[科普中国]-“麦哲伦”号金星探测器

简介

麦哲伦号金星探测器

名称型号：“麦哲伦”号金星探测器

冷战期间，美苏展开太空竞赛，各自发射探测器对金星探测。

此时美国先后发射了10个水手号金星探测器。1962年7月22日发射的第一个水手1号重202千克，带两块太阳能电池板，但因火箭偏离轨道，发射失败。一个月后的8月27日，水手2号发射成功，到12月14日从距金星34800千米处飞过，探测了金星的大气温度，从而揭开了人类探测金星的序幕。1967的6月14日起飞的水手5号，飞到离金星的距离只有4000千米的地方。最后一个水手10号探测器，是1973年11月3日发射的，它重503千克，携带有紫外线分光仪，磁力计，粒子计数器，电视摄像机等。1974年2月5日飞经距金星5760千米的地方，拍摄了几千张金星云层照片。美国水手号系列探测器飞越金星只能算作“走马观花”的考察。

直到1989年5月5日，美国亚特兰蒂斯号航天飞机在美国肯尼迪航天中心，将一个以16世纪葡萄牙航海家麦哲伦命名的探测器带上太空，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，约1小时后，推力达近4万公斤的两级“惯性顶级”火箭将其送上前往金星的轨道。“麦哲伦”号是美国11年来发射的第一个从事星际考察的探测器，也是从航天飞机上发射的第一个担负这种任务的探测器。它经过462天的太空飞行，于1990年8月10日，飞临离地球2.54亿千米的地方对金星考察，“麦哲伦”号探测器进入绕金星飞行的轨道，利用先进的成像雷达系统对金星全球进 行了详细的拍摄，还对金星95%的地区进行了高分辨率的重力测量。整个拍摄和测量过程历时4年，取得了丰硕的科学成果。

1994年10月12日，“麦哲伦”号探测器 进入金星稠密大气层，以试验一种新颖的空气制动技术，并获取金星稠密大气的数据。探测器在进入金星大气后烧毁。这是第一次利用一个行星际探测器进行这种破坏性试验。

考察任务这次“麦哲伦”号探测器主要考察任务是：更多地了解金星的地质情况，如表面构造、电特性等，并加以分析，研究火山和地壳构造以及形成金星表面特性的原因，更多地了解金星的物理学特性，主要是其密度分布和金星内部的力学特性，进一步了解金星表面物理学方面的知识。

“麦哲伦”号探测器此次科学考察要进行几项实验项目：

1．使用高分辨率的雷达，在243天（金星自转一周）的飞行中，对90%的金星表面连续成像；

2．测量金星表面高度的外形，绘制金星全球地形图，其分辨率相当于合成孔径雷达距离鉴别力；

3．确定金星重力场的特性。

工作原理“麦哲伦”号探测器上采用了先进的合成孔径雷达，主要作用是成像，但也进行辐射测量等，其特点是精度高，可以360米以上的分辨率测绘金星，这样高的精度是以往探测金星的航天器所没有的。其扫描宽度25公里，高频增益无线直径为3.7米，该天线的作用是或供合成孔径雷达使用；或用于向地球发送数据。雷达系统重163公斤（无线除外）。该雷达系统由休斯飞机公司制造。此外，探测器上还装有一台测高仪，也使用高分辨率测量金星。此外，探测器上还携带有备用系统，万一出了差错，其备用的合成孔径雷达，低频增益天线以及计算机软件将重新调整并核查探测器系统，为了保证探测器安全可靠，其上还安装了两种星载错误保护系统装置，一种用于针对姿态控制，一种用于针对除姿控外的各种错误。姿控监测系统进行的全系统“健康”检查能查出造成反常现象的原因，并能确定补救方法。其它故障则由“麦哲伦”号指令与数据系统中的计算机软件作个别处理。

