信使探測器

20世紀70年代，水手－10探測器曾成功飛越水星，獲得了一些關於水星的珍貴資料，激發了人們試圖進一步探索水星的興趣，希望能把探測器送入環水星軌道。但是，當時的科學研究者還不知道如何利用有限的推進能力把探測器送入環水星軌道。20世紀80 年代中期，研究者發現，通過利用多次飛越金星和水星得到的引力輔助，可實現環水星飛行的目的。然而，由於1986 年挑戰號航天飛機失事，使得美國航宇局（NASA）準備用航天飛機發射的所有深空探測器的計劃都暫停，一些新的行星探索任務被擱置。直到20 世紀90 年代中後期，美國才開始把探測水星列入日程表中。

“信使”（MESSENGER）水星探測器是NASA“發現”系列空間探測計劃的第7 項任務，MESSENGER 實際上是“Mercury Surface，Space Environment ， Geochemistry， andRanging”（水星表面、空間環境、地質化學和測距）的縮寫，而且，Mercury 的原意是古羅馬神話中眾神的“信使”。

MESSENGER 原計劃於2004 年5 月11 日由德爾他－2 火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射，但3 月23 日美國宣佈，為了充分做好發射前的準備，將此次發射推遲到7 月30 日～8 月13 日，它進入水星軌道的時間也由2009 年改為2011 年。 ^[1] 

水手－10 探測器於1974 年和1975 年3 次飛越水星，但僅拍攝到了45%的水星表面照片，而且分辨率只有1km。儘管如此，這些信息對人類瞭解水星提供了很大幫助，併為MESSENGER 的探測指明瞭方向。 MESSENGER 的科學目標主要有6 項：

·為什麼水星的密度那樣高？

·水星具有何種地質形成過程？

·水星核具有怎樣的構成和形態？

·水星具有何種磁場特徵？

·水星兩極的異常物質是什麼？

·水星表面有哪些不穩定物質對其外大氣層的形成起了重要作用？ ^[1] 

MESSENGER 主要由推進分系統、電源分系統、姿態控制分系統、熱控分系統、電子設備及天線和科學有效載荷組成。

MESSENGER 裝有2 種模式的液體化學推進系統。其中1 種是裝有肼和四氧化氮的雙組元主推進器，它用於在大的變軌機動，如進入環水星軌道時使用；另1 種是裝有肼的16 個小型單組元推進器，它用於在小的變軌機動或軌道保持時使用。發射時，MESSENGER 攜帶的推進劑質量達618kg，約是其總質量（1130kg）的55%。 MESSENGER 的電源分系統主要是太陽電池翼和鎳氫電池，電池儲存太陽電池陣產生的能量，然後提供給其他分系統。MESSENGER 的姿態控制主要由4 個反作用動量輪來完成，必要時還可以使用小功率推進器來幫助完成姿態控制任務。為了確定軌道和姿態，MSSENGER 採用了幾台星跟蹤器及一個由4 台陀螺儀和4 個加速計組成的慣性測量單元完成，並用6 台數字太陽敏感器作為備份。

MESSENGER 設計的關鍵在於適應水星上的高温環境。水星上的表面温度可達到450℃，因此，百葉窗是MESSENGER 熱控分系統的重要組成部分，由耐高温的陶瓷材料製成，保護MESSENGER 不受太陽的直接照射。即使在水星的高温環境中，也能保證其電子設備和儀器正常工作。

MESSENGER 的“大腦”是有冗餘的綜合電子艙（IEMs），每個艙中裝有2 台處理器，其中1 台是25MHz 的主處理器，另1 台是10MHz 的容錯處理器。MESSENGER 的2 副圓極化X 波段相控陣天線用於下行通信，向地球發送科學數據及MESSENGER 的狀態信息；其上的中增益和低增益天線既可用於上行通信也可用於下行通信，通過上行通信向MESSENGER 發送控制指令。 ^[1] 

MESSENGER 攜帶8 台科學儀器，其名稱及功能如下。

(1) 水星雙重成像系統（MDIS）。該儀器由1 台廣角成像儀和1 台窄角成像儀組成，用於繪製地形圖和蒐集地形信息。其樞軸式工作台將有助於成像儀指向科學家選擇的任意方向。

