金星探測(cè)——獨(dú)特的深空之旅

張 偉

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

在第一顆人造衛(wèi)星升空后僅16個(gè)月，蘇聯(lián)就了發(fā)射了首個(gè)空間探測(cè)器——月球1號(hào)。人類(lèi)對(duì)宇宙空間的好奇與向往由此可見(jiàn)一斑。時(shí)至今日，人類(lèi)發(fā)射的深空探測(cè)器已超過(guò)200顆，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)系八大行星的不同形式的探測(cè)。1977年發(fā)射的旅行者1號(hào)探測(cè)器已飛離地球約120AU的距離，正處于太陽(yáng)系的邊緣。技術(shù)創(chuàng)新是深空探測(cè)的主要目的之一，深空是近地衛(wèi)星新技術(shù)的試驗(yàn)場(chǎng)。作為距離地球最近的大行星，金星探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，可在驗(yàn)證深空測(cè)控通信、自主導(dǎo)航與控制等深空探測(cè)器共性技術(shù)的同時(shí)，專(zhuān)注于對(duì)熱控和環(huán)境可靠性等個(gè)性關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新，提高探測(cè)任務(wù)的成功率，在我國(guó)深空探測(cè)整體規(guī)劃中起到承前啟后的作用。為此，本文對(duì)金星探測(cè)的意義進(jìn)行了綜述，并提出了一種金星探測(cè)器設(shè)計(jì)方案設(shè)想。

1 深空探測(cè)重要意義

人類(lèi)進(jìn)行深空探測(cè)的重要意義如下。

a）是人類(lèi)航天事業(yè)不懈追求的體現(xiàn)

對(duì)未知領(lǐng)域的探索是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的動(dòng)力。宇宙空間奧秘?zé)o限，人類(lèi)航天活動(dòng)的發(fā)展經(jīng)歷了由近及遠(yuǎn)、由近地到深空、由無(wú)人到載人的漸進(jìn)發(fā)展歷程。

開(kāi)展深空探測(cè)，和平開(kāi)發(fā)利用外層空間是人類(lèi)的共同事業(yè)，符合人類(lèi)的共同利益。發(fā)展深空探測(cè)技術(shù)，和平開(kāi)發(fā)利用太空，既是中國(guó)人民矢志不渝的追求，也是各國(guó)人民的共同愿望。對(duì)人類(lèi)航天事業(yè)來(lái)說(shuō)，深空探測(cè)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也是對(duì)航天技術(shù)不懈追求的一種體現(xiàn)。

探月工程是我國(guó)繼人造地球衛(wèi)星、載人航天之后我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的又一座里程碑，實(shí)現(xiàn)了中華民族的千年奔月夢(mèng)想，開(kāi)啟了中國(guó)人走向深空探索宇宙奧秘的時(shí)代，拉開(kāi)了我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)的序幕。

b）能極大促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步

航天事業(yè)征途漫漫，科技創(chuàng)新永無(wú)止境。深空探測(cè)是當(dāng)今世界航天活動(dòng)的重要領(lǐng)域，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和創(chuàng)新能力的體現(xiàn)，是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的重要內(nèi)容，對(duì)國(guó)家科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。

通過(guò)深空探測(cè)工程的實(shí)施，可突破一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，獲得重大科技創(chuàng)新成果；帶動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)若干領(lǐng)域深入發(fā)展，推動(dòng)信息等工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)眾多技術(shù)學(xué)科的交叉和融合。

c）是培養(yǎng)高科技人才，實(shí)現(xiàn)科教興國(guó)的源動(dòng)力之一

深空探測(cè)對(duì)深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展，推進(jìn)建設(shè)創(chuàng)新性國(guó)家，提升民族自信心和凝聚力，激發(fā)愛(ài)國(guó)熱情，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興有十分重要的意義。深空探測(cè)活動(dòng)的持續(xù)開(kāi)展，可培養(yǎng)造就高素質(zhì)科技人才和管理人才隊(duì)伍，積累和形成中國(guó)特色重大科技工程管理方式和經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展開(kāi)辟更廣闊的領(lǐng)域和空間，對(duì)推進(jìn)我國(guó)航天事業(yè)、建設(shè)先進(jìn)國(guó)防科技工業(yè)具有重大意義。