构造与功能构造“麦哲伦”号探测器是一个重约5559公斤，采用三轴稳定的航天器。其运行中姿控制所用的电能与动能均由一对太阳能电池帆板和3个陀螺回转的动量轮来提供。从外形上看，探测器的顶部是推进系统，主要是球形固体火箭。中间是多面棱柱体的仪器舱，其表面装有温度控制窗以及扫描器、平衡航等，两个短形的太阳电池能帆板如同两把扇子插在探测器的“腰间”；探测器的底都是大型抛物面形的高低频增益无线。探测器上的电力由二个太阳电池能帆板和二个镍一幅电池组提供，二个太阳能电池帆板田面积总计约12.6平方米，它始终朝向太阳，在航天器对金星探测时，可提供1029瓦的电能。推进系统采用星-48型固体火箭发动机，它可为探测器进入统金星轨道提供动力。星-48型发动机总重约1820公斤，推进剂重约1718公斤，壳体重102公斤，装药比为0.94。为适应不同推力的需要，发动机可以调整装药量及其性能，装药量可以增加15%，推力可达约7000公斤。发动机采用金属外壳，三向编织碳-碳纤维喷管，真空比冲约为292秒。另外，该发动机具有“一机多用”的特性，当它作为航天飞机的“辅助推进舱”时，可将1052公斤重的卫星从倾角28.5度，高度为296公里的初始圆形轨道送入倾角27度、高度为296×35786公里的椭圆形转移轨道，如增加发动机装药，还可把卫星的重量增加到1247公斤。

功能“麦哲伦”号探测器上采用了先进的合成孔径雷达，主要作用是成像，但也进行辐射测量等，其特点是精度高，可以360米以上的分辨率测绘金星，这样高的精度是以往探测金星的航天器所没有的。其扫描宽度25公里，高频增益无线直径为3.7米，该天线的作用是或供合成孔径雷达使用；或用于向地球发送数据。雷达系统重163公斤（无线除外）。该雷达系统由休斯飞机公司制造。此外，探测器上还装有一台测高仪，也使用高分辨率测量金星。此外，探测器上还携带有备用系统，万一出了差错，其备用的合成孔径雷达，低频增益天线以及计算机软件将重新调整并核查探测器系统，为了保证探测器安全可靠，其上还安装了两种星载错误保护系统装置，一种用于针对姿态控制，一种用于针对除姿控外的各种错误。姿控监测系统进行的全系统“健康”检查能查出造成反常现象的原因，并能确定补救方法。其它故障则由“麦哲伦”号指令与数据系统中的计算机软件作个别处理。

科学使命1994年10月12日，被誉为最成功的星际探测飞船“麦哲伦” 号金星探测器在110月12日与地面失去最后的无线电通信联系，在过去的5年5个月时间内一直跟踪这艘无人驾驶宇宙飞船运行的美国科学家为此而在手臂上戴上了黑纱。

美国航空航天局下属的喷气推进实验室随即宣布，“麦哲伦” 号发出的最后信号于格林尼治时间当天10时02分抵达地面，对其进行的无线电监听此后还持续了8个小时。显然是因为探测器上太阳能电池输出电压过低的缘故，无线电电装置已无法维持工作状态。

尽管探测器的实际状况已经无从获知，但根据其飞行轨迹测算出的结果显示，“麦哲伦”号还在飞行，但是高度不断降低。最终将在金星大气压力的作用下分裂成数块碎片，最早于14日落到温度高达摄氏500度的金星表面上。

“麦哲伦”号自1989年5月由航天飞机释放进入太空并于次年8月接近金星以来，已围绕该行星飞行15018周，运用能够透视金垦云层的先进雷达对其百分之九十八的地貌全景进行了测绘，发回的数据在数量上超过此前其他探测器发回数据的总和。

鉴于已经无法把这一耗资8亿多美元的探测器回收到地面上，科学家昨天5次遥控启动“麦哲伦”号的助推发动机，使其从相距金星表面大约135公里的近圆形轨道转入到逐渐落向金星表面的弧形轨道，作最后的航天飞行器械空气动力学实验。

一方面，科学家希望通过测定“麦哲伦”号在遭遇由二氧化碳和硫酸气体构成的金星大气时承受的扭矩大小，确定金星大气二氧化碳层的厚度，帮助研究地球大气二氧化碳含量增加是否也会形成类似金星那样不适于生命形式存在的气候。

另一方面，借助于把“麦哲伦”号上两块5.8米长太阳能电池板由原先的双翼形状变成了双叶螺旋桨形状、进而延缓其下降过程，科学家可望找到一种方法，来延长今后发射的星际探测飞船的飞行时间。

对于失去这样一艘在飞行最后阶段都为人类空间探测事业作出贡献的宇宙飞船，美国航天局的科学家不无惋惜之情。喷气推进实验室的工作人员向新闻界承认，这是一个令人伤感的时刻。不过，伤感之余，他们还为“麦哲伦”号之行的圆满成功感到兴奋。

探测金星被古人称为“太白星”的金星是除太阳月亮之外，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这颗启明星开始的，并在空间探测的早期发射过较多的金星空间探测器。

