红外成像，以便验证以前的观测数据；通过对磁场和带电粒子的监测，有助于科学家考察太阳风的加速离子特征；利用紫外－可见光谱测量使科学家能观察到金星外大气层成分的变化情况；搜寻金星日影区的闪电及金星发出的X 射线。

MESSENGER 将3 次从距离水星表面200km 处飞过，每次飞过水星2 个月之后，它将进行变轨机动，调整其轨道，使其最终能够在2011 年3 月进入环水星轨道。

这时MESSENGER 将对水星全球进行拍照，其中大部分是水手－10 探测器以前没有拍到的地方，而且分辨率会更高。同时，它还将对其表面成分、大气成分和磁层进行测量，这将是2 次全面的科学考察，但这仅仅是MESSENGER 科学任务的开始。这2 次考察对以后持续1 年的环水星轨道的科学考察有极其重要的意义。

MESSENGER 的环水星轨道是个大椭圆轨道，它距离水星表面的最近距离为200km，而最远距离达15193km。轨道面相对水星赤道的倾角为80°，轨道最低点位于水星北纬60°的上空。

为了把MESSENGER 送入环水星初始轨道的风险降到最低，MESSENGER 将利用其推进器把速度降低到1.6km/s。这个过程会耗费掉MESSENGER 携带推进剂的70 % 。当MESSENGER 接近水星时，必须使主推进器的推力方向精确指向其速度方向。1

MESSENGER 到达初始轨道后，太阳引力及其光压等摄动力使其轨道缓慢变化。虽然，这些摄动力只对MESSENGER 的12h 轨道周期影响不大，但是将会增大MESSENGER 轨道的近水星点高度和轨道倾角，不利于某些科学任务的完成。因此，为了使其轨道的近水星点高度保持在500km 以下，在每个水星年（88 天）中，MESSENGER 必须进行2 次轨道维持。

MESSENGER 环水星轨道飞行1 个地球年，将可以覆盖2 个水星太阳日（1 个水星太阳日相当于地球的176 天），总计行程3.99×107km。在第1 个水星太阳日期间，MESSENGER主要通过不同的仪器进行全球绘图；而在第2 个水星太阳日期间，则有选择地进行科学考察。环水星飞行1 年后，科学家们将得到水星三维成像图、全球表面化学特征及内部磁场几何结构。

在环水星轨道飞行期间，MESSENGER 每天用8h 的时间传输数据，平均每天的下行数据传输速率为15Mbit/s。但是，由于在此期间，水星与地球的距离变化很大，因此MESSENGER 的数据传输速率变化也非常大，随着水星位置的变化，其数据要花费4～12min 的时间传回地球。

在MESSENGER 的整个科学考察任务完成几年后，地面控制人员无法使MESSENGER维持环水星轨道的飞行，MESSENGER 将最终与水星表面相撞而殒灭。1

在“信使”探测器10年的征程中，它3次飞掠水星，利用“引力弹弓”原理减速和修正轨道，并最终于2011年3月进入水星环绕轨道，在其主任务（2011年9月18日-2012年3月25日）结束后， “ 信使” 还完成了2次扩展任务。在对水星探测将近4年的时间里，“信使”共向地球传回了25万余张照片，面向公众发布了多达10TByte的科学数据，获取了继水手-10以来水星表面地质地貌、磁场、稀薄大气等最全面、最真实的数据，填补了人类对水星认识的空白。

“信使”完成了既定的任务目标，并且通过扩展任务让科学家们对水星有了更全面、立体的认识，其上搭载的7种科学载荷传回的科学数据面向科研人员和公众开放。载荷的地面校准数据将于2015年9月发布，最终的综合分析报告将在2016年3月发布。除了这些数据外，“信使”团队还将任务执行中使用的水星轨道数据浏览器（MODE）与用于和“信使”交互使用的简易地图等工具向公众开放并提供下载。同时，“信使”科研团队注重这些珍贵科研数据的积累与转化，在1998-2014年这10多年时间里，从早期任务整体方案规划中的水星轨道与科学载荷设计，到后来的科学载荷数据分析，共发表了上百篇的论文，并在世界国际空间大会（COSPAR）、月球与行星科学大会（LPSC）等多个空间探索领域顶级会议上汇报。“信使”探测器的科学发现，打破了以往用望远镜等传统手段观测水星所产生的模糊，甚至错误的认识，用丰富、真实、深入的科学发现增进了人们对水星的理解。3

“信使”在绕水星飞行的2年时间里共拍摄了将近17000张照片，实现了水星表面的全貌覆盖。每幅全貌图都由上千张照片拼接而成，其中彩色全貌图使用红、绿、蓝（1000nm、750nm、430nm）3个谱段合成。科研人员称，水星全貌图有助于深刻地了解水星地壳的演化和形成。

