金星探测——独特的深空之旅<br/>

金星探测——独特的深空之旅

2012-09-18张伟

上海航天 2012年5期

张伟

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

在第一颗人造卫星升空后仅16个月，苏联就了发射了首个空间探测器——月球1号。人类对宇宙空间的好奇与向往由此可见一斑。时至今日，人类发射的深空探测器已超过200颗，实现了对太阳系八大行星的不同形式的探测。1977年发射的旅行者1号探测器已飞离地球约120AU的距离，正处于太阳系的边缘。技术创新是深空探测的主要目的之一，深空是近地卫星新技术的试验场。作为距离地球最近的大行星，金星探测的风险相对较低，可在验证深空测控通信、自主导航与控制等深空探测器共性技术的同时，专注于对热控和环境可靠性等个性关键技术的突破与创新，提高探测任务的成功率，在我国深空探测整体规划中起到承前启后的作用。为此，本文对金星探测的意义进行了综述，并提出了一种金星探测器设计方案设想。

1 深空探测重要意义

人类进行深空探测的重要意义如下。

a）是人类航天事业不懈追求的体现

对未知领域的探索是人类社会发展进步的动力。宇宙空间奥秘无限，人类航天活动的发展经历了由近及远、由近地到深空、由无人到载人的渐进发展历程。

开展深空探测，和平开发利用外层空间是人类的共同事业，符合人类的共同利益。发展深空探测技术，和平开发利用太空，既是中国人民矢志不渝的追求，也是各国人民的共同愿望。对人类航天事业来说，深空探测是一项极具挑战性的任务，也是对航天技术不懈追求的一种体现。

探月工程是我国继人造地球卫星、载人航天之后我国航天事业发展的又一座里程碑，实现了中华民族的千年奔月梦想，开启了中国人走向深空探索宇宙奥秘的时代，拉开了我国深空探测活动的序幕。

b）能极大促进技术创新和进步

航天事业征途漫漫，科技创新永无止境。深空探测是当今世界航天活动的重要领域，是一个国家综合国力和创新能力的体现，是建设创新型国家的重要内容，对国家科技进步、经济建设、社会发展具有十分重要的意义。

通过深空探测工程的实施，可突破一批具有自主知识产权的核心技术和关键技术，获得重大科技创新成果；带动我国基础科学和应用科学若干领域深入发展，推动信息等工业技术进步，促进众多技术学科的交叉和融合。

c）是培养高科技人才，实现科教兴国的源动力之一

深空探测对深入实施科教兴国战略、人才强国战略和可持续发展战略，推动经济社会又好又快发展，推进建设创新性国家，提升民族自信心和凝聚力，激发爱国热情，实现中华民族伟大复兴有十分重要的意义。深空探测活动的持续开展，可培养造就高素质科技人才和管理人才队伍，积累和形成中国特色重大科技工程管理方式和经验，为我国航天事业发展开辟更广阔的领域和空间，对推进我国航天事业、建设先进国防科技工业具有重大意义。

2 金星是深空探测的重要目标之一

2.1 金星在太阳系中的特殊地位

中国古代将金星称为太白，西方则将其命名为象征爱与美的女神维纳斯。对地球来说，金星在八大行星中有其特殊性。

2.1.1 太阳系中距离地球最近的大行星

金星的平均公转半径为0.72AU，是八大行星中距离地球最近的一颗，亮度为－3.3～－4.4等。由于公转半径相近，从地球出发到达金星的旅程是八大行星中最短的。以霍曼转移为例，探测器飞抵金星的航程和时间分别为5.8AU和6月，飞行距离较火星探测少1.5AU，时间则缩短了约4月。由此可见，距离的优势使金星成为深空探测的优选目标之一。

2.1.2 一颗类地行星

与水星和火星一样，金星是一颗类地行星，其体积和质量与地球十分相近，故又常被称为地球的姊妹星。科学研究发现，约30亿年前金星与地球极为相似，经过星际演化，形成了现在的状态，研究金星对人类预测地球的未来有极高的参考价值。通过探测金星，可显著拓展人类的空间视野，加深对宇宙的理解；通过金星与地球的比较，能从比较行星学的角度认识、使用和保护地球。

