蘇聯(lián)時期的探測：為撩開金星面紗百折不撓

文/ 張晨

截至目前，人類共向金星發(fā)射過46個探測器，其中蘇聯(lián)28 個，美國12 個，歐空局3 個，日本3 個。其中包括7 個借力飛行探測器（水手10號、信使號、貝皮·科隆坡號、伽利略號、卡西尼號、帕克號、太陽軌道器），它們雖然目的地不是金星，但是會在飛掠過程中進(jìn)行金星環(huán)境研究。剩下的39 個金星探測器中，17 個成功地開展了探測活動。有11 個探測器在發(fā)射階段就損失了，其中10 個屬于蘇聯(lián)，另1 個則是美國的水手1號探測器；5 個在巡航階段失敗，包括4 個蘇聯(lián)探測器，以及日本的UNITEC-1 試驗立方星；日本的破曉號金星軌道器在插入時，點火失敗，但通過軌道設(shè)計在5年后成功回到金星軌道。

蘇聯(lián)是世界上第一個進(jìn)行金星探測的國家，早在1961年就向金星發(fā)射了探測器，比1962年把第一位航天員加加林送入太空還要早。蘇聯(lián)實現(xiàn)了人類金星探測史上的多個首次，包括首次發(fā)射人造物體進(jìn)行其他行星大氣層的進(jìn)入探測（“金星4號”）、首次在除地球之外的行星表面軟著陸（“金星7號”）、首次從除地球之外的行星表面返回圖像（“金星9號”）等。上世紀(jì)80年代中期，蘇聯(lián)的Venera Gallay-1/2（“織女星”1號和2號）金星探測器成功利用氣球探測金星大氣層，創(chuàng)造了使用氣球首次探測地外大氣的紀(jì)錄。

衛(wèi)星7號/金星1號

1957年，蘇聯(lián)的1V 金星探測器就已經(jīng)開始研發(fā)，計劃使用月球號運(yùn)載火箭發(fā)射。然而早期技術(shù)導(dǎo)致的高故障率使得任務(wù)被推遲到1961年，火箭也改成了閃電號運(yùn)載火箭。閃電號運(yùn)載火箭是一種四級火箭，用于發(fā)射高軌道載荷。

蘇聯(lián)人最初計劃直接發(fā)射著陸器，然而由于缺乏星歷數(shù)據(jù)不得不先改成使用飛掠探測器確定數(shù)據(jù)，并且投放進(jìn)入艙測量大氣密度。

1960年兩個1M 火星探測器發(fā)射失敗后，蘇聯(lián)人被迫將1V 金星探測器進(jìn)行修改，新的探測器稱為1VA。1VA發(fā)射質(zhì)量643.5 千克。

1961年2月4日0 時34 分，第一個1VA 探測器成功發(fā)射，但是因為火箭四級的主發(fā)動機(jī)無法第二次點火，探測器被滯留在低地球軌道，22 天后再入。蘇聯(lián)人將其命名為“衛(wèi)星7號”。

1VA 探測器還攜帶了一些帶有熱防護(hù)的紀(jì)念性徽章，其中包括一面有蘇聯(lián)盾徽的圓盤，另一個是太陽系內(nèi)部的示意圖。它們被放置在直徑7 厘米的加壓金屬地球儀內(nèi)。這個地球儀被設(shè)計成可漂浮在金星海洋中——當(dāng)時一些天文學(xué)家認(rèn)為金星可能存在海洋。

▲ 8K78 閃電號運(yùn)載火箭

▲ 金星1號探測器

▲ 金星2號探測器

8 天后第二個1VA 探測器成功發(fā)射。蘇聯(lián)人將這個探測器命名為“金星1號”。但是好景不長，2月17日的通信中，發(fā)現(xiàn)探測器的熱控系統(tǒng)故障，姿態(tài)控制系統(tǒng)損壞，使其無法維持指向。2月22日，探測器失去了信號。這兩次金星探測任務(wù)失敗了，只獲得了有限的地球軌道附近的太陽風(fēng)數(shù)據(jù)和磁場數(shù)據(jù)，但蘇聯(lián)的工程師們從這次飛行中獲得了許多經(jīng)驗和教訓(xùn)，對接下來的探測器進(jìn)行了各種改進(jìn)。

衛(wèi)星19號/衛(wèi)星20號/衛(wèi)星21號

1961年春天，新的通用探測器2MV號開始設(shè)計。1962年8月25日、9月1日、9月12日，3 個2MV 金 星探測器相繼發(fā)射，然而由于閃電號火箭出現(xiàn)了一系列問題，這3 個探測器都沒有成功踏上奔向金星的軌道。它們分別被命名為“衛(wèi)星19號”“衛(wèi)星20號”和“衛(wèi)星21號”。蘇聯(lián)人聲稱這些任務(wù)全部成功，而美國人表示這些任務(wù)全部是失敗的。這些失敗的探測器在不久之后都墜入了地球大氣層。

