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《少年科学画报》

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守卫水星的小信使

2012-07-10 19:44:18


博 引 文并供图

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我是一只鹰,是人类的好帮手,送信、捕猎样样在行。不过,我再能飞,也不敢跟“信使”号水星探测器比。“信使”号于2004 8 3 日升空,飞行了79 亿千米,于2011 3 18 日被水星捕获,成为水星的卫星,这是人类历史上第一次对水星进行全面的环绕探测。

 

这个信使有点傻

 

我觉得“信使”号水星探测器就是只“饭桶”。大家可别笑,我是有事实根据的。“信使”号的发射质量为1100 千克,其中燃料就接近600 千克。你看,光燃料就占了它一半以上的体重,还不算是个小饭桶吗?

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这只“饭桶”做过一件非常“傻”的事情——水星距地球约9100 万千米,“信使”号从地球直接飞到水星只要3 个月左右;而实际情况是,从2004 年起,“信使”号就在太阳系里转悠了。其间它1 次飞越地球、2 次飞越金星、3 次飞越水星,最终于今年3 18 日进入环水星轨道。3 个月的近路它不走,偏偏绕着走了6 年的远路,“信使”号怎么这么傻?

你以为去水星这么简单啊?如果是去金星或者火星的轨道,飞船可以利用两颗行星较为厚实的大气层所提供的阻力来减速。水星大气层极为稀薄,“信使”号要想“刹车”减速进入环水星轨道,就要消耗更多燃料,这意味着需要更大的运载火箭和更高的成本。别担心,“信使”号有高招。

航天器在宇宙中飞行有时不需要消耗燃料,而是利用星球的万有引力来给飞船加速。这个星球好比一把弹弓,在航天器缺少动力的时候,送它一程。有了太空中的“弹弓”,科学家们就能为“信使”号设计节省燃料的飞行路线了。先被地球加速,后来又被金星加速;累了就让水星用引力再推一程……在这些“弹弓”的你弹我射之下,“信使”号终于被“弹”进水星轨道啦!这一绝妙的飞行路线还是一位华人女性设计的呢。

 

神秘的水星,冰火两重天

 

尽管水星是地球的近邻,但人类对于它的了解却非常有限。因为水星距太阳最近,被太阳耀眼的光芒所笼罩,人们在地球上很难看清它的身影。水星不同地域的巨大温差也让人难以想象。在它能被太阳照射到的一面,温度达到450 摄氏度。但在它无法接触到阳光的一面,最低温度经常维持在零下200 摄氏度。难怪有人把水星比喻为“冰与火的世界”。迄今为止,只有美国的“水手”十号和“信使”号探测器探测过水星。

水星环境实在太恶劣,1973 11 3 日发射的美国“水手”十号探测器,只能通过掠过的方式探测水星,草草地拍了一些水星的照片。以现在的标准衡量,这些照片的质量差得可怜,却是30 多年来天文学家了解水星的主要途径。

 

打着伞的热水瓶

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“水手”十号要敢在水星轨道上拍照,早就被烤化了。“信使”号为何能适应水星轨道上的高热环境呢?原来,这只小饭桶还是只高级“保温桶”。“信使”号的两翼就像两面镜子,每面镜子由数千个小“镜子”组成,其中2/3 的小“镜子”用于反射强烈的阳光,剩下的“镜子”用于将阳光转化成电能。“信使”号内部有许多和电子仪器相连的排热管,一直通到飞行器外表。外界温度不高时,排热管开着,向外排放电子仪器工作中释放的热量。当“信使”号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探测器内部。电子仪器就在这“保温桶”内维持着20 摄氏度的温度。

仅靠自身隔热,电子仪器还是会被烤化。人们又给“信使”号配备了一把具有高反射性的耐热遮阳罩,对着太阳撑开,像把遮阳伞,为“信使”号挡住大部分热量。

 

“信使”号示意图

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总成本 4.27 亿美元,总重量1100 千克(探测器主体 500 千克+ 推进器600 千克)。

探测器主体体积 1.27 米×1.85 米×1.42 米(长× 宽× 高),跟我展开双翅时差不多,飞行姿态和我也很相似,所以说这个“饭桶”身材也不错哦。

 

破解水星疑团

 

“信使”号此次水星之行重在为六大疑团寻找答案。破解这些疑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。

疑团之一:水星的密度为何那么大?

水星的体积与月球相似,而其密度则比月球大得多。“信使”号携带的多种分光计能够测量水星表面的元素构成,可以用于验证有关水星密度的各种理论。

疑团之二:水星具有何种地质形成过程?

“水手”十号发现水星表面有类似于月球的坑槽。这次“信使”号携带的相机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,有望确定各种地质过程发生的顺序。

疑团之三:水星核具有怎样的构成和形态?

“水手”十号曾意外地发现水星拥有分布于整个星球的磁场。“信使”号对水星内核结构的研究,将有助于更好地解释地球这样的类地行星如何产生磁场。

疑团之四:水星具有何种磁场特征?

地球磁场会对太阳风和太阳耀斑等太阳活动作出反应,“水手”十号曾发现水星磁场也有类似动态变化。“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。

疑团之五:水星两极的异常物质是什么?

有人认为,在水星极地永远照不到阳光的阴暗陨石坑深处,很可能有结冰的水沉积物存在。“信使”号的一个任务是检验水星上到底有没有冰。

疑团之六:水星表面有哪些不稳定物质?

水星拥有极其稀薄的大气层。“信使”号将借助多种分光计研究水星大气层的构成,并确定其中的各成分是怎样产生的。

 

水星核直径占整个水星直径的75%,这使水星几乎和火星一样重,而火星的直径是水星的1.4 倍。下图是太阳系类地行星圈层结构的比例情况,从左至右分别是:水星、金星、地球、火星。在地球的右上角为月球。

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“信使”号预计会对水星进行为期一年的科学考察,这只盛满燃料的“小饭桶”,并没有足够的燃料助它重返地球,最终只能螺旋式地撞毁在水星表面。我们应当记住这个一生都在奔跑的小信使,它无惧太阳的炙烤,活跃在太阳系最内侧一颗大行星的轨道上。






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