2.1.3 一颗地内行星

以地球和太阳为参照，深空探测可分为向内飞行和向外飞行两种。金星作为地内行星的代表，是众多地外行星甚至外太阳系天体的一个重要对照和参考。地内行星探测是人类对整个太阳系认识过程中不可或缺的重要部分。

2.2 金星探测的科学意义

近年来，地球环境问题正成为国际社会的热点，全球变暖、温室效应给人类生存的家园带来了威胁，世界气候组织提出全球范围采取低碳减排、绿色生活等措施以保护地球。航天科学家们也在积极努力，从太阳系行星演化和比较行星学的角度开展了研究。通过研究金星的大气温室效应、逆向旋转等热点，开拓我国比较行星学研究新的领域，对人类更好地认识地球和保护地球，是一种新的思路。

金星独特的环境为科学研究提供了很好参照对象。通过实施金星探测，可近距离获取科学数据，解读人类关心的国际热点问题。

a）对地球温室效应发展的启示

金星表面被稠密浓厚的大气层包围，其表面大气压是地球表面的95.6倍，大气中二氧化碳的含量为96.5%，形成了极端的温室效应，这是导致金星表面温度增高的主要原因。随着人类活动产生的温室气体急剧增加，国际社会高度关注地球温室效应及其演化。对金星进行探测，研究金星的大气，将能对地球全球温室效应的未来发展和走势带来极大的启示。

b）金星大气层及形貌探测与研究

通过遥感手段，获取不同高度的大气参数，绘制高度参数曲线，分析金星大气的演变过程，研究金星大气运动规律、演化历史，为地球气候科学家们研究地球大气科学提供行星比较学的参考和比对数据，有助于解读与分析地球大气未来的发展和现在潜在的危险。

分析金星表面形貌、地质结构、火山活动，对金星的起源及类地行星的形成过程进行比较研究，为了解太阳系的起源和演化提供有力证据。

c）地球－金星－太阳星际环境探测

人类生存环境受太阳的影响最大。太阳活动的主要方式是太阳爆发，观测和研究太阳爆发对地球空间环境的影响，不仅是重大的前沿科学课题，而且是人类进入空间时代对科学技术的一个必然要求。

金星相比地球离太阳更近，受太阳辐射的影响更直接和强烈，可充分利用地金转移以及环绕金星飞行的过程，探测太阳活动的信息及太阳活动对行星际空间不同位置的影响，获取太阳－金星－地球星际链路的太阳耀斑和日冕物质的动力学传输特性参数，预报太阳的活动。

2.3 金星探测对技术创新的意义

深空探测能带动多领域的技术创新和多学科的交叉融合。自主导航与控制、自主管理以及深空通信等深空共性关键技术，将在火星、小行星、金星探测器的研制过程中得到突破并走向成熟。此外，为实现地内行星和地外行星两种不同的探测任务，需要的新技术也有所不同。地外行星探测面临距离远、光照弱的问题，因此对推进和能源类新技术的需求更强烈；地内行星探测由于飞行方向的不同，探测器将面临更复杂的热流与空间环境，对热控及可靠性的要求，以及对推进和能源类新技术的需求更为强烈和严格。

综上，金星探测不仅可验证深空探测共性关键技术，而且能推动热控与可靠性等关键技术的不断创新，推动航天领域高新技术的发展。

a）深空测控通信技术

金星位于地球内侧，靠近太阳，属内行星。与火星探测相比，金星探测器与地球之间的通信角度变化较大；与近地卫星不同，金星探测器从发射升空至进入金星环绕轨道，地金转移飞行需经历5～6月，该过程探测器轨道的偏差会造成捕获失败或地面丢失对探测器的跟踪，导致任务的失败。因此，在该阶段需对探测器进行最大程度的跟踪，生成精密的定轨结果，完成遥测接收处理与必要的遥控任务。