2 金星是深空探測(cè)的重要目標(biāo)之一

2.1 金星在太陽(yáng)系中的特殊地位

中國(guó)古代將金星稱(chēng)為太白，西方則將其命名為象征愛(ài)與美的女神維納斯。對(duì)地球來(lái)說(shuō)，金星在八大行星中有其特殊性。

2.1.1 太陽(yáng)系中距離地球最近的大行星

金星的平均公轉(zhuǎn)半徑為0.72AU，是八大行星中距離地球最近的一顆，亮度為－3.3～－4.4等。由于公轉(zhuǎn)半徑相近，從地球出發(fā)到達(dá)金星的旅程是八大行星中最短的。以霍曼轉(zhuǎn)移為例，探測(cè)器飛抵金星的航程和時(shí)間分別為5.8AU和6月，飛行距離較火星探測(cè)少1.5AU，時(shí)間則縮短了約4月。由此可見(jiàn)，距離的優(yōu)勢(shì)使金星成為深空探測(cè)的優(yōu)選目標(biāo)之一。

2.1.2 一顆類(lèi)地行星

與水星和火星一樣，金星是一顆類(lèi)地行星，其體積和質(zhì)量與地球十分相近，故又常被稱(chēng)為地球的姊妹星。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，約30億年前金星與地球極為相似，經(jīng)過(guò)星際演化，形成了現(xiàn)在的狀態(tài)，研究金星對(duì)人類(lèi)預(yù)測(cè)地球的未來(lái)有極高的參考價(jià)值。通過(guò)探測(cè)金星，可顯著拓展人類(lèi)的空間視野，加深對(duì)宇宙的理解；通過(guò)金星與地球的比較，能從比較行星學(xué)的角度認(rèn)識(shí)、使用和保護(hù)地球。

2.1.3 一顆地內(nèi)行星

以地球和太陽(yáng)為參照，深空探測(cè)可分為向內(nèi)飛行和向外飛行兩種。金星作為地內(nèi)行星的代表，是眾多地外行星甚至外太陽(yáng)系天體的一個(gè)重要對(duì)照和參考。地內(nèi)行星探測(cè)是人類(lèi)對(duì)整個(gè)太陽(yáng)系認(rèn)識(shí)過(guò)程中不可或缺的重要部分。

2.2 金星探測(cè)的科學(xué)意義

近年來(lái)，地球環(huán)境問(wèn)題正成為國(guó)際社會(huì)的熱點(diǎn)，全球變暖、溫室效應(yīng)給人類(lèi)生存的家園帶來(lái)了威脅，世界氣候組織提出全球范圍采取低碳減排、綠色生活等措施以保護(hù)地球。航天科學(xué)家們也在積極努力，從太陽(yáng)系行星演化和比較行星學(xué)的角度開(kāi)展了研究。通過(guò)研究金星的大氣溫室效應(yīng)、逆向旋轉(zhuǎn)等熱點(diǎn)，開(kāi)拓我國(guó)比較行星學(xué)研究新的領(lǐng)域，對(duì)人類(lèi)更好地認(rèn)識(shí)地球和保護(hù)地球，是一種新的思路。

