圖解深空探測史

文/葉楠

金星探測（下）

金星，這顆被二氧化碳、二氧化硫、氮氣等濃密氣體覆蓋的星球依舊神秘，現(xiàn)有研究表明，數(shù)十億年前的金星大氣與現(xiàn)在的地球大氣相仿，但現(xiàn)在的金星表面卻是煉獄般的存在。對金星的進一步探測與研究將展現(xiàn)的不僅僅是金星的過去，還關系到我們的未來。

麥哲倫號：首個搭乘航天飛機升空的空間探測器

美國的麥哲倫號金星探測器也被稱為金星雷達制圖者計劃，以16世紀葡萄牙航海家費迪南·麥哲倫命名，它的主要工作是依靠合成孔徑雷達繪制金星表面地圖及測量金星引力場。“麥哲倫號”高6.4米、直徑4.6米、重1035千克，為了節(jié)省成本，使用了大量其他探測器的備用組件。

1989年5月4日，“麥哲倫號”搭乘阿特蘭蒂斯號航天飛機從肯尼迪航天中心發(fā)射升空，當航天飛機飛越太平洋上空時，“麥哲倫號”從航天飛機貨艙內(nèi)施放出來，隨后，在一枚固體火箭的推動下進入飛向金星的軌道。這是人類歷史上首次使用航天飛機發(fā)射空間探測器。

“麥哲倫號”獲得高精度金星測繪地圖

1990年8月7日，“麥哲倫號”進入環(huán)繞金星的295公里×7762公里軌道飛行，軌道傾角85.5度，公轉周期3.26小時。每次距離金星較近時使用雷達對金星表面進行測繪，大約耗時37分鐘，距離金星較遠時向地球傳送數(shù)據(jù)，大約2小時。每次拍攝與傳送數(shù)據(jù)的轉換都需要使用反作用輪改變姿態(tài)。麥哲倫號一共完成了6次任務，其中3次與金星測繪相關，最終獲得了金星表面除南極附近地區(qū)外98%的高精度測繪地圖。時至今日，這依舊是分辨率最高的金星地圖。

“麥哲倫號”繪制出金星地表三維圖像

瑪阿特山是金星第二高的山，高度達8公里，位于阿芙羅狄忒地東部。圖為麥哲倫號探測器的合成孔徑雷達與雷達測高法相結合，繪制出的金星地表三維圖像，圖像視點位于瑪阿特山北側560公里、高度1.7公里處。從圖中可以看到綿延數(shù)百公里的熔巖流，穿過前景中斷裂的平原，一直延伸到瑪阿特山底部。實際上圖像的垂直高度被人為夸大了22.5倍，同時參考蘇聯(lián)的金星13號和14號探測器拍攝的彩色圖像進行的色調(diào)模擬。

“麥哲倫號”探測到的金星地貌

通過“麥哲倫號”高清雷達測繪圖像可以清晰地辨認出金星上的火山、地殼斷層、峽谷、熔巖流等等。金星表面存在大量的火山，70%的地表被火山熔巖形成的平原所覆蓋，剩下30%由兩個高原構成：一個在北半球，面積和澳大利亞差不多，稱為伊師塔地，金星最高的山峰麥克斯韋山（如圖）就位于此，高度達到11公里；另一個高原在赤道附近及以南地區(qū)，稱為阿芙羅狄忒地，與非洲大小相仿。金星表面還有一些獨特的地貌特征，如平頂?shù)幕鹕健⒊瘦椛錉畹牡匦巍⒅刖W(wǎng)狀的斷裂帶、同心圓形的凹地等。

金星快車號：歐洲首個金星探測器

“金星快車號”是歐空局的首個金星探測器，尺寸為1.5米×1.8米×1.4米，太陽能電池板展開長度8米，發(fā)射質(zhì)量1270千克，包括93千克的有效載荷和570千克的推進劑。

2005年11月9日，“金星快車號”從拜科努爾航天發(fā)射場搭乘聯(lián)盟號運載火箭升空，于2006年5月7日進入環(huán)繞金星的250公里×66000公里的極軌道飛行，軌道傾角90度，周期24小時。

研制速度最快的空間探測器

“金星快車號”從項目確認、設計制造到最終發(fā)射只用了33個月的時間，這得益于“金星快車號”采用了同火星快車號火星探測器一樣的設計，還借用了羅塞塔號彗星探測器的部分技術。作為歐空局的首個金星探測任務，“金星快車號”的制造測試都是在法國圖盧茲完成的，發(fā)射前一個月用安-124運輸機運至位于哈薩克斯坦的拜科努爾發(fā)射場。圖為在圖盧茲進行調(diào)試的“金星快車號”。

“金星快車號”攜帶的科學儀器

“金星快車號”主要攜帶了7臺科學儀器：金星監(jiān)測相機（VMC）、空間等離子體及高能粒子分析儀（ASPERA）、行星傅立葉光譜儀（PFS）、可見光/紫外/紅外成像光譜儀（VIRTIS）、磁力計（MAG）、金星射電探測儀（VeRa）、紫外及紅外大氣光譜儀（SPICAV/SOIR），可以對金星大氣、離子環(huán)境及其與太陽風的相互作用等進行探測。

“金星快車號”的科學發(fā)現(xiàn)

“金星快車號”計劃在軌工作2年，經(jīng)過數(shù)次任務延長之后，服役期超過9年。2006年12月，“金星快車號”得到了第一張金星南半球的溫度分布圖（上圖）；2007年11月，發(fā)現(xiàn)金星過去存在海洋的證據(jù)，證實金星存在閃電；2008年5月，發(fā)現(xiàn)金星大氣層中有羥基存在；2011年8月，發(fā)現(xiàn)金星高層大氣存在臭氧層；2014年6月至7月，成功執(zhí)行金星大氣剎車實驗。2014年12月16日，歐空局宣布“金星快車號”由于推進劑燃料耗盡而任務結束。

黎明號：日本首個金星探測器

黎明號金星探測器也稱為金星氣候衛(wèi)星，重640千克，是由日本宇宙航空研究開發(fā)機構發(fā)起的行星探測計劃，是日本的第一個金星探測器，也是世界上第一個非地球的行星氣象衛(wèi)星。2010年5月20日，“黎明號”在種子島航天中心用H-2A火箭發(fā)射升空，于2010年12月7日抵達金星附近，但由于主推進器故障未能進入環(huán)繞金星的軌道。經(jīng)過工程師的努力修正，又經(jīng)歷5年的繞日公轉后，2015年12月7日，“黎明號”與金星再次交匯時成功進入金星繞轉軌道。“黎明號”共攜帶了6臺科學儀器，對金星大氣分層、大氣動力學等進行研究。

飛掠金星的太陽帆

除了黎明號金星探測器外，此次發(fā)射還搭載了5顆小衛(wèi)星，其中一個名叫“伊卡洛斯”，它的英文全稱直譯為“依靠太陽輻射加速的行星際飛船”，簡稱“伊卡洛斯”，取名自希臘神話。“伊卡洛斯”的主體是一個正方形的太陽帆，重310千克，對角線長20米，由7.5微米厚的聚酰亞胺薄膜制成，它不需要燃料，只需用陽光粒子產(chǎn)生的壓力作為動力。2010年12月8日，“伊卡洛斯”在距離金星80800公里處飛掠。迄今為止，它是唯一成功在行星際空間中飛行的太陽帆飛船。