(2) γ射線和中子分光計（GRNS）。該儀器將探測由水星表面放射性元素及被宇宙射線激活的水星表面元素髮出的γ射線和中子，得到的數據擬用來確定不同元素的相對丰度，以及確定沒有被太陽光直接照射的水星極地是否存在冰。 ^[2] 

(3) X 射線分光計（XRS）。太陽發出的γ射線和高能X 射線撞擊到水星表面，能引起表面元素髮出低能X 射線。XRS 將探測這些低能X 射線，以便測出水星外殼中各種元素的丰度。

(4) 磁力計（MAG）。它將測量水星的磁場，並考察水星外殼被磁化的岩石範圍。

(5) 水星激光高度計（MLA）。該儀器的工作原理是：向水星表面發射激光，激光被水星表面反射後，用1 個傳感器接收。通過計算激光從發射到返回的時間，可以精確測定MESSENGER 與水星表面的距離，而依據距離的變化量可以精確繪製出水星表面的地形圖。

(6) 水星大氣和表面成分分光計（MASCS）。它的感光範圍從紅外線到紫外線，將測量大氣丰度，並探測水星表面礦物質。

(7) 高能粒子和等離子體分光計（EPPS）。它可測量水星磁層中帶電粒子（電子和各種離子）的成分、分佈及能量。

(8) 無線電科學研究（RS）。它將利用多普勒效應測量航天器繞水星運行時速度的微小變化，以便科學家能研究水星的質量分佈及其外殼厚度的變化。

在到達目的地之前，MESSENGER將飛行6年多。在此期間，它將會1 次飛越地球（2005 年7 月）、2 次飛越金星（2006 年10月、2007 年6 月）、3 次飛越水星（2008 年1 月、2008 年10 月、2009 年9 月）。MESSENGER最終於2011 年進入環水星軌道，並對水星進行為期1 年的科學考察。

在飛越地球、金星和水星的過程中，它將利用行星的引力來改變其環太陽的軌道，以節省推進劑的消耗。因為當MESSENGER 攜帶的推進劑能滿足其進入預定的環水星軌道所需的動力時，MESSENGER 才能從繞太陽的軌道進入環水星的軌道。

在飛越金星過程中，科學家可以檢查MESSENGER 攜帶的儀器，併為MESSENGER 考察地球的這顆姊妹行星提供極好機會。MESSENGER 擬對金星外大氣層進行可見光和近紅外成像，以便驗證以前的觀測數據；通過對磁場和帶電粒子的監測，有助於科學家考察太陽風的加速離子特徵；利用紫外－可見光譜測量使科學家能觀察到金星外大氣層成分的變化情況；搜尋金星日影區的閃電及金星發出的X 射線。

MESSENGER 將3 次從距離水星表面200km 處飛過，每次飛過水星2 個月之後，它將進行變軌機動，調整其軌道，使其最終能夠在2011 年3 月進入環水星軌道。

這時MESSENGER 將對水星全球進行拍照，其中大部分是水手－10 探測器以前沒有拍到的地方，而且分辨率會更高。同時，它還將對其表面成分、大氣成分和磁層進行測量，這將是2 次全面的科學考察，但這僅僅是MESSENGER 科學任務的開始。這2 次考察對以後持續1 年的環水星軌道的科學考察有極其重要的意義。

MESSENGER 的環水星軌道是個大橢圓軌道，它距離水星表面的最近距離為200km，而最遠距離達15193km。軌道面相對水星赤道的傾角為80°，軌道最低點位於水星北緯60°的上空。

為了把MESSENGER 送入環水星初始軌道的風險降到最低，MESSENGER 將利用其推進器把速度降低到1.6km/s。這個過程會耗費掉MESSENGER 攜帶推進劑的70 % 。當MESSENGER 接近水星時，必須使主推進器的推力方向精確指向其速度方向。 ^[1] 

MESSENGER 到達初始軌道後，太陽引力及其光壓等攝動力使其軌道緩慢變化。雖然，這些攝動力只對MESSENGER 的12h 軌道週期影響不大，但是將會增大MESSENGER 軌道的近水星點高度和軌道傾角，不利於某些科學任務的完成。因此，為了使其軌道的近水星點高度保持在500km 以下，在每個水星年（88 天）中，MESSENGER 必須進行2 次軌道維持。