水手-10探测器传回的照片让科学家看到一个和月球外表一样布满陨石坑和火山活动痕迹的水星，而“信使”对水星地形和化学成分的细致调查，显示了一些独一无二的特征地貌，其中最吸引人目光的是水星表面广泛分布的浅坑，它们尤其集中在撞击坑中，周边分散着白色高反光的沉积物，这些物质同样出现在火山坑中心的山峰及撞击坑边缘。这些饱受侵蚀的地形有可能暗示水星的外壳地质年龄更小，并存在挥发成分。霍普金斯大学应用物理实验室的科学家称，“这些浅坑的出现时间比陨石坑晚，证明了水星上仍存在地质活动，这在其他石质星球上尚未发现”。同时，“信使”对水星表面镁/硅、铝/硅、钙/硅的比率分析结果显示，水星表面并非像月球那样由富含长石族矿物的岩石组成；还发现了水星表面富含硫化物，验证了此前地基望远镜对水星的光谱分析。这项发现暗示，与其他类地行星相比，水星初始地质构造活动中氧化反应发生得更少，这对水星上火山的成因有很大帮助。3

磁场和重力场是科学家深入研究水星内部的主要线索，这也是研究行星形成和演变的主要证据。科学家认为水星的内部结构和其他类地星球并不相同，根据水手-10数据推断，水星的内核占到整个星球体积的61%，向外分别是硅酸盐成分的地幔和很薄的外壳。最初认为水星的内核很早之前就已冷却，因此不能利用“行星发电机效应”产生磁场。然而，“信使”磁强计的测量和之前地面雷达观测的结果显示，水星表面存在磁场，其强度仅为地球的1%，而且两极比赤道的磁场略强。霍普金斯大学应用物理实验室的科学家称：“水星确实为偶极磁场，我们并未发现水星外壳存在明显的短波辐射异常，这意味着它是一个新式的行星发电机模型”。

此外，“信使”探测器发现水星磁场中心位于水星球体中心北侧，偏离近乎20%半径的距离，这造成北半球磁场强度约为南半球的3 . 5倍，这种偏差与行星的半径比值较其他星球大。南北半球磁场强度差异如此明显，意味着水星南半球承受高能粒子，太阳风与电子的撞击频率远高于北半球，这也导致了南半球外层大气和表层成分在受到带电粒子轰击后产生“褪色”现象。3

水星的引力仅为地球的38%，而且是距离太阳最近的行星，其所处空间环境理应使其无法保持拥有大气。但“信使”上的离子分光计长期观测传回的数据，证实水星确实存在大气，尽管极为稀薄近似于真空，但却很活跃，并且富含氢、氦、氧、钙、硫、纳、钾、水蒸气和一些被认为在空间环境中不易保存的挥发性元素。同时，在强烈的太阳辐射压作用下，大气背向太阳方向压缩延伸，形成了数千千米类似于彗尾的延伸带。

科学家认为，水星大气有如此多的挥发元素，是在水星火山气体喷发、微陨石撞击和太阳风的长期共同作用下形成的，并且太阳风可能是水星大气不断得到物质补充的重要原因。水星的微弱磁场不能阻挡太阳风对表面的直接轰击，在风中高能带电粒子的离子溅射效应作用下，水星表面的易挥发性元素以游离态逃逸到水星大气中，它们在太阳辐射压的作用下跑到背阳面。同时，水星上还存在磁场重联现象，磁场重联造成了磁尾分裂，导致磁尾中大部分的等离子体被抛射入太空；同时，另一部分粒子在形成的漩涡磁场中抵达水星背阳面，同样是在离子溅射作用下，背面的化学物质也以游离态离子形式补充到水星大气中。以上两种情况共同构成了水星上大气成分的补充机制。3

水星相对于太阳赤道的轨道倾角仅为3.38°，因此在水星极区存在很多阳光照射不到的永久阴影区。正如月球极区被证实存在大量水冰一样，科学家们相信，在水星上这些永久阴影区尤其是撞击坑内可能存在水冰。

20世纪90年代初， 地基射电望远镜对水星的雷达照射显示水星极区存在一些反射率很高的“亮区”，其反射率特性和水冰非常相似。此外，这些“亮区”的位置和水手-10拍摄的水星地表大型撞击坑的位置相对应，但由于水手-10未能获得水星极区的图像，因此无法确定永久阴影区位置是否同样相互吻合。随着“信使”抵达水星，这些问题迎刃而解。“信使”探测器搭载的水星双成像系统拍摄的图像显示，那些水星两极的“亮区”都位于永久阴影区内；同时确认了，水星北极永久阴影区内沉积物的主要成分确是水冰。在温度较低的区域，水冰直接暴露于地表；而在一些温度稍高的区域，水冰表面上覆盖着一层尚未确定成分的深色物质。

“信使”还使用中子光谱仪测量“亮区”的氢原子丰度来推算出水冰的沉积量，测量结果显示“亮区”存在一层平均厚度约为数十厘米的富氢物质层，其上方覆盖有一层10～20cm厚的表层，这层中的氢含量则相对较低。3