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2012-10-5

金星登陆史

金星是太阳系中大小和质量最接近地球的行星,也是地球最近的行星邻居。但是它的面貌与地球截然不同,其上硫酸云遍布且温度和气压甚高,因此登陆其上的探测器要面临严峻的考验。

登陆金星的任务主要是由前苏联的金星(包括顺路探访哈雷彗星的维加1号和2号)系列探测器实现的。金星计划始于1961年,最早一批探测器包括于1961年飞掠金星的金星1号,还有因发射失败并未正式被赋予金星序列号的1VA原型机、金星2MV-1、2MV-2等,它们都没能离开地球轨道,其中有相当一部分原因是运载火箭第四级在轨道上屡次爆炸。而金星1号也不能算是成功:它在抵达金星之前失去了与地球的联系。

由于爆炸事件频出,科罗廖夫在1963年重新设计了SL-6运载火箭,并在1964年重新开始了尝试。但是最开始的金星3MV-1与宇宙27号也没有好到哪里去,其中一架没能到达地球停泊轨道,另一架也是毁于运载火箭故障。1965年前苏联4度尝试飞往金星,11月12日发射的金星2号算是小有所成,不过在飞掠金星之后不久准备拍照的时候也丢掉了通信信号;11月16日发射的金星3号也是遭遇了通信中断,所以没能传回任何数据。11月底的另两次发射都以探测金星大气并降落在星球表面为最终目标,但是都没能成功。顺带一提,金星3号的真实身份扑朔迷离,根据塔斯社的报道,它的结构与金星2号相同,只是将照相模块用着陆器替换。一般认为它第一次尝试进入了金星大气,一度人们还认为金星3号是第一架在其他行星上登陆的航天器,但是由于通信中断发生在着陆器与母探测器的分离之前,它究竟是否完成了分离过程都是个问题,登陆一事更要打问号了。又有前苏联科学院院士Leonid Sedov宣称,金星3号的配备与2号一致,它的任务是拍摄金星2号视野不可及的另一个半球。不过现在关于金星3号的资料少得可怜,连照片都找不到一张,其中孰是孰非已无从考证,通常还是以塔斯社的官方说法为准。

接下来登场的是1967年6月发射、同年10月中旬抵达金星的金星4号,它可以算是前苏联第一架成功的深空探测器。吸取金星2号和3号因过度受热导致通信中断的教训,金星4号装备了新式的热量控制系统。由于当时人们并不清楚金星地表的状况,它携带有可以漂浮在液体上的着陆器,着陆器还备有绝热罩和双重降落伞系统,保证可以进行软着陆。金星4号在10月18日以每秒10.7千米的速度进入金星大气,最后借助降落伞减速到了每秒3米。

金星4号探测器(左)及其着陆器(右)。(图片提供:NASA)

起先前苏联宣称,金星4号成功抵达了金星表面,测得气压为20巴,温度为270摄氏度,且周围的大气成分以二氧化碳为主,与先前的光谱分析差异甚大。但是美国的水手5号探测器紧随金星4号之后飞掠金星,它的测量结果表明,金星的表面温度至少达到了430摄氏度,气压可能高达75巴以上,与金星4号的结果有所出入。后来的分析表明,金星4号着陆器最终因电力耗尽与地球失去联系的时候高度计也发生了故障,所以当时的高度存疑,根据水手5号的测量数据,它失去联系时高度可能是在27千米左右。考虑那时探测器的设计者对金星表面的高温高压一无所知,这样的结果也不算坏。在登陆之外,金星4号的母探测器还率先测量了金星的磁场,发现它比行星际磁场强不了多少。

稍候在1969年1月发射、5月抵达的金星5号和6号算是金星4号的升级版。但由于1967年和1969年两个发射窗之间没有足够的时间,两架新探测器只是稍作改进。金星4号的测量结果表明了高温高压大气的存在,金星5号和6号就略略提升了抗压标准,从金星4号的20巴提高到了27巴,同时为了减少暴露在高温大气中的时间,保证在着陆器被摧毁的时候还可以有剩余电力留存,这两架探测器的降落伞面积也有所缩小。两架的着陆器坚持到了气压27巴、温度320摄氏度的地方,其上测量大气组分的仪器证实了金星4号的发现。金星6号最后失去信号的时候与地面的距离只有11千米,距离最终登陆已经很近了。

