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    金星快車探測器

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    “金星快車”是在“火星快車”和“羅賽塔”探測器的基礎上耗時4年開發而成,造價3億歐元。2005年11月9日,歐洲“金星快車”探測器搭乘俄羅斯“聯盟”運載火箭于莫斯科時間6時33分(北京時間11時33分)從哈薩克斯坦境內的拜科努爾發射場升空,前往金星探秘。“金星快車”探測器于2006年4月份進入金星極地軌道,每24小時圍繞金星飛行一圈,對金星進行為期486天的探測。

     

    1簡介

    金星快車探測器重1270公斤,長寬高各為1.5米、1.8米和1.4米。探測器上面搭載了7種科學儀器,可以對金星大氣、離子環境及其與太陽風的相互作用等進行測量。

     

    據歐洲空間局介紹,“金星快車”離開發射臺后,將用153天時間飛越4000萬公里,于2006年4月11日到達金星軌道。隨后,飛船將在金星軌道上停留2個金星日,即486個地球日展開探測。屆時,“金星快車”將圍繞金星運行,探測金星上鮮為人知而又恐怖的氣候。在這個過程中,它將掃描金星上空的云層、深入到大氣層里探測,完成兩大任務,一為研究金星表面復雜的空氣動力學和化學成分,借以了解其表面的大氣特點;二為研究太陽風對金星表面空氣是否有影響,借以理解行星的發展進化。如果能量足夠的話,“金星快車”的工作時間還將延長。[2]

     

    2研發背景

    2001年3月,歐空局開始征集“火星快車”探測器設計的建議。該局提出的要求極為苛刻。由于要利用“火星快車”的設計及其研發團隊,故所提出的任務必須在很短的時間內就付諸實施。要求的發射時間是2005年。在收到的各種方案中,歐空局最終選擇了“金星快車”,主要原因在于該方案能用上歐空局為“火星快車”和“羅塞塔”探測任務研制的多種備份儀器來實現其科學目標,對金星大氣進行詳細研究。

     

    金星是離地球最近的行星,離地球的最近距離只有火星的一半。從尺寸和質量上說,金星與地球頗為相像,但其演化方式卻與地球大相徑庭。它的表面溫度比微波爐內的溫度還高,大氣則由會令人窒息的有毒氣體組成。“金星快車”將對這一大氣進行有特色的研究。前蘇聯/俄羅斯和美國以往都曾向金星發射過探測器。“金星快車”將是第一顆對金星大氣及等離子環境進行全球性研究的空間探測器。[3]

     

    3設計方案

    “金星快車”探測器星體的設計目標是滿足探測器的任務要求,同時廣泛利用“火星快車”的設計,以降低成本和研制風險。因此,“金星快車”與“火星快車”在以下幾個方面有相似之處:

     

    ·系統方案:體裝式儀器,固定通信天線,帶單自由度定向機構的兩個太陽陣。

    ·結構設計:只進行了小的局部改動,以適應改動后的儀器有效載荷。

    ·推進分系統:提高燃料加注量,以滿足更苛刻的速度增量要求。

    ·宇航電子設備:做了有限的改動,以適應新的任務剖面。

    ·運行方案:在特定軌道段進行金星觀測,而在其它時間則進行對地通信和蓄電池充電;觀測和對地通信與充電交替進行。

    不過,與“火星快車”相比,“金星快車”探測任務還是有其自身的特點,所以星體設計需有所改動,主要體現在溫控、通信和電力這幾個方面。這些不同之處包括:

    ·科學任務:必須裝納新增或有改動的儀器(“磁強計”(MAG)、“金星射電科學實驗儀”(Vera)、“可見光與紅外熱成像光譜儀”(VIRTIS)和“金星監測相機”(VMC)),而“火星快車”上的兩臺重要儀器(“獵兔犬”著陸器和“火星亞表面與電離層探測先進雷達”(MARSIS))則被取消。

    ·與太陽的距離:金星距太陽0.72個天文單位,而火星為1.5個天文單位。由于更靠近太陽,“金星快車”探測器所受的輻射熱要4倍于“火星快車”,所處的電離輻射環境更惡劣,陽光對太陽能帆板的照射也更強烈。

