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個月，蘇聯(lián)就了發(fā)射了首個空間探測器——月球1號。人類對宇宙空間的好奇與向往由此可見一斑。時至今日，人類發(fā)射的深空探測器已超過200顆，實現(xiàn)了對太陽系八大行星的不同形式的探測。1977年發(fā)射的旅行者1號探測器已飛離地球約120AU的距離，正處于太陽系的邊緣。技術創(chuàng)新是深空探測的主要目的之一，深空是近地衛(wèi)星新技術的試驗場。作為距離地球最近的大行星，金星探測的風險相對較低，可在驗證深空測控通信、自主導航與控制等深空探測器共性技術的同時，專注于對熱控和環(huán)境可靠性等個性關鍵技術的突破與創(chuàng)新，提高探測任務的成功率，在我國深空探測整體規(guī)劃中起到承前啟后的作用。為此，本文對金星探測的意義進行了綜述，并提出了一種金星探測器設計方案設想。

1 深空探測重要意義

人類進行深空探測的重要意義如下。

a）是人類航天事業(yè)不懈追求的體現(xiàn)

對未知領域的探索是人類社會發(fā)展進步的動力。宇宙空間奧秘無限，人類航天活動的發(fā)展經歷了由近及遠、由近地到深空、由無人到載人的漸進發(fā)展歷程。

開展深空探測，和平開發(fā)利用外層空間是人類的共同事業(yè)，符合人類的共同利益。發(fā)展深空探測技術，和平開發(fā)利用太空，既是中國人民矢志不渝的追求，也是各國人民的共同愿望。對人類航天事業(yè)來說，深空探測是一項極具挑戰(zhàn)性的任務，也是對航天技術不懈追求的一種體現(xiàn)。

探月工程是我國繼人造地球衛(wèi)星、載人航天之后我國航天事業(yè)發(fā)展的又一座里程碑，實現(xiàn)了中華民族的千年奔月夢想，開啟了中國人走向深空探索宇宙奧秘的時代，拉開了我國深空探測活動的序幕。

b）能極大促進技術創(chuàng)新和進步

航天事業(yè)征途漫漫，科技創(chuàng)新永無止境。深空探測是當今世界航天活動的重要領域，是一個國家綜合國力和創(chuàng)新能力的體現(xiàn)，是建設創(chuàng)新型國家的重要內容，對國家科技進步、經濟建設、社會發(fā)展具有十分重要的意義。

通過深空探測工程的實施，可突破一批具有自主知識產權的核心技術和關鍵技術，獲得重大科技創(chuàng)新成果；帶動我國基礎科學和應用科學若干領域深入發(fā)展，推動信息等工業(yè)技術進步，促進眾多技術學科的交叉和融合。

c）是培養(yǎng)高科技人才，實現(xiàn)科教興國的源動力之一

深空探測對深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，推動經濟社會又好又快發(fā)展，推進建設創(chuàng)新性國家，提升民族自信心和凝聚力，激發(fā)愛國熱情，實現(xiàn)中華民族偉大復興有十分重要的意義。深空探測活動的持續(xù)開展，可培養(yǎng)造就高素質科技人才和管理人才隊伍，積累和形成中國特色重大科技工程管理方式和經驗，為我國航天事業(yè)發(fā)展開辟更廣闊的領域和空間，對推進我國航天事業(yè)、建設先進國防科技工業(yè)具有重大意義。

2 金星是深空探測的重要目標之一

2.1 金星在太陽系中的特殊地位

中國古代將金星稱為太白，西方則將其命名為象征愛與美的女神維納斯。對地球來說，金星在八大行星中有其特殊性。

2.1.1 太陽系中距離地球最近的大行星

金星的平均公轉半徑為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。由于公轉半徑相近，從地球出發(fā)到達金星的旅程是八大行星中最短的。以霍曼轉移為例，探測器飛抵金星的航程和時間分別為5.8AU和6月，飛行距離較火星探測少1.5AU，時間則縮短了約4月。由此可見，距離的優(yōu)勢使金星成為深空探測的優(yōu)選目標之一。

