天文史上的今天 | 第一颗水星探测器“水手10号”发射升空|163

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1973年11月3日，“水手10号”发射升空，这是人类第一颗飞向水星的探测器。

“水手10号”拍摄的水星地表图像

来源：NASA

水星，距离太阳最近的行星，运行在太阳引力势阱的最深处。要想抵达水星，必须需要经过异常复杂的数学计算和巧妙的轨道设计。

也正因为这种巨大的困难。迄今人类仅有3艘飞船飞向水星，几乎和遥远得多的木星和土星处于同一水平。这其中最新加入的成员，是2018年10月20日发射的，由日本和欧洲联合研制的“贝皮-哥伦布号”（BepiColombo）号水星探测器，它预计将在2025年抵达水星。

但是，要说首开人类水星空间探测先河的，却是45年前的今天升空的“水手10号”。

2018年10月20日发射的，由日本和欧洲联合研制的“贝皮-哥伦布号”（BepiColombo）号水星探测器

来源：ESA

意大利数学家贝皮·哥伦布（Bepi Colombo，1920~1984）

来源：wiki

1973年11月3日，“水手10号”飞船从卡纳维拉尔角航天发射场升空，它也是美国整个“水手”（Mariner）系列行星探测计划中的最后一颗。原计划中的“水手11号”和“水手12号”被转而成为“旅行者”（Voyager）项目中的两艘飞船：旅行者1号和旅行者2号。

值得一提的是，“水手10号”飞船是世界上第一艘借助行星引力弹弓轨道进行机动的深空探测器。借助金星的引力场，飞船实现轨道调整，将其轨道近日点降低到与水星轨道相重合的位置上。这种引力弹弓方法背后的数学思想是受到了意大利科学家古塞普·哥伦布（Giuseppe Colombo）提出的相关理论的启发，这也是日本和欧洲本次发射的最新水星飞船的命名来源。

另外，由于其特殊的轨道设计，“水手10号”也是世界上首个在一次任务中造访两颗行星的探测器。

1973年11月3日，水手10号发射升空

来源：NASA

“水手10号”地球出发，飞向水星的示意图

来源：NASA

但是“水手10号”任务的执行也并非一帆风顺，途中出现了各种意外，但NASA的工程师们最终都成功化险为夷。在这次任务中取得的丰富经验为未来类似太空任务的远程抢修提供了参照。

当“水手10号”在1973年11月3日发射时，我们对于水星和金星了解还很少。因此，即便根据设计，“水手10号”飞船只能高速掠过水星和金星，但这种匆匆一瞥取得的数据也将极大增加我们对于这两颗行星的了解。

水星为何密度高的异常，这颗星球的核心到底是什么？当时的主流理论是认为水星上一定含有更高的金属含量，但真是这样吗？如果是，那么为何会如此？我们都不清楚。

“水手10号”拍摄的地球与月球

来源：NASA

水手10号拍摄的水星地表

来源：NASA

而至于金星，科学家们想要更深入的了解金星大气与太阳风之间的相互作用。在地球上，地磁场会阻挡来自太阳风的带电粒子，部分粒子顺着地球磁感线抵达南北两极上空并轰击地球大气层，产生极光现象。那么在大小相仿的金星，科学家们很好奇这种机制将如何发生作用。

按照1973年币值计算，整个“水手10号”计划耗资大约1亿美元，折算到现在大约相当于5亿美元。从地球出发后，“水手10号”沿着预定轨道飞向金星，NASA不仅要确保飞船的健康，还必须确保它没有偏离轨道，以便开展人类历史上深空探测器的首次引力弹弓借力飞行。

水手10号拍摄的可见光波段的金星图像

来源：NASA

紫外波段拍摄的金星

来源：NASA

飞向金星需要3个月时间，但对于“水手10号”的操控团队来说，时间似乎要比这漫长的多——因为他们有太多意外需要应付了：就在升空之后不久，NASA工程师团队发现飞船上部分电视摄像机的加热装置没有开机，地面控制中心发出指令让这些加热装置重启，但没有作用。如果这些加热器不能工作，那么在太空里飞行的阶段，相机设备将可能由于极度低温而失效。好在，在相机失效之前，加热器最终还是恢复运行了。

这还没完，在飞向金星的路途中，“水手10号”上的飞行数据系统不知怎么回事，开始不断自我重启。然后，飞船上用于与地球通讯的高增益天线不知怎的突然出现故障，通讯变得不再稳定。雪上加霜的是，1月28日，“水手10号”的姿态控制燃料箱出现问题，损失了多达16%的姿态控制燃料。

水手10号飞行轨道示意图（虚线）

来源：NASA

迫于无奈，控制中心立即启动备用系统，确保飞船瞄准预定角度，并最终成功实现引力弹弓飞行。

“水手10号”在飞掠金星期间传回的数据大大加深了我们对于金星大气与磁场情况的了解。测量显示，金星磁场强度极其微弱，而飞船搭载的相机拍摄的可见光图像上，金星被一层厚厚的单调云层覆盖，但在紫外图像上，却可以看到一些类似漩涡和斑块的复杂结构。证明金星的大气层要比其表现出来的更加活跃。

在飞越金星之后，“水手10号”又开始发神经，它的导航系统出现故障，老是不能识别用于导航的恒星，让地面费了不少功夫去处理。

水手10号拍摄的水星地表陡崖系统

来源：NASA

水手10号拍摄的水星地表陡崖系统

来源：NASA

好在最后这些功夫没有白费，1974年3月29日，水手10号首次实现从水星附近的飞掠。之后又分别在1974年9月21日和1975年3月16日对水星进行了第二次以及第三次飞越。

“水手10号”向我们呈现的，是一个荒芜的水星世界，遍布撞击坑，有点类似于月球表面。有一点不同的话，水星表面上存在明显的断崖系统，这可能与水星早期全球性岩浆冷却收缩导致的地表岩层断裂有关系。