信使号水星探测器

**信使號**（英文縮寫：**MESSENGER**，英文全寫： **ME**rcury **S**urface, **S**pace **EN**vironment, **GE**ochemistry and **R**anging，意譯為「水星表面、太空環境、地球化學與廣泛探索」）是美國國家航空暨太空總署在 2004 年 8 月 3 日發射的探測衛星，目的是為了研究水星表面的化學成分、地理環境、磁場、地質年代、核心的狀態及大小、自轉軸的運動情況、散逸層及磁場的分布等。

信使號是 1975 年水手 10 號任務完成之後，人類 30 年來首次近距離探測水星的任務。信使號具有的解析能力已大為改善，上面裝置的照相機解析度達 18 公尺（59 英尺），與水手 10 號具有的 1.6 公里（0.99 英里）相比解析度更佳。信使號是一個環繞行星軌道的任務，將使用超過一年探測整個水星表面，而水手 10 號則是一個行星飛越任務，只能夠觀察到半個水星。

在進入環水星軌道前，信使號執行了一系列複雜的飛越 - 總計飛越地球一次、金星兩次、水星三次，使它可以用最少的燃料做相對於水星的減速。
信使號在 2011 年 3 月 18 日進入環水星軌道，在 3 月 24 日重新喚醒它攜帶的科學儀器，在 3 月 29 日傳回第一張從軌道拍攝的照片。信使號在 2012 年成功完成它的主要任務。在繼續完成兩個擴展任務之後，信使號於 2015 年初開始用它殘留的機動燃料執行軌道衰減。信使號任務結束後於 2015 年 4 月 30 日撞擊水星表面。

## 時間表

* 2004 年 8 月 3 日發射；
* 2005 年 8 月 2 日在 2,348km 高空飛掠地球；
* 2006 年 10 月 24 日在 2,987km 高空飛掠金星；
* 2007 年 6 月 5 日在 338km 高空再次飛掠金星；
* 2008 年 1 月 14 日在 200km 高空飛掠水星表面，並向地球發回了第一批水星照片。
* 2008 年 10 月 6 日在 200km 高空再次飛掠水星；
* 2009 年 9 月 29 日在 228km 高空第三次飛掠水星；
* 2011 年 3 月 18 日 12 時 45 分 (UTC) 進入水星軌道，成為首顆圍繞水星運行的探測器。

## 任務背景

### 歷史

### 太空船的設計

信使號本體高 1.85 公尺（73 吋），寬 1.42 公尺（56 吋）並且縱深 1.27 公尺（50 吋）。本體主要由四個石墨纖維 / 氰酸鹽酯複合板用以支撐燃料槽、「LVA」（大型速率校正）推進器、姿勢監視和校正推進器、天線、儀器支架以及一個大型的陶瓷製遮光罩，高 2.5 公尺（8.2 呎）和寬 2 公尺（6.6 呎），用來作被動的保溫控制。

#### 姿勢控制和推進

主要的推進是透過 645 牛頓，具有 317 秒比沖的二元推進劑（使用聯氨和四氧化二氮）LVA 火箭推進器。太空船設計上可搭載 607.8 公斤（1,340 磅）的燃料和加壓劑（氦）。

四個 22 牛頓力（每英呎 4.9 磅力）的單組元燃料推進器在主推進器點燃時進行導航操控，並且十個 4 牛頓力（每英呎 0.9 磅力）的單組元燃料推進器用作姿勢控制。為了做精確的控制，一個感應旋轉姿勢控制系統也包含在內。

掌握姿勢控制的資訊是由「star trackers（星體追蹤儀）」、一個「inertial measurement unit（慣性測量單元）」以及六個「sun sensors（太陽感測器）」所提供。

#### 通訊

探測器包括了兩個小的深空詢答機用以跟深空網路聯繫並且有三種天線：一個電波能沿著一個平面上前進的高增益相位陣列、一個中增益「螺旋電波」天線以及一個明顯的喇叭型低增益天線。高增益天線以 8.4GHz 的頻率做單向傳送，中增益和低增益天線則是以 8.4GHz 傳送並且以 7.2GHz 的頻率接收，而這三個天線都是以右側循環的偏振（RHCP）放射來運作。一個天線是固定在探測器前方面對著太陽，另一個天線則是固定在探測器後方背向太陽。

