美国的金星探测：紧追苏联的第二个玩家

2021-08-21 09:54张晨

太空探索 2021年8期

文/ 张晨

▲ 艺术家笔下的金星表面

“水手1号”/“水手2号”

上世纪50年代末期，美国喷气推进实验室开始论证金星探测计划。最初论证的计划为686 千克的水手A 飞掠探测器和更大的水手B 探测器，后者将携带一个进入舱飞向金星。然而这两个金星探测器都需要当时正在紧张研制中的半人马座低温上面级，而其进度很可能赶不上1962年的发射窗口，最后不得不放弃开始的构想，建造了水手R 探测器，也就是“水手1号”/“水手2号”。

1962年7月22日，宇宙神-阿金纳火箭托举着水手1号探测器升空，然而在起飞后不到5 分钟，火箭就偏离轨道，最后自毁。后来发现问题出在宇宙神火箭的导航系统。

1962年8月22日，第二枚宇宙神-阿金纳火箭发射了水手2号探测器。火箭制导系统的故障被排除，但是一台游动发动机出现了故障。在两个助推发动机分离后，火箭开始加速滚转，导致在一二级分离时火箭姿态出现错误。但阿金纳上面级成功纠正了轨道，将“水手2号”探测器送入了前往金星的轨道。

▲ “水手2号”在厂房测试

▲ “水手2号”探测器

在巡航阶段，“水手2号”可谓是命运多舛。探测器先是姿态发散，随后星上地球敏感器跟丢了地球。又过了两个月，一侧太阳能帆板失效了。推进剂储箱压力异常增加，热控系统故障，遥测通道失效。但是“水手2号”探测器最后顽强地抵达了金星，于1962年12月14日飞掠金星。

“水手2号”探测器携带的微波辐射计对金星进行了18 次扫描，观测到的温度分别为217℃（夜晚），322℃（晨昏线）和238℃（白天）。推断出金星表面温度至少达到425℃。估算下金星表面大气压为2 兆帕，通过飞掠角计算出金星质量为地球的81.485%。

因为热控问题，“水手2号”探测器于1963年1月3日失联。

水手5号

“水手5号”探测器是基于水手C（即“水手3号”/“水手4号”火星探测器）改进的产物。它减小了电池板的面积，并且携带了镀铝聚四氟乙烯隔热板。探测器发射质量仅为244.8 千克。

“水手5号”探测器项目于1965年12月启动，1967年6月14日由宇宙神-阿金纳火箭发射升空，1967年10月19日飞掠了金星。

“水手5号”探测器对金星的质量进行了更精确的测定。探测器检测到金星的电离层和弓形激波。无线电掩星测量结果更加惊人——测量的金星地面压力为7.5 兆帕至10 兆帕，温度为约530℃。

▲ 水手5号

“水手5号”在离开金星后检测了太阳X 射线，随后进行了巡天扫描，1967年12月4日“水手5号”转入休眠，1968年11月5日任务正式中止。

水手10号

“水手10号”探测器其实只是一次路过，借助金星的引力助推前往水星。然而探测器也对金星进行了探测。

1973年11月3日2 时45 分，宇宙神-半人马座火箭将“水手10号”探测器送入了近日点0.7 天文单位、远日点1.11 天文单位的环日轨道。入轨后探测器在20 万千米高度对地球进行了成像。

入轨后，“水手10号”遭遇一系列技术问题。首先是等离子体探测器未探测到太阳风，接下来相机的热控系统出现故障。不过探测器在11月13日顺利完成了第一次修正，1974年1月21日完成第二次修正。

1974年1月28日，“水手10号”的稳定陀螺出现故障，使得计算机误认为探测器姿态发散并且点火调整，消耗了16%的姿态控制推进剂。不久发现问题是由磁强计悬臂导致的振动引起。差不多同一时候，探测器的主配电系统发生了一次诡异的故障，使得能源余量大幅降低。

▲ “水手10号”

▲ 水手10号探测器相机校准拍摄的地球

1974年2月5日16 时50 分，“水手10号”开始对金星成像。在距离金星8000 千米的距离上，“水手10号”总计拍摄4165 张照片，并且两次完整记录了金星大气旋转过程。大气图像记录了“哈德里环流”的经度方向气流。“水手10号”探测到了金星的磁等离子体和巨量的原子氧，进一步证明金星大气层上某个高度存在水蒸汽。