金星獨(dú)特的環(huán)境為科學(xué)研究提供了很好參照對(duì)象。通過(guò)實(shí)施金星探測(cè)，可近距離獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，解讀人類(lèi)關(guān)心的國(guó)際熱點(diǎn)問(wèn)題。

a）對(duì)地球溫室效應(yīng)發(fā)展的啟示

金星表面被稠密濃厚的大氣層包圍，其表面大氣壓是地球表面的95.6倍，大氣中二氧化碳的含量為96.5%，形成了極端的溫室效應(yīng)，這是導(dǎo)致金星表面溫度增高的主要原因。隨著人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體急劇增加，國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注地球溫室效應(yīng)及其演化。對(duì)金星進(jìn)行探測(cè)，研究金星的大氣，將能對(duì)地球全球溫室效應(yīng)的未來(lái)發(fā)展和走勢(shì)帶來(lái)極大的啟示。

b）金星大氣層及形貌探測(cè)與研究

通過(guò)遙感手段，獲取不同高度的大氣參數(shù)，繪制高度參數(shù)曲線，分析金星大氣的演變過(guò)程，研究金星大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律、演化歷史，為地球氣候科學(xué)家們研究地球大氣科學(xué)提供行星比較學(xué)的參考和比對(duì)數(shù)據(jù)，有助于解讀與分析地球大氣未來(lái)的發(fā)展和現(xiàn)在潛在的危險(xiǎn)。

分析金星表面形貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、火山活動(dòng)，對(duì)金星的起源及類(lèi)地行星的形成過(guò)程進(jìn)行比較研究，為了解太陽(yáng)系的起源和演化提供有力證據(jù)。

c）地球－金星－太陽(yáng)星際環(huán)境探測(cè)

人類(lèi)生存環(huán)境受太陽(yáng)的影響最大。太陽(yáng)活動(dòng)的主要方式是太陽(yáng)爆發(fā)，觀測(cè)和研究太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球空間環(huán)境的影響，不僅是重大的前沿科學(xué)課題，而且是人類(lèi)進(jìn)入空間時(shí)代對(duì)科學(xué)技術(shù)的一個(gè)必然要求。

金星相比地球離太陽(yáng)更近，受太陽(yáng)輻射的影響更直接和強(qiáng)烈，可充分利用地金轉(zhuǎn)移以及環(huán)繞金星飛行的過(guò)程，探測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的信息及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)行星際空間不同位置的影響，獲取太陽(yáng)－金星－地球星際鏈路的太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)傳輸特性參數(shù)，預(yù)報(bào)太陽(yáng)的活動(dòng)。

2.3 金星探測(cè)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的意義

深空探測(cè)能帶動(dòng)多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和多學(xué)科的交叉融合。自主導(dǎo)航與控制、自主管理以及深空通信等深空共性關(guān)鍵技術(shù)，將在火星、小行星、金星探測(cè)器的研制過(guò)程中得到突破并走向成熟。此外，為實(shí)現(xiàn)地內(nèi)行星和地外行星兩種不同的探測(cè)任務(wù)，需要的新技術(shù)也有所不同。地外行星探測(cè)面臨距離遠(yuǎn)、光照弱的問(wèn)題，因此對(duì)推進(jìn)和能源類(lèi)新技術(shù)的需求更強(qiáng)烈；地內(nèi)行星探測(cè)由于飛行方向的不同，探測(cè)器將面臨更復(fù)雜的熱流與空間環(huán)境，對(duì)熱控及可靠性的要求，以及對(duì)推進(jìn)和能源類(lèi)新技術(shù)的需求更為強(qiáng)烈和嚴(yán)格。

綜上，金星探測(cè)不僅可驗(yàn)證深空探測(cè)共性關(guān)鍵技術(shù)，而且能推動(dòng)熱控與可靠性等關(guān)鍵技術(shù)的不斷創(chuàng)新，推動(dòng)航天領(lǐng)域高新技術(shù)的發(fā)展。

a）深空測(cè)控通信技術(shù)

金星位于地球內(nèi)側(cè)，靠近太陽(yáng)，屬內(nèi)行星。與火星探測(cè)相比，金星探測(cè)器與地球之間的通信角度變化較大；與近地衛(wèi)星不同，金星探測(cè)器從發(fā)射升空至進(jìn)入金星環(huán)繞軌道，地金轉(zhuǎn)移飛行需經(jīng)歷5～6月，該過(guò)程探測(cè)器軌道的偏差會(huì)造成捕獲失敗或地面丟失對(duì)探測(cè)器的跟蹤，導(dǎo)致任務(wù)的失敗。因此，在該階段需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行最大程度的跟蹤，生成精密的定軌結(jié)果，完成遙測(cè)接收處理與必要的遙控任務(wù)。

