人类“信使”昨赴水星(图)

http://www.sina.com.cn 2004年08月04日09:00 北京日报

　　美国东部时间昨天凌晨2时16分，因天气原因推迟1天发射的“信使”号水星探测飞船从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地启程，前往访问罗马神话中众神的信使——水星。这是人类发射的第一颗将进入水星轨道的探测器。按计划，“信使”将跋涉79亿公里，于6年半以后到达目的地。

　　据美国宇航局专家介绍，“信使”号此次水星之行重在为六大谜团寻找答案。破解这些谜团不仅有助于研究水星，也会促进科学家们更深入了解地球等类地行星的形成和演化。

　　“信使”号是人类发射的首个水星轨道探测器。30年前，美国宇航局的“水手10号”探测器曾3次靠近观测水星，为人类认识水星提供了第一手数据。但“水手10号”没能进入水星轨道，而只是拍摄水星表面45％的远景图像。所以，进一步探索水星的重担，就落到了“信使”号的肩上。

　　每天只有12秒发射时机

　　美国东部时间3日凌晨2时16分（北京时间3日下午2时16分），“德尔塔2型”三级火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地点火升空。它的使命就是将“信使”号水星轨道探测器送入太空。

　　特意选择拂晓前发射，是因为这个时段的天气条件有可能是最适宜的。“信使”号早在两天前就“整装待发”了，但能否发射还要凭“运气”。因为一天中能够进行发射的“窗口”只有短短的12秒钟，如果在12秒内出现任何偏差，发射便无法进行。所以，“信使”预设的发射日期便是从2日开始的13天之内。2日，发射地上空云层较厚，附近地区还受到“阿莱克斯”热带风暴的影响，发射便不得不推迟了24小时。

　　“德尔塔2型”火箭升空56分43秒之后，“信使”号与火箭成功分离。从此，它将独自飞向水星，路程长达79亿公里，预计到达时间是2011年3月。

　　“信使”号总重1100公斤，长1．27米，宽1．85米，高1．42米，体积跟一辆越野车差不多。6个国家的20多个研究机构提供了技术支持。

　　“隔热盾牌”藏设备

　　制造水星探测器，首先要解决一个非常关键的问题。由于在九大行星中，水星与太阳最近。故而，对于科学家来说，要让精密的探测仪器在如此强烈的阳光直射和高温炙烤下，维持正常工作，是一个不小的挑战。“幸运的是，探测器的大部分部件都不用暴露在强光和高温之下。”约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的詹姆斯·利里说。这归功于“信使”所拥有的特殊装备——遮阳板。

　　“信使”号向阳一面有一层大约2．7米长、2．4米宽、6毫米厚的曲面长方形遮阳板，多数仪器位于背阳一面。

　　参与“信使”号制造工作的机械工程师尼尔·巴齐特尔为“信使”量身定做了这面“隔热盾牌”。他向自己的母亲求教了缝纫技巧后，用特殊工具把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在一起。当“隔热盾牌”感受到的温度达到普通烤箱的温度时，它就会抬升起来，而下面受其“庇护”的探测器主体将保持住室内温度。

　　此外，“信使”号内部还有许多和电子仪器相连的排热管，一直通到探测器表面。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”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飞行器内部。

　　科研设备都用太阳能

　　在解决了高温和强光直射的问题后，“信使”号其它各部分就可以在正常的环境下执行探测任务了。为了完成探测任务，“信使”号上装备了7种科研设备。

　　左前端、也是最重要的设备是“水星双重成像系统”。它其实就是一台照相机，同时拥有广角与窄角两个摄像头。广角摄像头主要拍摄水星表面的不同岩石状地表结构，而窄角摄像头则用黑白图像记录下小范围的地表特征。这个系统可以为人类拍摄记录下一个全面而详细的“水星立体全景图”。

　　正前端的Ｘ射线仪和右侧的“伽马射线和中子谱仪”则负责探测水星地壳的组成元素。磁力计的位置比较特殊，它被安装在探测器主体之外一个3．6米长的金属杆之上，以便测出水星不同地区的磁场大小和方向变化。激光测高仪用来测量水星表面不同地域的海拔高度，以便绘制出水星地形图。大气和地表元素测量器用来测量大气气体以及地表矿物元素。高能粒子和等离子测量仪，则是用来描绘水星磁气圈内部和四周的粒子的功用。

　　“信使”号上各种科研设备正常运转的动力来自太阳能，秘密就在于“信使”的两翼。它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，其中三分之二的“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。它的两翼其实就是太阳能吸收板，在开始太空飞行后才缓缓打开。

