欧洲航天局“金星快车”圆满完成使命或于2014年年底撞击金星

2014-03-14刘嘉宁北京空间科技信息研究所

国际太空 2014年11期

刘嘉宁（北京空间科技信息研究所）

刘嘉宁（北京空间科技信息研究所）

在连续工作超过8年，圆满完成了所有预定的科学任务之后，欧洲航天局（ESA）的“金星快车”（Venus Express）探测器于2014年6月18日-7月11日执行了本次探索的最后一个实验—气动减速（aerobreaking）。在此期间，“金星快车”利用大气摩擦降低了探测器的速度，使其近地点高度从250km降低至131～135km。幸运的是，“金星快车”经受住了考验，并被重新拉回到近地点高度450km的椭圆轨道继续观测，直到耗尽最后的燃料。

1 任务简介

“金星快车”是欧洲首个金星探测器，也是迄今金星探测器中携带各类探测仪器最多、技术最先进的一个，其研发工作耗时4年，造价3亿欧元。

“金星快车”于2005年11月9日升空，于2006年4月进入250km×66000km环绕金星的近极地轨道。其中轨道的近地点位于金星的北极，这样的轨道设计使探测器在近地点时能够对云层和表面进行高分辨观测，在远地点能够对云层和大气的活动状态进行全局观测。1个金星日里（243个地球日），探测器上几乎能够观测整个金星，使探测成果最大化。

由于良好的工作状态，“金星快车”探测寿命被延期数次，到目前为止已工作8年有余。在圆满完成各项科学任务后，由于所剩燃料不多，为了发挥余热，欧洲航天局科学家于2014年6月18日决定在其上进行气动减速技术实验。此前，欧洲航天局还从未尝试过气动减速制动。因此，从“金星快车”上得来的经验，对于未来的探测器会很有价值。2017年，欧洲“火星生物学”（ExoMars）探测器抵达火星时，欧洲航天局就计划使用这一技术来减速。同时，由于高度降低，探测器将有难得的机会对金星低层大气和地表进行细致研究。在地面人员精密的操控下，“金星快车”经受住了高温、高压考验，经过15次推进器点火，消耗了5.2kg的推进剂后，于7月11日回到460km×63000km的椭圆轨道，预计2014年年底其携带的燃料将耗尽，届时“金星快车”将扎入金星大气结束使命。

2 一举两得

由于沿袭了“火星快车”（Mars Express）的成熟结构设计，并且使用了制造“火星快车”和“罗塞塔”（Rosetta）彗星探测器多余的零部件，“金星快车”这项复杂的科学工程不仅花费很低，并且仅用了33个月就完成制造，比“火星快车”缩短了近15个月。

“金星快车”与“火星快车”的相似之处：

1）系统组成。它们都有机载仪器、固定通信天线、2副太阳电池翼（具有单自由度的定向机构）。

2）结构设计。在“火星快车”基础上，“金星快车”只进行了小的、局部的改变，以适应改进的仪器。行星傅里叶光谱仪位置和“火星快车”上的相同，紫外/可见/近红外绘图光谱仪位置与“火星快车”的紫外/红外大气光谱仪一样。由于“金星快车”的主舱顶部安装了附加元件，所以对机械和热接口做了局部修改。

3）推进子系统。它们都装有1台用于入轨的主发动机（400N），在主发动机推进过程中，用于高度捕获和高度控制的4台冗余发动机进行辅助。该主发动机使用的是“欧洲星”（Eurostar）平台中的发动机。

4）电子设备。用于电能处理和分发、数据处理、通信，以及高度和轨道控制。这些电子设备全部是“罗塞塔”计划中研发的，基本上没有变化。

5）运行方案。这2个探测器处在部分特定轨道时的观测、探测器与地球的通信和蓄电池为探测器供电是交互进行的。

但“金星快车”也并不是完全照搬“火星快车”，由于金星与太阳的距离只有火星的1/2，为了应对大量热辐射的考验，“金星快车”集中在探测器热控制，通信系统和供电系统做了一些改动，使之适应这样的环境。

“金星快车”与“火星快车”的不同之处：

“金星快车”进行气动减速示意图

“金星快车”接受各种测试图

1）与太阳的距离不同。由于金星比火星更接近太阳，太阳对“金星快车”的辐射热量是“火星快车”的4倍，“金星快车”所处的电离辐射环境更加严峻。因此，空间等离子体和高能原子分析仪不得不从顶层移到其中的一面边壁，以便减少日照强度。另外，磁强计安装在探测器顶部可展开的活动支架上，以便减少探测器的磁扰动。热控系统也进行了一些改进，包括尽量使用具有高反射率、防老化的材料，尽可能地增加冷却器的面积以提高效率；提高了多层绝缘的效率；热管将配电装置连接到增大的冷却器上；在太阳阵基板背面及其上面的电池空隙间采用了光学表面冷却器使用的材料；太阳能电池使用三结砷化镓材料等。