#### 電力

探測器的電力是由兩個太陽能板，鎵砷化物 / 鍺太陽能陣列所構成，提供平均 450 瓦的電力。每個太陽能板都是可旋轉的並且包括光學的日光反射器來平衡太陽能陣列的溫度。電力會儲存於 11 個一般壓力的容器，每個容器有兩個電池，是 23 安培時的鎳氫電池。

#### 電腦

#### 科學儀器

## 前往水星

波音公司設計的德爾塔 - 2 運載火箭於 2004 年 8 月 3 日北美東部時區 02:15:56 在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，運送信使號前往水星。美國國家航空暨太空總署在 1 個小時之後確認信使號已經成功與第 3 節火箭分離，開始前往水星。

前往水星需要一個非常大的速度改變，或稱為 ΔV。因為水星是太陽重力場的深處，1 艘太空船前往水星前進速度將會越來越快，因為它朝著太陽的方向前進，因此必須有一個機制來減速。而水星沒有足夠的大氣層讓大氣煞車（aerobraking）。為了讓這次探測成功，信使號大量使用行星重力助推技術，這樣可以減少減速所需的火箭燃料，但是會延長抵達水星的時間。為了節省燃料，將以最小的距離插入水星軌道，太空船將會以橢圓軌道來運行。除了節能燃料的優點，這種軌道允許太空船從距離水星很遠的位置來測量磁場和太陽風，但仍然可以近距離測量和拍攝水星的表面。

信使號在發射後成功藉用地球重力改變軌道，於 2005 年 8 月 2 日 19:13 星期二最接近地球表面，當時距離蒙古中央為 2,347 公里（1,458 英里）。信使號的引擎在 2005 年 12 月 12 日進行為期 524 秒的噴射，將調整軌道朝向金星的方向。

信使號在 2006 年 10 月 24 日世界協調時 08:34 第一次飛越金星，距離地表為 2,992 公里（1,859 英里）。第二次飛越金星則是在 2007 年 6 月 5 日 23:08，距離地表為 338 公里（210 英里）。 深空機動 2 號於 2007 年 10 月 17 日成功執行，讓信使號的前進目標導向水星。信使號在 2008 年 1 月 14 日首次飛越水星（世界協調時 19 時 04 分 39 秒最接近地面，距離僅約 200 公里），接著在 2008 年 10 月 6 日第二次飛越水星 。信使號在 2009 年 9 月 29 日最後一次飛越水星，並進一步減慢太空船的速度。在第二次及第三次飛越水星之前則是藉由深空機動 3 號在 2008 年 3 月 19 日 19:30 及深空機動 4 號在 2008 年 12 月 24 日 20:30 來調整太空船的速度。深空機動 5 號在 2009 年 11 月 24 日 22:45 則提供信使號所需的速度改變，最終可以導致太空船於 2011 年 3 月 18 日成功插入水星軌道，這也標誌著信使號長達一年的軌道任務正式開始。

在飛越地球時，信使號記錄下地球和月球的影像，利用大氣和表面成分分光計來研究月亮，並使用粒子及磁場儀器研究地球的磁層。

原先科學家預計於 2004 年 5 月 11 日前後 12 日來發射信使號，但是美國宇航局在 2004 年 3 月 26 日宣佈將使用 2004 年 7 月 30 日的發射窗口，期間大約有 15 天。這可以讓天文學家擁有更多的時間來進行太空船的測試及處理。這一個改變大幅影響信使號的軌道，並導致太空船延後兩年才能到達水星。最初的計劃是安排飛越金星三次，並在 2009 年插入水星軌道。新的計畫則允許特測器飛越地球軌道一次，二次飛越金星，並在 2011 年 3 月 18 日插入水星軌道前飛越水星三次。

信使號的太空團隊是由 KinetX 公司所領導。KinetX 也是第一家負責導航美國國家航空暨太空總署深空任務的民營公司。他們負責決定所有太空船通過太陽系內部的軌道調整，以確保信使號成功到達水星並以正確的軌道速度插入水星軌道。

