圖解深空探測(cè)史

文/ 葉楠

水星探測(cè)

即使在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后，水星這顆距離太陽(yáng)最近的大行星依舊是個(gè)神秘的星球，每年只有在特定的日子，人們才能夠在日出前或日落后的很短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到它，只知道它很小，并計(jì)算出了它的公轉(zhuǎn)周期。20世紀(jì)60年代，通過(guò)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)得到了水星的自轉(zhuǎn)周期，但也僅此而已。要想得到更多關(guān)于水星的信息，就必須去接近它。

困難重重的水星探測(cè)

由于水星距離太陽(yáng)非常近，即使在遠(yuǎn)日點(diǎn)也只有不到7000萬(wàn)公里，不到日地距離的一半。由于在太陽(yáng)的引力作用下，探測(cè)器在飛向水星的過(guò)程中會(huì)不斷加速，過(guò)快的速度對(duì)于飛掠觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)要想進(jìn)入環(huán)繞水星軌道必須將速度降到和水星公轉(zhuǎn)速度相一致，根據(jù)計(jì)算，減速過(guò)程消耗的能量與從地球飛往木星所需要的能量相當(dāng)。

帕多瓦大學(xué)教授朱塞佩·科隆博（左圖）出生于意大利帕多瓦，是一名天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師，也是水星自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)軌道2:3共振（右圖）的發(fā)現(xiàn)者之一。1970年2月，在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一次研討會(huì)上，他指出探測(cè)器在飛掠金星后進(jìn)入176天周期的太陽(yáng)軌道，這正好是水星公轉(zhuǎn)周期的2倍，如果能夠精確控制推進(jìn)劑，并對(duì)金星和水星的飛掠時(shí)間和距離進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，可以使得探測(cè)器在每個(gè)176天周期后能夠再次同水星相遇。美國(guó)宇航局接受了他的建議并著手改進(jìn)飛行程序。朱塞佩·科隆博還有一個(gè)更出名的昵稱——貝皮·科倫布。

水手10號(hào)：三次飛掠水星

1973年11月2日，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的宇宙神-半人馬座火箭搭載水手10號(hào)探測(cè)器（左圖）從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。1974年2月5日，“水手10號(hào)”從距金星5768公里的地方飛過(guò)，拍攝了幾千張金星云層的照片，然后繼續(xù)朝水星前進(jìn)。

3月29日，“水手10號(hào)”從距水星表面703公里處飛過(guò)，并進(jìn)入周期為176天的公轉(zhuǎn)軌道，環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，成為首個(gè)飛掠水星的探測(cè)器。在飛掠水星的過(guò)程中，開展了無(wú)線電掩星探測(cè)，但并沒(méi)有得到水星存在大氣層或電離層的直接證據(jù)。但根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在接近水星的過(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)，超出行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度的5倍，這意味著水星是存在磁場(chǎng)的，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度大約是地球的1/150。

9月21日，“水手10號(hào)”再次飛掠水星，距離為48069公里，利用長(zhǎng)焦相機(jī)對(duì)水星南極地區(qū)進(jìn)行了成像觀測(cè)，紫外光譜儀探測(cè)到水星上空稀薄的氫氣層。

1975年3月16日，“水手10號(hào)”第三次飛掠水星，高度僅有327公里，根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)的探測(cè)結(jié)果以及等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備探測(cè)到弓形激波，證實(shí)了水星磁場(chǎng)的存在。

第三次飛掠水星8天后，“水手10號(hào)”用來(lái)控制姿態(tài)的氮?dú)庀拇M，探測(cè)器開始失控翻轉(zhuǎn)，未被遮陽(yáng)板覆蓋的區(qū)域暴露在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下……

右圖為“水手10號(hào)”飛掠水星時(shí)拍攝的水星照片，顯示出水星的表面布滿隕石坑，與月球頗為相似。

水手10號(hào)的科學(xué)設(shè)備

“水手10號(hào)”由波音公司研制，為八邊形鎂金屬結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)能電池板每個(gè)長(zhǎng)269厘米、寬97.5厘米，在近日點(diǎn)時(shí)可提供820瓦電能。配備有直徑137厘米的拋物面雙頻高增益天線以及管狀低增益天線。成像系統(tǒng)由4臺(tái)相機(jī)組成：2臺(tái)焦距為1500毫米，另外2臺(tái)焦距為62毫米，同時(shí)配備了8枚彩色濾光片轉(zhuǎn)盤。使用磁帶式記錄器存儲(chǔ)圖像信息，也可以117.6kbps的速率實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)。此外還攜帶了磁強(qiáng)計(jì)、帶電粒子探測(cè)儀、等離子體分析儀、紅外輻射測(cè)量?jī)x以及紫外光譜儀等科學(xué)設(shè)備。

“水手10號(hào)”三次飛掠水星，共傳回2700多張照片，覆蓋水星表面45%的區(qū)域。最令人印象深刻的照片來(lái)自于位于晨昏線處的卡洛里斯盆地及相對(duì)水星正對(duì)面的區(qū)域，巨大的撞擊形成的地震波經(jīng)水星內(nèi)核向地表蔓延，能量最終在行星對(duì)面匯合，引發(fā)強(qiáng)烈的地震和地殼運(yùn)動(dòng)，從而形成現(xiàn)在看到的丘陵地帶。

信使號(hào)：首個(gè)環(huán)繞水星的探測(cè)器

在告別“水手10號(hào)”30多年以后，水星才迎來(lái)了下一位訪客——信使號(hào)水星探測(cè)器（上圖）?！靶攀固?hào)”是其英文名MESSENGER的直譯，全稱為“水星表面、太空環(huán)境、地理化學(xué)與廣泛探索”，主要目標(biāo)是研究水星表面及大氣的化學(xué)成分、地理環(huán)境和磁場(chǎng)分布。