接下来的发射窗是在19个月之后的1970年夏季,前苏联的研究者在此期间对金星号的结构进行了大幅度改动,以满足水手5号测得的严苛环境的要求。那年8月发射、12月抵达的金星7号第一次成功实现了在登陆其他行星的同时保持通信。为了挺过金星大气中的高温,金星7号的着陆器先与母探测器一道下降,借助母探测器充分致冷,然后借助大气的抖振解锁。着陆器的降落伞起初如期打开,但在半途似乎发生了故障,着陆器是加速撞到金星表面上的。最开始人们猜测所有的仪器都毁于撞击,但后来发现实际上硬着陆后其上部分仪器还是工作了23分钟,只是撞击过程中高增益天线偏离地球,无法传回清晰的信号而已。

金星7号探测器(左)及其着陆器(右),着陆器为左图下方的球体。(图片提供:NASA)

金星7号最终证实,金星大气的97%都是二氧化碳,而且第一次测量了表面温度——475摄氏度,与水手5号的结果吻合。不过着陆期间遥测装置被毁,地表气压是根据降落过程中的测量数据推算而得的,约合90巴。这架探测器的成果证实多于发现,但是着陆本身已经是里程碑式的成就了。

在1972年发射窗升空并抵达金星的金星8号同样是着陆器,进入大气层的方式也类似于金星7号。金星8号在金星昼半球距离昼夜分界线不到500千米的地方成功软着陆,并在此后又坚持了50分钟11秒。在测量大气组分、温度和压强并证实了金星7号的结果之外,金星8号还携带有光度计,下降过程中发现金星上在亮度在地表高度35至30千米的范围内骤减,说明云层中止于此,其下空气相对清澈,亮度与地球上的阴天相当,可以进行拍摄。探测器还发现,金星大气屏蔽了绝大多数高能宇宙线,而着陆点的地表岩石可能由火山岩组成,暗示金星过往温度更高,内部物质已经像地球一样分层。

金星8号顺利完成任务标志着金星计划告一段落。在1973年的发射窗期间,前苏联并没有向金星发射任何东西,而是集中精力开发全新的探测器。在1975年发射窗期间亮相的金星9号和10号与前辈相比就称得上是脱胎换骨了。它们要大得多也重得多,母探测器在释放着陆器之后还要继续在大偏心率轨道上环绕金星运行,一边充当着陆器的通信中继站,一边进行自己的测量。

金星9号探测器(左)及其着陆器(右)。(图片提供:NASA)

金星9号和10号的轨道器携带有高增益天线、从紫外到红外的全套照相机和光谱仪,外加偏振计、磁力计、测绘雷达和低能质子探测器,金星10号又额外配备了半导体计数器、气体放电计数器、切伦科夫探测器以及低能电子探测器。着陆器携带有温度和压力传感器、加速度计、红外和可见光光度计、质谱仪、全景照相机、风速计、能见度计、伽玛射线光谱仪以及光密度等,计为了保证工作时间足够长,还配备了循环液冷系统,进入大气层之前又预先经过了致冷;球形防护罩、盘状阻尼减速系统以及金属减震垫在着陆期间提供了额外的防护。

金星9号的着陆器在贝塔地区的Aikhulu深谷侧壁着陆,着陆点附近存在覆盖着砾石的陡坡;金星10号在距离金星9号2200余千米的地方着陆,发现地表分布着饼状的火山岩,之间散布着风化岩石,但缺乏细碎的沙尘。二者都在金星表面坚持了1小时左右,测量了金星的云层厚度(30至40千米,可分为3层)、云层高度、大气的痕量化学组分(如溴、碘、氢氟酸、盐酸等)、地表温度、亮度、风速(每秒几米)以及岩石组分(以慢冷却玄武岩为主)等。在下降过程中,金星9号和10号还都发现了无线电信号,据信是由闪电产生的。它们还率先拍摄了金星地表的黑白照片,为了防止金星表面亮度不足无法拍照,着陆器自备泛光灯,不过实际拍摄过程虽然用到了光照,但是这并非必需。美中不足的是,由于两架着陆器都发生了镜头盖未能打开的故障,原计划的360度全景拍摄没能实现。与着陆器相比,金星9号和10号的轨道器亮点不多,值得一提的是它们证实了金星夜半球存在辉光,其成因应该与高层大气中的氧分子有关。

金星9号(上)和10号(下)拍摄的金星地表景观。(图片提供:NASA)