　　两块太阳能吸收板总面积约5平方米，由耐高温材料组成，可以承受250摄氏度的高温。不过，吸收板不会直接面对太阳光，所以，它的工作条件是135摄氏度。从太阳光中收集到的能量会被储存在镍氢电池中，然后从电池中为探测器的各个系统提供能量。

　　“借力飞行”节省能量

　　“信使”号的主推进器及16个小型辅助推进器均使用液体化学燃料。它携带的燃料有600多公斤，相当于其总重量的多一半。尽管如此，燃料量还是不足以支持“信使”号做直线飞行。

　　水星和地球之间的直线距离约9100万公里，“信使”号直线飞到水星只要3个月左右，但如果这样做，加速和减速都将需要消耗更多燃料，也就意味着需要更大的运载火箭和更高的成本。所以，科研人员为“信使”号设定了79亿公里、绕太阳飞行15圈的复杂路线。

　　按计划，“信使”号将于2005年8月掠过地球；于2006年10月和2007年6月两次掠过金星；于2008年1月、10月和2009年9月，3次掠过水星。所谓“掠过”的意思就是指探测器飞近某颗星球，但却不着陆或者进入其轨道飞行。这便是“信使”号借助行星引力场，在低耗能的情况下，加速、减速或者调整航向和飞行轨道的大好机会。

　　2011年3月，“信使”号将最终进入目标轨道，开始像卫星一样环绕水星飞行。“信使”号环绕水星飞行的轨道为椭圆形，最近可以达到距离水星表面200公里的地方，最远可以为15193公里。信使轨道与水星赤道的夹角为80度。

　　按计划，“信使”号的探索工作将于2012年3月正式结束，而科学家对于传送回地面的所有数据的分析和结论，则要等到2013年才有结果。“信使”2012年完成使命后，将继续绕水星飞行，直至燃料耗尽，坠落到水星表层。

　　时刻跟“家里”联系

　　离开地球的日子，“信使”号可以凭借“头顶”的天线与地面取得联系。“信使”号携带着两种天线：两部轻型相控阵天线——专司数据的下行传输；双向传输天线——既可用于上行传输，又可用于下行传输。下行传输将科学数据和探测器的状态信息传回地球，科学家则利用上行传输给飞船下达指令。天线是固定打开的，这样可以避免由于天线在打开过程中出现问题而致使通信中断。“伽利略号”火星探测器就遭遇过天线打不开的问题。

　　科研人员可以通过美国宇航局修建的“深层太空网”的各个观测站跟探测器保持联系。这些观测站位于美国加州的莫加韦沙漠、西班牙马德里以及澳大利亚堪培拉附近，它们覆盖了近一半的地球表面积，所以，地球自转也不会影响到科研人员对探测器进行持续观测。

　　探测器如果出现了问题，马上就可以跟科研人员取得联系。如果问题不大，探测器甚至在与地球取得联系之前，就可以自行关掉坏掉的元件，并继续正常的操作。如果问题比较严重，需要采取一些矫正措施。探测器就会进入“安全”模式。在安全模式下，“隔热盾牌”面朝太阳，双向传输天线朝着地球，然后等待进一步的来自地球的指令。

　　少花钱多办事

　　“信使”号是美国宇航局“探索”项目之一。该项目的宗旨是：革新技术，开展廉价的行星探索。“探索”项目上马有两方面背景：科学界探索太空的呼声日盛；每个探索计划所能筹集到的资金越来越紧张。所以，“更快、更好、更省”在上世纪90年代成为宇航局的科研宗旨。但自从“哥伦比亚”号航天飞机失事后，已经有不少人在指责这种廉价太空探索项目了。

　　为了花更少的钱办更多的事，“信使”号尽量不使用新的技术，而是通过对现有技术的最有效整合而满足研究需要。设计人员称：“‘信使’使用现货供应的元件和标准化数据界面，这就减轻了对未经验证的、价格可能较高的新技术的依赖。陶瓷材料制成的遮阳板可以避免对耐高温材料的需求。”“信使”号探测计划耗资4．27亿美元，相比起“卡西尼”号土星探测器30多亿美元的投入来说，实在是“便宜”极了。

　　在“信使”号之后，下一个探测水星的项目很可能是欧洲宇航局和日本航空航天研究中心的合作项目。他们计划在2011年至2012年发射两颗水星轨道探测器，一个探索水星，一个探索水星的磁气圈。文／侯健美