宇宙27號/探測號1號

基于2MV 探測器改進(jìn)的3MV 探測器，也遭受了不可靠的閃電號運(yùn)載火箭的干擾。

1964年3月27日和1964年4月2日，兩個3MV 探測器相繼發(fā)射升空前往金星，前者因為電氣系統(tǒng)故障，四級火箭姿態(tài)出現(xiàn)問題未能入軌，后者則成功進(jìn)入了軌道。然而不久，探測器加壓電子設(shè)備艙的氣體就開始出現(xiàn)泄露。因為當(dāng)時蘇聯(lián)電子工業(yè)技術(shù)落后，電子器件必須安裝在加壓艙內(nèi)，否則就無法運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后任務(wù)宣告失敗。蘇聯(lián)人對外聲稱這只是一次深空工程試驗任務(wù)，前者被命名為宇宙27號，后者被命名為探測號1號。

金星2號/金星3號

金星2號和金星3號發(fā)射時，蘇聯(lián)人已經(jīng)知道金星表面至少400℃的高溫超出了3MV 航天器進(jìn)入艙能承受的范圍。兩個成功出發(fā)的探測器攜帶質(zhì)量為337 千克的進(jìn)入艙。1965年11月12日“金星2號”成功發(fā)射，4天后“金星3號”發(fā)射。兩個探測器終于擺脫了火箭四級的故障困擾，踏上了金星之旅。

然而，“金星2號”在接近目標(biāo)的時候通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題。1966年3月4日，蘇聯(lián)人宣布與“金星2號”失去聯(lián)系。

“金星3號”在1966年2月16日也出現(xiàn)通信系統(tǒng)故障，此時該探測器正在一條撞擊金星的軌道上。金星3號可能在3月1日釋放了進(jìn)入器，卻沒有獲得任何信號，但它仍然成為了第一個抵達(dá)另一個行星的人造探測器。

金星4號/宇宙167號

▲ “金星4號”

到了1967年，蘇聯(lián)的深空探測已經(jīng)落后于美國。美國人在1962年成功地飛掠了金星，但鍥而不舍的蘇聯(lián)人仍然想搶在對手之前完成探測金星任務(wù)，將探測器發(fā)至金星，獲取大氣層和表面的最新信息。

基于OKB-1 設(shè)計局的3MV 航天器，蘇聯(lián)人研制了新的金星進(jìn)入器。1967年6月12日，“金星4號”發(fā)射成功。第二個探測器則在5 天后發(fā)射升空，但是因為火箭四級發(fā)動機(jī)預(yù)冷失敗而無法進(jìn)行二次點火。該探測器被命名為“宇宙167號”。

“金星4號”巡航狀態(tài)良好，1967年10月18日04 時34 分抵達(dá)金星，進(jìn)入器以高達(dá)10.7 千米/秒的高速進(jìn)入金星大氣層。5 分鐘后，進(jìn)入艙減速至10 米/秒，開始收集金星環(huán)境數(shù)據(jù)。94 分鐘后，進(jìn)入艙失去了信號，應(yīng)該是在金星大氣層中“犧牲”了。

金星4號探測器獲得了70 個大氣壓力截面數(shù)據(jù)和50 個大氣溫度截面數(shù)據(jù)，大氣樣本分析得出金星的高層大氣90%是二氧化碳，7%是氮?dú)猓鯕庵徽?.7%。值得注意的是金星大氣中二氧化碳的占比和地球碳酸鹽中的碳占比接近，如果有水可以將二氧化碳吸收形成碳酸鹽，那么剩下的氣體將主要是氮?dú)猓@和地球大氣的成分非常接近。

▲ 金星8號著陸器進(jìn)入金星

▲ “金星7號”發(fā)射

▲ “金星9號”

從1969年到1972年，蘇聯(lián)人先后發(fā)射了金星5號/金星6號、金星7號/宇宙359號、金星8號/宇宙482號等一批探測器，它們有的直接掛掉，有的則抵達(dá)了金星，測量了金星的大氣風(fēng)速和風(fēng)向。

1970年12月15日5 點37 分10秒，蘇聯(lián)金星7號探測器成功軟著陸在金星表面，并傳回數(shù)據(jù)。這是人造物體第一次在地球之外的行星上軟著陸，在被烤壞之前，它報告了金星表面溫度為475 攝氏度，大氣中的二氧化碳含量為97%，壓強(qiáng)為90 個大氣壓。“金星8號”測定了大氣密度，并且直接確定了大氣的溫度、壓力、成分以及著陸階段的光通量，這些都足以證明金星的高溫是溫室效應(yīng)引起的。“金星8號”攜帶的氣體分析儀確認(rèn)云層中存在硫酸液滴，而這種液滴可以高效地反射日光，也解釋了金星的反照率為什么這么高。

