借力飞入水星轨道

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，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。

其上的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。

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和矿物成分；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上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。

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年多才准备进入水星轨道的。它一次飞越地球（2005年7月）、两次飞越金星（2006年10月、2007年6月）、三次飞越水星（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，以节省推进剂的消耗来减速，直到把探测器送入从绕太阳的轨道进入环水星的轨道。

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9100万公里，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、金星和水星这三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。这也就是信使号的飞行轨道为何如此复杂的原因。

飞行中如果发生故障，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。

信使号已三次近距离从水星表面飞越，每次飞越后约两个月，探测器都要做一次路线修正机动，调整其轨道，第3次飞跃后使其最终能够进入环水星轨道。在三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多年间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，对以后持续一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冰存在的证据等等科学任务。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，我们对于水星的认识将上升到一个全新的层面。”

三次飞越有新知

信使号在3次飞越水星的过程中就取得了大量成就。例如，信使号第一次飞越水星时实现了人类探测器在最近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公里。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，并不是太空岩石撞击的产物的说法提供了证据。

美国水手10号曾于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号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却相对较稀少，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信使号的进一步探索。

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，反映它跟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，水星表面上有许多悬崖和断层。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，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。”

在第二次飞越中，信使号的速度达到了每小时24000公里，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%；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。

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。

（作者单位：中国空间技术研究院）

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