借力飛入水星軌道

1、借力飛入水星軌道2011年 3月 18日，美國“信使號” ( MESSENGER )水星探測器將進行近水星制動而進入水星軌道，如果成功， 它將成為世界第一顆水星探測衛(wèi)星，對水星進行為期一年的 科學(xué)考察。探測水星不容易有人說，水星名不副實，因為它是太陽系中距太陽最近的行星，溫度很高，所以上面根本沒有水。但也有人認為， 在水星極地永遠照不到陽光的陰暗隕石坑深處，則很可能有 結(jié)冰的水沉積物存在。因為水星距太陽最近，被太陽耀眼的 光芒所籠罩，所以人們在地球上很難看清它的身影，只有在 黎明時分或太陽落山時分，人們才可以用肉眼看到在西邊的個小亮點。由于水星離太陽很近，探測它十分困難，所以 至今只有美國的水

2、手 10 號和信使號探測器探測過水星。1973年11月 3日發(fā)射的美國 “水手 10號”探測器是通過掠過的方式來探測水星的，所以無法像水星的探測衛(wèi)星那樣長期、全面、詳細地探測水星。水手10 號在 1974 年 2 月探測了金星之后借助金星的引力改變軌道，進入一條以17610天為周期繞太陽飛行的橢圓軌道。這條軌道的近日點正好與水星繞太陽飛行的橢圓軌道的遠地點相會，從而使水手10號可以每隔兩個水星年就與水星周期性相會一次，即每隔約6 個月能與水星靠近兩次，直到姿態(tài)控制氣體耗盡。水手 號于 1974 年 3 月 29 日、9 月 21 日和 1975 年 3 月 16 日曾三 次在日心橢圓軌道上與水

3、星相遇，在這一過程中它對水星進 行了探測。它們第一次相會是在飛經(jīng)水星表面 431 公里內(nèi)， 當(dāng)時水手 10 號及時拍攝了第一批水星照片，表明水星是 個布滿大小環(huán)形山、外貌很像月球的世界。第二次相會距水 星表面 48000 公里，第三次相會距水星表面 320 公里。即將環(huán)繞水星進行探測的美國信使號是于2004年8月 3日由德爾他 2 號火箭發(fā)射升空的。它的發(fā)射質(zhì)量 1100 公斤， 由推進分系統(tǒng)、 熱控分系統(tǒng)、 姿態(tài)控制分系統(tǒng)、 電源分系統(tǒng)、 電子設(shè)備及天線和科學(xué)探測儀器組成，采用 2 種模式的液體 化學(xué)推進系統(tǒng)來進行巡航和入軌機動，其中裝有肼和四氧化 氮推進劑的雙組元主推進器用于在飛往水星途中

4、和入軌過 程中的大幅度路線修正機動，裝有肼的 16 個小型單組元推進器用于在小的變軌機動或軌道保持時使用。推進系統(tǒng)與星體結(jié)構(gòu)集成為一體，以節(jié)省質(zhì)量。該探測器上共攜帶約600公斤推進劑，占探測器發(fā)射總重的將近 55%。水星上太陽的亮度比在地球上高出多達11 倍，表面溫度可達到 450 攝氏度，所以設(shè)計信使號的關(guān)鍵是如何應(yīng)對水星的高熱環(huán)境。其熱控分系統(tǒng)主要采用由大約2.7米長、 2.4米寬、 6 毫米厚的耐高溫陶瓷材料制成的遮陽罩來遮護。它 像 1 個盾牌，裝在向陽的一面，能經(jīng)受 900 攝氏度以上的高 溫。探測器上多數(shù)的電子設(shè)備都在背陽的一面，并放置在接 近室溫的空間內(nèi)。 遮陽罩的設(shè)計者巴齊特爾

5、 (Bachtell )向自 己的母親求教了縫紉技巧后，用特殊工具把新研制出來的陶瓷隔熱片切割成小塊，再用包有聚四氟乙烯絕緣材料的玻璃絲把一塊塊隔熱片縫合成遮陽罩。巴切爾說：如果沒有這層保護層，高溫將會把一切東西烤化。除了獨具特色的遮陽罩，信使號還有許多引人注目的特點。例如 ,信使號的兩翼就像兩面鏡子， 人們甚至可以對著它 們梳妝打扮。 兩翼由數(shù)千個小 “鏡子” 組成，其中 2/3 的“鏡 子”用于反射水星附近的強烈陽光，剩下的“鏡子”用于將 陽光轉(zhuǎn)化成電能。信使號內(nèi)部有許多和電子儀器相連的排熱 管，一直通到飛行器外表。排熱管一般情況下都會打開，向 外排放電子儀器工作中釋放的熱量。當(dāng)信使號飛到