我国已完全掌握了地球轨道卫星的测控技术，并通过中俄联合探测火星工程实现了远距离的环火轨道甚长基线干涉（VLBI）测定轨方案及系统的研制与地面验证试验，但长期地金转移飞行的测定轨技术尚未有工程实践基础，且我国正在建设的地面深空测控网络目前也无法实现全球覆盖。地金转移飞行阶段的测控弧段受限，增加了飞行过程的测控运行风险与难度。

目前，近地卫星采用的R，E，A测量元素测定轨的精度已不能满足深空探测器地金转移段导航的需求，需辅以高精度的VLBI测角信息进行联合定轨。我国目前的航天测控中，对深空站的R，E，A数据和VLBI测角信息的联合定轨以满足地金转移段测定轨实时性及精度要求尚无经验。因此，需结合新建的深空站和地面VLBI系统，研究作为地面测控合作目标的探测器所需的测控设备配置和技术指标要求，突破地金转移过程高精度测定轨技术。

b）深空导航、制导与控制技术

金星探测器从地金转移段进入金星影响球后，近金捕获制动是金星探测任务成败的关键。捕获制动期间，地金时延大，制动时间长。为进入绕金轨道，探测器须减速以便被金星捕获。如制动失败，将再次飞出金星影响球，如日本的拂晓号探测器就因制动失败而飞离金星。

传统导航方法是基于地面测量获得探测器轨道位置及速度信息，但金星至地球距离为4 000万km～2.6亿km，最大时间双向延迟大于30min。在这样的时延和目前我国测控站布局的约束下，为确保探测器的巡航飞行和捕获制动成功，探测器须具备高精度的自主导航与控制能力，自主导航能使探测器不完全依赖地面支持，探测器自主地精确确定在惯性空间中的绝对位置和速度，以实现探测器的安全捕获与准确入轨。

2.4 金星是早期深空探测的重点

截至2011年9月，人类共发射了41颗金星探测器，其中20世纪六七十年代发射的占78%。火星探测器共发射了39颗，其中六七十年代的占61%。由此可见金星是人类早期深空活动的重点探测对象。虽然在90年代金星探测进入了一段平静期，但世界航天强国从来未停止金星探测的步伐。进入21世纪，美、俄、欧等纷纷公布了各自的金星探测计划。NASA制定旗舰金星探测任务，计划在2030年前实现金星取样返回探测，俄罗斯制定了金星环绕与着陆多种方式综合探测的Venera－D计划等，再次拉开了金星探测的热潮。

美、苏在深空探测初期对金星的情有独钟主要是因为金星探测任务的工程实现难度相对较低。我国的深空探测刚起步，在向月球以外目标的跨越过程中，应充分利用金星的独特条件，遵循由近及远的探测规律，将金星作为太阳系探测中承前启后的重要一环，为后续更深远的深空探测任务打下基础。

3 金星探测的独特意义

3.1 金星探测特有的创新技术

金星作为地内行星的代表，对其探测将对热控、环境以及可靠性提出更严苛的要求，而对推进、能源相关新技术的需求则相对较低。可利用金星探测的此特点，降低任务风险，在验证通信和导航等共性关键技术的同时，最大化地推动热控、环境可靠性等个性化关键技术的创新。

a）复杂外热流环境适应及地面验证技术

在飞往金星过程中，太阳辐射强度可由地球附近的平均1 353W／m2增大至金星附近的平均2 613.9W／m2，太阳辐照常数变化范围为1.0～1.9，反照强度为地球的5倍，金星的热流远大于地球，且热流光谱复杂。为此，需对传统的热控方法进行技术提高和改进。可参考的方法有使用更多的主动热控措施和被动控制方法，如布置ORS贴片等。适应这种复杂外热流的轨道环境，解决金星探测器光、机、电、热多学科交叉融合的一体化设计技术，将是我国航天器领域的一个技术创新点。

同时，还需建立与之对应的地面试验系统，进行地面试验。麦哲伦金星探测器在发射前通过系统性的热试验对探测器热性能进行了验证，但在发射升空数月后，温度还是超过了预期值。因此，通过真空热试验进行准确、有效的试验验证，以确保金星探测器在轨工作在合适的温度范围是另一个技术难题。

b）金星浮空器技术

金星浮空器作为地外有大气行星探测的重要手段，是一种新型的深空探测模式，目前国际上仅美国和俄罗斯成功掌握了该项技术。

我国深空探测以火星探测为主，兼顾金星、小行星、木星系统的探测，这些探测目标中火星、金星、部分木星卫星均含有大气，都可采用浮空探测的方式。掌握进入器技术将极大丰富未来我国深空探测的手段，增加深空探测的广度和深度。

