揭開水星的神秘面紗……

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拿到車票，出發(fā)！

UTC時間2004年3月8日，信使號探測器乘坐DeltaII?7925H奔向水星。

2011年3月18日，經(jīng)歷了7年的旅途后，信使號成功抵達了水星。

矛盾的星球——水星

上世紀(jì)60年代初，即使人類發(fā)明天文望遠鏡后，在太陽系最里面的水星依然使最為神秘的星球，因為其十分靠近太陽，很難對其直接成像。又因為其十分靠近太陽，對于地球有很大的相對相對速度，再加上其較大的偏心率和傾角和受到太陽的高溫照射，人類對水星望而卻步。

1973年，水手10號踏上了前往水星的旅程，通過金星引力彈弓的幫助，兩次飛掠了水星，由于水手10號兩次飛掠都是在太陽的同一側(cè)，且水星自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期比例鎖定在了2:3，每當(dāng)水手10號飛掠時，水星的向陽面總是同一半球。這表明，水星還有另外一部分是人類所不知道的，我們需要一個水星軌道器來探測水星。

旅途的開始

信使號長1.27米、寬1.42米、高1.85米（你在坎巴拉里玩到的信使號的尺寸是完全錯誤的），重1107.9千克，主推進器為推力為645牛的發(fā)動機，還搭載了一根可折疊的磁強計，一個陶瓷隔熱瓦和兩個太陽能帆板。信使號乘坐當(dāng)時NASA最心愛的Delta?II火箭升空，為了到達水星，火箭使用了最高配置，所以Delta?II?7925H也被稱為Delta?II?Heavy，即超級加長一級油箱，9個GEM46助推器，Star48B上面級?；鸺诳{維拉爾角LC-17發(fā)射臺發(fā)射升空，雖然其進入的地球停泊軌道數(shù)據(jù)并沒有任何記載（至少目前我找不到），但可以通過一段發(fā)射CG模擬和逃逸軌道數(shù)據(jù)得出其停泊軌道數(shù)據(jù)大概為169km*150km、傾角31.8度、LAN108左右的近地軌道。UTC時間7:03，在環(huán)繞地球大約半圈后，AJ10-118K發(fā)動機再次點火把遠拱點抬至6537千米，接著，自旋火箭點火，Star48B固體上面級接過最后一棒，成功把信使號帶入地球一年共振軌道。此次轉(zhuǎn)移C3為16.4km2/s2，換算成Dv為3918m/s。通過推算，速度分量大概為（慣性參考系下）正切向3900m/s，正法向200m/s，正副法向500m/s。（地球停泊軌道和逃逸速度分量僅為推算，并非實際數(shù)值）

藍色軌跡線為信使號第一圈的軌跡，它的軌道周期正好是一年，所以，當(dāng)信使號繞太陽轉(zhuǎn)了一圈時，地球也同時轉(zhuǎn)了一圈。一年之后，地球和信使號也能交會。那為什么不能讓軌道和地球盡量重合，減少燃料花費呢？那是因為引力彈弓前后，航天器相對于用于引力彈弓的天體的速度并沒有改變，只是速度方向被天體引力偏轉(zhuǎn)了，如果軌道完全相切，兩者速度方向一致，就沒有偏轉(zhuǎn)，引力彈弓就更沒有效果。兩個軌道夾角越大，彈弓效應(yīng)就越明顯。這段話在下面的飛掠時仍有體現(xiàn)。

2005年8月2日，信使號回到地球，飛掠高度為2348千米。這樣近距離的飛掠地球，是測試其設(shè)備的好機會，在測控中心的指揮下，信使號完成了成像系統(tǒng)等科學(xué)設(shè)備的測試。

飛掠后，信使號把太陽軌道傾角修回比較靠近黃道面的水平，而且把太陽軌道的近拱點從0.924AU降至0.603AU，低于金星的近拱點。同上，軌道近點越低，飛掠金星時的收益就越大，二次飛掠金星時就可以讓軌道更接近水星。但近點越低，軌道周期越短，需要更多燃料來彌補周期差距、飛掠金星。權(quán)衡利弊后，科學(xué)家們選擇了這條軌道，并于UTC時間2005年12月12日執(zhí)行DSM-1（Deep?Space?Manuver—深空機動），共消耗315.6dv抬升遠拱點以增加軌道周期便于金星交會，實際上，僅僅依靠315.6dv的速度增量還是不夠。因為信使號的任務(wù)范圍靠近太陽，所以信使號大量使用光壓的幫助，剩下了不少燃料。

