“信使”号水星探测器(美国宇航局等研制的水星探测器)

“信使”号水星探测器（英文名：信使号，全称：MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging）是由美国航空航天局、卡内基学院以及约翰·霍普金斯大学共同研制开发的探测器，并于2004年8月3日下午2点16分在美国佛罗里达卡纳维拉尔角空军基地顺利升空。总共耗资4.27亿美元。

“信使”号水星探测器是由姿态控制和推进、通讯系统和计算机和软件等组成，配备了太阳能电池板、水星双重成像系统等科学仪器，在飞掠地球和金星期间，测量了地球磁场和记录了金星高层大气的紫外线和X射线光谱。

2005年8月，“信使号”水星探测器在高空飞掠地球，并于次年在高空飞掠金星。2008年1月14日，“信使”号第一次飞掠水星，完成了一系列事先设定的任务，同年7月3日，美国航空航天局公布了1月“信使”号水星探测器飞掠水星时所得观测数据的分析结果。2011年3月，进入水星轨道，成为首颗围绕水星运行的探测器。2015年5月1日，探测器燃料耗尽，最终在水星撞毁。

“信使”号水星探测器是人造探测器首次进入水星轨道进行近距离的探测，并成功对水星进行了近距离、全方位的观测，记录下一些前所未见的水星地形。对水星地表进行详细测绘学，同时研究水星的构成、磁环境、稀薄的大气层以及其他特征。

发射背景

在信使号之前，已经有过探测器对水星进行探测了。1973年，美国航空航天局发射了"水手10号探测器"，用于多次飞越金星和水星。水手10提供了水星的第一个详细数据，绘制了40-45%的表面图。此后的30年里人类没有对这颗行星进行近距离观测的任务。

历史沿革

2004年8月3日下午2点16分，由美国宇航局、卡内基学院以及约翰·霍普金斯大学共同研制开发的“信使号”水星探测器在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地顺利升空，展开为期6年半、长达79亿公里的旅程。2005年8月，“信使号”水星探测器在高空飞掠地球，并于次年在高空飞掠金星。2006年10月24日8时34分，信使号在金星海拔2992公里（1859英里）处飞越金星。探测器利用行星引力的拖曳方式，大大改变了其轨道，缩小了绕太阳轨道的半径，使其更接近水星。在飞越期间，信使号从金星后面经过，进入了高级会合期，这一时期地球正好位于太阳系的对面，太阳抑制了信使号的无线电联系。因此，在飞行过程中没有进行科学观测。与信使号的通信在11月下旬重新建立，并在12月12日进行了深空飞行，以纠正在第二次飞行中遇到金星的轨迹。2007年6月，“信使号”水星探测器在高空再次飞掠金星。

2008年1月14日，“信使”号第一次飞掠水星，完成了一系列任务，包括对水星表面进行测绘学、测量水星稀薄的大气层、对水星周围的离子进行取样等。7月3日美国航空航天局公布了1月“信使”号水星探测器飞掠水星时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。2009年9月29日17点55分,信使号在水星表面228公里（141英里）上空掠过，这是水星第三次也是最后一次飞越。这次飞越水星使得获得了关键的重力辅助，进一步降低了速度，这将使它在2011年进入水星轨道。在接近最后一次飞行期间，航天器进入安全模式。虽然这对以后插入水星轨道没有影响，但它导致在飞越期间的科学数据和图像丢失。2011年3月，“信使”号进入水星轨道，先后绕水星飞行4100多圈，获得许多重要发现，其中包括在2012年证实多年的猜测，即水星北极地区贮存着数十亿吨水冰。2015年5月1日3时26分，美国航空航天局“信使”号探测器耗尽所有燃料最终以撞击水星的方式，为11年的太空旅程画上了句号。

总体设计

电力

“信使”号水星探测器的电力主要由太阳能电池板提供。“信使”还携带着一块，可以把太阳能电池板产生的电能储存起来，供其他系统使用。

姿态控制和推进

信使号的双模块推进系统包括一个大推力的660N（150磅）的双组元主推进器和16个联氨推进剂推进器用于较小的轨迹调整和姿态控制。主推进器需要联氨和氧化剂四氧化二氮的组合。燃料和氧化剂储存在定制设计的轻型钛罐中，集成在航天器的复合材料框架中。氦气推动燃料和氧化剂通过系统到达发动机。