不同目标星体的大气组成、密度及特性各异，浮空、着陆探测形式也略有不同，但浮空器的总体技术、系统组成模块、气动外形设计技术、热防护技术等具有通用性［2］。通过金星浮空器探测任务，可逐步突破有大气行星进入过程中的关键技术，掌握这些技术对后续深空探测任务有重要的借鉴意义。

3.2 金星的特殊环境

虽然是地球的姊妹星，但金星的环境与地球差别极大，其环境主要特点如下。

a）度日如年天文观测发现，金星的自转周期243d，公转周期223d，自转速度慢于公转。金星的“1天”等于地球的8月，金星的白昼与黑夜各长达4月。科学家推测，40亿年前，金星自转速度与现在的地球基本相同，随着“年龄”的增长，金星仿佛变慢了，演变成“度日如年”的机理有待进一步的科学探索和研究。

b）西升东落金星是太阳系唯一一颗自西向东转动的行星，在金星上看太阳的运行，太阳自西方升起，从东方落下。

c）大气超旋前苏联发射的Venera金星探测器发现，金星大气层中最活跃处是对流层和中间层内（0～100km），带状风在云层顶部最高速度可大于100m／s，在地面及中层大气顶（100km）的速度又减小为0m／s［2］。2005年ESA发射的金星快车探测器通过遥感研究了此超旋现象，但仍无法揭示驱动其的原因。只有将浮空器送至对流层和中间层才可能揭示金星超旋的本质。

d）温室效应据推测，早期的金星有与地球相似的大气层和地表水。约20亿年前，金星大气层中的氧气和水逐步逃逸，金星也没有了类似于地球上的石灰岩和海洋存储二氧化碳。因此二氧化碳成为大气层的主要成分。金星被厚厚的大气层包围，大气非常浓密，其中二氧化碳96.5%，氮气3.5%，金星表面永远是浓云笼罩下的阴天，见不到明亮的太阳。金星与太阳的距离较地球近约1／3，入射到金星大气层顶的光照比地球多1倍，但大气的反照率高达0.76（地球的反照率仅为0.39），即真正能到达金星低层大气的光照少于地球。浓密的二氧化碳带来的温室效应使金星表面温度达到470℃，而且基本无昼夜和季节的差别。

e）火山密布 1989年NASA发射的麦哲伦号金星探测器发现，金星上存在大型火山1 600多处，小火山总数估计超过10万，是太阳系中拥有火山最多的行星。目前为止，金星上尚未发现活火山，但仍不排除金星存在活火山的可能性。

3.3 最近距离的行星探测

金星探测需要向地球公转轨道的内侧飞行距离大于8.7亿km（该距离是实现八大行星探测中最小的）。相对近距离的内侧飞行显著降低了探测任务的风险，同时由于光照充足，探测器的能源可得到保障。推进系统主要用于捕获制动，可充分借鉴探月与火星探测的技术基础。因此，金星探测在验证深空通信、导航与控制等共性技术的同时，可专注于对热控和环境可靠性等个性关键技术的验证与考核。在降低任务风险的前提下，最大化地带动技术创新和能力提升。

4 金星探测方案设想

4.1 飞行过程概述

利用我国的探月工程和中俄联合探测火星工程的地面测控系统和科学应用系统，继承嫦娥一号月球卫星和萤火一号火星探测器等相关技术，研制我国首颗金星探测器，并对关键技术进行攻关。

选用我国现有长征三号乙运载火箭，在西昌卫星发射中心，将金星探测器送入地球逃逸轨道，利用我国现有的地面测控站系统提供探测器的空间位置与时间参数。探测器由火箭直接送入地金转移轨道，经巡航飞行5～6月到达金星引力场。在近金点附近，探测器主发动机工作，制动捕获进入预定金星飞行轨道。综合考虑金星大气层高度、大气密度、轨道测量精度、探测器能携带的燃料量、载荷的最佳成像分辨率等因素，初步选定近金点高度250km、远金点高度8 600km、倾角85°、运行周期3.28h的任务轨道，如图1所示。

