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望远镜和太空任务

望远镜和太空任务

水星的消息

01 Feb 2011

In March the 信使 spacecraft is due to enter orbit around Mercury, the least studied planet in our solar system. 路易丝·普罗克特 describes the mission's goals and the spacecraft's journey so far

Through 信使's eyes

“埃里克,我们还有什么吗?悬念杀死了我!”我对着免提电话说。“I know, Louise, it’也杀死了我们,但仍然没有”MESSENGER任务的系统工程师Eric Finnegan回答。他听起来像以前一样镇定自若。另一方面,我已经上下移动了几个小时,却不知道该怎么做。

大约下午6点在2008年1月15日,我和MESSENGER团队的其他成员以及Eric都在等待30多年来水星行星的第一张照片。影像从信使号太空船发出–一个只有小型汽车一半大小但装有太阳能电池板的物体6 长度为m– across 171 NASA天线的百万公里空间’的深空网络。这些图像将从那里传送到我们位于马里兰州应用物理实验室(APL)的任务运营中心,埃里克正在那里等待。最后,这些图像将发送给我和我在APL校园内科学运营中心的同事。他们应该已经到了十点 数小时前,但由于今天上午又有两架航天飞机宣布紧急状态,所有原本应返回MESSENGER数据的深空网络天线都暂时指向其他地方。因此,我们必须等待。

等待在我的生意中并不罕见。您可以说,自从首次提出MESSENGER任务以来,我们一直在等待将近12年的时间才能获得这些图像。您甚至可以争辩说,我们已经等待了三十多年:这是唯一一个访问水星的航天器– Mariner 10 –在1970年代中期,这架飞机曾三度飞过地球,但只打算用作侦察任务,为水星轨道器铺平道路。因此,这些图像已经出现很长时间了,我不应该抱怨。

对于像我这样的行星地质学家来说,很难对MESSENGER感到兴奋。水手 10号绕太阳公转,而不是水星公转,它的轨迹是如此,以至于它每次通过时都看到行星相同的半球。结果,只有45%的水星被测绘,其余的则变成了隐身。尽管如此,关于最里面的行星的知识还是很多,包括它非常密集的事实。它的核心远比预期的大;出乎意料的是,就像地球一样,它具有磁场,它可能是内部产生的。似乎在所有陆地行星(水星,金星,地球,火星),水星’地质活动最早停止了。自水手以来,我们学到了一些东西 10也一样。特别是1990年代对地球的雷达观测表明,在水星的永久阴影区域中可能存在一些特殊的沉积物,可能是冰’s poles.

尽管有这些发展,但行星仍然是我们太阳系中研究最少的行星之一,对此仍有许多疑问。鉴于水星是一种地面物体,因此它是由与地球和月球类似的物质形成的,这尤其令人惊讶。我听过水星被描述为像一个古怪的邻居,您不时看到它,但是您几乎不了解谁。

准备飞翔

信使任务最初于1996年提出,三年后被选为NASA的一部分’的发现程序。为该任务提议的科学目标包括调查水星’的地质历史,两极,地球上奇怪的雷达反射沉积物的性质’磁场和内部结构,其高密度的原因以及其脆弱的气氛的性质。

当时,我仍然是行星地质研究生,从伽利略(Galileo)任务到木星的数据我不遗余力,几乎没有想到任何不是冰冷的卫星。这个领域的项目往往寿命很长,对于那些正在执行任务的人来说,在生命周期的不同阶段加入它并不罕见。因此,我是MESSENGER的比较后来者,于2001年作为APL的博士后研究员开始执行任务。

使命’首席研究员肖恩·所罗门(Sean Solomon)居住在华盛顿州卡内基研究所,但APL的工作人员设计并制造了该航天器及其若干仪器,APL负责了任务。最初,我担任车载摄像机的副仪器科学家,但几年后,我接任仪器科学家的角色。 信使的七种仪器中的每一种都有一位与之相关的仪器科学家,他们负责从任务中获取需求’s science team –汞科学众多领域的专家–并确保其仪器(在某种程度上还包括航天器)能够实现这些目标。

尽管我的背景是地质和地球物理学,但还是由MESSENGER组成的两台照相机的仪器科学家’成像系统需要我“down in the weeds”,比我想象的要多了解仪器设计,软件和航天器的制导与控制。在发布前的几年中,我撰写并修订了无数文档,了解了有关摄像头工作原理的所有细节,弄清楚了如何组装软件代码序列来控制仪器,并参加了无数次会议和审阅。多年来,不知何故–子系统,仪器和航天器–组装在一起,直到最后可以对整个组件进行测试,以确保它能够承受水银的强烈热量,深空的寒冷以及发射的震动。