我國(guó)已完全掌握了地球軌道衛(wèi)星的測(cè)控技術(shù)，并通過(guò)中俄聯(lián)合探測(cè)火星工程實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的環(huán)火軌道甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）測(cè)定軌方案及系統(tǒng)的研制與地面驗(yàn)證試驗(yàn)，但長(zhǎng)期地金轉(zhuǎn)移飛行的測(cè)定軌技術(shù)尚未有工程實(shí)踐基礎(chǔ)，且我國(guó)正在建設(shè)的地面深空測(cè)控網(wǎng)絡(luò)目前也無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。地金轉(zhuǎn)移飛行階段的測(cè)控弧段受限，增加了飛行過(guò)程的測(cè)控運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與難度。

目前，近地衛(wèi)星采用的R，E，A測(cè)量元素測(cè)定軌的精度已不能滿(mǎn)足深空探測(cè)器地金轉(zhuǎn)移段導(dǎo)航的需求，需輔以高精度的VLBI測(cè)角信息進(jìn)行聯(lián)合定軌。我國(guó)目前的航天測(cè)控中，對(duì)深空站的R，E，A數(shù)據(jù)和VLBI測(cè)角信息的聯(lián)合定軌以滿(mǎn)足地金轉(zhuǎn)移段測(cè)定軌實(shí)時(shí)性及精度要求尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)。因此，需結(jié)合新建的深空站和地面VLBI系統(tǒng)，研究作為地面測(cè)控合作目標(biāo)的探測(cè)器所需的測(cè)控設(shè)備配置和技術(shù)指標(biāo)要求，突破地金轉(zhuǎn)移過(guò)程高精度測(cè)定軌技術(shù)。

b）深空導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)

金星探測(cè)器從地金轉(zhuǎn)移段進(jìn)入金星影響球后，近金捕獲制動(dòng)是金星探測(cè)任務(wù)成敗的關(guān)鍵。捕獲制動(dòng)期間，地金時(shí)延大，制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。為進(jìn)入繞金軌道，探測(cè)器須減速以便被金星捕獲。如制動(dòng)失敗，將再次飛出金星影響球，如日本的拂曉號(hào)探測(cè)器就因制動(dòng)失敗而飛離金星。

傳統(tǒng)導(dǎo)航方法是基于地面測(cè)量獲得探測(cè)器軌道位置及速度信息，但金星至地球距離為4 000萬(wàn)km～2.6億km，最大時(shí)間雙向延遲大于30min。在這樣的時(shí)延和目前我國(guó)測(cè)控站布局的約束下，為確保探測(cè)器的巡航飛行和捕獲制動(dòng)成功，探測(cè)器須具備高精度的自主導(dǎo)航與控制能力，自主導(dǎo)航能使探測(cè)器不完全依賴(lài)地面支持，探測(cè)器自主地精確確定在慣性空間中的絕對(duì)位置和速度，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的安全捕獲與準(zhǔn)確入軌。

2.4 金星是早期深空探測(cè)的重點(diǎn)

截至2011年9月，人類(lèi)共發(fā)射了41顆金星探測(cè)器，其中20世紀(jì)六七十年代發(fā)射的占78%。火星探測(cè)器共發(fā)射了39顆，其中六七十年代的占61%。由此可見(jiàn)金星是人類(lèi)早期深空活動(dòng)的重點(diǎn)探測(cè)對(duì)象。雖然在90年代金星探測(cè)進(jìn)入了一段平靜期，但世界航天強(qiáng)國(guó)從來(lái)未停止金星探測(cè)的步伐。進(jìn)入21世紀(jì)，美、俄、歐等紛紛公布了各自的金星探測(cè)計(jì)劃。NASA制定旗艦金星探測(cè)任務(wù)，計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)金星取樣返回探測(cè)，俄羅斯制定了金星環(huán)繞與著陸多種方式綜合探測(cè)的Venera－D計(jì)劃等，再次拉開(kāi)了金星探測(cè)的熱潮。