MESSENGER 環水星軌道飛行1 個地球年，將可以覆蓋2 個水星太陽日（1 個水星太陽日相當於地球的176 天），總計行程3.99×107km。在第1 個水星太陽日期間，MESSENGER主要通過不同的儀器進行全球繪圖；而在第2 個水星太陽日期間，則有選擇地進行科學考察。環水星飛行1 年後，科學家們將得到水星三維成像圖、全球表面化學特徵及內部磁場幾何結構。

在環水星軌道飛行期間，MESSENGER 每天用8h 的時間傳輸數據，平均每天的下行數據傳輸速率為15Mbit/s。但是，由於在此期間，水星與地球的距離變化很大，因此MESSENGER 的數據傳輸速率變化也非常大，隨着水星位置的變化，其數據要花費4～12min 的時間傳回地球。

在MESSENGER 的整個科學考察任務完成幾年後，地面控制人員無法使MESSENGER維持環水星軌道的飛行，MESSENGER 將最終與水星表面相撞而殞滅。 ^[1] 

在“信使”探測器10年的征程中，它3次飛掠水星，利用“引力彈弓”原理減速和修正軌道，並最終於2011年3月進入水星環繞軌道，在其主任務（2011年9月18日-2012年3月25日）結束後， “ 信使” 還完成了2次擴展任務。在對水星探測將近4年的時間裏，“信使”共向地球傳回了25萬餘張照片，面向公眾發佈了多達10TByte的科學數據，獲取了繼水手-10以來水星表面地質地貌、磁場、稀薄大氣等最全面、最真實的數據，填補了人類對水星認識的空白。

“信使”完成了既定的任務目標，並且通過擴展任務讓科學家們對水星有了更全面、立體的認識，其上搭載的7種科學載荷傳回的科學數據面向科研人員和公眾開放。載荷的地面校準數據將於2015年9月發佈，最終的綜合分析報告將在2016年3月發佈。除了這些數據外，“信使”團隊還將任務執行中使用的水星軌道數據瀏覽器（MODE）與用於和“信使”交互使用的簡易地圖等工具向公眾開放並提供下載。同時，“信使”科研團隊注重這些珍貴科研數據的積累與轉化，在1998-2014年這10多年時間裏，從早期任務整體方案規劃中的水星軌道與科學載荷設計，到後來的科學載荷數據分析，共發表了上百篇的論文，並在世界國際空間大會（COSPAR）、月球與行星科學大會（LPSC）等多個空間探索領域頂級會議上彙報。“信使”探測器的科學發現，打破了以往用望遠鏡等傳統手段觀測水星所產生的模糊，甚至錯誤的認識，用豐富、真實、深入的科學發現增進了人們對水星的理解。 ^[3] 

“信使”在繞水星飛行的2年時間裏共拍攝了將近17000張照片，實現了水星表面的全貌覆蓋。每幅全貌圖都由上千張照片拼接而成，其中彩色全貌圖使用紅、綠、藍（1000nm、750nm、430nm）3個譜段合成。科研人員稱，水星全貌圖有助於深刻地瞭解水星地殼的演化和形成。

水手-10探測器傳回的照片讓科學家看到一個和月球外表一樣佈滿隕石坑和火山活動痕跡的水星，而“信使”對水星地形和化學成分的細緻調查，顯示了一些獨一無二的特徵地貌，其中最吸引人目光的是水星表面廣泛分佈的淺坑，它們尤其集中在撞擊坑中，周邊分散着白色高反光的沉積物，這些物質同樣出現在火山坑中心的山峯及撞擊坑邊緣。這些飽受侵蝕的地形有可能暗示水星的外殼地質年齡更小，並存在揮發成分。霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家稱，“這些淺坑的出現時間比隕石坑晚，證明了水星上仍存在地質活動，這在其他石質星球上尚未發現”。同時，“信使”對水星表面鎂/硅、鋁/硅、鈣/硅的比率分析結果顯示，水星表面並非像月球那樣由富含長石族礦物的岩石組成；還發現了水星表面富含硫化物，驗證了此前地基望遠鏡對水星的光譜分析。這項發現暗示，與其他類地行星相比，水星初始地質構造活動中氧化反應發生得更少，這對水星上火山的成因有很大幫助。 ^[3] 