在1978年发射的金星11号和12号由于轨道构型不理想,母探测器被迫减重,只能进行金星飞掠,在完成数据中继任务之后即开展额外的行星际研究,因此其载荷也进行了大换血,可见光照相机和光谱仪被换成了极紫外光谱仪、等离子谱仪、各种计数器以及质子望远镜,以监测行星际磁场和太阳风;又携带了前苏联约飞研究所提供的Konus以及法国提供的SNEG两种伽玛暴探测器,在飞掠金星之后共获取了143个伽玛暴的光变曲线并为之编目。两架探测器的着陆器配置与前任基本相同,只是照相机换成了彩色的,又额外增加了土壤分析仪、低频无线电传感器以及太阳能电池等。金星11号和12号的着陆器在金星表面都坚持了将近100分钟,不过由于设计问题,其上的彩色照相机与土壤分析仪都没能正常工作,所以它们没有采集任何的照片,原定的土壤研究也没有进行(根据NASA的说法,有人认为虽然金星11号和12号的照相机出了问题,但还是传回了少量数据,具体细节未见其详)。

除了证实前任探测器的发现,金星11号和12号还测定了云团中的酸滴成分,发现了闪电的证据,在低空发现了一氧化碳,还发现氩36与氩40的比例较地球更高(接近1,地球大气中氩40含量更高)。氩36据信起源于形成太阳系的太阳星云,而氩40是星球内部钾40衰变的结果,因此它们的含量比可以为大气的来源提供线索。金星上较高的氩36含量说明,它的大气成分更为古老,不过行星自身的火山或地质活动也发挥了很大的作用。

在金星9号/10号与金星11号/12号之间,美国的先驱者—金星2号探测器也向金星大气释放了一大三小4架子探测器,大型探测器用于测量大气组分、光照、红外辐射以及颗粒性质,小型探测器用于构建金星风力以及大气传播的模型。不过这4架子探测器的设计目标只是穿过大气,没有考虑对地表进行拍照或者从事岩石土壤分析,分别在北半球高纬度区域、夜半球以及昼半球释放的3架小探测器甚至没有携带降落伞。最后昼半球小探测器在撞击地表之后仍旧传回了信号,持续时间超过1小时。

艺术家笔下的先驱者—金星2号探测器。(图片提供:NASA)

1981年秋发射的金星13号到14号于翌年抵达目标,它们也由着陆器与飞掠金星的母探测器组成,在菲比地区的东缘着陆,下降期间在大气中发现了硫化氢以及羰基硫。金星13号在地表挺过了127分钟,创下了记录,还第一次拍摄了金星地表的彩色照片。两架探测器携带了采样岩石的机械臂,并通过X射线荧光光谱仪分析出了样本的成分——分别是暗色碱性辉长岩以及类似于地球洋中脊成分的拉斑玄武岩。

金星13号拍摄的金星地表彩色照片,后来麦哲伦号探测器的雷达图像即参考上图着色。(图片提供:NASA)

最后两架在金星上着陆的探测器是1985年的维加1号和2号。在着陆器之外,这两架探测器的亮点是释放了探空气球。气球在进入金星大气时是折叠的,在54千米的高度充气,在略略下降并上浮后在此高度稳定下来。这一高度对应金星3层云层中最活跃的一层。它们都在金星大气中随风向西飘过了上万千米,穿过昼夜分界线,工作时间接近2天。气球的探测结果是,金星高层大气中的风力要强于预期,且没有找到闪电等活动的迹象。

维加号探测器携带的探空气球。

由于维加的母探测器要在飞掠金星后与哈雷彗星汇合,对时间要求很高,着陆器必须在金星夜半球着陆,因此它们没有携带照相机。两架着陆器都在阿佛洛狄特台地北侧着陆。由于维加1号下降过程中遭遇乱流,部分仪器被提前启动,其上只有质谱仪返回了有用的结果。维加2号对地表岩石进行了分析,发现其主要成分是在地球上很罕见但是在月球高原区域较多的橄长岩,说明这里的地表应该较为古老,但考虑人们对金星的了解不多,所以也不好下定论。

维加之后,再也没有探测器造访过金星表面。这其中部分原因是雷达技术的进步,人们完全可以在大气之外一窥金星地表的景观;另外也是登陆金星的技术难度,金星地表的高温高压以及强腐蚀大气让探测器难以像在火星上那样工作数月乃至数年,但2小时的探测时间很难获取较多的数据。不过俄罗斯计划重拾金星探测任务,并在2016年发射金星-D号探测器。金星-D的首要任务是像金星15号、16号或麦哲伦号那样对金星进行雷达遥感测量,它也计划携带更坚固的着陆器,至少在金星地表挺过1个半小时。这架新探测器的具体情况还没有公布,其能力如何还拭目以待。

最后是先驱者—金星1号探测器绘制的金星地形图,其上标出了部分探测器的着陆点:

图片提供:NASA

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