在執(zhí)行了DSM之后，信使號探測器再繞太陽飛行了一圈，UTC時間2006年10月24日，信使號探測器到達金星，飛掠近點為2987千米。此次飛掠使信使號進入的金星一年共振軌道（與前文解釋一致）。單次的飛掠并不能讓信使號直接到達水星，這次飛掠讓信使號的軌道傾角很接近水星，同時給了信使號一個稍作休整和探測金星的機會，并準(zhǔn)備好第二次飛掠金星。

2007年6月5日，信使號如期回到金星，在338千米的高度飛掠了金星，這次飛掠微調(diào)了相對于水星的傾角，而且再次降低了近拱點到0.335AU，但這仍然不能讓信使號與水星交會，還需要用發(fā)動機進行降軌（如果想要省燃料的話，也有三次金星彈射的方案）。飛掠過程中，ESA的金星快車也同時在金星軌道上運行，兩者開展了一次金星聯(lián)合探測，測量了金星的粒子和磁場特征。

在環(huán)繞太陽大約一圈左右后，2007年10月17日，信使號探測器執(zhí)行DSM-2，主發(fā)動機點火兩次，共418秒，消耗Dv227.4，再次降低了近拱點，信使號才得以與水星交會。而且交會也不是簡單的交會，如前文引力彈弓擴展，單純的軌道相切并不會提供效果，所以信使號的軌道也要略低于水星軌道，但也不能太低。如果太低，在水星的引力彈弓下，近拱點降低的也會越多，兩軌道之間的夾角就越大，相對速度就越高。幾次彈射下來，探測器與水星的相對速度已經(jīng)大到不能用發(fā)動機再抵消的水平了（由于水星的偏心率較大，所以信使號軌道與水星軌道的交點不一定在信使號的近拱點上，所以DSM的最佳位置也不一定在遠拱點，如圖，明顯看出DSM-2的位置早于遠拱點）。DSM-2后，信使號奔向水星，2008年1月14日，信使號以200千米的高度飛掠水星。由于在第二次金星飛掠時，信使號的軌道傾角已經(jīng)很接近水星，在這次飛掠中，借助水星引力的幫助，信使號幾乎完全匹配了水星的軌道平面，同時進一步降低了遠拱點，降低了與水星的相對速度（理論上，因為水星沒有大氣層，信使號的軌道可以更加接近與水星軌道相切，飛掠高度可以無限接近地表，這樣到最后減速進入水星軌道時可以省下不少燃料，但是為了保險，飛掠高度都控制在200千米左右?？蓱z的火星氣候探測者因為控制中心把火星近點高度的公制單位看作了英制使用，最終導(dǎo)致探測器一頭扎進大氣層，卒。由此看出，一定量的冗余是非常重要的）。

飛掠過程中，由于人類30多年來第一次近距離觀察水星，信使號抓緊時間進行成像，成像區(qū)域覆蓋了水星的大部分地區(qū)。飛掠后，信使號進入了一個與水星軌道周期比為2:1的共振軌道，這意味著，在信使號繞太陽轉(zhuǎn)兩圈之后，會在同一位置再次與水星相遇。

2008年3月19日，信使號執(zhí)行DSM-3，消耗72.2Dv以抬升進拱點，并于2008年10月6日再度返回水星，飛掠高度仍為200千米，信使號再次降低與水星的相對速度，進入與水星軌道周期比為3:2的共振軌道。