    ·行星布局:在火星軌道上,地球方向總處于太陽方向±40度的范圍內,這有助于在對地通信期間使探測器的冷面遠離太陽照射。而金星是一顆內行星,圍繞它運行的探測器享受不到這種實惠。

    ·與地球的距離:金星與地球的最大距離為1.7個天文單位,小于火星(2.7個天文單位)。

    ·引力:金星的引力大于火星(分別是地球引力的90%和38%),因此入軌所需的速度變量更大,要求探測器裝載更多的推進劑。這還間接地導致“金星快車”的軌道周期更長(約24小時,而“火星快車”為7小時)和近心點速度更高(約9公里/秒,而“火星快車”為4公里/秒)。

     

     

    “金星快車”探測器有7個分系統,即結構、溫控、電源、推進、姿態與軌道控制、通信和數據管理分系統。

    “金星快車”的星體大致呈方形,尺寸為1.65米×1.7米×1.4米,總體構型為核心結構加外圍結構。星體被核心結構的隔板分割成6個隔艙。各有效載荷裝置依其主要需求來安置。對溫控和/或指向性能有苛刻要求的有效載荷(“行星傅里葉光譜儀”(PFS)、“金星大氣特征研究分光計”(SPI-CAV)和“可見光與紅外熱成像光譜儀”(VIRTIS))集中放置于—X軸向隔艙內,靠近探測器—X軸冷面和姿態與軌道控制系統基準單元(慣性測量裝置和星跟蹤器)。MAG磁強計的傳感器和可伸縮支桿裝在星體外部頂板上。“空間等離子體與高能原子分析儀”(ASPERA)4的傳感器裝在底板和-Y軸側壁上。推進系統的安裝與“火星快車”相同。兩個推進劑貯箱安裝在核心結構的中心部位,主發動機位于底板之下并指向-Z軸方向,而8臺推力器則設在星體的4個底角處。兩個太陽翼安裝在土Y軸的側壁上,可繞Y軸旋轉(接口同“火星快車”)。

    溫控系統

    在任務的各個階段,探測器的溫控系統用于使所有設備都處在容許的溫度范圍內。這些設備分為兩類,即集中控制裝置(由溫控系統統一進行隔熱和加熱)和單獨控制裝置(自備溫控措施(如涂層、加熱器和隔熱件))。“金星快車”的溫控設計采用了被動控制方案,盡量做到與“火星快車”相一致。不過,考慮到金星是一顆內行星,且溫度更高,還是進行了一些系統和設計上的改動。

    電源系統

    “金星快車”的電源系統設計要能滿足該行星際探測器的任務要求。由于無法由地面進行實時控制,電源系統要做到高度自主。該系統還要能應對多變的環境,特別是太陽能帆板上陽光照射強度的大幅度變化。

    探測器上對稱安裝有兩個太陽能電池陣,每個由兩塊帆板組成,總面積5.7平方米,采用三結砷化鎵電池。太陽陣在發射過程中被疊放起來,由4個壓緊與釋放機構壓放在探測器側壁上。展開時兩個翼通過爆炸螺栓切割器分別釋放。太陽陣通過單自由度太陽陣驅動機構指向太陽,方向通過太陽捕獲傳感器經姿態與軌道控制系統提供給太陽陣驅動電子裝置的數據來控制。太陽陣在地球附近可產生至少800瓦的功率,在金星軌道上的發電功率為1100瓦。在日蝕期或當探測器用電需求超出太陽陣供電能力時,可由3組24安時的鋰離子電池供電。

    推進系統

    “金星快車”的推進系統與“火星快車”所用的雙元推進劑系統相同,但加注了更多的推進劑(約530公斤,而“火星快車”約為430公斤)。推進劑為四氧化二氮和單甲基肼,供分四組安裝的8臺推力器和主發動機使用。主發動機推力為415牛,推力器單臺推力為10牛。

    姿軌控系統

    “金星快車”采用了固定安裝的高增益通信天線和只有一臺主發動機的推進系統配置,從而要求它有高度的姿態機動能力。當從天底指向觀測軌道段轉向對地通信階段,或要取得進行其它科學觀測所需的特定姿態,或要通過選擇最適宜的姿態來優化反作用輪卸載操作時,都需要進行姿態機動。探測器的姿態測量采用星跟蹤器和陀螺儀來進行,能保證在幾乎任何姿態下都有數據可用。姿態測量受到的主要限制是星跟蹤器在太陽或金星處于或靠近其視場時無法提供數據。反作用輪用于幾乎所有的姿態機動,具有靈活性和精確性.并可降低燃料消耗。輪的角動量由地面根據需要通過去飽和機動來管理。