美、蘇在深空探測(cè)初期對(duì)金星的情有獨(dú)鐘主要是因?yàn)榻鹦翘綔y(cè)任務(wù)的工程實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低。我國(guó)的深空探測(cè)剛起步，在向月球以外目標(biāo)的跨越過(guò)程中，應(yīng)充分利用金星的獨(dú)特條件，遵循由近及遠(yuǎn)的探測(cè)規(guī)律，將金星作為太陽(yáng)系探測(cè)中承前啟后的重要一環(huán)，為后續(xù)更深遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)打下基礎(chǔ)。

3 金星探測(cè)的獨(dú)特意義

3.1 金星探測(cè)特有的創(chuàng)新技術(shù)

金星作為地內(nèi)行星的代表，對(duì)其探測(cè)將對(duì)熱控、環(huán)境以及可靠性提出更嚴(yán)苛的要求，而對(duì)推進(jìn)、能源相關(guān)新技術(shù)的需求則相對(duì)較低。可利用金星探測(cè)的此特點(diǎn)，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，在驗(yàn)證通信和導(dǎo)航等共性關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，最大化地推動(dòng)熱控、環(huán)境可靠性等個(gè)性化關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新。

a）復(fù)雜外熱流環(huán)境適應(yīng)及地面驗(yàn)證技術(shù)

在飛往金星過(guò)程中，太陽(yáng)輻射強(qiáng)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，太陽(yáng)輻照常數(shù)變化范圍為1.0～1.9，反照強(qiáng)度為地球的5倍，金星的熱流遠(yuǎn)大于地球，且熱流光譜復(fù)雜。為此，需對(duì)傳統(tǒng)的熱控方法進(jìn)行技術(shù)提高和改進(jìn)。可參考的方法有使用更多的主動(dòng)熱控措施和被動(dòng)控制方法，如布置ORS貼片等。適應(yīng)這種復(fù)雜外熱流的軌道環(huán)境，解決金星探測(cè)器光、機(jī)、電、熱多學(xué)科交叉融合的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，將是我國(guó)航天器領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

同時(shí)，還需建立與之對(duì)應(yīng)的地面試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行地面試驗(yàn)。麥哲倫金星探測(cè)器在發(fā)射前通過(guò)系統(tǒng)性的熱試驗(yàn)對(duì)探測(cè)器熱性能進(jìn)行了驗(yàn)證，但在發(fā)射升空數(shù)月后，溫度還是超過(guò)了預(yù)期值。因此，通過(guò)真空熱試驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保金星探測(cè)器在軌工作在合適的溫度范圍是另一個(gè)技術(shù)難題。

b）金星浮空器技術(shù)

金星浮空器作為地外有大氣行星探測(cè)的重要手段，是一種新型的深空探測(cè)模式，目前國(guó)際上僅美國(guó)和俄羅斯成功掌握了該項(xiàng)技術(shù)。

我國(guó)深空探測(cè)以火星探測(cè)為主，兼顧金星、小行星、木星系統(tǒng)的探測(cè)，這些探測(cè)目標(biāo)中火星、金星、部分木星衛(wèi)星均含有大氣，都可采用浮空探測(cè)的方式。掌握進(jìn)入器技術(shù)將極大豐富未來(lái)我國(guó)深空探測(cè)的手段，增加深空探測(cè)的廣度和深度。