金星是太阳系九大行星中距地球最近的一颗行星，在地球内侧的轨道上运行。它也是浩瀚星空中最亮的一颗启明星，但是金星总是被浓厚的云层包围着，即使用天文望远镜也很难窥见到它的真面目。金星的外表最像地球，且质量和大小都同地球相近，因此人们一直把它看作是地球的孪生星球。然而，金星在许多方面也与地球迥然不同，它逆向自转，速度很慢，周期为243天，比它绕太阳公转的周期还长18.3天，也就是说金星上的一天比一年还长。由于它上面的大气实在太厚，比地球大气浓密近百倍，而且总是一面朝向地球，另一面要隔200年才能看见一次，所以在20世纪50年代以前谁也不知道它是什么模样。可是当雷达的回波传到地球之后，人们无不为之惊奇：原来在浓密的大气之下，金星是一个表面温度高达480℃的火球；同时，金星上有无数火山不断喷发，加剧了金星大气的对流，形成一年到头的狂风，风力比地球上的台风还要猛烈6倍。面对这样的高温和充满狂风的世界，空间探测器也很难接近它进行考察。

人类对太阳系行星的探测首先是从金星开始的。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，但它们已初步揭开了金星的面纱。

苏联于1961年2月12日发射的金星1号，是第一个飞向金星的探测器。这个探测器重643千克，在距金星9.6万千米处飞过，进入太阳轨道后由于通信中断，没有探测结果。1967年1月12日发射的金星4号，于同年10月18日直接命中金星，测量了大气的温度、压力和化学组成，第一次向地面发回探测数据。1970年8月17日发射的金星7号，首次在金星上软着陆成功。它发回的数据表明，金星表面的大气压强为地球的90倍，温度高达470℃。1975年6月8日和14日先后发射的金星9号和10号，于同年10月22日和25日分别进入不同的金星轨道，并成为环绕金星的第一对卫星。它们探测了金星大气结构和特性，首次发回了电视摄像机拍摄的金星表面图像，从图像中能清晰地看到100米远的景物，在着陆点四周布满直径10米不等的石块。1981年10月30日和11月4日先后上天的金星13号和14号，其着陆舱携带的自动钻探装置深入到金星地表，采集了岩石标本。1983年6月2日和7日发射的金星15号和16号，4个月后用雷达高度计在金星轨道上对金星表面扫描，绘制了北纬30°以北约25%金星表面的地形图。此外，前苏联的维加1号和2号两个金星-哈雷彗星探测器，在1985年6月9日和13日与金星相会，向金星释放了充氦气球和着陆舱，它们携带电视摄像机对金星大气和云层进行了探测，探测了金星的高速大环流，钻探和分析了金星土壤。

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。1967年6月14日发射的水手5号，1973年11月3日发射的水手10号，都先后飞临金星，拍摄发回4000多幅金星照片。1978年5月20日和8月8日又先后发射成功先驱者-金星1号和2号两个金星探测器。先驱者-金星1号于同年12月4日进入金星轨道，成为金星的卫星。它对金星高层大气观测了244天，考察了金星的云层、大气和电离层，研究了金星表面的磁场，探测了金星大气和太阳风之间的作用，测绘了93%的金星表面地形。先驱者-金星2号于同年12月9日飞临金星，考察了金星的云层、大气和磁场。金星上层大气和电离层十分活跃，在金星的云被中不同层次具有明显的物理和化学特征，金星的大气主要成分是二氧化碳，可见云层由硫酸雾组成。因此，金星上降雨时，落下的是硫酸而不是水。

1989年5月4日，阿特兰蒂斯号航天飞机将一个名叫麦哲伦号的金星探测器携带升空，并于第二天把它送入飞往金星的旅程。麦哲伦号探测器重3 365千克，装有一套先进的电视摄像雷达系统，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，其清晰度能胜过迄今所获金星图像的10倍。它经过460多天的太空飞行，于1990年8月10日进入金星轨道，并于8月16日首先用合成孔径雷达对金星表面进行试验性测绘，发回第一张金星照片，该照片显示出金星表面面积为40千米×80千米大的熔岩平原。1990年9月15日麦哲伦号探测器首次获得第一张完整的金星地图，从中发现金星上有巨大的熔岩流、数以千计的裂缝和火山口，还有高耸的山岭、巨大的峡谷、陨石坑、沙丘和活火山等。麦哲伦号的探测表明，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。