備受青睞的金星空間探測器

□ 司馬杭仁

蘇聯(lián)“金星”-2探測器

近日，金星成為人們熱議的話題，這是因為中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院教授張鐵龍等與奧地利、美國科學家合作，利用歐洲“金星快車”探測器的磁場探測數(shù)據(jù)，首次在金星的誘發(fā)磁層中發(fā)現(xiàn)了磁場重聯(lián)現(xiàn)象，研究成果發(fā)表在2012年4月出版的國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》上。這一發(fā)現(xiàn)對金星大氣演化和氣候變化研究具有重要意義。磁場重聯(lián)是指方向相反的磁力線因互相靠近而發(fā)生的重新聯(lián)結(jié)現(xiàn)象，即當太陽風（太陽向外噴射的高速帶電粒子流）“刮”向本身有磁場的行星時，如果二者磁場的磁力線方向相反，就會發(fā)生磁力線交叉、瞬間斷開、再重新聯(lián)結(jié)等現(xiàn)象。此前，科學家普遍認為，金星由于本身沒有磁場，不太可能存在磁場重聯(lián)現(xiàn)象。磁場重聯(lián)現(xiàn)象既能幫助金星抵御住太陽風的侵襲，同時又加速了金星大氣的逃逸或?qū)е陆鹦侨彼?/p>

另外，2012年的6月6日6時11分至12時49分發(fā)生了一次非常重要的天文現(xiàn)象——金星凌日，金星在6個半小時的時間中緩慢穿越太陽的視圓面。如果錯失此次觀測的話，下一次金星凌日就要再等上100多年了。

看到這里，有人不禁要問，至今人類對金星都開展了哪些探測？取得了什么成果？金星探測器的前景如何？

美國在1962年8月27日發(fā)射的“水手”2號探測器，于同年12月14日從距金星3500千米處飛過時，首次測量了金星大氣溫度，拍攝到了金星的照片，它是第一個成功探測金星的探測器

美國“先驅(qū)者”（“金星”系列），即先驅(qū)者-金星-1軌道器

美國用航天飛機發(fā)射“麥哲金星探測器

金星探測器一撇

金星是太陽系八大行星中距地球最近的一顆行星，也是人的肉眼能夠看到的最為明亮的天體，所以人類對太陽系行星的探測首先是從金星開始的，并在空間探測的早期發(fā)射過較多的金星探測器。但是，目前人類更重視火星探測，而冷淡了金星，這是為什么呢？這主要是由于金星總被濃厚的云層包圍著，所以很難探測，即使發(fā)射探測器也極不容易看清它的真實面目。另外，金星與地球太不一樣了，難以改造成為人類的新家園，其大氣壓是地球大氣壓的90倍左右。不過，正是因為金星與眾不同，因此人類還是想進一步探尋它的奧秘。從各國的空間探測計劃來看，金星將重獲青睞。

至今，人類已向金星發(fā)射了32個空間探測器，其中22個成功，10個失敗。加上各種路過的探測器總數(shù)已超過40個。截至到現(xiàn)在，已發(fā)射的金星探測器主要有以下系列：

蘇聯(lián)“金星”系列。1961年2月12日～1983年6月7日，蘇聯(lián)共發(fā)射16個“金星”系列探測器，主要任務(wù)是探測金星和金星周圍空間，其中金星-1～8較小，重量在643～1184千克之間；金星-9～16體積較大，重量為4363～5300千克之間。它們的用途也不一樣，有2個“金星”探測器飛過金星，4個曾抵金星表面，另外10個在金星表面實現(xiàn)了軟著陸。1970年8月17日發(fā)射的金星-7是首次在金星表面成功軟著陸的探測器。在20多年的發(fā)展過程中，它們探測了金星大氣的溫度、密度和成份，考察了金星表面和巖層，拍攝了大量金星圖像并發(fā)回地球，取得了許多重要的科學數(shù)據(jù)。

歐洲“金星快車”探測器

日本“拂曉”探測器

美國“水手”系列?！八帧笔敲绹接罹衷缙诎l(fā)射的行星和行星際探測器系列，其主要任務(wù)是探測金星和火星及其周圍空間。1962年7月22日～1973年11月3日共發(fā)射10個，其中3個飛向金星，2個成功；6個飛向火星，4個成功；另1個是對金星和水星進行雙星觀測，成為世界第1個雙星觀測器。