不同目標(biāo)星體的大氣組成、密度及特性各異，浮空、著陸探測(cè)形式也略有不同，但浮空器的總體技術(shù)、系統(tǒng)組成模塊、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)、熱防護(hù)技術(shù)等具有通用性［2］。通過(guò)金星浮空器探測(cè)任務(wù)，可逐步突破有大氣行星進(jìn)入過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，掌握這些技術(shù)對(duì)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)有重要的借鑒意義。

3.2 金星的特殊環(huán)境

雖然是地球的姊妹星，但金星的環(huán)境與地球差別極大，其環(huán)境主要特點(diǎn)如下。

a）度日如年 天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，金星的自轉(zhuǎn)周期243d，公轉(zhuǎn)周期223d，自轉(zhuǎn)速度慢于公轉(zhuǎn)。金星的“1天”等于地球的8月，金星的白晝與黑夜各長(zhǎng)達(dá)4月。科學(xué)家推測(cè)，40億年前，金星自轉(zhuǎn)速度與現(xiàn)在的地球基本相同，隨著“年齡”的增長(zhǎng)，金星仿佛變慢了，演變成“度日如年”的機(jī)理有待進(jìn)一步的科學(xué)探索和研究。

b）西升東落 金星是太陽(yáng)系唯一一顆自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)的行星，在金星上看太陽(yáng)的運(yùn)行，太陽(yáng)自西方升起，從東方落下。

c）大氣超旋 前蘇聯(lián)發(fā)射的Venera金星探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，金星大氣層中最活躍處是對(duì)流層和中間層內(nèi)（0～100km），帶狀風(fēng)在云層頂部最高速度可大于100m／s，在地面及中層大氣頂（100km）的速度又減小為0m／s［2］。2005年ESA發(fā)射的金星快車(chē)探測(cè)器通過(guò)遙感研究了此超旋現(xiàn)象，但仍無(wú)法揭示驅(qū)動(dòng)其的原因。只有將浮空器送至對(duì)流層和中間層才可能揭示金星超旋的本質(zhì)。

d）溫室效應(yīng) 據(jù)推測(cè)，早期的金星有與地球相似的大氣層和地表水。約20億年前，金星大氣層中的氧氣和水逐步逃逸，金星也沒(méi)有了類(lèi)似于地球上的石灰?guī)r和海洋存儲(chǔ)二氧化碳。因此二氧化碳成為大氣層的主要成分。金星被厚厚的大氣層包圍，大氣非常濃密，其中二氧化碳96.5%，氮?dú)?.5%，金星表面永遠(yuǎn)是濃云籠罩下的陰天，見(jiàn)不到明亮的太陽(yáng)。金星與太陽(yáng)的距離較地球近約1／3，入射到金星大氣層頂?shù)墓庹毡鹊厍蚨?倍，但大氣的反照率高達(dá)0.76（地球的反照率僅為0.39），即真正能到達(dá)金星低層大氣的光照少于地球。濃密的二氧化碳帶來(lái)的溫室效應(yīng)使金星表面溫度達(dá)到470℃，而且基本無(wú)晝夜和季節(jié)的差別。

e）火山密布 1989年NASA發(fā)射的麥哲倫號(hào)金星探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，金星上存在大型火山1 600多處，小火山總數(shù)估計(jì)超過(guò)10萬(wàn)，是太陽(yáng)系中擁有火山最多的行星。目前為止，金星上尚未發(fā)現(xiàn)活火山，但仍不排除金星存在活火山的可能性。

3.3 最近距離的行星探測(cè)

金星探測(cè)需要向地球公轉(zhuǎn)軌道的內(nèi)側(cè)飛行距離大于8.7億km（該距離是實(shí)現(xiàn)八大行星探測(cè)中最小的）。相對(duì)近距離的內(nèi)側(cè)飛行顯著降低了探測(cè)任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于光照充足，探測(cè)器的能源可得到保障。推進(jìn)系統(tǒng)主要用于捕獲制動(dòng)，可充分借鑒探月與火星探測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，金星探測(cè)在驗(yàn)證深空通信、導(dǎo)航與控制等共性技術(shù)的同時(shí)，可專(zhuān)注于對(duì)熱控和環(huán)境可靠性等個(gè)性關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證與考核。在降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的前提下，最大化地帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和能力提升。