2.1.2 一顆類地行星

與水星和火星一樣，金星是一顆類地行星，其體積和質量與地球十分相近，故又常被稱為地球的姊妹星。科學研究發(fā)現(xiàn)，約30億年前金星與地球極為相似，經過星際演化，形成了現(xiàn)在的狀態(tài)，研究金星對人類預測地球的未來有極高的參考價值。通過探測金星，可顯著拓展人類的空間視野，加深對宇宙的理解；通過金星與地球的比較，能從比較行星學的角度認識、使用和保護地球。

2.1.3 一顆地內行星

以地球和太陽為參照，深空探測可分為向內飛行和向外飛行兩種。金星作為地內行星的代表，是眾多地外行星甚至外太陽系天體的一個重要對照和參考。地內行星探測是人類對整個太陽系認識過程中不可或缺的重要部分。

2.2 金星探測的科學意義

近年來，地球環(huán)境問題正成為國際社會的熱點，全球變暖、溫室效應給人類生存的家園帶來了威脅，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地球。航天科學家們也在積極努力，從太陽系行星演化和比較行星學的角度開展了研究。通過研究金星的大氣溫室效應、逆向旋轉等熱點，開拓我國比較行星學研究新的領域，對人類更好地認識地球和保護地球，是一種新的思路。

金星獨特的環(huán)境為科學研究提供了很好參照對象。通過實施金星探測，可近距離獲取科學數據，解讀人類關心的國際熱點問題。

a）對地球溫室效應發(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，這是導致金星表面溫度增高的主要原因。隨著人類活動產生的溫室氣體急劇增加，國際社會高度關注地球溫室效應及其演化。對金星進行探測，研究金星的大氣，將能對地球全球溫室效應的未來發(fā)展和走勢帶來極大的啟示。

b）金星大氣層及形貌探測與研究

通過遙感手段，獲取不同高度的大氣參數，繪制高度參數曲線，分析金星大氣的演變過程，研究金星大氣運動規(guī)律、演化歷史，為地球氣候科學家們研究地球大氣科學提供行星比較學的參考和比對數據，有助于解讀與分析地球大氣未來的發(fā)展和現(xiàn)在潛在的危險。

分析金星表面形貌、地質結構、火山活動，對金星的起源及類地行星的形成過程進行比較研究，為了解太陽系的起源和演化提供有力證據。

c）地球－金星－太陽星際環(huán)境探測

人類生存環(huán)境受太陽的影響最大。太陽活動的主要方式是太陽爆發(fā)，觀測和研究太陽爆發(fā)對地球空間環(huán)境的影響，不僅是重大的前沿科學課題，而且是人類進入空間時代對科學技術的一個必然要求。

金星相比地球離太陽更近，受太陽輻射的影響更直接和強烈，可充分利用地金轉移以及環(huán)繞金星飛行的過程，探測太陽活動的信息及太陽活動對行星際空間不同位置的影響，獲取太陽－金星－地球星際鏈路的太陽耀斑和日冕物質的動力學傳輸特性參數，預報太陽的活動。

2.3 金星探測對技術創(chuàng)新的意義

深空探測能帶動多領域的技術創(chuàng)新和多學科的交叉融合。自主導航與控制、自主管理以及深空通信等深空共性關鍵技術，將在火星、小行星、金星探測器的研制過程中得到突破并走向成熟。此外，為實現(xiàn)地內行星和地外行星兩種不同的探測任務，需要的新技術也有所不同。地外行星探測面臨距離遠、光照弱的問題，因此對推進和能源類新技術的需求更強烈；地內行星探測由于飛行方向的不同，探測器將面臨更復雜的熱流與空間環(huán)境，對熱控及可靠性的要求，以及對推進和能源類新技術的需求更為強烈和嚴格。

綜上，金星探測不僅可驗證深空探測共性關鍵技術，而且能推動熱控與可靠性等關鍵技術的不斷創(chuàng)新，推動航天領域高新技術的發(fā)展。

a）深空測控通信技術

金星位于地球內側，靠近太陽，屬內行星。與火星探測相比，金星探測器與地球之間的通信角度變化較大；與近地衛(wèi)星不同，金星探測器從發(fā)射升空至進入金星環(huán)繞軌道，地金轉移飛行需經歷5～6月，該過程探測器軌道的偏差會造成捕獲失敗或地面丟失對探測器的跟蹤，導致任務的失敗。因此，在該階段需對探測器進行最大程度的跟蹤，生成精密的定軌結果，完成遙測接收處理與必要的遙控任務。