2004年8月3日，“信使號(hào)”從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。一年以后，2005年8月2日飛掠地球，最近距離為2347公里；同年12月12日“信使號(hào)”將軌道調(diào)整到朝向金星方向，于2006年10月24日第一次飛掠金星，距離金星表面2992公里；2007年6月5日第二次飛掠金星，距離金星表面338公里；同年10月17日，再次執(zhí)行變軌，“信使號(hào)”在繞日公轉(zhuǎn)3周后終于將目標(biāo)轉(zhuǎn)向水星。

“信使號(hào)”分別于2008年1月14日、10月6日和2009年9月29日三次飛掠水星，并逐步降低探測(cè)器速度，最終在2011年3月18日進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，軌道為橢圓形，距離水星表面最近只有200公里，最遠(yuǎn)則有15000公里。選擇這條軌道，主要是為了在盡量接近水星的同時(shí)也盡量避免探測(cè)器受到水星表面熱輻射的影響。經(jīng)過(guò)了近7年的旅程，繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)7圈后，“信使號(hào)”成為了歷史上第一個(gè)環(huán)繞水星飛行的探測(cè)器。在之后的4年里，“信使號(hào)”一直陪在水星身邊，2014年底，“信使號(hào)”推進(jìn)劑耗盡，軌道開始衰減；2015年4月30日，“信使號(hào)”以每小時(shí)1.4萬(wàn)公里的速度撞擊水星表面，結(jié)束了它長(zhǎng)達(dá)11年的水星探測(cè)歷程。下圖是“信使號(hào)”拍攝的最后一張照片。

信使號(hào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“信使號(hào)”由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造，長(zhǎng)1.27米、寬1.42米、高1.85米，探測(cè)器由兩塊太陽(yáng)能板提供電力，太陽(yáng)能板可旋轉(zhuǎn)并且加裝了日光反射器用來(lái)防止溫度過(guò)高。除此以外“信使號(hào)”還配備了一個(gè)長(zhǎng)2.5米、寬2米的陶瓷遮陽(yáng)板（Sunshade），對(duì)探測(cè)器本體提供被動(dòng)溫度控制?！靶攀固?hào)”攜帶的主要科學(xué)載荷（上圖）有：水星雙鏡頭成像系統(tǒng)（MDIS），用來(lái)繪制水星地圖；伽馬射線光譜儀和中子光譜儀（GRNS），用來(lái)探測(cè)水星表面的放射性元素，測(cè)量水星表面元素分布；水星激光測(cè)高儀（MLA），用來(lái)精確測(cè)量水星地形；水星大氣及表面成分光譜儀（MASCS）和X射線光譜儀（XRS），用來(lái)測(cè)量大氣豐度及探測(cè)地表礦物；高能粒子和等離子光譜儀（EPPS），用來(lái)測(cè)量水星磁場(chǎng)中帶電粒子的組成、分布和能量；磁強(qiáng)計(jì)（MAG），用來(lái)測(cè)量水星附近空間磁場(chǎng)強(qiáng)度。

下圖為“信使號(hào)”飛掠金星時(shí)拍攝的金星照片。

信使號(hào)的新發(fā)現(xiàn)

“信使號(hào)”的探測(cè)結(jié)果顯示，水星擁有豐富的揮發(fā)性元素，這否定了之前提出的很多水星形成理論，為未來(lái)探討類地行星的形成提供了重要觀測(cè)依據(jù)?！靶攀固?hào)”發(fā)現(xiàn)水星兩極永久陰影區(qū)域存在水冰（左圖），還發(fā)現(xiàn)水星曾經(jīng)擁有火山熔巖的證據(jù)。右圖中，提姆加德谷位于照片左上角，吳哥窟谷位于右下角，兩個(gè)山谷是由快速流動(dòng)的熾熱熔巖對(duì)水星表面的侵蝕形成的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)部冷卻收縮引起水星表面破裂的痕跡。通過(guò)水星大氣光譜儀測(cè)得水星大氣中的鈉散射陽(yáng)光發(fā)出明亮的橙色光芒，隨著水星距離太陽(yáng)隨時(shí)間變化，某些時(shí)候太陽(yáng)輻射壓力足夠強(qiáng)，足以剝離大部分大氣。水星的磁場(chǎng)也會(huì)在太陽(yáng)風(fēng)及行星磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生快速的變化。

貝皮·科倫布號(hào)：歐日合作探水星

貝皮·科倫布號(hào)探測(cè)器是由歐空局和日本宇宙探索局合作開展的水星探測(cè)任務(wù)。此項(xiàng)任務(wù)包含兩個(gè)軌道飛行器：歐空局主導(dǎo)的水星行星軌道飛行器（左圖中上方）和日本主導(dǎo)的水星磁層軌道飛行器（左圖中下方），以各自的軌道環(huán)繞水星飛行（右圖）?！柏惼ぁた苽惒继?hào)”的命名就是為了紀(jì)念上文中提到的為“水手10號(hào)”做出重大貢獻(xiàn)的貝皮·科倫布。

“貝皮·科倫布號(hào)”于2018年10月20日從圭亞那航天中心發(fā)射升空，同之前的“信使號(hào)”一樣，它也將通過(guò)引力減速的方式抵達(dá)水星。計(jì)劃于2020年4月飛掠地球，同年10月飛掠金星，2021年8月第二次飛掠金星，之后通過(guò)5次飛掠水星進(jìn)行減速，最終于2025年進(jìn)入水星環(huán)繞軌道?！柏惼ぁた苽惒继?hào)”未來(lái)會(huì)有怎樣的發(fā)現(xiàn)，值得我們期待。