4 金星探測(cè)方案設(shè)想

4.1 飛行過(guò)程概述

利用我國(guó)的探月工程和中俄聯(lián)合探測(cè)火星工程的地面測(cè)控系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，繼承嫦娥一號(hào)月球衛(wèi)星和螢火一號(hào)火星探測(cè)器等相關(guān)技術(shù)，研制我國(guó)首顆金星探測(cè)器，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

選用我國(guó)現(xiàn)有長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，將金星探測(cè)器送入地球逃逸軌道，利用我國(guó)現(xiàn)有的地面測(cè)控站系統(tǒng)提供探測(cè)器的空間位置與時(shí)間參數(shù)。探測(cè)器由火箭直接送入地金轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)巡航飛行5～6月到達(dá)金星引力場(chǎng)。在近金點(diǎn)附近，探測(cè)器主發(fā)動(dòng)機(jī)工作，制動(dòng)捕獲進(jìn)入預(yù)定金星飛行軌道。綜合考慮金星大氣層高度、大氣密度、軌道測(cè)量精度、探測(cè)器能攜帶的燃料量、載荷的最佳成像分辨率等因素，初步選定近金點(diǎn)高度250km、遠(yuǎn)金點(diǎn)高度8 600km、傾角85°、運(yùn)行周期3.28h的任務(wù)軌道，如圖1所示。

圖1 金星探測(cè)器標(biāo)稱(chēng)任務(wù)軌道Fig.1 Object orbit of Venus probe

4.2 科學(xué)探測(cè)儀器

空間科學(xué)探測(cè)常用的有效載荷有光學(xué)遙感相機(jī)、微波雷達(dá)、就位探測(cè)儀等三大類(lèi)有效載荷。金星表面的大氣密度非常高（見(jiàn)表1），可見(jiàn)光雖無(wú)法穿透其大氣層，但可采用具有穿透功能的微波雷達(dá)探測(cè)金星地形地貌。人類(lèi)已經(jīng)通過(guò)地面和軌道雷達(dá)生成金星表面圖像。同時(shí)，由于金星周?chē)砻芏趸紝拥挠绊懀刹捎镁呒t外遙感功能的儀器探測(cè)金星云層的紅外輻射特征。

表1 金星大氣層高度與成分Tab.1 Venus atmosphere height and component

考慮金星大氣層中1%的酸云層對(duì)微波雷達(dá)的衰減作用，選擇雷達(dá)波段時(shí)應(yīng)盡可能選擇穿透能力強(qiáng)的波段。雷達(dá)的穿透能力實(shí)際表現(xiàn)為金星大氣環(huán)境對(duì)雷達(dá)波的吸收及反射作用的強(qiáng)弱。S，X波段的降雨和云霧衰減見(jiàn)表2。由表可知：頻段越高，大氣層對(duì)雷達(dá)波的衰減就越大。

表2 S，X波段的云霧衰減Tab.2 Say and fog weaken of S and X waveband

按照雷達(dá)波雙程穿越降雨區(qū)和云霧區(qū)的距離為40km計(jì)算，S波段的降雨衰減和云霧均小于0.4dB，而X波段的降雨衰減2dB，云霧衰減大于4dB。比較S，X兩種波段可發(fā)現(xiàn)S波段更利于減少雷達(dá)系統(tǒng)的功率損耗，有效降低系統(tǒng)功耗。

由雷達(dá)方程可知：欲獲得高系統(tǒng)靈敏度，天線增益應(yīng)盡可能高。考慮雷達(dá)波段與天線面積對(duì)天線增益的制約關(guān)系及探測(cè)器平臺(tái)的承載和安裝條件，在波段較低的條件下，支撐的天線不能過(guò)大，以L，S波段為例，更傾向于優(yōu)選S波段。