我國已完全掌握了地球軌道衛(wèi)星的測控技術，并通過中俄聯(lián)合探測火星工程實現(xiàn)了遠距離的環(huán)火軌道甚長基線干涉（VLBI）測定軌方案及系統(tǒng)的研制與地面驗證試驗，但長期地金轉移飛行的測定軌技術尚未有工程實踐基礎，且我國正在建設的地面深空測控網絡目前也無法實現(xiàn)全球覆蓋。地金轉移飛行階段的測控弧段受限，增加了飛行過程的測控運行風險與難度。

目前，近地衛(wèi)星采用的R，E，A測量元素測定軌的精度已不能滿足深空探測器地金轉移段導航的需求，需輔以高精度的VLBI測角信息進行聯(lián)合定軌。我國目前的航天測控中，對深空站的R，E，A數據和VLBI測角信息的聯(lián)合定軌以滿足地金轉移段測定軌實時性及精度要求尚無經驗。因此，需結合新建的深空站和地面VLBI系統(tǒng)，研究作為地面測控合作目標的探測器所需的測控設備配置和技術指標要求，突破地金轉移過程高精度測定軌技術。

b）深空導航、制導與控制技術

金星探測器從地金轉移段進入金星影響球后，近金捕獲制動是金星探測任務成敗的關鍵。捕獲制動期間，地金時延大，制動時間長。為進入繞金軌道，探測器須減速以便被金星捕獲。如制動失敗，將再次飛出金星影響球，如日本的拂曉號探測器就因制動失敗而飛離金星。

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

2.4 金星是早期深空探測的重點

截至2011年9月，人類共發(fā)射了41顆金星探測器，其中20世紀六七十年代發(fā)射的占78%?；鹦翘綔y器共發(fā)射了39顆，其中六七十年代的占61%。由此可見金星是人類早期深空活動的重點探測對象。雖然在90年代金星探測進入了一段平靜期，但世界航天強國從來未停止金星探測的步伐。進入21世紀，美、俄、歐等紛紛公布了各自的金星探測計劃。NASA制定旗艦金星探測任務，計劃在2030年前實現(xiàn)金星取樣返回探測，俄羅斯制定了金星環(huán)繞與著陸多種方式綜合探測的Venera－D計劃等，再次拉開了金星探測的熱潮。

美、蘇在深空探測初期對金星的情有獨鐘主要是因為金星探測任務的工程實現(xiàn)難度相對較低。我國的深空探測剛起步，在向月球以外目標的跨越過程中，應充分利用金星的獨特條件，遵循由近及遠的探測規(guī)律，將金星作為太陽系探測中承前啟后的重要一環(huán)，為后續(xù)更深遠的深空探測任務打下基礎。

3 金星探測的獨特意義

3.1 金星探測特有的創(chuàng)新技術

金星作為地內行星的代表，對其探測將對熱控、環(huán)境以及可靠性提出更嚴苛的要求，而對推進、能源相關新技術的需求則相對較低。可利用金星探測的此特點，降低任務風險，在驗證通信和導航等共性關鍵技術的同時，最大化地推動熱控、環(huán)境可靠性等個性化關鍵技術的創(chuàng)新。

a）復雜外熱流環(huán)境適應及地面驗證技術

在飛往金星過程中，太陽輻射強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，太陽輻照常數變化范圍為1.0～1.9，反照強度為地球的5倍，金星的熱流遠大于地球，且熱流光譜復雜。為此，需對傳統(tǒng)的熱控方法進行技術提高和改進?？蓞⒖嫉姆椒ㄓ惺褂酶嗟闹鲃訜峥卮胧┖捅粍涌刂品椒ǎ绮贾肙RS貼片等。適應這種復雜外熱流的軌道環(huán)境，解決金星探測器光、機、電、熱多學科交叉融合的一體化設計技術，將是我國航天器領域的一個技術創(chuàng)新點。