美國“先驅(qū)者”（“金星”系列）。美國“先驅(qū)者”是世界上第一個行星和行星際探測器系列，1958年10月12日～1978年8月8日共發(fā)射13個，其中前4個未進入預(yù)期軌道，僅獲部分成功。該探測器對人類深入了解宇宙奧秘具有開創(chuàng)性意義?！跋闰?qū)者”探測器的主要任務(wù)是探測地-月空間以及金星、木星、土星等行星和行星際空間，系統(tǒng)觀測月球環(huán)境、行星際空間輻射、磁場和太陽活動等。

美國“麥哲倫”探測器。1989年美國發(fā)射的“麥哲倫”金星探測器上有1套先進的合成孔徑雷達和高度計，能透過厚實的云層測繪出金星表面上小如一個足球場的物體圖像，其清晰度勝過此前所獲金星圖像的10倍，對金星地表拍攝了非常詳細的地形照片?！胞溦軅悺痹诮鹦擒壍拦ぷ髁?年2個月零2天，共繞金星飛行了15018圈，對99%的地貌全景進行了測繪，發(fā)回的數(shù)據(jù)超過此前其他探測器發(fā)回數(shù)據(jù)的總和?！胞溦軅悺边€對金星95%的地區(qū)進行了高分辨率的重力測量。該探測器在1994年10月結(jié)束了自己的金星之旅，根據(jù)地球控制中心的指令墜入金星稠密大氣中。

美國“伽利略”探測器。1989年發(fā)射的“伽利略”木星探測器在1990年2月飛越金星時順路對金星進行遙感觀測。

歐洲“金星快車”探測器。2005年11月9日發(fā)射的“金星快車”探測器于2006年4月11日進入金星軌道，同年7月開始用7種科學儀器對金星表面等進行測繪。這是歐洲首次發(fā)射金星探測器，也是第一個對金星大氣和等離子環(huán)境進行全球研究的探測器，還是近年來人類對金星為數(shù)不多的一次“專訪”，它使歐洲成為世界第三個發(fā)射金星探測器的國家。該探測器目前正用所載的科學儀器執(zhí)行觀測任務(wù)，詳細的研究金星大氣和云層，并且繪制金星全球表面溫度圖，這對于理解地球長期的氣候演變進程將起到至關(guān)重要的作用。其任務(wù)持續(xù)時間是2個金星日。它創(chuàng)造了數(shù)個第一：第一次實現(xiàn)在紫外到熱紅外的光譜范圍對金星進行連續(xù)觀測；第一次應(yīng)用太陽/恒星掩星技術(shù)對金星進行研究；第一次在近紅外透明窗口對低層大氣的合成物進行全球監(jiān)測；第一次用3D離子分析儀、高能分辨率電子分光儀和高能中性原子成像儀對金星進行探測等。

以太陽電池為動力的金星探測飛機

金星沒有磁場，所以無法防護連續(xù)不斷的太陽風的侵襲

日本“拂曉”探測器。2010年5月21日發(fā)射的“拂曉”探測器原定于2010年12月抵達金星赤道軌道，然后進行6項試驗，對金星大氣層和表面活動進行研究，并成為第一個行星間的氣象衛(wèi)星，但因燃料供應(yīng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的燃料供應(yīng)不足和發(fā)動機異常而沒能進入金星軌道。日本專家希望通過實施一次軌道修正，使“拂曉”能在約6年后回到金星附近，從而再次嘗試入軌。“拂曉”上的剩余燃料足夠第2次入軌之用。若燃料輸送問題能解決，“拂曉”起死回生大有機會。

俄羅斯金星-D探測器飛往金星表面探測示意圖

已取得的部分成果

認識了金星的奇特大氣。金星大氣可分為上層、云層和下層三個層次。距星面100～500千米為上層稀薄大氣，它在太陽風、宇宙射線等的作用下被電離而形成電離層。距星面50～100千米為濃密的云層，它主要由硫酸液滴組成，還有少量鹽酸、氫氟酸和氟硫酸等。距星面50千米以下為下層，它除有二氧化碳和水蒸氣外，還有氟和氫氟酸。

了解了金星的地質(zhì)地貌。金星表面亂石縱橫，面積的2/3是丘陵高地，1/4是洼地，1/10是山區(qū)，很像地球大陸。表面物質(zhì)幾乎全是硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鈦、鉀、錳等的氧化物，表層下埋藏著鉀、鈾、釷等元素。它有過與地球規(guī)模相仿的海洋，但已全部被蒸發(fā)。