　　“信使”欲解六大谜团

　　“信使”号并非第一个水星的“地球访客”。1973年11月，由美国宇航局设计的“水手10号”搭乘火箭，同样是从佛州卡纳维拉尔角升空。

　　1974年到1975年间，“水手10号”曾3次掠过水星的上空。人类目前所了解到的关于水星的大部分数据都是从“水手10号”传回的照片中得到的。但以现在的标准衡量，这些照片的质量低得可怜，已经没有多少科研价值。而且，那些照片只拍摄到水星45％的表面区域，而剩下的55％的表面在探测器掠过时正好背对着太阳，“藏匿”在黑暗中。

　　所以，揭开水星秘密的任务就交由“信使”来继承了。它将环绕水星飞行12个月，行程3990万公里。

　　据美国宇航局专家介绍，水星是太阳系中最古老的类地行星，了解水星对理解类地行星及其演化有重要意义。“信使”号此次水星之行重在为六大谜团寻找答案。

　　谜团一

　　水星密度为何如此之大？

　　水星的体积与月球相似，而其密度则比月球大得多。科学家推测，水星中有65％是富含铁等金属的内核。“信使”号携带的多种分光计能够测量水星表面的元素构成，有关结果有望用于验证有关水星密度的各种理论。

　　谜团二

　　水星有过怎样的地质史？

　　在“水手10号”所拍摄的照片上，水星表面布满了坑，与月球表面颇为相似。“信使”号上的仪器可拍摄水星整个表面，并分析其表面岩石的矿物和元素构成，科学家们希望能在此基础上确定塑造了水星表面的各种地质过程发生的顺序。

　　谜团三

　　水星内核结构如何？

　　“水手10号”曾意外地发现，水星拥有分布于整个星球的磁场。在其他类地行星中，只有地球具备相同特征。水星磁场是该行星早期原始磁场的残余物，还是说水星内核并非完全是固体从而导致了磁场的形成？“信使”号对水星内核结构的研究，将有助于更好解释地球这样的类地行星如何产生磁场。

　　谜团四

　　水星磁场有何特性？

　　地球磁场会对太阳风和太阳耀斑等太阳活动做出反应，经常产生高度动态的变化。“水手10号”曾发现水星磁场也会有类似动态变化。“信使”号将利用磁强计等对水星磁场展开长时间的详细观测，进而确定水星磁场强度及其变化规律。

　　谜团五

　　水星两极有什么不寻常？

　　水星是距离太阳最近的太阳系行星，但其两极巨大的环形山内侧却永远照不到阳光，那里的恒定温度低于零下212摄氏度。1991年，科学家们首次根据雷达观测图像发现，水星两极环形山内侧具有很强反射能力，最为普遍的一种看法认为，这些区域存在着冰。“信使”号的一个任务是检验水星上到底有没有冰。

　　谜团六

　　水星大气层怎么构成的？

　　水星拥有极为稀薄的大气层，水星大气层中已知存在氢、氦、氧、钠、钾和钙等6种元素，这些元素据认为来自于各种渠道，通过不同方式进入水星大气层。“信使”号将借助多种分光计研究水星大气层的构成，并确定其中的各种分子究竟通过什么方式而产生。（侯健美辛华）

　　特别资料

　　众神的信使———水星

　　早在公元前3000年，生活在两河流域的苏美尔人就已经发现了水星。在古罗马时代，人们用一位天神的名字——墨丘利（Ｍｅｒｃｕｒｙ）为水星命名。而墨丘利正是一个在众神间传递信息的信使。所以，使用“信使”（Ｍｅｓｓｅｎｇｅｒ）作为水星探测器的名字实在是再合适不过了。

　　“Ｍｅｓｓｅｎｇｅｒ”还有另外一重含义：它是美国宇航局所设立的“水星表面空间环境、地理化学和空间遥测”这个探索项目名称的缩写。研究人员希望“信使”能够帮助人类在最广泛的范围内了解水星。

　　目前，人类对于这颗跟其它天体相比离地球并不算遥远的行星知之甚少。人们已知的是，水星为太阳系中距离太阳最近的行星。它的直径是4880公里，差不多是地球直径的38％。如果把地球的大小看做一个垒球，那么水星就像一个高尔夫球。和地球、金星、火星等太阳系的类地行星相比，水星具有星体最小和密度最大的特点。科学家由此推断，构成水星的物质至少三分之二应该是铁。水星几乎没有大气层，氧气稀少。地面昼夜温差极大，白天温度最高可达450摄氏度，而夜晚最低为零下185摄氏度。这样的环境是完全不利于生命存在的。

　　水星上的一天（第一次日出到第二次日出）是地球上的176天，而水星上的一年（绕太阳公转一圈）是地球上的88天。这也就是说，按照我们对天和年的定义，水星上的一天等于水星上的两年。由于水星上的自转轴也不像地球那样倾斜，所以也没有分明的四季。（侯健美）

　　本版图文

　　

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