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第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
2015-04-29 23:24:21  出处:果壳网   编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
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“你们知道我最后这一撞,会以每秒3.91千米的速度,砸出一个大约16米宽的坑吗?”这是美国航空航天局(NASA)的“信使号”探测器,昨天(4月28日)在官方推特上发布的一条消息。

4月30日,“信使号”将以撞击水星的壮烈方式,结束它已经被一再延长的探测使命,在水星北极附近留下一个相当于NBA篮球场大小的撞击坑。

或许要等到2024年,欧洲空间局的BEPICOLOMBO探测器抵达水星之后,我们才有机会看清楚“信使号”的最后一撞留下的遗迹。

“信使号”作为人类环绕太阳系最内侧行星水星的第一颗探测器,无论是漫长的飞行旅程,自身独特的设计,还是独到的科学发现,都颇有可圈可点之处。它的英文名MESSENGER,是“水星表面、太空环境、地质化学和测高”的首字母缩写,名副其实地点出了它的主要探测任务。

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走

水星和地球的绝对距离并不远,但以霍曼转移方式发射水星探测器,却比发射冥王星探测器还难,更不要说环绕水星了。2004年8月3日,NASA使用德尔塔Ⅱ型火箭将“信使号”发射升空。

为了最终进入环绕水星的轨道,“信使号”不仅大半重量都是燃料(总重1092千克,其中燃料607千克),还使用了极其复杂的轨道设计。

在长达6年半的飞行时间里,它飞行了约79亿千米,进行了5次轨道修正,更重要的是6次飞掠内太阳系行星,借助引力弹弓来减速,包括2005年8月2日飞掠地球、2006年10月24日和2007年6月5日两次飞掠金星,以及2008年1月14日、10月6日和2009年9月29日三次飞掠水星。

最后,在2011年3月18日,“信使号”发动机又点火减速868米/秒,才成功进入了环绕水星的轨道。

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
信使号曾经多次飞掠行星,借助引力弹弓减速,最终才抵达了水星这颗太阳系最内侧的行星,并环绕它展开探测

“信使号”探测器的轨道设计只是它面临的难关之一,更大的障碍来源于高温防热问题和由此带来的其他问题。水星轨道到太阳的平均距离只有5800万千米,太阳辐射要比地球附近强烈得多,更不要说信使号最终要环绕水星轨道,还得承受水星表面的强烈反射效果。

印度的“月船一号”探测器,就因为对月面反射辐射考虑不足最终过热提前夭折。我国的“嫦娥二号”为了在100千米环月轨道上安全工作,也不得不在温控上专门改进。如此对比的话,“信使号”面对的苛刻热环境也就可想而知了。

为了抵御水星轨道附近将近400℃的高温,“信使号”专门设计了一个巨大的遮阳板,这样即使在高温辐射下,探测器的本体温度也只有20多度,各种精密仪器可以正常可靠地工作。为了遮阳,“信使号”要不断调整姿态,这对姿态控制系统提出了很高的要求。

“信使号”的两个太阳翼尺寸为1.5米×1.65米,但水星轨道上太阳光的能量密度高得多,这两块定制的太阳翼更多考虑的问题,不是光电转换效率的高低,而是如何在高强度辐射下可靠地发电。

“信使号”的另一个难题是通讯,数十亿千米的长途跋涉,最近直线距离也在上亿千米,大量探测数据的回传,高增益天线必不可少。“信使号”在遮阳板上布设了高增益的相控阵天线。天线能够在如此苛刻的热环境下工作,不能不让人佩服美国电子工业的深厚功力。

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
为了让“信使号”能够在靠近太阳的高温环境中工作,工程师可谓煞费苦心

“信使号”探测器旨在探索揭开水星的一大串谜团,如水星密度为什么那么大,外壳的成分和结构如何,大气和磁场又是什么样的,两极有什么样的沉积物等等。

通过3次飞掠和4年多的环绕,“信使号”探测到水星外大气层有大量水的存在。它还通过双成像系统和激光高度计为水星绘制了精确的全球地图和地形图,并根据卡路里盆地内部局部抬升和不同的岩石成分等观测结果,推断水星曾在很长时间存在活跃的地质和火山运动。

根据“信使号”的探测,科学家发现水星具有极其奇怪的内部结构——在由铁硫化物构成的固体薄壳之下,水星拥有巨大的液体铁核,铁核直径占了水星直径的85%之多,比此前任何推测都要大得多。

这个结构有助于解释水星的磁场,毕竟此前科学家一直很奇怪,这颗如此小的行星居然拥有类似地球的标准双极磁场。

“信使号”使用中子谱仪和激光高度计反复探测,证实水星两极处于永久阴影之中的陨坑深处很可能存在水冰。当然这并非最终的结果,毕竟只有着陆器的直接探测才能确认这块区域是否有冰存在,但“信使号”即将寿终正寝的时候,仍然不断降低轨道高度,从200千米降低到25千米,后来又降到了7~15千米高度,以更好地对水星极地可能存在水冰的阴影区域进行探测。

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
“信使号”发现,水星拥有一个大得超出想像的铁核,可以解释为什么水星会像地球这样拥有一个双极磁场

2015年1月21日,“信使号”进行了最后一次轨道维持,耗尽了携带的所有燃料,原本预计3月末撞上水星,但工程师想到一个绝妙的办法,释放燃料箱增压用的氦气来产生推力,这又给它多续了一个月的寿命。

只可惜,由于受到太阳的影响,以及水星略微不对称的引力场的作用,已经彻底耗尽燃料的“信使号”坠落水星的结局已经注定。最后的日子,已经很近了。

作为第二个水星探测器和第一个水星环绕探测器,“信使号”和它带来的丰富的科学发现,将被人们永远铭记。

NASA最近还特意发布了几张由信使号飞船搭载的“可见光与红外光谱仪”(VIRS)拍摄的图像,显示水星地表上一些可能是火山管道或是新鲜撞击坑的景物。为了凸显地质特征,这些图像与来自信使号探测器上的“水星双成像系统”(MDIS)拍摄的黑白图像进行了叠加。

顾名思义,“水星双成像系统”(MDIS)是一款同时具备广角与窄角成像功能的相机系统,可以拍摄水星表面崎岖的地貌区域。这一设备的数据帮助制作了这两张图像。

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走

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第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
“Duccio”陨石坑:这是在水星早期冷却收缩过程中形成的挤压性断层,是其内部强烈应力作用在地表的体现

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
一种神秘的“空洞”结构(hollows),每一个的直径都有大约数百米宽,位于一个大型撞击坑的底部

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
这张图像的分辨率更高,显示出这些边缘不规则的“空洞”结构的更多细节

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走
这张图像显示的是水星靠近北极附近区域的地表温度情况,可以看到这里处于极度的温度反差之下——红色区域温度超过摄氏126度,蓝色区域温度则低于摄氏零下220度

第一颗人造水星卫星即将陨落:慢走

 


艺术示意图:飞行在水星表面上空的信使号飞船

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