信使號公轉軌道擁有一個距離地表 200 公里（120 英里）的近拱點，位於北緯 60 度，遠拱點則距離地表 15,193 公里（9,440 英里），公轉週期為 12 個小時，傾角為 82.5 度。因為太陽的擾動，近拱點將會緩慢上升，在 88 天（1 個水星年）結束後將會距離地表超過 400 公里（250 英里），此時科學家會將它調整到 200 公里（120 英里），12 個小時會完成兩次週期。信使號將會在軌道上停留一個地球年來收集數據。科學家預期探測器的全球立體圖像辨識度為每一個像素為 250 公尺。這次探測任務應該可以獲得水星地圖、水星磁場的三維模型與北半球的地形剖面結構。

一旦信使號抵達水星，科學家們希望來測試一個理論：當行星收縮時，內部的核心慢慢凍結。該探測器將尋找水星非觀測半球的表面並收集表面的構成元素的資料，這些物質可能是從水星內部噴湧而出。

天文學家從水手 10 號傳回的照片發現水星的表面擁有不同程度的萎縮情況，而巨大的懸崖則深入水星的地表。其中一個懸崖發現山脊（Discovery Rupes）則深入水星地殼達 1.6 公里（1 英里）。

## 任務檔案

### 發射和軌道

### 接近地球

### 接近金星

### 接近水星

信使號在 2008 年 1 月 14 日第一次成功地飛越水星，第二次飛越則是在 2008 年 10 月 6 日，並同時使用廣角與窄角相機來拍攝地表，也利用太空船搭載的一些感應器來研究水星。

信使進行第三次也是最後一次飛過水星是在 2009 年 9 月 29 日，距離水星表面為 142 英里（229 公里）。飛越水星的運作似乎已經按照計劃進行，但在飛船在最接近水星的時候曾經處於安全模式的狀態。雖然並沒有影響之後插入軌道的彈道，不過可能失去部份科學數據和圖像。探測器在大約 7 個小時之後已經完全恢復了。

### 軌道的切入

### 墜落

美國東部時間 2015 年 4 月 30 日 15 時 26 分，信使號因為燃料耗盡而墜落於水星表面。

 

## 科學成果

### 擴展任務

### 發現水、有機化合物、火山作用

信使號研究團隊成員 Thomas Zurbuchen 在 2008 年 7 月 3 日宣布，探測器發現水星的散逸層擁有大量的水存在。Zurbuchen 說「沒有人預料到這件事，起碼我不知道有任何一個人如此。我們只能感到驚訝。」

在這個任務的後來幾年中，信使號提供了水星表面從前曾經存在過火山活動的圖像證據，以及水星的行星核心爲液態鉄的證據。

信使號獲得了最新的詳細而且精確的水星地圖。並且，在水星北極附近的一些撞擊坑的永久隂影區內，發現了含碳有機化合物和水冰。

### 太陽系全家福照片

在 2011 年 2 月 18 日，信使號的官網上公布了由太空船所拍攝包含地球等行星的照片。這些帶馬賽克的 34 張照片是由船上的「水星雙成像系統」儀器在 2010 年 11 月期間所攝得。所有的行星除了天王星和海王星太過遙遠之外皆可看見。這個「信使號太陽系全家福照片」將會用來彌補於 1990 年 2 月 14 日太陽系之外所攝得的「旅行者號太陽系全家福照片」。

## 參見

* 太陽系探測器列表

## 參考文獻

## 外部連結

* MESSENGER Web Site（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 信使號官方網站
* MESSENGER Mission Page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 信使號官方訊息
* MESSENGER Mission Profile 信使號在 美國國家航空暨太空總署太陽系探測網站（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 的相關訊息
* Mercury Flyby 1 Visualization Tool\*Mercury Flyby 1 Actuals
* Mercury Flyby 2 Visualization Tool
* * MESSENGER Image Gallery 信使號攝得的最新照片
* NSSDC Master Catalog entry.
* Video from MESSENGER as it departs Earth.
* Mercury Data Collected by both Mariner 10 and MESSENGER. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）