2）行星结构不同。因为火星是外行星，其地球矢量与太阳矢量的夹角在±40°之间，所以“火星快车”只需1副高增益天线即可。而金星是内行星，地球矢量和太阳矢量的夹角在0°～360°，如果“金星快车”只用1副高增益天线与地球进行通信，就无法保证其冷面永久地处于阴影区。所以在“金星快车”上增加了1副高增益天线，当探测器飞行到接近下合点（离地球最近）的部分轨道时，由这副天线进行通信。

3）科学任务不同。由于“金星快车”和“火星快车”的探测任务不同，所以它们两者装载的仪器也有所不同。“金星快车”安装了由“罗塞塔”上继承而来的仪器（包括磁强计、金星无线电科学实验仪和紫外/可见/近红外绘图光谱仪）和由“火星快车”上继承而来的仪器（金星监测照相机）,而没有使用“火星快车”上的“猎兔犬”（BEAGLE）着陆器和火星地下及电离层高级探测雷达（MARSIS）。

3 “金星快车”的重要发现（2006－2014）

极区大气涡流形变

太阳系中包括地球在内的行星在两极地区都有快速旋转的大气涡流现象，但都保持着近乎相似的形状，没有像金星这样形状如此多变。金星上的大气涡流现象已经发现很多年了，但是“金星快车”上的紫外/可见/近红外绘图光谱仪通过高分辨率红外光谱测量让问题远比想象的复杂。最新的观测结果显示，外廓看起来“s”或者“8”的涡流中心结构很不稳定，基本上不到24h就改变一次形状，这不仅预示着金星复杂的天气，而且表明涡流的中心极有可能与地理极区不重合。

近期是否存在火山活动

此前发射的美国“麦哲伦”（Magellan）探测器上的合成孔径雷达发现了金星上数以千记的火山及喷发形成的平原，这看起来像是金星上的地质活动一直很活跃，但是缺乏直接的证据。“金星快车”从不同角度给出了证明。

金星浓厚的大气和较高的表面温度意味着小规模的温度变化极难测量发现，但“金星快车”上搭载的紫外/可见/近红外绘图光谱仪和金星监测照相机却能担当此任。由于它们能捕获1μm频段的表面热辐射，而金星大气对这个频段的辐射吸收较弱。

其上的紫外/可见/近红外绘图光谱仪通过对热辐射的频谱测量来分析表面热源释放的化学成分，对金星南半球3个热源地区[艾姆德尔（Imdr）、忒弥斯（Themis）和迪翁（Dione）]观测数据显示，岩浆并没有完全风化，推断出火山于数千年或者数万年前有活动。

其上的金星监测照相机在伽尼基（Ganiki）裂谷地区也捕捉到一些短暂、明亮的影像，并且显示的温度比周边高，但这不能肯定是火山喷发或者是有岩浆涌出。

关于火山活动的间接证据来自于火星大气中二氧化硫含量的大幅变化。“金星快车”自2006年进入金星轨道，一直对上层大气的成分进行分析记录。统计结果表明，2006－2014年间上层大气的二氧化硫含量下降明显，有可能是热诱导浮力羽流使火山灰向更高的空间飘浮的结果。

金星的自转正在变慢

通过“麦哲伦”探测器的4年观测，让科学家们将金星的自转周期精确到243.0185个地球日，然而，16年后的“金星快车”却发现金星自转周期平均延长了6.5min。

科学家对1个金星日内发生的短期随机现象进行了研究，发现其并不会对金星的自转周期产生影响。另一方面，科学家通过探测器传回的数据对大气建模显示，大气的变化周期与金星自转速度变化的周期惊人的相似。

这些详细的测量为科学家判断金星到底是液态核心还是固态核心提供了依据。因为如果金星是固态核心，其重心应位于球体中央。在这种情况下，行星的自转受到外力的影响很小，而能影响金星旋转的最重要外力是由浓密大气高速运动产生的。就此推断，金星很大可能拥有一个液态核心。

上层大气的超高速旋转

金星上层大气每4个地球日就能旋转1周，这和金星缓慢的自转速度（金星自转1周需要243个地球日）形成了鲜明的对比。为了探究造成上层大气超高速旋转的原因，“金星快车”在6年时间里跟踪记录了距金星表面70km高度的大气运动数据，结果发现上层大气旋转速度正在变快。

2006年，“金星快车”对在金星赤道南北纬50°环状区域的监测数据显示，风速大概在300km/h，随着时间推移，2013年的数据显示风速以达到400km/h。同时观测数据显示，不同地区风速也不尽相同：低纬度地区大气平均3.9个地球日就能旋转1周，而其他地区大气自转1周则需5.3个地球日。

“金星快车”对金星上层大气长期监测显示的风速变

金星上的降雪现象

金星因其由二氧化碳组成厚厚的大气层和如烤炉一般炙热的地表而著称，然而“金星快车”在5年间收集的观测数据分析发现，距离金星地表大约125km的大气处的温度低达－175℃。尽管金星距离太阳更近，但是这个古怪的冷层比地球大气层的任何部分都更加寒冷。