先驱者号金星轨道器/先驱者号金星多器探测器

▲ 先驱者号金星轨道器

▲ 先驱者号金星多器探测器

先驱者号金星计划由先驱者号金星轨道器（先驱者-金星1号，先驱者12号）和先驱者号金星多器探测器（先驱者金星2号，先驱者13号）两个探测器组成。两个先驱者号金星探测器是基于低成本设计的新型金星探测器，是为对金星的大气进行垂直探测而研制。

1978年5月20日，宇宙神-半人马座火箭发射了先驱者号金星轨道器。同年8月8日，先驱者号金星多器探测器也发射升空。

先驱者号金星轨道器是首次使用合成孔径雷达对金星进行测绘的任务，而先驱者号金星多器探测器是对金星大气开展不同环境下垂直探测的任务。两个探测器为了降低成本，尽可能使用了相同的部件，零件通用率达到了78%。发射用的火箭选择了宇宙神-半人马座火箭。

先驱者号金星轨道器使用一台17.8 千牛推力的固体火箭发动机用于进入金星环绕轨道。同时探测器携带了7 台6.5 牛的推力器，加注32千克的肼用于姿控和轨道修正。先驱者号金星轨道器的发射质量为553千克。

先驱者号金星多器探测器则重881千克，携带了一大三小4 个进入器，根据它们进入的不同位置，3 个小进入器被分别称为金星北部探测器、金星阳照区探测器和金星阴影区探测器。主进入器重达316.5 千克，携带了一个3.6米直径的降落伞，而93 千克的小型进入器则没有配备降落伞。

1978年12月4日15 时58 分，先驱者号金星轨道器开始制动点火，航天器进入了一条周期23小时11 分钟的轨道，于1990年10月8日烧毁。

1978年11月20日，先驱者号金星多器探测器主进入器被释放，24日小型进入器也被释放。12月9日18时45 分，主进入器以11.6 千米每秒的高速进入金星大气层，此间承受了超过280g的过载。进入后18 分钟降落伞成功部署，54 分21 秒后进入器触地，数据发送随即停止。其余三个小进入器也先后进入金星大气，随后解体并被烧毁。

麦哲伦号金星轨道器

在金星环绕成像雷达任务取消后，美国喷气推进实验室的工程师决定简化探测器的设计。新的探测器叫做金星雷达测绘探测器（VRM）。只携带了一台合成孔径雷达和一台高度计，可以提供30～50 米的高度分辨率。该探测器大量借用了以往的项目成果，1985年被命名为“麦哲伦号”。

1989年5月5日，“麦哲伦号”金星轨道器在美国肯尼迪航天中心由阿特兰蒂斯号航天飞机携带升空。当航天飞机飞越太平洋上空时，“麦哲伦号”从航天飞机货舱内施放出来，随后惯性上面级和探测器的组合体分离，“麦哲伦号”展开太阳能帆板，再通过惯性上面级的一次点火奔赴金星。

▲ “麦哲伦号”拍摄的金星

▲ “麦哲伦号”拍摄到的金星撞击坑

1989年5月21日，1990年3月13日和1990年7月25日，“麦哲伦号”进行了3 次轨道修正,进入金星轨道。

▲ “麦哲伦号”拍摄的金星全球高程图

8月29日，“麦哲伦号”开始首轨成像。但是就在工程师们庆祝图像前所未有的清晰度的时候，“麦哲伦号”失踪了。14.5小时后，一个微弱的信号被深空网捕获，并且这个信号以2小时的周期缓慢重复，这表明探测器正在自旋。10个小时后，麦哲伦号接到指令，恢复探测器指向。当时工程师判断是一个自检程序出了故障，使得航天器进入安全模式，关闭了所有仪器并且只使用中增益天线和低增益天线通信。几天后这个问题又出现了，喷气推进实验室无法和探测器取得联系，于是决定让深空网盲发指令，8 个小时后探测器终于恢复了控制，9月14日恢复成像。

在所有成像期间，“麦哲伦号”成像范围覆盖了超过98%的金星表面，每一圈轨道产生了超过100 兆比特的数据，是人类有史以来获得的最清晰的金星表面图像。探测器进行了金星表面的重力场和高度测量。合成孔径雷达获得的清晰图像证实金星是一个以火山活动为主的世界。

1994年10月12日10 时02 分，在第15032 圈金星环绕轨道上，“麦哲伦号”与地面失去了联系，2 天内探测器就进入了金星大气层，最后不知道坠落于何处。