制造任何航天器都是一项充满挑战和风险的业务。如果启动后出现任何问题,则只有有限的资源可用于解决问题。但是建造一个可以绕水星飞行一年的航天器–NASA任务的标准时长’s Discovery Program –鉴于水星,这尤其具有挑战性’靠近太阳。汞’与太阳的平均轨道距离约为58 百万公里,在那个距离太阳辐射是11 是地球表面强度的两倍。因此,水星周围轨道上的任何航天器都必须能够承受明显的热变化。温度达到约425 °C on Mercury’阳光充足的表面足以融化锌,但它们的浸入深度也低至–185 °C on its night side.

这些热变化既驱动了航天器的设计,也推动了其绕水星轨道的计划形状。该航天器载有2.5 × 2.0 m遮阳罩由耐热的陶瓷布制成,类似于保护航天飞机上的瓷砖的材料。遮阳板的位置应能屏蔽和保护几乎所有的仪器和子系统–遮阳篷前面的温度可以达到370摄氏度 °C,但其后面的所有内容基本上都保持在室温下。但是,为了使这种保护有用,显然必须始终将遮阳帘指向太阳,这限制了航天器的指向范围’的乐器。尽管它可以左右左右旋转几个角度,但该航天器主要固定在太空中,并且必须以这种配置绕水星运行–当试图将仪器指向地球时,会产生一些有趣的挑战。信使’例如,激光测高仪固定在航天器上的一个位置,如果不将遮阳板向侧面移动并冒着过热的危险,就无法始终瞄准地球。

太阳不是太空飞船’唯一的热量问题。汞’的表面将太阳热辐射回太空,任何希望飞过太空并完好无损地飞行的航天器都必须考虑到这一点。信使将通过停留在高度约为200的高度椭圆轨道上来解决反射辐射的问题 最接近点的公里数,大约25–30 水星以南的度数’北极,最远处约15,000公里,即180公里 度。这意味着MESSENGER不会像在行星附近的圆形轨道上那样发热。’s surface.

但是,尽管该椭圆轨道将有助于防止航天器过热,但也会使数据采集变得困难。一些仪器,例如磁力计和粒子光谱仪,正在测量 原位 环境,无论身在何处都能进行测量。遥感仪器通常需要指向地球,但是有些仪器只能在靠近地球时才能获取数据。例如,MESSENGER’激光测高仪只能在低于约1800米的高度时才能到达地面 公里,因此只能绘制北半球的地形图,因为选定的轨道根本不允许它“reach”南半球。

发布日及以后

在数百人工作了数千小时后建造了飞船’的硬件和仪器;开发动力,通讯,推进,热力和软件系统;规划飞船的每个细节’轨迹及其如何实现其科学目标;通常睡不着,那是3 2004年8月,我们终于可以开始发射了。这实际上是我们第二次尝试发射飞船– the previous night’由于天气原因,此尝试已在最后一刻被取消–但是现在一切都看起来不错。

我很幸运地看到了佛罗里达州卡纳维拉尔角附近海滩上的发射。许多MESSENGER团队成员都在官方发射场,但我听说从海岸上观看的景象同样好,不需要像官方观赏场一样提前一个小时到位。许多MESSENGER工程师–经验丰富的发射退伍军人–也是在沙滩上,所以尽管有一个2 a.m.

发射顺利进行,尽管有SEN回路线,“信使”号仍在前往水星的途中。在太空时代的来临,人们认为到达水星太困难了,因为太阳’强大的引力暗示着要进入最内层行星的轨道需要大量燃料。直到1960年代,加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室的工程师才发现行星的引力可用于帮助调整航天器。’s沿一个或另一个方向的轨道,具体取决于进近角和航天器’s velocity.

这种弹弓方法称为“gravity assist”, can save a significant amount of fuel and is now commonly used by spacecraft missions, including 信使. The downside of this approach is that it takes time. In order for 信使 to 达到 orbit around Mercury, six 重力辅助s are needed: Earth (once), Venus (twice) and Mercury (three times). All in all, it will have taken six and a half years to get 信使 in the right place at the right time –并以正确的速度行驶–发射电动机并被水星捕获’s orbit (see “有目的的观光游”).