6、水星和太 陽之間的位置時，這些排熱管將關(guān)閉，防止太陽釋放的熱量侵入探測器內(nèi)部。 水星探索計劃首席熱能工程師杰克 •埃爾科萊解釋說： “它基本上就是個熱水瓶。”飛行 6 年半、80 億公里的時空距離對于信使號的精確測控來說也是一大挑戰(zhàn)，旦軌道控制不好， 信使號將無法按照需要進行探測。信使號星體結(jié)構(gòu)主要由石墨環(huán)氧材料制成。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅密度較小，而且具有足以耐受發(fā)射環(huán)境的強度。其姿態(tài)測量系統(tǒng)由幾臺星跟蹤器和慣性測量單元完成，并用6 臺數(shù)字太陽敏感器作為備份；慣性測量單元內(nèi)有4 臺陀螺和 4 臺加速度計；姿態(tài)控制由 4 個反作用動量輪和小功率推 進器來完成。其電源分系統(tǒng)采用 2 個

7、太陽電池翼和一組鎳氫 電池。其“中樞”是綜合電子艙，艙中裝有 2 臺處理器。信 使號主要通過其兩副圓極化 X 波段相控陣天線來接收指令 和發(fā)送數(shù)據(jù)，其上的中增益和低增益天線既可用于上行通信 也可用于下行通信，通過上行通信向信使號發(fā)送控制指令。六大任務(wù)七大眼信使號此行要探測水星 6 大奧秘：水星具有何種磁場特征？為什么水星的密度那樣高？水星具有何種地質(zhì)形成過 程？水星核具有怎樣的構(gòu)成和形態(tài)？水星兩極的異常物質(zhì)是什么？水星表面有哪些不穩(wěn)定物質(zhì)對其外大氣層的形成起了重要作用？為了完成這一任務(wù)，信使號攜帶了7 臺科學(xué)探測儀器。其上的磁力計（ MAG ）位于 3.6 米長支桿的末端，用于測量水星的磁場，

8、并搜索水星地殼被磁化的巖石范圍。它將用 4 個水星年（每個水星年相當(dāng)于地球上的88 天）詳細地描述水星的磁場特征，以確定其確切的強度和其強度隨位置、高度不同而發(fā)生的變化；它還能與高能粒子與等離子體 光譜儀一起測定太陽對磁場動態(tài)特點的影響。其上的Y射線與中子光譜儀（GRNS ）用于探測水星表面上放射性元素或水星表面元素受宇宙射線激發(fā)后而發(fā)出 的Y射線和中子，從而確定不同元素的相對豐度，并有助于 確定從未受到過陽光直射的水星兩極區(qū)域是否有冰存在；它 將在各種極區(qū)沉積物中探測氫的存在。其上的X射線光譜儀（XRS ）用于探測因太陽發(fā)出的 Y射線和高能 X 射線撞擊到水星表面元素所激發(fā)出的低能 X射線，

9、以測定水星地殼物質(zhì)中各種元素的豐度。其上的水星大氣與表面成分光譜儀（MASCS ）可以敏感從紅外線到紫外線的光譜，用于測定大氣氣體的豐度，并探 測水星表面上的礦物質(zhì)。其上的高能粒子與等離子體光譜儀（EPPS）用于測量水星磁層中帶電粒子 （電子和各種離子） 的成分、 分布及能量； 確定水星外逸層的成分和哪些過程向水星的稀薄大氣提供 了分子；認識水星極區(qū)沉積物的成分可澄清內(nèi)太陽系中有哪 些揮發(fā)性物質(zhì)；它還和水星大氣與表面成分光譜儀一起探測 在沉積物上方的稀薄蒸氣中是否有硫。其上的水星雙重成像系統(tǒng)（ MDIS ）由一臺廣角成像儀和一臺窄角成像儀組成，用于測繪地貌，跟蹤表面光譜的變 化，并采集地形信息

10、。它裝在樞軸式工作臺上，以便使該儀器指向科學(xué)家選擇的任意方向。這兩臺成像儀相當(dāng)于信使號 的一雙眼。其上的水星激光高度計 （MLA ）由一臺激光器和一臺傳感器組成，其中的激光器向水星表面發(fā)射激光，激光被水星 表面反射后由傳感器接收。通過測定光線往返水星表面一次 所用的時間，可以精確測定信使號與水星表面的距離，使科 學(xué)家精確繪制出水星表面的地形圖。利用激光高度計測量水 星的天平動（行星繞其自旋軸發(fā)生的緩慢擺動） ，可確定水 星核是否存在液態(tài)的外層以及水星核的尺寸，并推測其中有 多大一部分是固態(tài)的。了解水星核的狀態(tài)有助于解釋地球等 類地行星為什么會產(chǎn)生磁場。信使號還將進行一項射電科學(xué)（RS）研究，利用多普勒效應(yīng)測量航天器繞水星運行時速度的微小變化，使科學(xué)家能 夠研究水星的質(zhì)量分布，包括其地殼厚度的變化情況。對于水星的密度和金屬含