掌握了金星的溫室效應(yīng)。人們通常把透射陽光的密閉空間形成內(nèi)部相對溫度較高的環(huán)境稱作溫室效應(yīng)，金星上濃密的大氣層致使其表面空間就出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。金星表面溫度極高，即使夜間也下降不多，成了太陽系中最熱的行星。這是由表面壓力為90個大氣壓的以二氧化碳為主要成分的金星大氣造成的，二氧化碳氣體白天可使陽光通過，照到金星表面，晚間又阻隔金星表面紅外線向外輻射，無法對外進行熱交換，結(jié)果使金星成為一個大溫室。

“麥哲倫”的探測表明，金星上有時發(fā)生大的風暴，有過火山活動，表面溫度高達280℃～540℃。它沒有衛(wèi)星，沒有水滴，磁場強度很小，大氣成分主要是二氧化碳，金星上不適于存活生命物質(zhì)。1991年7月23日“麥哲倫”拍攝的雷達圖像使人們發(fā)現(xiàn)金星曾發(fā)生大滑坡現(xiàn)象，滑坡長7.5千米寬2.9千米,這表明金星仍存在地質(zhì)活動。另外，還從圖像上發(fā)現(xiàn)1條6700千米長的溝道，這是目前在太陽系星球中發(fā)現(xiàn)的最長的地質(zhì)斷層。

目前，唯一在金星軌道運行的歐洲“金星快車”所拍攝的首批金星照片向人們展示了金星表面的詳細結(jié)構(gòu)和一些科學家們以前未曾預(yù)料到的細節(jié)。其首批發(fā)回的照片拍攝的是金星的南極地區(qū)，顯示了金星南極被濃厚的硫磺酸云覆蓋。它還發(fā)現(xiàn)金星可能有活火山，這意味著地球并非太陽系內(nèi)唯一地質(zhì)活躍的行星。據(jù)國外媒體2011年10月10日報道，“金星快車”發(fā)現(xiàn)金星上空也有臭氧層。在此之前只在地球和火星上發(fā)現(xiàn)了臭氧層，新發(fā)現(xiàn)將有助于天文學家檢測并改進對其他星球的生命探索方案。

未來的金星探測計劃

近年來，美國對金星重新有了興趣，因為一些美國科學家在《太空生物學》雜志發(fā)表的一項研究報告中稱，金星的云層里可能存在著生命?？茖W家表示，雖然金星熾熱的表面不可能存在任何組織的生命，但是一些微生物完全可能存在于金星上空厚厚的云層內(nèi),因為這種厚云層具有獨特的抵抗太陽光熱度的功能。通過研究金星云層水的成分可以得出一個結(jié)論：金星云層化學成分可以證實這個星球上存在著微生物。此結(jié)論一出，頓時激起“千層浪”，一時間眾說紛紜。

美國格林研究中心已經(jīng)設(shè)計出一種金星探測飛機，并自信地指出：這將是研究金星最有效的方法。在這項計劃中，特別令人關(guān)注的是金星云層。因為其云層運動速度比金星自轉(zhuǎn)速度要快好多倍，這些云層經(jīng)常出沒在50～75千米高空。大量研究表明，金星大氣層適合飛機飛行，所以可以用飛機直接探測金星。不過，由于金星云頂?shù)娘L速達到每秒約95米，金星探測飛機需克服金星上劇烈的風和腐蝕性大氣層的影響，飛機的速度必須維持在風速或超過風速。

軌道器、氣球和著陸器組成的“歐洲金星探索者”

與此同時,美國也擬發(fā)射金星漫游車，不過,能否在高壓和高溫的金星表面“存活”對于金星漫游車是一個嚴峻考驗，為此,美國航天工程師將另辟蹊徑。為了延長金星漫游車的工作時間，將它的復(fù)雜電子“腦”留在金星探測飛機上，因為金星探測飛機所處高度的溫度要比金星表面溫度低一些。此外，為了確保電子儀器和機械裝置(如電機)在高溫條件下正常工作，將進行特殊研究，以便使金星探測飛機能夠控制金星漫游車在金星表面的工作。

