备受青睐的金星空间探测器

□ 司马杭仁

苏联“金星”-2探测器

近日，金星成为人们热议的话题，这是因为中国科学技术大学地球和空间科学学院教授张铁龙等与奥地利、美国科学家合作，利用欧洲“金星快车”探测器的磁场探测数据，首次在金星的诱发磁层中发现了磁场重联现象，研究成果发表在2012年4月出版的国际权威学术期刊《科学》上。这一发现对金星大气演化和气候变化研究具有重要意义。磁场重联是指方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结现象，即当太阳风（太阳向外喷射的高速带电粒子流）“刮”向本身有磁场的行星时，如果二者磁场的磁力线方向相反，就会发生磁力线交叉、瞬间断开、再重新联结等现象。此前，科学家普遍认为，金星由于本身没有磁场，不太可能存在磁场重联现象。磁场重联现象既能帮助金星抵御住太阳风的侵袭，同时又加速了金星大气的逃逸或导致金星缺水。

另外，2012年的6月6日6时11分至12时49分发生了一次非常重要的天文现象——金星凌日，金星在6个半小时的时间中缓慢穿越太阳的视圆面。如果错失此次观测的话，下一次金星凌日就要再等上100多年了。

看到这里，有人不禁要问，至今人类对金星都开展了哪些探测？取得了什么成果？金星探测器的前景如何？

美国在1962年8月27日发射的“水手”2号探测器，于同年12月14日从距金星3500千米处飞过时，首次测量了金星大气温度，拍摄到了金星的照片，它是第一个成功探测金星的探测器

美国“先驱者”（“金星”系列），即先驱者-金星-1轨道器

美国用航天飞机发射“麦哲金星探测器

金星探测器一撇

金星是太阳系八大行星中距地球最近的一颗行星，也是人的肉眼能够看到的最为明亮的天体，所以人类对太阳系行星的探测首先是从金星开始的，并在空间探测的早期发射过较多的金星探测器。但是，目前人类更重视火星探测，而冷淡了金星，这是为什么呢？这主要是由于金星总被浓厚的云层包围着，所以很难探测，即使发射探测器也极不容易看清它的真实面目。另外，金星与地球太不一样了，难以改造成为人类的新家园，其大气压是地球大气压的90倍左右。不过，正是因为金星与众不同，因此人类还是想进一步探寻它的奥秘。从各国的空间探测计划来看，金星将重获青睐。

至今，人类已向金星发射了32个空间探测器，其中22个成功，10个失败。加上各种路过的探测器总数已超过40个。截至到现在，已发射的金星探测器主要有以下系列：

苏联“金星”系列。1961年2月12日～1983年6月7日，苏联共发射16个“金星”系列探测器，主要任务是探测金星和金星周围空间，其中金星-1～8较小，重量在643～1184千克之间；金星-9～16体积较大，重量为4363～5300千克之间。它们的用途也不一样，有2个“金星”探测器飞过金星，4个曾抵金星表面，另外10个在金星表面实现了软着陆。1970年8月17日发射的金星-7是首次在金星表面成功软着陆的探测器。在20多年的发展过程中，它们探测了金星大气的温度、密度和成份，考察了金星表面和岩层，拍摄了大量金星图像并发回地球，取得了许多重要的科学数据。

欧洲“金星快车”探测器

日本“拂晓”探测器

美国“水手”系列。“水手”是美国航宇局早期发射的行星和行星际探测器系列，其主要任务是探测金星和火星及其周围空间。1962年7月22日～1973年11月3日共发射10个，其中3个飞向金星，2个成功；6个飞向火星，4个成功；另1个是对金星和水星进行双星观测，成为世界第1个双星观测器。

美国“先驱者”（“金星”系列）。美国“先驱者”是世界上第一个行星和行星际探测器系列，1958年10月12日～1978年8月8日共发射13个，其中前4个未进入预期轨道，仅获部分成功。该探测器对人类深入了解宇宙奥秘具有开创性意义。“先驱者”探测器的主要任务是探测地-月空间以及金星、木星、土星等行星和行星际空间，系统观测月球环境、行星际空间辐射、磁场和太阳活动等。

美国“麦哲伦”探测器。1989年美国发射的“麦哲伦”金星探测器上有1套先进的合成孔径雷达和高度计，能透过厚实的云层测绘出金星表面上小如一个足球场的物体图像，其清晰度胜过此前所获金星图像的10倍，对金星地表拍摄了非常详细的地形照片。“麦哲伦”在金星轨道工作了4年2个月零2天，共绕金星飞行了15018圈，对99%的地貌全景进行了测绘，发回的数据超过此前其他探测器发回数据的总和。“麦哲伦”还对金星95%的地区进行了高分辨率的重力测量。该探测器在1994年10月结束了自己的金星之旅，根据地球控制中心的指令坠入金星稠密大气中。