金星9號/金星10號

▲ 大獲成功的“金星13號”

3MV 探測器的性能已經(jīng)達(dá)到了極限，而更大的探測器則需要運(yùn)載能力更大的火箭。四級質(zhì)子號火箭當(dāng)仁不讓地接過了蘇聯(lián)金星探測的接力棒，同時蘇聯(lián)人又開發(fā)了新的金星探測器。

1975年6月8日，四級型質(zhì)子號火箭發(fā)射了金星9號軌道器。隨后，“ 金星10號” 于6月14日發(fā)射升空。10月22日，金星9號軌道器發(fā)動機(jī)點火，進(jìn)入了周期48.30小時的橢圓軌道，并釋放了一個著陸器，“金星9號”成為第一個進(jìn)入金星軌道的航天器。10月25日，金星10號軌道器進(jìn)入周期49.38小時的軌道。兩個軌道器在3 個月后均因為信號發(fā)射器故障而終止任務(wù)。

金星11號/金星12號金星13號/金星14號

▲ 金星11號探測器

▲ 錄下的金星聲音

“金星9號”和“金星10號”的成功，鼓舞了蘇聯(lián)人的士氣。隨后蘇聯(lián)人發(fā)射了“金星11號”/“金星12號”，兩個探測器都沒有完成預(yù)定任務(wù)。1981年10月30日，質(zhì)子號火箭發(fā)射了金星13號航天器。11月4日，“金星14號”也開始它的旅程。金星13號/金星14號2 個探測器均進(jìn)入金星軌道，并都成功釋放著陸器。金星13號著陸器的彩色相機(jī)正常工作，獲得了金星的360°全景圖像。“金星14號”比較倒霉，采樣器鉆頭部署的時候剛好鉆到了被拋棄的鏡頭蓋上。

經(jīng)過一次又一次的失敗，蘇聯(lián)人終于在金星13 和14號身上取得重要收獲——它們分別傳回了很多金星地表圖像和金星上的聲音。

金星15號/金星16號

1983年6月2日2 時38 分，金星15號探測器發(fā)射升空，一天之后金星16號發(fā)射升空。經(jīng)過130 天的巡航，兩個探測器進(jìn)入了金星軌道。它倆沒有攜帶進(jìn)入器，而是攜帶了合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行表面測繪。兩個探測器發(fā)現(xiàn)了金星表面的新地形——冕區(qū)、穹頂、蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)及鑲嵌地塊。測繪圖像僅覆蓋了北緯30°至北極的一小部分金星區(qū)域。

▲ 金星15號/ 金星16號對金星地表成像圖

織女星1號/織女星2號

Venera-Gallay（VeGa，中文譯為“織女星號”）的前身是金星-84 探測器。蘇聯(lián)計劃在1984年的金星任務(wù)中，攜帶兩個直徑10 米的氣球探測器，每個探測器帶有法國人提供的質(zhì)量為50 千克的吊艙，包括攜帶28 千克科學(xué)載荷。受經(jīng)費(fèi)影響，探測氣球縮水，氣球探測器本體質(zhì)量為21.74 千克。

1984年12月15日9時16分，“織女星1號”發(fā)射升空。12月21日9時13 分，“織女星2號”發(fā)射升空。“織女星1號”和“織女星2號”分別于1985年6月11日和6月15日進(jìn)入金星大氣層。

▲ 金星15號探測器

▲ “織女星-1”的模型

▲ “織女星2號”發(fā)射升空

氣球探測器部署在54 千米高度大氣中，此處溫度為32 攝氏度，氣壓535 百帕。兩個氣球發(fā)現(xiàn)金星高層大氣的湍流活動數(shù)量高于預(yù)期，“織女星1號”的探測氣球報告的水平平均風(fēng)速為69 米/秒，“織女星2號”的探測氣球報告的平均風(fēng)速是66 米/秒。這個風(fēng)速甚至超過地球上的17 級風(fēng)速。兩個探測氣球工作46.5小時，其間收集了大量金星大氣數(shù)據(jù)。

不同于西方金星探測的多樣性，蘇聯(lián)金星探測的方案幾乎一致，即使用巡航級攜帶金星進(jìn)入器，目標(biāo)是先探索金星的環(huán)境，再對金星表面進(jìn)行探測。28 個金星探測器中只有約一半成功抵達(dá)了金星，另外一半則因為早期的閃電號火箭可憐的可靠性而被撒到西伯利亞平原上，或是因為落后的電子元器件技術(shù)而迷失在茫茫太空。但蘇聯(lián)人從未放棄過金星探測，目前正在尋求國際合作，再探金星。★