綜上，雷達(dá)波段選擇對(duì)金星表面形貌探測(cè)非常重要，需綜合考慮金星環(huán)、雷達(dá)探測(cè)指標(biāo)、平臺(tái)適應(yīng)程度，并結(jié)合國(guó)際上已有的探測(cè)先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，可考慮選擇S波段。

4.3 探測(cè)器基本構(gòu)型

相對(duì)地球衛(wèi)星，深空探測(cè)器需攜帶更多的燃料，更大口徑的天線、大尺寸太陽(yáng)帆板，對(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)提出了更高的要求。提高平臺(tái)承載能力，增加能裝載的儀器質(zhì)量，成為深空探測(cè)器構(gòu)型優(yōu)化的主要任務(wù)。

貯箱裝載燃料，貯箱可采用法蘭平鋪或上下疊加通過(guò)承力筒方式，如圖2、3所示。兩種貯箱裝載構(gòu)型各有優(yōu)缺點(diǎn)。考慮擴(kuò)展性，采用表面張力貯箱平鋪方式成為深空探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)的國(guó)際趨勢(shì)。

圖2 燃料貯箱平鋪式構(gòu)型Fig.2 Titled probe configuration

圖3 燃料貯箱上下疊放承力筒式構(gòu)型Fig.3 Stacked probe configuration

為增加飛行過(guò)程中器地通信角度并延長(zhǎng)通信時(shí)間，采用可二維驅(qū)動(dòng)的大口徑輕型柔性可折疊天線。與固定式天線構(gòu)型相比，二維可轉(zhuǎn)式構(gòu)型可在載荷對(duì)金工作的條件下對(duì)地?cái)?shù)傳，增加器地通信時(shí)間。兩種天線構(gòu)型分別如圖4、5所示。

圖4 固定天線式構(gòu)型Fig.4 Fixed antenna configuration

圖5 二維轉(zhuǎn)動(dòng)天線構(gòu)型Fig.5 2－D rotation antenna configuration

為適應(yīng)太陽(yáng)光強(qiáng)的大范圍變化，滿(mǎn)足探測(cè)器用電需要，安裝配備大尺寸太陽(yáng)能電池板。考慮飛行過(guò)程中日器地夾角的變化，可采用一維驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆板對(duì)日定向，確保光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率。

綜合各種因素，金星探測(cè)器采用一體化、集約化設(shè)計(jì)。探測(cè)器主體采用桁架式的傳力方式，4只貯箱安裝于探測(cè)器底端，通過(guò)法蘭與桁架撐桿固定，主要儀器載荷安裝在探測(cè)器的頂端，高增益數(shù)傳天線和進(jìn)入器對(duì)稱(chēng)安裝于探測(cè)器兩側(cè)，太陽(yáng)翼對(duì)稱(chēng)安裝在另外兩側(cè)。桁架式構(gòu)型具有發(fā)射質(zhì)心低、飛行慣量小、結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性強(qiáng)、易于組裝的技術(shù)特點(diǎn)，在美、歐等航天強(qiáng)國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)及后續(xù)規(guī)劃中得到廣泛應(yīng)用，是未來(lái)深空探測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向之一。飛行狀態(tài)構(gòu)型如圖6所示。

圖6 探測(cè)器飛行構(gòu)型Fig.6 Flying probe configuration

5 結(jié)束語(yǔ)

作為我國(guó)2030年前深空探測(cè)總體規(guī)劃探測(cè)的唯一的一顆內(nèi)行星，及時(shí)開(kāi)展金星探測(cè)，對(duì)全面實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證我國(guó)深空探測(cè)新技術(shù)，提升我國(guó)的航天技術(shù)和行星科學(xué)研究水平具有非常重要的意義。

［1］BASILEBSKY A T，IVANOV M A.Landing on Venus：past and future［J］.Planetary and Space Science，2007，55：2097－2112.

［2］BULLOCK M A.The stability of Climate on Venus［D］.Denver：University of Colorado，1997.