    姿態與軌道控制系統的傳感器包括兩臺星跟蹤器、兩臺慣性測量裝置和兩臺太陽捕獲敏感器。每臺星跟蹤器都有一個16.4度的圓視場,能利用星等為5.5或更高的恒星進行測量。每臺慣性測量裝置使用3個環形激光陀螺和3臺加速度計。太陽捕獲敏感器用于在太陽捕獲模式下或在姿態捕獲或重新捕獲過程中為探測器定向。

    姿軌控系統采用由4個斜置反作用輪組成的反作用輪組合,能利用其中任意三個輪來完成大部分基本飛行動作。該系統控制著推進系統,可利用10牛推力器完成采用反作用輪無法實現的變姿操作或進行小的軌跡修正。主發動機則用于完成大的變軌動作。姿軌控系統還能向太陽陣驅動機構提供控制輸入,以改變太陽陣的指向。

    姿軌控系統針對不同的任務階段(姿態捕獲與重新捕獲、日常科學任務操作和軌道控制)具有幾套工作模式。姿態捕獲與重新捕獲使用兩種模式。首先是太陽捕獲模式,即利用來自太陽捕獲敏感器的數據使探測器的X軸和太陽陣指向太陽。然后是安全/保持模式,即通過建立三軸定向并使高增益天線指向地球來實現捕獲。日常科學任務操作都在正常模式下進行。該模式也用于在飛往金星途中以及在變軌機動前后進行探測器定向所需的變姿操作過程中的巡航定向。

    軌跡修正或軌道控制機動有4種模式:軌道控制模式(OCM)用于采用10牛推力器完成的小的軌跡修正;主發動機推進模式(MEBM)用于采用主發動機完成的軌跡修正;制動模式(BM)是專門為大氣制動階段設計的,只在需通過大氣制動才能進入最終軌道的情況下使用;推力器過渡模式(TTM)用于實現由推力器控制的模式(即OCM和BM模式)與由反作用輪控制的正常模式之間的平穩過渡。

    通信系統

    “金星快車”的通信系統由一臺雙波段轉發器(DBT)、一臺射頻分配單元(RFDU)、兩臺行波管放大器(TWTA)、一臺波導接口單元(WIU)和4部天線組成。雙波段轉發器含兩個雙重收發鏈路,每路均設有X波段發射機、帶5瓦末級放大器的S波段發射機、X波段接收機和S波段接收機。“金星快車”與地面通信時使用能在S波段進行全向收發的兩部低增益天線(LGA)、用于在S和X波段進行高速遙測發送和指令接收的一部雙波段高增益天線(HGA1)以及用于X波段高速遙測發送和指令接收的一部單波段偏置天線(HGA2)。LGA天線與“火星快車”所用的一樣。HGA1天線與“火星快車”的高增益天線類似,但直徑為1.3米,小于“火星快車”的1.6米,原因在于該探測器與地球間的最大距離較小。HGA2天線是“金星快車”上新增的,以在受熱環境限制的條件下滿足探測器的通信需求。探測器能在S波段提供短距離上的上行和下行鏈路全向覆蓋,同時能在金星軌道上在X波段提供高速數據下行鏈路和指令上行鏈路。

    低增益天線將在發射和初期運行階段使用,可覆蓋最初5天的飛行任務。該階段過后,在飛往金星的途中,將借助HGA2天線進行X波段通信。在進入金星軌道過程中,通信將轉到S波段。在各工作模式下,當不用VeRa時,通信將在X波段進行。當金星位于其軌道上合一側且距地球最遠時,將使用HGA1天線。為使探測器冷面指向總是遠離太陽,在金星位于其軌道下合附近(探測器距地球最遠為0.78個天文單位)時,將使用HGA2天線。當使用VeRa時,上行通信可通過HGA1天線在X或S波段進行。VeRa下行通信在S和X波段同時進行,信號由VeRa的超穩振蕩器產生,并通過探測器上的轉發器饋送給HGA1天線。