在发射时，信使号携带了600公斤（1323磅）的推进剂，在进入水星轨道开始的机动过程中使用了将近30%的推进剂。小型联氨推进器也扮演了重要角色：四个22N（5磅）推进器用于小航向修正，并在大型发动机工作时帮助稳定信使号。12个4.4N（1磅）的推进器也用于小航向修正，并作为反作用轮的备用，在正常巡航和轨道运行期间保持航天器的方向。

通讯系统

该探测器包括两个用于与深空网络通信的小型深空转发器和三种天线：主波束可以在一个平面上电子控制的高增益相控阵、中等增益“扇形波束”天线和低增益相控阵天线。增益角具有宽阔的图案。高增益天线仅在 8.4 GHz 下用作发射，中增益和低增益天线在 8.4 GHz 下发射并在 7.2 GHz 下接收，所有三个天线均以右旋圆极化 (RHCP) 辐射运行。这些天线中的每一个安装在探测器面向太阳的正面，每个天线中的每一个安装在探测器背向太阳的背面。

计算机和软件

航天器的机载计算机系统包含在集成电子模块（IEM）中，该模块将核心航空电子设备组合到一个盒子中。该计算机配备了两个抗辐射IBM RAD6000、一个25MHz主处理器和一个10MHz故障保护处理器。为了冗余，航天器携带了一对相同的IEM。对于数据存储，航天器携带两个固态记录器，每个能够存储高达1GB的数据。IBM RAD6000主处理器收集、压缩并存储来自Facebook Messenger仪器的数据，以便稍后在地球上回放。

携带科学仪器

遮阳伞

用来保护飞船免受太阳直射，使飞船的电子设备和仪器即使在水星这样的热环境里也能正常运行。

太阳能电池板

为飞船提供动力。“信使”还携带着一块蓄电池，可以把太阳能电池板产生的电能储存起来，供其他系统使用。

水星双重成像系统

质量： 8.0 公斤（17.6 磅）

功率： 7.6 瓦

开发：约翰·霍普金斯大学应用物理实验室

这是一部带有广角镜头和窄角镜头的摄像机，可以单色、彩色和立体成像。

伽玛射线和中子谱仪

质量： 9.2 千克（20.3 磅）

功率： 16.5 瓦

用于绘制水星表面的元素构成图。

X射线分光计

质量： 3.4 公斤（7.5 磅）

功率： 6.9 瓦

开发：约翰·霍普金斯大学应用物理实验室

用于绘制水星外壳物质的元素构成情况。

磁力计

质量（包括吊臂）： 4.4 公斤（9.7 磅）

功率： 4.2 瓦

绘制水星磁场的详细结构和动力，寻找磁化的地壳岩石区。

水星激光高度计

质量： 7.4 公斤（16.3 磅）

功率： 16.4 瓦

开发：美国航空航天局戈达德太空飞行中心

MLA 使用红外激光发射器和接收器测量水星的地貌和其他表面特征。

水星大气与表面合成分光计

质量： 3.1 公斤（6.8 磅）

功率： 6.7 瓦

开发：科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室

测算水星大气的情况，寻找水星表面物质里的矿物成分。

高能粒子和等离子分光计

质量： 3.1 公斤（6.8 磅）

功率： 7.8 瓦

开发：约翰·霍普金斯大学应用物理实验室和密歇根大学

用于测算水星磁气圈内部和周围的带电粒子的构成与特性。

设计特点

由于水星上空的稀薄大气——被称为大气层——不能阻挡热量，水星表面将它所接受的几乎所有热量发散回太空。工程师们不仅需要为航天器设计一个抵挡太阳强烈辐射的防护罩，而且还需要设计能够经受因为观察在酷热和寒冷之间循环的水星表面而产生的压力的仪器。

“信使”号探测器的研发存在两大难点，即温度控制和精确测控。水星表面白天温度大概相当于在地面上11个太阳照射的温度，表面的温度平均起来是450度，由于没有空气，没有传热介质，晚上会特别冷，大概为负150度左右。水星的日夜温差甚至达到600度，这是一个非常严酷的环境，所以需要采取各种各样的热控的办法，不致于损坏整个的探测器；整个行程接近80亿公里，对于这么漫长的时空距离，做好卫星的精确测控是另一个必须解决的难题。

