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8年，圓滿完成了所有預定的科學任務之后，歐洲航天局（ESA）的“金星快車”（Venus Express）探測器于2014年6月18日-7月11日執(zhí)行了本次探索的最后一個實驗—氣動減速（aerobreaking）。在此期間，“金星快車”利用大氣摩擦降低了探測器的速度，使其近地點高度從250km降低至131～135km。幸運的是，“金星快車”經受住了考驗，并被重新拉回到近地點高度450km的橢圓軌道繼續(xù)觀測，直到耗盡最后的燃料。

1 任務簡介

“金星快車”是歐洲首個金星探測器，也是迄今金星探測器中攜帶各類探測儀器最多、技術最先進的一個，其研發(fā)工作耗時4年，造價3億歐元。

“金星快車”于2005年11月9日升空，于2006年4月進入250km×66000km環(huán)繞金星的近極地軌道。其中軌道的近地點位于金星的北極，這樣的軌道設計使探測器在近地點時能夠對云層和表面進行高分辨觀測，在遠地點能夠對云層和大氣的活動狀態(tài)進行全局觀測。1個金星日里（243個地球日），探測器上幾乎能夠觀測整個金星，使探測成果最大化。

由于良好的工作狀態(tài)，“金星快車”探測壽命被延期數次，到目前為止已工作8年有余。在圓滿完成各項科學任務后，由于所剩燃料不多，為了發(fā)揮余熱，歐洲航天局科學家于2014年6月18日決定在其上進行氣動減速技術實驗。此前，歐洲航天局還從未嘗試過氣動減速制動。因此，從“金星快車”上得來的經驗，對于未來的探測器會很有價值。2017年，歐洲“火星生物學”（ExoMars）探測器抵達火星時，歐洲航天局就計劃使用這一技術來減速。同時，由于高度降低，探測器將有難得的機會對金星低層大氣和地表進行細致研究。在地面人員精密的操控下，“金星快車”經受住了高溫、高壓考驗，經過15次推進器點火，消耗了5.2kg的推進劑后，于7月11日回到460km×63000km的橢圓軌道，預計2014年年底其攜帶的燃料將耗盡，屆時“金星快車”將扎入金星大氣結束使命。

2 一舉兩得

由于沿襲了“火星快車”（Mars Express）的成熟結構設計，并且使用了制造“火星快車”和“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測器多余的零部件，“金星快車”這項復雜的科學工程不僅花費很低，并且僅用了33個月就完成制造，比“火星快車”縮短了近15個月。

“金星快車”與“火星快車”的相似之處：

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

2）結構設計。在“火星快車”基礎上，“金星快車”只進行了小的、局部的改變，以適應改進的儀器。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，所以對機械和熱接口做了局部修改。

3）推進子系統(tǒng)。它們都裝有1臺用于入軌的主發(fā)動機（400N），在主發(fā)動機推進過程中，用于高度捕獲和高度控制的4臺冗余發(fā)動機進行輔助。該主發(fā)動機使用的是“歐洲星”（Eurostar）平臺中的發(fā)動機。

4）電子設備。用于電能處理和分發(fā)、數據處理、通信，以及高度和軌道控制。這些電子設備全部是“羅塞塔”計劃中研發(fā)的，基本上沒有變化。

5）運行方案。這2個探測器處在部分特定軌道時的觀測、探測器與地球的通信和蓄電池為探測器供電是交互進行的。

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

“金星快車”與“火星快車”的不同之處：

“金星快車”進行氣動減速示意圖

“金星快車”接受各種測試圖

1）與太陽的距離不同。由于金星比火星更接近太陽，太陽對“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，以便減少日照強度。另外，磁強計安裝在探測器頂部可展開的活動支架上，以便減少探測器的磁擾動。熱控系統(tǒng)也進行了一些改進，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；在太陽陣基板背面及其上面的電池空隙間采用了光學表面冷卻器使用的材料；太陽能電池使用三結砷化鎵材料等。

2）行星結構不同。因為火星是外行星，其地球矢量與太陽矢量的夾角在±40°之間，所以“火星快車”只需1副高增益天線即可。而金星是內行星，地球矢量和太陽矢量的夾角在0°～360°，如果“金星快車”只用1副高增益天線與地球進行通信，就無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，當探測器飛行到接近下合點（離地球最近）的部分軌道時，由這副天線進行通信。