同時，還需建立與之對應的地面試驗系統(tǒng)，進行地面試驗。麥哲倫金星探測器在發(fā)射前通過系統(tǒng)性的熱試驗對探測器熱性能進行了驗證，但在發(fā)射升空數月后，溫度還是超過了預期值。因此，通過真空熱試驗進行準確、有效的試驗驗證，以確保金星探測器在軌工作在合適的溫度范圍是另一個技術難題。

b）金星浮空器技術

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

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

不同目標星體的大氣組成、密度及特性各異，浮空、著陸探測形式也略有不同，但浮空器的總體技術、系統(tǒng)組成模塊、氣動外形設計技術、熱防護技術等具有通用性［2］。通過金星浮空器探測任務，可逐步突破有大氣行星進入過程中的關鍵技術，掌握這些技術對后續(xù)深空探測任務有重要的借鑒意義。

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)境主要特點如下。

a）度日如年 天文觀測發(fā)現(xiàn)，金星的自轉周期243d，公轉周期223d，自轉速度慢于公轉。金星的“1天”等于地球的8月，金星的白晝與黑夜各長達4月?？茖W家推測，40億年前，金星自轉速度與現(xiàn)在的地球基本相同，隨著“年齡”的增長，金星仿佛變慢了，演變成“度日如年”的機理有待進一步的科學探索和研究。

b）西升東落 金星是太陽系唯一一顆自西向東轉動的行星，在金星上看太陽的運行，太陽自西方升起，從東方落下。

c）大氣超旋 前蘇聯(lián)發(fā)射的Venera金星探測器發(fā)現(xiàn)，金星大氣層中最活躍處是對流層和中間層內（0～100km），帶狀風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)射的金星快車探測器通過遙感研究了此超旋現(xiàn)象，但仍無法揭示驅動其的原因。只有將浮空器送至對流層和中間層才可能揭示金星超旋的本質。

d）溫室效應 據推測，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，金星也沒有了類似于地球上的石灰?guī)r和海洋存儲二氧化碳。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%，氮氣3.5%，金星表面永遠是濃云籠罩下的陰天，見不到明亮的太陽。金星與太陽的距離較地球近約1／3，入射到金星大氣層頂的光照比地球多1倍，但大氣的反照率高達0.76（地球的反照率僅為0.39），即真正能到達金星低層大氣的光照少于地球。濃密的二氧化碳帶來的溫室效應使金星表面溫度達到470℃，而且基本無晝夜和季節(jié)的差別。

e）火山密布 1989年NASA發(fā)射的麥哲倫號金星探測器發(fā)現(xiàn)，金星上存在大型火山1 600多處，小火山總數估計超過10萬，是太陽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

金星探測需要向地球公轉軌道的內側飛行距離大于8.7億km（該距離是實現(xiàn)八大行星探測中最小的）。相對近距離的內側飛行顯著降低了探測任務的風險，同時由于光照充足，探測器的能源可得到保障。推進系統(tǒng)主要用于捕獲制動，可充分借鑒探月與火星探測的技術基礎。因此，金星探測在驗證深空通信、導航與控制等共性技術的同時，可專注于對熱控和環(huán)境可靠性等個性關鍵技術的驗證與考核。在降低任務風險的前提下，最大化地帶動技術創(chuàng)新和能力提升。

4 金星探測方案設想

4.1 飛行過程概述

利用我國的探月工程和中俄聯(lián)合探測火星工程的地面測控系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)，繼承嫦娥一號月球衛(wèi)星和螢火一號火星探測器等相關技術，研制我國首顆金星探測器，并對關鍵技術進行攻關。

選用我國現(xiàn)有長征三號乙運載火箭，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，將金星探測器送入地球逃逸軌道，利用我國現(xiàn)有的地面測控站系統(tǒng)提供探測器的空間位置與時間參數。探測器由火箭直接送入地金轉移軌道，經巡航飛行5～6月到達金星引力場。在近金點附近，探測器主發(fā)動機工作，制動捕獲進入預定金星飛行軌道。綜合考慮金星大氣層高度、大氣密度、軌道測量精度、探測器能攜帶的燃料量、載荷的最佳成像分辨率等因素，初步選定近金點高度250km、遠金點高度8 600km、傾角85°、運行周期3.28h的任務軌道，如圖1所示。