从好的方面来说,行星或其他物体的飞越为实践航天器操作以及测试子系统和仪器提供了非常有用的机会。额外的时间还可以进行校准,开发用于数据分析的软件,并可以识别和解决各种问题。就MESSENGER而言,飞越还产生了大量新数据–特别是2008年1月14日之后,即首次水星掠过的一天。

回到大日子

因此,我发现自己在2008年的那个晚上等着我,等待着我第一次飞越影像的到来时,来回走动。我们的科学运营中心(SOC)和周围的走廊和房间里充斥着科学团队成员,APL经理,教育工作者和新闻界人士。飞越本身发生在前一天的下午:最接近的进近点200 km from Mercury’的表面,发生在2 下午美国东部时间(EST),以及从飞船收到的无线电信号表明一切进展顺利。看来航天器已经获得了完美的重力辅助并且正好对准了目标,并且所有仪器都按计划准确地采集了数据。现在,我们正在等待图像在航天器上进行处理,然后将其发送回地球,任务执行中心,然后再发送给SOC。

我们所期望的图像是水星半球的空前形象,这是水手星球的55%的一部分 10人无法观察。这本身很令人兴奋–您一生中有多少次看到完全未被探索的东西?但是作为仪器科学家,我当时主要关心的是两个摄像机是否按预期运行,以及我们是否将它们指向正确的位置。

当突然出现第一张水星影像时,我们的相机仪器工程师正坐在SOC中一个控制台的前面。我的第一感觉是充满喜悦和怀疑–完美,美丽,高贵的水星充满了屏幕,显示出令人难以置信的细节水平。我的第二感觉是毫不掩饰的缓解–行星完美地位于图像的中心,因此我们的指向似乎很清晰,并且仪器看起来好像在完美地工作。所有这些年的规划都取得了回报–我们终于拍到了水星的照片!整个房间突然喘着粗气,然后欢呼起来,当人们意识到我们在地面上有了第一张照片时,人们开始奔跑。我们的科学团队成员之一,七十岁的人鲍勃·斯特罗姆(Bob Strom)是原始水手队的成员 10位科学团队有时甚至怀疑他是否会看到水星的新图像。他看着屏幕时眼泪汪汪。晚上的其余时间是一个快乐,混乱的时刻,无数访客进出SOC,新照片出现,并呼吁媒体采访。

从那时起,我们完成了两次水星飞越。从这三个飞越收集到的数据导致了许多发现,并且已经发表了60多篇科学论文。除其他外,我们了解到水星’火山的持续时间比以前想象的要长得多,而且我们有证据表明其中一些具有爆炸性,为汞中的挥发性气体的数量和类型提供了线索’的内部。我们已经确认水星’随着行星的冷却,其表面在全球范围内收缩,并且由于MESSENGER已在行星的两个半球上空飞行,所以我们现在对水星的几何形状有了全局的看法’的内部磁场。我们还了解更多有关如何从汞中去除钠和钙等物质的信息’通过诸如与太阳风的相互作用等过程的表面。考虑到水星飞越的真正原因是调整MESSENGER,所有这些都并非微不足道。’s trajectory –确实,科学全是肉汁!

现在,我们正在准备压轴比赛:“信使号”正在与水星会合,如果一切顺利,它将在17日晚进入轨道 3月9日之前 下午美东时间。轨道的前两周将用于测试飞船’子系统和仪器,并确保在恶劣的轨道热环境中一切正常。检查完所有内容后,我们将开始获取科学数据,构建图像带并在一年中每天获取其他数据。届时,MESSENGER将收集足够的信息来回答有关水星的问题’的起源,组成,内部结构和地质历史–任务的真正核心。

后记

2010年11月,我正与一位同事一起进行商务旅行,该同事还参与了MESSENGER项目。我们降落在华盛顿特区’s杜勒斯机场,我们正在路上在主航站楼收集行李。杜勒斯(Dulles)最近建造了新的火车来在候机楼之间运送乘客,我们正沿着一条长而宽阔,光线充足的隧道朝月台走去。火车开通后,隧道的墙壁上布满了华盛顿特区的大而美丽的照片,大概是为了欢迎游客来到我们的国家’的国会大厦。这次,一个新的展览正在展出:我们太阳系中行星的绚丽照片。在小组中心,是信使’水星的第一个图像,就像我们初次看到时一样清晰而引人注目,最终帮助地球占据了应有的位置。

• For an audio interview with 信使 principal investigator Sean Solomon –以及关于手工艺品的报告’成功插入水星轨道– 点击这里

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