2008年12月4日和8日，信使號執(zhí)行了兩次深空機動，分別為DSM-4A和DSM-4B，共計消耗246.8Dv，第二次執(zhí)行深空機動的同時還測試了信使號能否在執(zhí)行機動的時候進行旋轉(zhuǎn)。信使號在2008年10月6日第三次水星，飛掠高度略高于200千米，為228千米。且進入與水星軌道周期比為4:3的共振軌道。同時略微降低最近點的緯度，最后到達水星的時候就可以在水星北極切入水星軌道?？梢钥闯觯S著不斷的飛掠，兩軌道周期的比值也在不斷接近1，當(dāng)比值為1時，信使號和水星在同一位置的相對速度為0，即入軌了，通過比值的變化也可以反映出信使號對于水星的相對速度在不斷縮小。

在第三次飛掠途中，出現(xiàn)了一些小插曲，信使號進入了安全模式，在沒有太陽光照射的情況下從水星的背面飛掠。幸好，在信使號再次迎接太陽光照射的時候，計算機被自動重啟，信使號回到了正常的工作狀態(tài)。

共三次飛掠都是在水星的陰面進行的，可以從圖中明顯看出，交會的位置隨著水星公轉(zhuǎn)的方向而旋轉(zhuǎn)，所以盡早匹配水星傾角變的尤為重要。

在最后一次水星飛掠之后，2009年11月24日，信使號執(zhí)行了最后一次深空機動——DSM-5，這次機動消耗了177.75Dv，使得信使號能在兩年多后飛掠水星，同時進入一條與水星相切的軌道，以在到達水星使擁有最小的相對速度。

我們到啦！

2011年3月18日，信使號主發(fā)動機點火885秒，消耗861.7Dv，進入近點207*1500km、傾角為82.5度的水星環(huán)繞軌道。由于水星的引力水平和月球差不多，又很靠近太陽，很容易受到太陽光壓的影響，所以信使號必須定期消耗燃料，維持近拱點的高度小于500千米，同時控制好軌道周期，以方便進行成像。信使號在任務(wù)期間繪制了幾乎整個行星的彩色地圖，對水手10號看不見的大部分區(qū)域進行了成像，并測量了表面、大氣和磁層的組成，還觀測了水星附近有趣的現(xiàn)象。

為什么選擇這樣的軌道？2011年3月18日，信使號進入水星的軌道大致與水星晨昏線平行，在極地軌道上可以全程接收太陽光的照射，不斷發(fā)電，供信使號使用。其次，進入極地軌道可以借助水星的自轉(zhuǎn)，對水星全球進行探測。最后，進入高偏心率軌道是因為：水星可以反射太陽光，距離水星太近會被劇烈加熱導(dǎo)致電子設(shè)備損壞，隔熱瓦只有一片，不能同時遮太陽，也能遮水星。在靠近水星的時候進行探測，在遠離水星的時候散熱，也可以更省燃料的變軌。

2012年3月18日，在一年的探測任務(wù)圓滿完成后，信使號開始了第一次任務(wù)擴展。兩次機動使信使號的軌道周期從11.6小時降低到8小時。

2013年3月18日，信使號已經(jīng)完成了兩年的探測任務(wù)，但是仍剩下少量燃料，隨即開啟了第二次任務(wù)擴展。2013年11月最不尋常的事件匯合使科學(xué)家有機會觀測短周期彗星2P/Encke和雙曲軌道彗星2012 S1（ISON）。

旅途的終點

隨著時間推移，信使號維持其軌道的燃料漸漸消耗，已經(jīng)所剩無幾，它試圖用最后的燃料維持軌道高度

2015年1月21日，信使號來到了軌道的最低點，距離水星海拔15km。

2015年4月30日，信使號用光了最后一滴燃料，它再也沒有維持其軌道的能力了。在這4年的探測期間，信使號成為水星唯一的伴侶。它們不斷的互相環(huán)繞，彼此糾纏。但今天，信使號就要投入水星的懷抱了。也許沒有卡西尼號的壯烈：水星沒有濃密的大氣；墜入水星時，地球也在地平線之下，也不需要依然頑強的將天線對準(zhǔn)地球。也許這是一個圓滿的過程，是信使號的旅途到了終點、找到了最終的歸宿。

它以每秒3912米的速度沖向水星的表面，在水星上留下了地球的唯一足跡……

晚安，來自地球的信使……