歐洲航天局“金星快車”圓滿完成使命或于2014年年底撞擊金星

劉嘉寧（北京空間科技信息研究所）

歐洲航天局“金星快車”圓滿完成使命或于2014年年底撞擊金星

劉嘉寧（北京空間科技信息研究所）

在連續(xù)工作超過(guò)8年，圓滿完成了所有預(yù)定的科學(xué)任務(wù)之后，歐洲航天局（ESA）的“金星快車”（Venus Express）探測(cè)器于2014年6月18日-7月11日?qǐng)?zhí)行了本次探索的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)—?dú)鈩?dòng)減速（aerobreaking）。在此期間，“金星快車”利用大氣摩擦降低了探測(cè)器的速度，使其近地點(diǎn)高度從250km降低至131～135km。幸運(yùn)的是，“金星快車”經(jīng)受住了考驗(yàn)，并被重新拉回到近地點(diǎn)高度450km的橢圓軌道繼續(xù)觀測(cè)，直到耗盡最后的燃料。

1 任務(wù)簡(jiǎn)介

“金星快車”是歐洲首個(gè)金星探測(cè)器，也是迄今金星探測(cè)器中攜帶各類探測(cè)儀器最多、技術(shù)最先進(jìn)的一個(gè)，其研發(fā)工作耗時(shí)4年，造價(jià)3億歐元。

“金星快車”于2005年11月9日升空，于2006年4月進(jìn)入250km×66000km環(huán)繞金星的近極地軌道。其中軌道的近地點(diǎn)位于金星的北極，這樣的軌道設(shè)計(jì)使探測(cè)器在近地點(diǎn)時(shí)能夠?qū)υ茖雍捅砻孢M(jìn)行高分辨觀測(cè)，在遠(yuǎn)地點(diǎn)能夠?qū)υ茖雍痛髿獾幕顒?dòng)狀態(tài)進(jìn)行全局觀測(cè)。1個(gè)金星日里（243個(gè)地球日），探測(cè)器上幾乎能夠觀測(cè)整個(gè)金星，使探測(cè)成果最大化。

由于良好的工作狀態(tài)，“金星快車”探測(cè)壽命被延期數(shù)次，到目前為止已工作8年有余。在圓滿完成各項(xiàng)科學(xué)任務(wù)后，由于所剩燃料不多，為了發(fā)揮余熱，歐洲航天局科學(xué)家于2014年6月18日決定在其上進(jìn)行氣動(dòng)減速技術(shù)實(shí)驗(yàn)。此前，歐洲航天局還從未嘗試過(guò)氣動(dòng)減速制動(dòng)。因此，從“金星快車”上得來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于未來(lái)的探測(cè)器會(huì)很有價(jià)值。2017年，歐洲“火星生物學(xué)”（ExoMars）探測(cè)器抵達(dá)火星時(shí)，歐洲航天局就計(jì)劃使用這一技術(shù)來(lái)減速。同時(shí)，由于高度降低，探測(cè)器將有難得的機(jī)會(huì)對(duì)金星低層大氣和地表進(jìn)行細(xì)致研究。在地面人員精密的操控下，“金星快車”經(jīng)受住了高溫、高壓考驗(yàn)，經(jīng)過(guò)15次推進(jìn)器點(diǎn)火，消耗了5.2kg的推進(jìn)劑后，于7月11日回到460km×63000km的橢圓軌道，預(yù)計(jì)2014年年底其攜帶的燃料將耗盡，屆時(shí)“金星快車”將扎入金星大氣結(jié)束使命。

2 一舉兩得

由于沿襲了“火星快車”（Mars Express）的成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且使用了制造“火星快車”和“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測(cè)器多余的零部件，“金星快車”這項(xiàng)復(fù)雜的科學(xué)工程不僅花費(fèi)很低，并且僅用了33個(gè)月就完成制造，比“火星快車”縮短了近15個(gè)月。

“金星快車”與“火星快車”的相似之處：

1）系統(tǒng)組成。它們都有機(jī)載儀器、固定通信天線、2副太陽(yáng)電池翼（具有單自由度的定向機(jī)構(gòu)）。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在“火星快車”基礎(chǔ)上，“金星快車”只進(jìn)行了小的、局部的改變，以適應(yīng)改進(jìn)的儀器。行星傅里葉光譜儀位置和“火星快車”上的相同，紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀位置與“火星快車”的紫外/紅外大氣光譜儀一樣。由于“金星快車”的主艙頂部安裝了附加元件，所以對(duì)機(jī)械和熱接口做了局部修改。