磁場和重力場是科學家深入研究水星內部的主要線索，這也是研究行星形成和演變的主要證據。科學家認為水星的內部結構和其他類地星球並不相同，根據水手-10數據推斷，水星的內核佔到整個星球體積的61%，向外分別是硅酸鹽成分的地幔和很薄的外殼。最初認為水星的內核很早之前就已冷卻，因此不能利用“行星發電機效應”產生磁場。然而，“信使”磁強計的測量和之前地面雷達觀測的結果顯示，水星表面存在磁場，其強度僅為地球的1%，而且兩極比赤道的磁場略強。霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家稱：“水星確實為偶極磁場，我們並未發現水星外殼存在明顯的短波輻射異常，這意味着它是一個新式的行星發電機模型”。

此外，“信使”探測器發現水星磁場中心位於水星球體中心北側，偏離近乎20%半徑的距離，這造成北半球磁場強度約為南半球的3 . 5倍，這種偏差與行星的半徑比值較其他星球大。南北半球磁場強度差異如此明顯，意味着水星南半球承受高能粒子，太陽風與電子的撞擊頻率遠高於北半球，這也導致了南半球外層大氣和表層成分在受到帶電粒子轟擊後產生“褪色”現象。 ^[3] 

水星的引力僅為地球的38%，而且是距離太陽最近的行星，其所處空間環境理應使其無法保持擁有大氣。但“信使”上的離子分光計長期觀測傳回的數據，證實水星確實存在大氣，儘管極為稀薄近似於真空，但卻很活躍，並且富含氫、氦、氧、鈣、硫、納、鉀、水蒸氣和一些被認為在空間環境中不易保存的揮發性元素。同時，在強烈的太陽輻射壓作用下，大氣背向太陽方向壓縮延伸，形成了數千千米類似於彗尾的延伸帶。

科學家認為，水星大氣有如此多的揮發元素，是在水星火山氣體噴發、微隕石撞擊和太陽風的長期共同作用下形成的，並且太陽風可能是水星大氣不斷得到物質補充的重要原因。水星的微弱磁場不能阻擋太陽風對錶面的直接轟擊，在風中高能帶電粒子的離子濺射效應作用下，水星表面的易揮發性元素以遊離態逃逸到水星大氣中，它們在太陽輻射壓的作用下跑到背陽面。同時，水星上還存在磁場重聯現象，磁場重聯造成了磁尾分裂，導致磁尾中大部分的等離子體被拋射入太空；同時，另一部分粒子在形成的漩渦磁場中抵達水星背陽面，同樣是在離子濺射作用下，背面的化學物質也以遊離態離子形式補充到水星大氣中。以上兩種情況共同構成了水星上大氣成分的補充機制。 ^[3] 

水星相對於太陽赤道的軌道傾角僅為3.38°，因此在水星極區存在很多陽光照射不到的永久陰影區。正如月球極區被證實存在大量水冰一樣，科學家們相信，在水星上這些永久陰影區尤其是撞擊坑內可能存在水冰。

20世紀90年代初， 地基射電望遠鏡對水星的雷達照射顯示水星極區存在一些反射率很高的“亮區”，其反射率特性和水冰非常相似。此外，這些“亮區”的位置和水手-10拍攝的水星地表大型撞擊坑的位置相對應，但由於水手-10未能獲得水星極區的圖像，因此無法確定永久陰影區位置是否同樣相互吻合。隨着“信使”抵達水星，這些問題迎刃而解。“信使”探測器搭載的水星雙成像系統拍攝的圖像顯示，那些水星兩極的“亮區”都位於永久陰影區內；同時確認了，水星北極永久陰影區內沉積物的主要成分確是水冰。在温度較低的區域，水冰直接暴露於地表；而在一些温度稍高的區域，水冰表面上覆蓋着一層尚未確定成分的深色物質。

“信使”還使用中子光譜儀測量“亮區”的氫原子丰度來推算出水冰的沉積量，測量結果顯示“亮區”存在一層平均厚度約為數十釐米的富氫物質層，其上方覆蓋有一層10～20cm厚的表層，這層中的氫含量則相對較低。 ^[3]