美国“伽利略”探测器。1989年发射的“伽利略”木星探测器在1990年2月飞越金星时顺路对金星进行遥感观测。

欧洲“金星快车”探测器。2005年11月9日发射的“金星快车”探测器于2006年4月11日进入金星轨道，同年7月开始用7种科学仪器对金星表面等进行测绘。这是欧洲首次发射金星探测器，也是第一个对金星大气和等离子环境进行全球研究的探测器，还是近年来人类对金星为数不多的一次“专访”，它使欧洲成为世界第三个发射金星探测器的国家。该探测器目前正用所载的科学仪器执行观测任务，详细的研究金星大气和云层，并且绘制金星全球表面温度图，这对于理解地球长期的气候演变进程将起到至关重要的作用。其任务持续时间是2个金星日。它创造了数个第一：第一次实现在紫外到热红外的光谱范围对金星进行连续观测；第一次应用太阳/恒星掩星技术对金星进行研究；第一次在近红外透明窗口对低层大气的合成物进行全球监测；第一次用3D离子分析仪、高能分辨率电子分光仪和高能中性原子成像仪对金星进行探测等。

以太阳电池为动力的金星探测飞机

金星没有磁场，所以无法防护连续不断的太阳风的侵袭

日本“拂晓”探测器。2010年5月21日发射的“拂晓”探测器原定于2010年12月抵达金星赤道轨道，然后进行6项试验，对金星大气层和表面活动进行研究，并成为第一个行星间的气象卫星，但因燃料供应系统故障导致的燃料供应不足和发动机异常而没能进入金星轨道。日本专家希望通过实施一次轨道修正，使“拂晓”能在约6年后回到金星附近，从而再次尝试入轨。“拂晓”上的剩余燃料足够第2次入轨之用。若燃料输送问题能解决，“拂晓”起死回生大有机会。

俄罗斯金星-D探测器飞往金星表面探测示意图

已取得的部分成果

认识了金星的奇特大气。金星大气可分为上层、云层和下层三个层次。距星面100～500千米为上层稀薄大气，它在太阳风、宇宙射线等的作用下被电离而形成电离层。距星面50～100千米为浓密的云层，它主要由硫酸液滴组成，还有少量盐酸、氢氟酸和氟硫酸等。距星面50千米以下为下层，它除有二氧化碳和水蒸气外，还有氟和氢氟酸。

了解了金星的地质地貌。金星表面乱石纵横，面积的2/3是丘陵高地，1/4是洼地，1/10是山区，很像地球大陆。表面物质几乎全是硅、铝、铁、镁、钙、钛、钾、锰等的氧化物，表层下埋藏着钾、铀、钍等元素。它有过与地球规模相仿的海洋，但已全部被蒸发。

掌握了金星的温室效应。人们通常把透射阳光的密闭空间形成内部相对温度较高的环境称作温室效应，金星上浓密的大气层致使其表面空间就出现了这种现象。金星表面温度极高，即使夜间也下降不多，成了太阳系中最热的行星。这是由表面压力为90个大气压的以二氧化碳为主要成分的金星大气造成的，二氧化碳气体白天可使阳光通过，照到金星表面，晚间又阻隔金星表面红外线向外辐射，无法对外进行热交换，结果使金星成为一个大温室。

“麦哲伦”的探测表明，金星上有时发生大的风暴，有过火山活动，表面温度高达280℃～540℃。它没有卫星，没有水滴，磁场强度很小，大气成分主要是二氧化碳，金星上不适于存活生命物质。1991年7月23日“麦哲伦”拍摄的雷达图像使人们发现金星曾发生大滑坡现象，滑坡长7.5千米宽2.9千米,这表明金星仍存在地质活动。另外，还从图像上发现1条6700千米长的沟道，这是目前在太阳系星球中发现的最长的地质断层。

目前，唯一在金星轨道运行的欧洲“金星快车”所拍摄的首批金星照片向人们展示了金星表面的详细结构和一些科学家们以前未曾预料到的细节。其首批发回的照片拍摄的是金星的南极地区，显示了金星南极被浓厚的硫磺酸云覆盖。它还发现金星可能有活火山，这意味着地球并非太阳系内唯一地质活跃的行星。据国外媒体2011年10月10日报道，“金星快车”发现金星上空也有臭氧层。在此之前只在地球和火星上发现了臭氧层，新发现将有助于天文学家检测并改进对其他星球的生命探索方案。

未来的金星探测计划

近年来，美国对金星重新有了兴趣，因为一些美国科学家在《太空生物学》杂志发表的一项研究报告中称，金星的云层里可能存在着生命。科学家表示，虽然金星炽热的表面不可能存在任何组织的生命，但是一些微生物完全可能存在于金星上空厚厚的云层内,因为这种厚云层具有独特的抵抗太阳光热度的功能。通过研究金星云层水的成分可以得出一个结论：金星云层化学成分可以证实这个星球上存在着微生物。此结论一出，顿时激起“千层浪”，一时间众说纷纭。