负担使命

水星密度为何如此大？

水星的体积与月球相似，而其密度则比月球大得多，仅比地球略低，在太阳系内部的类地行星中位居第二。科学家们曾根据其密度推测，水星中有65%是富含铁等金属的内核，这一比例约相当于地球的2倍。“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。

水星的地质史

美国“水手10”号曾对水星45%的表面区域进行了拍照，但“水手10”号所拍照片并未提供有关水星表面形成机制的足够细节。“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。

水星的内核结构

“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。地球磁场据认为由散逸层地核中液态岩浆的运动所形成，体积比地球小得多的水星，照理说其内核早就应该冷却并完全固化。“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。

水星磁场的特性

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，但未能很好揭示出水星磁场的特性。“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。

水星两极存在什么？

水星表面温度最高可达450℃，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℃。1991年，科学家们发现，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。

水星大气层的构成

水星拥有极为稀薄的大气层，水星大气层中已知存在氢、氦、氧和钙等6种元素。“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。

探索成果

水星密度

人类对水星密度为何如此之大的问题，有了初步的观察。水星的体积与月球相似，而其密度则比月球大得多，仅比地球略低，在太阳系内部的类地行星中位居第二。如果没有行星自身引力对内部的压缩作用，水星的密度将比地球更大。科学家们曾根据其密度推测，水星中有65％是富含铁等金属的内核，这一比例约相当于地球的2倍。但这次观测却发现，水星表面矿物中铁的分布相对较稀少，而且其地壳和地幔中很可能也是这种情形。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。

水星内核结构

发现了水星内核结构的问题。“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。一般认为地球磁场是由散逸层地核中液态岩浆的运动形成的，体积比地球小得多的水星，照理说其内核早就应该冷却并完全固化了。那么，现今水星的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”号此次飞掠水星时发现证实了水星磁场是源自水星外核位置，核的冷却收缩过程为磁场提供了动力，而磁场又是水星内部、表面、外层大气和磁气圈之间相互复杂作用的驱动因素。

水星地质史

美国“水手”10号飞船拍摄的照片显示水星表面古老，水星的大部分表面是平坦的平原，但布满了坑。科学家对这些平原形成的原因不清楚，各持己见：一些科学家认为是由于太空岩石撞击这颗行星后形成的，另外一些科学家认为是由于水星本身火山爆发造成的。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水星火山喷射出火山熔岩流的痕迹，表明水星的形成与众不同，而火山活动在塑造这颗行星的过程中扮演着重要角色。证明导致水星平原形成的因素中，火山作用是重要的因素之一。“信使”号的观测还表明，水星地表除了平原，还存在褶皱、断层等其他多种地形。科学家还发现一些悬崖断层的图像，表明水星收缩比先前严重，达到难以想象的程度。科学家认为这是因为炽热的稠密核心冷却和凝固所导致出现的收缩。

水星上存在冰

“信使”号水星探测器为水星上存在冰提供了有力证据，证实水星极地陨石坑阴影中蕴藏着丰富的水冰和其他冰冻易挥发物质。“信使”号的装置传回了水星演变的细节，科学家首次研究了行星内部成分。根据2013年12月公布的数据显示，水星两极地区的水冰，如果表面面积散布成华盛顿哥伦比亚特区的大小，厚度将超过3.2千米。此前，一直认为水星接近太阳不可能存在水冰，现在看来其两极从未见到阳光。

丰富挥发性的行星

信使号测量显示，水星在中等高温下蒸发的挥发性元素中出人意料地丰富，排除了在任务前提出的许多形成模型和早期历史假设。由于钾的挥发性比高得多，因此这两种元素的丰度之比是衡量通过挥发性分离元素的热过程的敏感指标。其他挥发性元素（包括硫）、钠和氯等的丰度相对较高，这进一步证明了水星具有挥发性。高硫含量加上行星表面的低铁含量，汞是由氧气含量比其他类地行星少的物质形成的，这对太阳系内所有行星的形成理论提供了重要的制约。