“金星快车”通过对穿透金星大气层的太阳光分析，得到不同高度的二氧化碳气体分子的密度，然后结合二氧化碳密度的信息与各个高度的大气压数据，计算出相应的气温。

金星上空120km处炙热的亮区和寒冷的暗区的温度曲线图存在很大区别，通过观察明暗界线处的大气，就能得知不同区域产生的影响。由于某些高度的大气温度下降到二氧化碳冻结温度以下，因此那里可能形成了干冰。由小干冰或雪粒子构成的云团应该发生一定程度的反射，因此可能这里看起来会比大气中正常的日光层更亮。在特定高度，暗区可能起着更加重要的作用，但是在其他高度的大气层，亮区可能占据主导作用。该研究还发现，位于明暗界线处的冷层被夹在两个更加温暖的大气层中间。

金星上空臭氧层

“金星快车”上携带的金星大气特性研究分光计，通过利用气体吸收特定波长光的特征，在位于金星表面100km的上空发现臭氧层的存在。这个高度差不多是地球臭氧层高度的4倍，但金星臭氧层的厚度仅为地球臭氧层的1%。金星成为太阳系行星中第3个被发现存在臭氧层的星体。

臭氧是含有3个氧原子组成的分子，它能吸收太阳大量的有害紫外线，是星球生命存在的必要条件。地球上氧气和臭氧的逐渐积累是在大约24亿年前开始的，尽管现在还不能完全找到确切的原因，细菌以废气的形式释放氧气必然起了重要作用。而根据计算机模型，金星中的臭氧是在阳光打破二氧化碳分子释放氧原子时形成的。这些原子在大气中由风横扫到星球的阴面，之后结合形成双原子氧分子，但是有些时候也会组成三原子臭氧分子。

高亮标记“金星快车”在金星上发现的臭氧区域

大气水分流失

“金星快车”携带的磁强计以及空间等离子体和高能原子分析仪，通过长时间的测量发现，金星大气的水分正在快速流失，并且暗区水分流失的速度更快。

据分析，造成大气水分流失的重要原因是金星缺乏产生磁场的内部机制，因此它无法阻挡射来的太阳带电粒子。金星暴露在太阳风所携带高能粒子轰击的环境下，太阳紫外辐射造成水分子中的化学键断裂，使其分解成原子—2个氢原子和1个氧原子，之后这些原子逃溢进入太空。

“金星快车”已测量了氢氧原子的逃溢比率，并证实氢原子的逃溢数量是氧原子的2倍。因此认为这些金星向太空逃溢的原子来源于水分子。同时，在金星大气层顶端还发现一种叫做氘的较重氢原子，这是由于氘这种质量较重的氢原子难以逃离金星的重力束缚。

磁场重联现象

所谓“磁场重联”，是指当太阳风（太阳向外喷射的高速带电粒子流）“刮”向本身有磁场的行星（如地球）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。当这一现象发生时，磁场重联区域的带电粒子被加热、加速，太阳风的部分能量进入地球磁层，从而造成空间天气变化，如地球磁层亚暴、极光等。

太阳风对金星和地球磁场的影响，蓝色的为地球

可以由内部机制产生磁场的行星，如地球、水星、木星和土星，它们的外围会存在一个看不见的磁层。这一磁层意义重大，它会阻挡太阳发出的带电粒子，如电子和质子，使其发生偏移。正是这一特性形成了磁层—一层围绕行星周围的巨大“气泡”，在背离太阳的方向形成一道长长的延伸带，称为“磁尾”。

金星被一层浓厚的大气层包围，并且其并不拥有全球性偶极磁场。然而，此前科学家普遍认为，金星由于本身没有磁场（内禀磁场），不太可能存在磁场重联现象。但“金星快车”的发现，也是最让人意外的一点便是，近期发现金星诱发磁场的磁尾处存在磁场重联现象。

“金星快车”运行在一个近极轨轨道上，这一轨道特性对于某些设备，如磁强计和低能粒子探测器等进行太阳风-电离层-磁尾相互作用机制的探测工作非常理想。在此之前的探测项目，如“先驱者-金星”（Pioneer-Venus），要么由于轨道特性差异，要么由于探测时正处于不同的太阳活动水平上而未能探测到金星的这一重联现象。

2006年5月15日，“金星快车”穿过金星磁尾，在这里它探测到一个持续时间约为3min的转动磁场结构。基于其持续时间和探测器运行速度的计算显示，这一区域的宽度大约为3400km。这一事件发生于距离金星1.5倍半径处，即距离金星大约9000km，科学家们认为这是一个等离子体团。这是一种转瞬即逝的磁场圈层结构，一般发生于行星磁尾发生重联时。

对于“金星快车”数据进行的进一步分析，显示出更多证明金星磁场与磁尾处等离子体之间存在能量交换的证据。数据同样显示，在很多方面，金星磁层就像是一个缩小规模的地球磁场。

地球的情况是，磁场重联现象一般发生在背阳处10～30倍地球半径处的磁尾和等离子体片位置上。由于地球的磁场要强大的多，可以推断金星的磁场重联如果存在，则应当发生在其背阳处1～3倍半径位置。而这正是“金星快车”数据所证实的。