3）推進(jìn)子系統(tǒng)。它們都裝有1臺(tái)用于入軌的主發(fā)動(dòng)機(jī)（400N），在主發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，用于高度捕獲和高度控制的4臺(tái)冗余發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行輔助。該主發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是“歐洲星”（Eurostar）平臺(tái)中的發(fā)動(dòng)機(jī)。

4）電子設(shè)備。用于電能處理和分發(fā)、數(shù)據(jù)處理、通信，以及高度和軌道控制。這些電子設(shè)備全部是“羅塞塔”計(jì)劃中研發(fā)的，基本上沒有變化。

5）運(yùn)行方案。這2個(gè)探測(cè)器處在部分特定軌道時(shí)的觀測(cè)、探測(cè)器與地球的通信和蓄電池為探測(cè)器供電是交互進(jìn)行的。

但“金星快車”也并不是完全照搬“火星快車”，由于金星與太陽(yáng)的距離只有火星的1/2，為了應(yīng)對(duì)大量熱輻射的考驗(yàn)，“金星快車”集中在探測(cè)器熱控制，通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)做了一些改動(dòng)，使之適應(yīng)這樣的環(huán)境。

“金星快車”與“火星快車”的不同之處：

“金星快車”進(jìn)行氣動(dòng)減速示意圖

“金星快車”接受各種測(cè)試圖

1）與太陽(yáng)的距離不同。由于金星比火星更接近太陽(yáng)，太陽(yáng)對(duì)“金星快車”的輻射熱量是“火星快車”的4倍，“金星快車”所處的電離輻射環(huán)境更加嚴(yán)峻。因此，空間等離子體和高能原子分析儀不得不從頂層移到其中的一面邊壁，以便減少日照強(qiáng)度。另外，磁強(qiáng)計(jì)安裝在探測(cè)器頂部可展開的活動(dòng)支架上，以便減少探測(cè)器的磁擾動(dòng)。熱控系統(tǒng)也進(jìn)行了一些改進(jìn)，包括盡量使用具有高反射率、防老化的材料，盡可能地增加冷卻器的面積以提高效率；提高了多層絕緣的效率；熱管將配電裝置連接到增大的冷卻器上；在太陽(yáng)陣基板背面及其上面的電池空隙間采用了光學(xué)表面冷卻器使用的材料；太陽(yáng)能電池使用三結(jié)砷化鎵材料等。

2）行星結(jié)構(gòu)不同。因?yàn)榛鹦鞘峭庑行牵涞厍蚴噶颗c太陽(yáng)矢量的夾角在±40°之間，所以“火星快車”只需1副高增益天線即可。而金星是內(nèi)行星，地球矢量和太陽(yáng)矢量的夾角在0°～360°，如果“金星快車”只用1副高增益天線與地球進(jìn)行通信，就無(wú)法保證其冷面永久地處于陰影區(qū)。所以在“金星快車”上增加了1副高增益天線，當(dāng)探測(cè)器飛行到接近下合點(diǎn)（離地球最近）的部分軌道時(shí)，由這副天線進(jìn)行通信。

3）科學(xué)任務(wù)不同。由于“金星快車”和“火星快車”的探測(cè)任務(wù)不同，所以它們兩者裝載的儀器也有所不同。“金星快車”安裝了由“羅塞塔”上繼承而來(lái)的儀器（包括磁強(qiáng)計(jì)、金星無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀和紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀）和由“火星快車”上繼承而來(lái)的儀器（金星監(jiān)測(cè)照相機(jī)）,而沒有使用“火星快車”上的“獵兔犬”（BEAGLE）著陸器和火星地下及電離層高級(jí)探測(cè)雷達(dá)（MARSIS）。

3 “金星快車”的重要發(fā)現(xiàn)（2006－2014）

極區(qū)大氣渦流形變

太陽(yáng)系中包括地球在內(nèi)的行星在兩極地區(qū)都有快速旋轉(zhuǎn)的大氣渦流現(xiàn)象，但都保持著近乎相似的形狀，沒有像金星這樣形狀如此多變。金星上的大氣渦流現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多年了，但是“金星快車”上的紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀通過(guò)高分辨率紅外光譜測(cè)量讓問題遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜。最新的觀測(cè)結(jié)果顯示，外廓看起來(lái)“s”或者“8”的渦流中心結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，基本上不到24h就改變一次形狀，這不僅預(yù)示著金星復(fù)雜的天氣，而且表明渦流的中心極有可能與地理極區(qū)不重合。