3）科學任務不同。由于“金星快車”和“火星快車”的探測任務不同，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”上繼承而來的儀器（包括磁強計、金星無線電科學實驗儀和紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀）和由“火星快車”上繼承而來的儀器（金星監(jiān)測照相機）,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探測雷達（MARSIS）。

3 “金星快車”的重要發(fā)現（2006－2014）

極區(qū)大氣渦流形變

太陽系中包括地球在內的行星在兩極地區(qū)都有快速旋轉的大氣渦流現象，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象已經發(fā)現很多年了，但是“金星快車”上的紫外/可見/近紅外繪圖光譜儀通過高分辨率紅外光譜測量讓問題遠比想象的復雜。最新的觀測結果顯示，外廓看起來“s”或者“8”的渦流中心結構很不穩(wěn)定，基本上不到24h就改變一次形狀，這不僅預示著金星復雜的天氣，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

此前發(fā)射的美國“麥哲倫”（Magellan）探測器上的合成孔徑雷達發(fā)現了金星上數以千記的火山及噴發(fā)形成的平原，這看起來像是金星上的地質活動一直很活躍，但是缺乏直接的證據?！敖鹦强燔嚒睆牟煌嵌冉o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量發(fā)現，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)測照相機卻能擔當此任。由于它們能捕獲1μm頻段的表面熱輻射，而金星大氣對這個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對熱輻射的頻譜測量來分析表面熱源釋放的化學成分，對金星南半球3個熱源地區(qū)[艾姆德爾（Imdr）、忒彌斯（Themis）和迪翁（Dione）]觀測數據顯示，巖漿并沒有完全風化，推斷出火山于數千年或者數萬年前有活動。

其上的金星監(jiān)測照相機在伽尼基（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。

關于火山活動的間接證據來自于火星大氣中二氧化硫含量的大幅變化?！敖鹦强燔嚒弊?006年進入金星軌道，一直對上層大氣的成分進行分析記錄。統(tǒng)計結果表明，2006－2014年間上層大氣的二氧化硫含量下降明顯，有可能是熱誘導浮力羽流使火山灰向更高的空間飄浮的結果。

金星的自轉正在變慢

通過“麥哲倫”探測器的4年觀測，讓科學家們將金星的自轉周期精確到243.0185個地球日，然而，16年后的“金星快車”卻發(fā)現金星自轉周期平均延長了6.5min。

科學家對1個金星日內發(fā)生的短期隨機現象進行了研究，發(fā)現其并不會對金星的自轉周期產生影響。另一方面，科學家通過探測器傳回的數據對大氣建模顯示，大氣的變化周期與金星自轉速度變化的周期驚人的相似。

這些詳細的測量為科學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。因為如果金星是固態(tài)核心，其重心應位于球體中央。在這種情況下，行星的自轉受到外力的影響很小，而能影響金星旋轉的最重要外力是由濃密大氣高速運動產生的。就此推斷，金星很大可能擁有一個液態(tài)核心。

上層大氣的超高速旋轉

金星上層大氣每4個地球日就能旋轉1周，這和金星緩慢的自轉速度（金星自轉1周需要243個地球日）形成了鮮明的對比。為了探究造成上層大氣超高速旋轉的原因，“金星快車”在6年時間里跟蹤記錄了距金星表面70km高度的大氣運動數據，結果發(fā)現上層大氣旋轉速度正在變快。

2006年，“金星快車”對在金星赤道南北緯50°環(huán)狀區(qū)域的監(jiān)測數據顯示，風速大概在300km/h，隨著時間推移，2013年的數據顯示風速以達到400km/h。同時觀測數據顯示，不同地區(qū)風速也不盡相同：低緯度地區(qū)大氣平均3.9個地球日就能旋轉1周，而其他地區(qū)大氣自轉1周則需5.3個地球日。

“金星快車”對金星上層大氣長期監(jiān)測顯示的風速變

金星上的降雪現象

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年間收集的觀測數據分析發(fā)現，距離金星地表大約125km的大氣處的溫度低達－175℃。盡管金星距離太陽更近，但是這個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”通過對穿透金星大氣層的太陽光分析，得到不同高度的二氧化碳氣體分子的密度，然后結合二氧化碳密度的信息與各個高度的大氣壓數據，計算出相應的氣溫。