极地冰层

信使号提供了多条证据，证明水星的极地区域是水冰。水星北极附近的永久阴影陨石坑具有热环境，使得水冰在这些陨石坑中稳定存在，无论是在地表还是在地表以下几十厘米处。

偏移磁场

信使磁力计的观测显示，水星的磁场沿着行星自旋轴被行星半径的20%偏移。内部磁场比地球弱100倍，在太阳点几乎看不到太阳风形成磁层。行星场与太阳风的相互作用在磁层中产生电流，从而诱发外部磁场，其磁场与磁层中许多磁层中的行星场相似或更大。

空洞

凹陷是浅的，不规则的凹陷，是信使号发现的一种地质地貌，似乎是水星所独有的。凹陷也是水星表面最明亮和最年轻的特征之一。空洞的形成仍然是一个活跃的研究领域，但是这些特征的蚀刻性质，表明材料正在从表面流失，从而形成空洞。

火山沉积物

火山活动在塑造水星表面方面起着至关重要的作用。众所周知，硅在表面相对均匀，因此这些地图显示了镁和铝的丰度变化，这两种物质对形成火山沉积物的熔岩的内部熔化细节都十分敏感。

全球收缩

信使号的探测结果表明，水星的半径收缩了7公里，这个数字比之前认为的要大得多。

季节性外层

水星脆弱的大气层散射阳光，发射物的亮度与其含量成正比。散落的阳光使钠发出明亮的橙色光晕，水星大气和表面成分分光光度计观测到，随着水星与太阳的距离变化，这种光晕会随季节变化而变化。在跨越两个水星年的动画中，橙色表示高浓度的钠，蓝色表示低浓度。在水星年的部分地区，散射过程的辐射压力足够强，足以剥去大部分大气层，形成长长的发光尾巴。在一年中的正确时间，站在水星的夜边的人会看到一个淡淡的橙色，类似于被钠路灯照亮的城市天空。

动态磁层

水星的磁层具有高度动态性，因为这颗行星的磁场很小，而且离太阳很近。太阳风与行星场的相互作用在粒子和磁场中产生波动，行星际和行星磁场线的重新连接和磁气圈中磁通量的循环速度比地球快100倍。开尔文-赫尔姆霍尔茨表面波在亚太阳点附近的磁层形成，并在反太阳移动时生长。太阳风和磁层等离子体的混合只是导致水星磁层高度动态的许多原因之一。仿真功能与信使号磁力计和能量粒子和等离子体分光光度计的观测结果一致。

能量电子

水手10号探测器在短暂观测后提出的一个难题是能量粒子的明显爆发的性质。由于仪器的限制，这些粒子（离子或电子）的身份和能量都不得而知。信使号的有效载荷包括专门设计用于解决这些问题的仪器。只有在信使号进入水星轨道后，这个谜题的最初部分才得到解决。高能粒子是电子，而不是离子，它们的能量从几千电子伏特到几十万电子伏特。能量超过1000电子伏特（1 keV）的电子可以通过撞击航天器或仪器的某些部分产生X射线。这个过程允许能量低于能量粒子分光光度计标称阈值（约35千伏）的电子在信使号的X射线光谱仪（XRS）中通过X射线特征进行检测。这些高能电子的来源和损耗过程仍在研究之中。

磁场对准电流

信使号航天器在轨道上对水星的磁场观测显示，电流沿磁场线从磁层向低空流动.这些电流在黎明时向下流动，在黄昏时向上流动，其大小是地球上的100倍。这颗行星的电导率模型表明，电流径向流过靠近表面的低导电层，从黎明到黄昏，电流横向流过深度更深的导电材料。

地球

在地球飞行期间，信使队使用水星双重成像系统对地球和月球进行了成像，并检查了观察大气和表面成分的其他几个仪器的状态，并测量了地球磁场，确定所有测试仪器都如预期的那样工作。这一校准旨在确保探测器进入环绕水星的轨道时准确观测数据。确保这些仪器在任务的早期阶段能够正常运作，从而有机会处理多个错误。

金星

2007年6月5日23时08分，信使号在金星海拔338公里（210英里）的高度进行了金星的第二次飞越，这是这次任务中速度下降的最大的一次过程。在相遇期间，所有仪器都被用来观察金星，并为下次与水星的相遇做准备。这次飞越提供了金星高层大气的可见和近红外成像数据。还记录了高层大气的紫外线和X射线光谱，以分析其成分。欧洲航天局的金星快车也在遭遇期间绕轨道飞行，为双探测器同时测量金星的粒子和场的特性提供了第一次机会。