近期是否存在火山活動(dòng)

此前發(fā)射的美國(guó)“麥哲倫”（Magellan）探測(cè)器上的合成孔徑雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了金星上數(shù)以千記的火山及噴發(fā)形成的平原，這看起來(lái)像是金星上的地質(zhì)活動(dòng)一直很活躍，但是缺乏直接的證據(jù)。“金星快車”從不同角度給出了證明。

金星濃厚的大氣和較高的表面溫度意味著小規(guī)模的溫度變化極難測(cè)量發(fā)現(xiàn)，但“金星快車”上搭載的紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀和金星監(jiān)測(cè)照相機(jī)卻能擔(dān)當(dāng)此任。由于它們能捕獲1μm頻段的表面熱輻射，而金星大氣對(duì)這個(gè)頻段的輻射吸收較弱。

其上的紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀通過(guò)對(duì)熱輻射的頻譜測(cè)量來(lái)分析表面熱源釋放的化學(xué)成分，對(duì)金星南半球3個(gè)熱源地區(qū)[艾姆德爾（Imdr）、忒彌斯（Themis）和迪翁（Dione）]觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巖漿并沒有完全風(fēng)化，推斷出火山于數(shù)千年或者數(shù)萬(wàn)年前有活動(dòng)。

其上的金星監(jiān)測(cè)照相機(jī)在伽尼基（Ganiki）裂谷地區(qū)也捕捉到一些短暫、明亮的影像，并且顯示的溫度比周邊高，但這不能肯定是火山噴發(fā)或者是有巖漿涌出。

關(guān)于火山活動(dòng)的間接證據(jù)來(lái)自于火星大氣中二氧化硫含量的大幅變化。“金星快車”自2006年進(jìn)入金星軌道，一直對(duì)上層大氣的成分進(jìn)行分析記錄。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2006－2014年間上層大氣的二氧化硫含量下降明顯，有可能是熱誘導(dǎo)浮力羽流使火山灰向更高的空間飄浮的結(jié)果。

金星的自轉(zhuǎn)正在變慢

通過(guò)“麥哲倫”探測(cè)器的4年觀測(cè)，讓科學(xué)家們將金星的自轉(zhuǎn)周期精確到243.0185個(gè)地球日，然而，16年后的“金星快車”卻發(fā)現(xiàn)金星自轉(zhuǎn)周期平均延長(zhǎng)了6.5min。

科學(xué)家對(duì)1個(gè)金星日內(nèi)發(fā)生的短期隨機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其并不會(huì)對(duì)金星的自轉(zhuǎn)周期產(chǎn)生影響。另一方面，科學(xué)家通過(guò)探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)對(duì)大氣建模顯示，大氣的變化周期與金星自轉(zhuǎn)速度變化的周期驚人的相似。

這些詳細(xì)的測(cè)量為科學(xué)家判斷金星到底是液態(tài)核心還是固態(tài)核心提供了依據(jù)。因?yàn)槿绻鹦鞘枪虘B(tài)核心，其重心應(yīng)位于球體中央。在這種情況下，行星的自轉(zhuǎn)受到外力的影響很小，而能影響金星旋轉(zhuǎn)的最重要外力是由濃密大氣高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。就此推斷，金星很大可能擁有一個(gè)液態(tài)核心。

上層大氣的超高速旋轉(zhuǎn)

金星上層大氣每4個(gè)地球日就能旋轉(zhuǎn)1周，這和金星緩慢的自轉(zhuǎn)速度（金星自轉(zhuǎn)1周需要243個(gè)地球日）形成了鮮明的對(duì)比。為了探究造成上層大氣超高速旋轉(zhuǎn)的原因，“金星快車”在6年時(shí)間里跟蹤記錄了距金星表面70km高度的大氣運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上層大氣旋轉(zhuǎn)速度正在變快。

2006年，“金星快車”對(duì)在金星赤道南北緯50°環(huán)狀區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)速大概在300km/h，隨著時(shí)間推移，2013年的數(shù)據(jù)顯示風(fēng)速以達(dá)到400km/h。同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，不同地區(qū)風(fēng)速也不盡相同：低緯度地區(qū)大氣平均3.9個(gè)地球日就能旋轉(zhuǎn)1周，而其他地區(qū)大氣自轉(zhuǎn)1周則需5.3個(gè)地球日。