美国格林研究中心已经设计出一种金星探测飞机，并自信地指出：这将是研究金星最有效的方法。在这项计划中，特别令人关注的是金星云层。因为其云层运动速度比金星自转速度要快好多倍，这些云层经常出没在50～75千米高空。大量研究表明，金星大气层适合飞机飞行，所以可以用飞机直接探测金星。不过，由于金星云顶的风速达到每秒约95米，金星探测飞机需克服金星上剧烈的风和腐蚀性大气层的影响，飞机的速度必须维持在风速或超过风速。

轨道器、气球和着陆器组成的“欧洲金星探索者”

与此同时,美国也拟发射金星漫游车，不过,能否在高压和高温的金星表面“存活”对于金星漫游车是一个严峻考验，为此,美国航天工程师将另辟蹊径。为了延长金星漫游车的工作时间，将它的复杂电子“脑”留在金星探测飞机上，因为金星探测飞机所处高度的温度要比金星表面温度低一些。此外，为了确保电子仪器和机械装置(如电机)在高温条件下正常工作，将进行特殊研究，以便使金星探测飞机能够控制金星漫游车在金星表面的工作。

美国还正在制定一项计划，准备用混合探测器探测金星。这种探测器由一个卫星和气球组成，它将能够应付金星环境恶劣的大气造成的各种问题。金星有二氧化碳组成的厚厚大气，而且环绕金星轨道飞行的探测器很难透过硫酸云雾得到清晰的表面图像。金星的大气也使该星球出现温室效应，所以金星表面温度很高，增加了在表面降落的困难。苏联虽然在1985年成功地使用气球把探测器材降落火星表面，不过持续时间很短。气球只能随风飘扬，不能控制着陆点,而混合探测器是把气球和卫星相结合，气球由悬挂在卫星下面的舵掌握方向，它可像卫星一样漂浮数月来探测金星，但探测距离要近得多，并能投掷探测器到金星表面。

携带了大气成分探测器、表面地质学研究探测器以及表面成分与矿物学研究探测器的美国“表面和大气层、金星化学探索者”用于研究金星大气层、气候和表面演化的历史。它拟于2016年底发射，2017年5月在金星Mielikki火山附近着陆。着陆后，将通过挖掘把金星土壤样品送入压力容器，然后用激光谱仪和伽马射线谱仪进行分析，由此获得表面成分和结构的信息。

美国正在研制的“金星移动探索者”用于在金星表面两个不同位置测量成分和矿物学特征，发射时间不详。它分两步，先是在探测器下落过程中进行探测，然后是在2个不同着陆地点进行探测。

金星过去一直是苏联行星研究者们最喜爱的目标，很早就提出要把一个超压塑料气球发射到金星表面60千米云层进行漂浮以获取更多信息的探测计划。在这一高度上的金星大气气压相当于地球海平面上的压力，气球可以浮空进行探测。日本也曾提出把一个金属气球发射到金星表面40千米气层中漂浮的计划，因为此一高度上的金星大气温度为300℃，气压为地球海平面压力的20倍，金属气球既不会烧毁，又能浮空，故可开展探测活动。

现在俄罗斯又在制定探测这颗启明星的新计划，并邀请西方科学家参与。俄罗斯研制的新型金星探测器——金星-D将在2016年发射升空，它将通过一个轨道器、多个气球、一个着陆器和一个新发明的风力飞行器，探索很多与金星有关的重要科学之谜。为了防止着陆器被很快烧焦，俄罗斯设计了一系列可以漂浮在金星大气里的气球，这些气球既可在金星-D的着陆器向金星表面降落时展开，通过减速保护金星-D的着陆器穿越金星大气层，又装备了新一代超轻传感器，从而可以获得大量创新性科研成果。俄罗斯的金星气球还将携带一些微探针，在气球漂浮在金星的天空中时，这些微探针会先后被抛下去，对不同位置进行科研测量。金星-D 的风力飞行器是一种像风筝的装置，携带了超轻仪器和传感器，它可以利用金星上的风，在海拔45～50千米高空无限期漂浮。虽然它只是一个演示器，但如果能取得成功，将掀起行星探索史的新篇章。

欧洲拟研制“欧洲金星探索者”。它包括一个轨道器、一个位于云层高度的气球探测器和一个下落探测器，以便对金星立体探测。

美国、俄罗斯、法国、日本和德国现正在联合实施一项名为旗舰任务的计划，科学目标是探测金星大气层、金星地质学、金星内部结构等。它由1个轨道器、2个气球和2个降落在不同地形的着陆器组成，计划于2020～2025年发射。轨道器用于气球、着陆器提供通信中继，并装有绘制金星表面图形的高分辨率的雷达和高度计。气球用于获取气体和云中的气溶胶粒子以及测量太阳和云中的热辐射。着陆器在着陆过程中用于测量大气并对表面成像着陆后精确分析金星表面下的岩石、土壤中的元素和矿物含量，提供着陆和取样点的详细地质情况。

“表面和大气层、金星化学探索者”着陆过程示意图

多国合作研制的金星探测的“旗舰任务”项目