圖1 金星探測器標稱任務軌道Fig.1 Object orbit of Venus probe

4.2 科學探測儀器

空間科學探測常用的有效載荷有光學遙感相機、微波雷達、就位探測儀等三大類有效載荷。金星表面的大氣密度非常高（見表1），可見光雖無法穿透其大氣層，但可采用具有穿透功能的微波雷達探測金星地形地貌。人類已經通過地面和軌道雷達生成金星表面圖像。同時，由于金星周圍稠密二氧化碳層的影響，可采用具紅外遙感功能的儀器探測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%的酸云層對微波雷達的衰減作用，選擇雷達波段時應盡可能選擇穿透能力強的波段。雷達的穿透能力實際表現(xiàn)為金星大氣環(huán)境對雷達波的吸收及反射作用的強弱。S，X波段的降雨和云霧衰減見表2。由表可知：頻段越高，大氣層對雷達波的衰減就越大。

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

按照雷達波雙程穿越降雨區(qū)和云霧區(qū)的距離為40km計算，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系統(tǒng)的功率損耗，有效降低系統(tǒng)功耗。

由雷達方程可知：欲獲得高系統(tǒng)靈敏度，天線增益應盡可能高?？紤]雷達波段與天線面積對天線增益的制約關系及探測器平臺的承載和安裝條件，在波段較低的條件下，支撐的天線不能過大，以L，S波段為例，更傾向于優(yōu)選S波段。

綜上，雷達波段選擇對金星表面形貌探測非常重要，需綜合考慮金星環(huán)、雷達探測指標、平臺適應程度，并結合國際上已有的探測先驗經驗進行確定，可考慮選擇S波段。

4.3 探測器基本構型

相對地球衛(wèi)星，深空探測器需攜帶更多的燃料，更大口徑的天線、大尺寸太陽帆板，對構型設計提出了更高的要求。提高平臺承載能力，增加能裝載的儀器質量，成為深空探測器構型優(yōu)化的主要任務。

貯箱裝載燃料，貯箱可采用法蘭平鋪或上下疊加通過承力筒方式，如圖2、3所示。兩種貯箱裝載構型各有優(yōu)缺點。考慮擴展性，采用表面張力貯箱平鋪方式成為深空探測器構型設計的國際趨勢。

圖2 燃料貯箱平鋪式構型Fig.2 Titled probe configuration

圖3 燃料貯箱上下疊放承力筒式構型Fig.3 Stacked probe configuration

為增加飛行過程中器地通信角度并延長通信時間，采用可二維驅動的大口徑輕型柔性可折疊天線。與固定式天線構型相比，二維可轉式構型可在載荷對金工作的條件下對地數傳，增加器地通信時間。兩種天線構型分別如圖4、5所示。

圖4 固定天線式構型Fig.4 Fixed antenna configuration

圖5 二維轉動天線構型Fig.5 2－D rotation antenna configuration

為適應太陽光強的大范圍變化，滿足探測器用電需要，安裝配備大尺寸太陽能電池板。考慮飛行過程中日器地夾角的變化，可采用一維驅動裝置實現(xiàn)太陽帆板對日定向，確保光電轉換系統(tǒng)的效率。

綜合各種因素，金星探測器采用一體化、集約化設計。探測器主體采用桁架式的傳力方式，4只貯箱安裝于探測器底端，通過法蘭與桁架撐桿固定，主要儀器載荷安裝在探測器的頂端，高增益數傳天線和進入器對稱安裝于探測器兩側，太陽翼對稱安裝在另外兩側。桁架式構型具有發(fā)射質心低、飛行慣量小、結構擴展性強、易于組裝的技術特點，在美、歐等航天強國的深空探測任務及后續(xù)規(guī)劃中得到廣泛應用，是未來深空探測技術發(fā)展的方向之一。飛行狀態(tài)構型如圖6所示。

圖6 探測器飛行構型Fig.6 Flying probe configuration

5 結束語

作為我國2030年前深空探測總體規(guī)劃探測的唯一的一顆內行星，及時開展金星探測，對全面實現(xiàn)與驗證我國深空探測新技術，提升我國的航天技術和行星科學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.