美國還正在制定一項計劃，準備用混合探測器探測金星。這種探測器由一個衛(wèi)星和氣球組成，它將能夠應(yīng)付金星環(huán)境惡劣的大氣造成的各種問題。金星有二氧化碳組成的厚厚大氣，而且環(huán)繞金星軌道飛行的探測器很難透過硫酸云霧得到清晰的表面圖像。金星的大氣也使該星球出現(xiàn)溫室效應(yīng)，所以金星表面溫度很高，增加了在表面降落的困難。蘇聯(lián)雖然在1985年成功地使用氣球把探測器材降落火星表面，不過持續(xù)時間很短。氣球只能隨風飄揚，不能控制著陸點,而混合探測器是把氣球和衛(wèi)星相結(jié)合，氣球由懸掛在衛(wèi)星下面的舵掌握方向，它可像衛(wèi)星一樣漂浮數(shù)月來探測金星，但探測距離要近得多，并能投擲探測器到金星表面。

攜帶了大氣成分探測器、表面地質(zhì)學研究探測器以及表面成分與礦物學研究探測器的美國“表面和大氣層、金星化學探索者”用于研究金星大氣層、氣候和表面演化的歷史。它擬于2016年底發(fā)射，2017年5月在金星Mielikki火山附近著陸。著陸后，將通過挖掘把金星土壤樣品送入壓力容器，然后用激光譜儀和伽馬射線譜儀進行分析，由此獲得表面成分和結(jié)構(gòu)的信息。

美國正在研制的“金星移動探索者”用于在金星表面兩個不同位置測量成分和礦物學特征，發(fā)射時間不詳。它分兩步，先是在探測器下落過程中進行探測，然后是在2個不同著陸地點進行探測。

金星過去一直是蘇聯(lián)行星研究者們最喜愛的目標，很早就提出要把一個超壓塑料氣球發(fā)射到金星表面60千米云層進行漂浮以獲取更多信息的探測計劃。在這一高度上的金星大氣氣壓相當于地球海平面上的壓力，氣球可以浮空進行探測。日本也曾提出把一個金屬氣球發(fā)射到金星表面40千米氣層中漂浮的計劃，因為此一高度上的金星大氣溫度為300℃，氣壓為地球海平面壓力的20倍，金屬氣球既不會燒毀，又能浮空，故可開展探測活動。

現(xiàn)在俄羅斯又在制定探測這顆啟明星的新計劃，并邀請西方科學家參與。俄羅斯研制的新型金星探測器——金星-D將在2016年發(fā)射升空，它將通過一個軌道器、多個氣球、一個著陸器和一個新發(fā)明的風力飛行器，探索很多與金星有關(guān)的重要科學之謎。為了防止著陸器被很快燒焦，俄羅斯設(shè)計了一系列可以漂浮在金星大氣里的氣球，這些氣球既可在金星-D的著陸器向金星表面降落時展開，通過減速保護金星-D的著陸器穿越金星大氣層，又裝備了新一代超輕傳感器，從而可以獲得大量創(chuàng)新性科研成果。俄羅斯的金星氣球還將攜帶一些微探針，在氣球漂浮在金星的天空中時，這些微探針會先后被拋下去，對不同位置進行科研測量。金星-D 的風力飛行器是一種像風箏的裝置，攜帶了超輕儀器和傳感器，它可以利用金星上的風，在海拔45～50千米高空無限期漂浮。雖然它只是一個演示器，但如果能取得成功，將掀起行星探索史的新篇章。

歐洲擬研制“歐洲金星探索者”。它包括一個軌道器、一個位于云層高度的氣球探測器和一個下落探測器，以便對金星立體探測。

美國、俄羅斯、法國、日本和德國現(xiàn)正在聯(lián)合實施一項名為旗艦任務(wù)的計劃，科學目標是探測金星大氣層、金星地質(zhì)學、金星內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。它由1個軌道器、2個氣球和2個降落在不同地形的著陸器組成，計劃于2020～2025年發(fā)射。軌道器用于氣球、著陸器提供通信中繼，并裝有繪制金星表面圖形的高分辨率的雷達和高度計。氣球用于獲取氣體和云中的氣溶膠粒子以及測量太陽和云中的熱輻射。著陸器在著陸過程中用于測量大氣并對表面成像著陸后精確分析金星表面下的巖石、土壤中的元素和礦物含量，提供著陸和取樣點的詳細地質(zhì)情況。

“表面和大氣層、金星化學探索者”著陸過程示意圖

多國合作研制的金星探測的“旗艦任務(wù)”項目