图1 金星探测器标称任务轨道Fig.1 Object orbit of Venus probe

4.2 科学探测仪器

空间科学探测常用的有效载荷有光学遥感相机、微波雷达、就位探测仪等三大类有效载荷。金星表面的大气密度非常高（见表1），可见光虽无法穿透其大气层，但可采用具有穿透功能的微波雷达探测金星地形地貌。人类已经通过地面和轨道雷达生成金星表面图像。同时，由于金星周围稠密二氧化碳层的影响，可采用具红外遥感功能的仪器探测金星云层的红外辐射特征。

表1 金星大气层高度与成分Tab.1 Venus atmosphere height and component

考虑金星大气层中1%的酸云层对微波雷达的衰减作用，选择雷达波段时应尽可能选择穿透能力强的波段。雷达的穿透能力实际表现为金星大气环境对雷达波的吸收及反射作用的强弱。S，X波段的降雨和云雾衰减见表2。由表可知：频段越高，大气层对雷达波的衰减就越大。

表2 S，X波段的云雾衰减Tab.2 Say and fog weaken of S and X waveband

按照雷达波双程穿越降雨区和云雾区的距离为40km计算，S波段的降雨衰减和云雾均小于0.4dB，而X波段的降雨衰减2dB，云雾衰减大于4dB。比较S，X两种波段可发现S波段更利于减少雷达系统的功率损耗，有效降低系统功耗。

由雷达方程可知：欲获得高系统灵敏度，天线增益应尽可能高。考虑雷达波段与天线面积对天线增益的制约关系及探测器平台的承载和安装条件，在波段较低的条件下，支撑的天线不能过大，以L，S波段为例，更倾向于优选S波段。

综上，雷达波段选择对金星表面形貌探测非常重要，需综合考虑金星环、雷达探测指标、平台适应程度，并结合国际上已有的探测先验经验进行确定，可考虑选择S波段。

4.3 探测器基本构型

相对地球卫星，深空探测器需携带更多的燃料，更大口径的天线、大尺寸太阳帆板，对构型设计提出了更高的要求。提高平台承载能力，增加能装载的仪器质量，成为深空探测器构型优化的主要任务。

贮箱装载燃料，贮箱可采用法兰平铺或上下叠加通过承力筒方式，如图2、3所示。两种贮箱装载构型各有优缺点。考虑扩展性，采用表面张力贮箱平铺方式成为深空探测器构型设计的国际趋势。

图2 燃料贮箱平铺式构型Fig.2 Titled probe configuration

图3 燃料贮箱上下叠放承力筒式构型Fig.3 Stacked probe configuration

为增加飞行过程中器地通信角度并延长通信时间，采用可二维驱动的大口径轻型柔性可折叠天线。与固定式天线构型相比，二维可转式构型可在载荷对金工作的条件下对地数传，增加器地通信时间。两种天线构型分别如图4、5所示。

图4 固定天线式构型Fig.4 Fixed antenna configuration

图5 二维转动天线构型Fig.5 2－D rotation antenna configuration

为适应太阳光强的大范围变化，满足探测器用电需要，安装配备大尺寸太阳能电池板。考虑飞行过程中日器地夹角的变化，可采用一维驱动装置实现太阳帆板对日定向，确保光电转换系统的效率。

综合各种因素，金星探测器采用一体化、集约化设计。探测器主体采用桁架式的传力方式，4只贮箱安装于探测器底端，通过法兰与桁架撑杆固定，主要仪器载荷安装在探测器的顶端，高增益数传天线和进入器对称安装于探测器两侧，太阳翼对称安装在另外两侧。桁架式构型具有发射质心低、飞行惯量小、结构扩展性强、易于组装的技术特点，在美、欧等航天强国的深空探测任务及后续规划中得到广泛应用，是未来深空探测技术发展的方向之一。飞行状态构型如图6所示。