“金星快車”對(duì)金星上層大氣長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)顯示的風(fēng)速變

金星上的降雪現(xiàn)象

金星因其由二氧化碳組成厚厚的大氣層和如烤爐一般炙熱的地表而著稱，然而“金星快車”在5年間收集的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，距離金星地表大約125km的大氣處的溫度低達(dá)－175℃。盡管金星距離太陽(yáng)更近，但是這個(gè)古怪的冷層比地球大氣層的任何部分都更加寒冷。

“金星快車”通過(guò)對(duì)穿透金星大氣層的太陽(yáng)光分析，得到不同高度的二氧化碳?xì)怏w分子的密度，然后結(jié)合二氧化碳密度的信息與各個(gè)高度的大氣壓數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的氣溫。

金星上空120km處炙熱的亮區(qū)和寒冷的暗區(qū)的溫度曲線圖存在很大區(qū)別，通過(guò)觀察明暗界線處的大氣，就能得知不同區(qū)域產(chǎn)生的影響。由于某些高度的大氣溫度下降到二氧化碳凍結(jié)溫度以下，因此那里可能形成了干冰。由小干冰或雪粒子構(gòu)成的云團(tuán)應(yīng)該發(fā)生一定程度的反射，因此可能這里看起來(lái)會(huì)比大氣中正常的日光層更亮。在特定高度，暗區(qū)可能起著更加重要的作用，但是在其他高度的大氣層，亮區(qū)可能占據(jù)主導(dǎo)作用。該研究還發(fā)現(xiàn)，位于明暗界線處的冷層被夾在兩個(gè)更加溫暖的大氣層中間。

金星上空臭氧層

“金星快車”上攜帶的金星大氣特性研究分光計(jì)，通過(guò)利用氣體吸收特定波長(zhǎng)光的特征，在位于金星表面100km的上空發(fā)現(xiàn)臭氧層的存在。這個(gè)高度差不多是地球臭氧層高度的4倍，但金星臭氧層的厚度僅為地球臭氧層的1%。金星成為太陽(yáng)系行星中第3個(gè)被發(fā)現(xiàn)存在臭氧層的星體。

臭氧是含有3個(gè)氧原子組成的分子，它能吸收太陽(yáng)大量的有害紫外線，是星球生命存在的必要條件。地球上氧氣和臭氧的逐漸積累是在大約24億年前開始的，盡管現(xiàn)在還不能完全找到確切的原因，細(xì)菌以廢氣的形式釋放氧氣必然起了重要作用。而根據(jù)計(jì)算機(jī)模型，金星中的臭氧是在陽(yáng)光打破二氧化碳分子釋放氧原子時(shí)形成的。這些原子在大氣中由風(fēng)橫掃到星球的陰面，之后結(jié)合形成雙原子氧分子，但是有些時(shí)候也會(huì)組成三原子臭氧分子。

高亮標(biāo)記“金星快車”在金星上發(fā)現(xiàn)的臭氧區(qū)域

大氣水分流失

“金星快車”攜帶的磁強(qiáng)計(jì)以及空間等離子體和高能原子分析儀，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，金星大氣的水分正在快速流失，并且暗區(qū)水分流失的速度更快。

據(jù)分析，造成大氣水分流失的重要原因是金星缺乏產(chǎn)生磁場(chǎng)的內(nèi)部機(jī)制，因此它無(wú)法阻擋射來(lái)的太陽(yáng)帶電粒子。金星暴露在太陽(yáng)風(fēng)所攜帶高能粒子轟擊的環(huán)境下，太陽(yáng)紫外輻射造成水分子中的化學(xué)鍵斷裂，使其分解成原子—2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子，之后這些原子逃溢進(jìn)入太空。

“金星快車”已測(cè)量了氫氧原子的逃溢比率，并證實(shí)氫原子的逃溢數(shù)量是氧原子的2倍。因此認(rèn)為這些金星向太空逃溢的原子來(lái)源于水分子。同時(shí)，在金星大氣層頂端還發(fā)現(xiàn)一種叫做氘的較重氫原子，這是由于氘這種質(zhì)量較重的氫原子難以逃離金星的重力束縛。

磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象

所謂“磁場(chǎng)重聯(lián)”，是指當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)（太陽(yáng)向外噴射的高速帶電粒子流）“刮”向本身有磁場(chǎng)的行星（如地球）時(shí)，如果二者磁場(chǎng)的磁力線方向相反，就會(huì)發(fā)生磁力線交叉、瞬間斷開、再重新聯(lián)結(jié)等現(xiàn)象。當(dāng)這一現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，磁場(chǎng)重聯(lián)區(qū)域的帶電粒子被加熱、加速，太陽(yáng)風(fēng)的部分能量進(jìn)入地球磁層，從而造成空間天氣變化，如地球磁層亞暴、極光等。

太陽(yáng)風(fēng)對(duì)金星和地球磁場(chǎng)的影響，藍(lán)色的為地球

可以由內(nèi)部機(jī)制產(chǎn)生磁場(chǎng)的行星，如地球、水星、木星和土星，它們的外圍會(huì)存在一個(gè)看不見的磁層。這一磁層意義重大，它會(huì)阻擋太陽(yáng)發(fā)出的帶電粒子，如電子和質(zhì)子，使其發(fā)生偏移。正是這一特性形成了磁層—一層圍繞行星周圍的巨大“氣泡”，在背離太陽(yáng)的方向形成一道長(zhǎng)長(zhǎng)的延伸帶，稱為“磁尾”。

金星被一層濃厚的大氣層包圍，并且其并不擁有全球性偶極磁場(chǎng)。然而，此前科學(xué)家普遍認(rèn)為，金星由于本身沒有磁場(chǎng)（內(nèi)稟磁場(chǎng)），不太可能存在磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象。但“金星快車”的發(fā)現(xiàn)，也是最讓人意外的一點(diǎn)便是，近期發(fā)現(xiàn)金星誘發(fā)磁場(chǎng)的磁尾處存在磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象。

“金星快車”運(yùn)行在一個(gè)近極軌軌道上，這一軌道特性對(duì)于某些設(shè)備，如磁強(qiáng)計(jì)和低能粒子探測(cè)器等進(jìn)行太陽(yáng)風(fēng)-電離層-磁尾相互作用機(jī)制的探測(cè)工作非常理想。在此之前的探測(cè)項(xiàng)目，如“先驅(qū)者-金星”（Pioneer-Venus），要么由于軌道特性差異，要么由于探測(cè)時(shí)正處于不同的太陽(yáng)活動(dòng)水平上而未能探測(cè)到金星的這一重聯(lián)現(xiàn)象。

2006年5月15日，“金星快車”穿過(guò)金星磁尾，在這里它探測(cè)到一個(gè)持續(xù)時(shí)間約為3min的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。基于其持續(xù)時(shí)間和探測(cè)器運(yùn)行速度的計(jì)算顯示，這一區(qū)域的寬度大約為3400km。這一事件發(fā)生于距離金星1.5倍半徑處，即距離金星大約9000km，科學(xué)家們認(rèn)為這是一個(gè)等離子體團(tuán)。這是一種轉(zhuǎn)瞬即逝的磁場(chǎng)圈層結(jié)構(gòu)，一般發(fā)生于行星磁尾發(fā)生重聯(lián)時(shí)。

對(duì)于“金星快車”數(shù)據(jù)進(jìn)行的進(jìn)一步分析，顯示出更多證明金星磁場(chǎng)與磁尾處等離子體之間存在能量交換的證據(jù)。數(shù)據(jù)同樣顯示，在很多方面，金星磁層就像是一個(gè)縮小規(guī)模的地球磁場(chǎng)。

地球的情況是，磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象一般發(fā)生在背陽(yáng)處10～30倍地球半徑處的磁尾和等離子體片位置上。由于地球的磁場(chǎng)要強(qiáng)大的多，可以推斷金星的磁場(chǎng)重聯(lián)如果存在，則應(yīng)當(dāng)發(fā)生在其背陽(yáng)處1～3倍半徑位置。而這正是“金星快車”數(shù)據(jù)所證實(shí)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

在“金星快車”8年的探測(cè)時(shí)間里，它解答了人們關(guān)于這顆地球姊妹星球的許多疑問，幫助人類認(rèn)識(shí)金星的起源和演化，為人類探索金星做出了巨大的貢獻(xiàn)。盡管2014年年底它將耗盡燃料，墜入金星大氣結(jié)束使命，但這絕對(duì)不是人類探索金星的終結(jié)。祝福它在最后的旅途中，看到更多不曾被看到過(guò)的美麗風(fēng)景。