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，通過觀察明暗界線處的大氣，就能得知不同區(qū)域產生的影響。由于某些高度的大氣溫度下降到二氧化碳凍結溫度以下，因此那里可能形成了干冰。由小干冰或雪粒子構成的云團應該發(fā)生一定程度的反射，因此可能這里看起來會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)可能占據主導作用。該研究還發(fā)現，位于明暗界線處的冷層被夾在兩個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，通過利用氣體吸收特定波長光的特征，在位于金星表面100km的上空發(fā)現臭氧層的存在。這個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%。金星成為太陽系行星中第3個被發(fā)現存在臭氧層的星體。

臭氧是含有3個氧原子組成的分子，它能吸收太陽大量的有害紫外線，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，盡管現在還不能完全找到確切的原因，細菌以廢氣的形式釋放氧氣必然起了重要作用。而根據計算機模型，金星中的臭氧是在陽光打破二氧化碳分子釋放氧原子時形成的。這些原子在大氣中由風橫掃到星球的陰面，之后結合形成雙原子氧分子，但是有些時候也會組成三原子臭氧分子。

高亮標記“金星快車”在金星上發(fā)現的臭氧區(qū)域

大氣水分流失

“金星快車”攜帶的磁強計以及空間等離子體和高能原子分析儀，通過長時間的測量發(fā)現，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。

據分析，造成大氣水分流失的重要原因是金星缺乏產生磁場的內部機制，因此它無法阻擋射來的太陽帶電粒子。金星暴露在太陽風所攜帶高能粒子轟擊的環(huán)境下，太陽紫外輻射造成水分子中的化學鍵斷裂，使其分解成原子—2個氫原子和1個氧原子，之后這些原子逃溢進入太空。

“金星快車”已測量了氫氧原子的逃溢比率，并證實氫原子的逃溢數量是氧原子的2倍。因此認為這些金星向太空逃溢的原子來源于水分子。同時，在金星大氣層頂端還發(fā)現一種叫做氘的較重氫原子，這是由于氘這種質量較重的氫原子難以逃離金星的重力束縛。

磁場重聯現象

所謂“磁場重聯”，是指當太陽風（太陽向外噴射的高速帶電粒子流）“刮”向本身有磁場的行星（如地球）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、再重新聯結等現象。當這一現象發(fā)生時，磁場重聯區(qū)域的帶電粒子被加熱、加速，太陽風的部分能量進入地球磁層，從而造成空間天氣變化，如地球磁層亞暴、極光等。

太陽風對金星和地球磁場的影響，藍色的為地球

可以由內部機制產生磁場的行星，如地球、水星、木星和土星，它們的外圍會存在一個看不見的磁層。這一磁層意義重大，它會阻擋太陽發(fā)出的帶電粒子，如電子和質子，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”，在背離太陽的方向形成一道長長的延伸帶，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。然而，此前科學家普遍認為，金星由于本身沒有磁場（內稟磁場），不太可能存在磁場重聯現象。但“金星快車”的發(fā)現，也是最讓人意外的一點便是，近期發(fā)現金星誘發(fā)磁場的磁尾處存在磁場重聯現象。

“金星快車”運行在一個近極軌軌道上，這一軌道特性對于某些設備，如磁強計和低能粒子探測器等進行太陽風-電離層-磁尾相互作用機制的探測工作非常理想。在此之前的探測項目，如“先驅者-金星”（Pioneer-Venus），要么由于軌道特性差異，要么由于探測時正處于不同的太陽活動水平上而未能探測到金星的這一重聯現象。

2006年5月15日，“金星快車”穿過金星磁尾，在這里它探測到一個持續(xù)時間約為3min的轉動磁場結構?；谄涑掷m(xù)時間和探測器運行速度的計算顯示，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，科學家們認為這是一個等離子體團。這是一種轉瞬即逝的磁場圈層結構，一般發(fā)生于行星磁尾發(fā)生重聯時。

對于“金星快車”數據進行的進一步分析，顯示出更多證明金星磁場與磁尾處等離子體之間存在能量交換的證據。數據同樣顯示，在很多方面，金星磁層就像是一個縮小規(guī)模的地球磁場。

地球的情況是，磁場重聯現象一般發(fā)生在背陽處10～30倍地球半徑處的磁尾和等離子體片位置上。由于地球的磁場要強大的多，可以推斷金星的磁場重聯如果存在，則應當發(fā)生在其背陽處1～3倍半徑位置。而這正是“金星快車”數據所證實的。

4 結束語

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