    接收的射頻上行信號(已通過打包指令調制為NRZ/PSK/PM數據)被發向一雙工器,完成鑒頻,之后再前往雙波段轉發器的輸入端。該轉發器將進行載波獲取和解調,并把萃取的信號送往數據處理系統做進一步處理。S和X波段上傳頻率分別大致為2100兆赫和7166兆赫。“金星快車”可接收7.8125比特/秒、15.625比特/秒、250比特/秒、1000比特/秒和2000比特/秒的數據率。原則上,工作于S波段的低增益天線將采用低數據率,而高數據率則供一部高增益天線在X波段上使用。由于探測器上的儀器會產生大量的數據,探測器要有高速數據下傳能力。但由于探測器遠離地球,使下傳能力受到了限制。向地面站下傳遙測數據可在S或X波段進行。S和X波段下傳頻率分別約為2296兆赫和8419兆赫。下傳采用可由指令控制和可變的數據率。與上行鏈路一樣,原則上,低增益天線將使用低數據率,而高數據率則供一部高增益天線在X波段上使用。

    數據管理系統

    數據管理系統(DMS)負責向整個探測器分發指令、從探測器各系統及有效載荷處收集遙測數據并對收集的數據進行格式編排以及對星體和有效載荷進行全面監控。該系統基于標準的星載數據處理(0BDH)總線結構,并由把控制與數據管理單元(CDMU)處理器與固態大容量存儲器(SSMM)和姿軌控系統接口單元聯系起來的高速串行數據鏈路來增強。借助遠程終端單元(RTU),OBDH總線成為平臺和有效載荷數據獲取及指令分發的數據通道。

    數據管理系統有4個相同的處理器模塊,分置于兩個控制與數據管理單元內。兩個處理器模塊專供數據管理系統使用,另兩個供姿軌控系統使用。數據管理系統選用的處理器模塊充當總線主控器,負責管理平臺的通信、電源和溫控系統。選作姿軌控系統計算機的處理器模塊負責所有的傳感器、作動器、高增益天線和太陽陣驅動電子裝置。

    固態大容量存儲器用于數據存儲,最大容量為12吉比。它與兩臺數據管理系統處理器、傳輸幀發生器(TFG)以及VIRTIS和VMC儀器相連。

    控制與數據管理單元控制地面指令的接收和執行、星務管理及科學和遙測數據的存儲以及存儲數據發送前的格式編排。它還用于進行星上數據管理、控制律處理和星上控制程序的執行。與其它數據處理單元的數據交換使用一冗余OBDH數據總線和IEEE-1355串行鏈路進行。兩個接口單元把這些鏈路同探測器的其它單元聯系起來。姿軌控系統接口單元負責姿軌控系統傳感器、反作用輪、太陽陣驅動裝置及推進傳感器和作動器。遠程終端單元與探測器其它系統和儀器連接。

     

    5實用裝備

    裝備1 :空間等離子體和高能粒子分析器,用于測量太陽風與金星大氣之間的互動。

     

    裝備2 :“金星快車”磁力計。金星表面有一種很奇怪的現象,沒有內部的磁場,表面形成的磁場都是和太陽風作用的結果,磁力計將對此進行研究。

    裝備3 :高分辨率紅外傅立葉變換光譜儀,用于高精度測量金星上空55到100公里處的大氣層溫度,同時尋找是否還存在火山。

    裝備4 :紫外與紅外光譜儀,用于在大氣層中尋找水、硫磺或氧分子的痕跡,并測量80到180公里高度的大氣層密度、溫度。

    裝備5 :金星無線電科學實驗儀,負責地球與飛船之間的無線電連接,調查金星表面的電離層,并測量40到100公里高度的大氣層密度、溫度和氣壓。

    裝備6 :紫外-可見光-紅外成像光譜儀,用于研究40公里低空的大氣組成,并跟蹤云團。

    裝備7 :金星檢測照相機,對金星的總體和局部進行拍照,并配合其它儀器的使用。[5]

     

    6探測活動

    歐洲和美國科學家日前從歐洲航天局“金星快車”探測器傳回的金星地質圖像中發現了一些年代較新的熔巖流痕跡,這為金星上仍有火山活動的觀點提供了新證據。   歐航局日前發表公告說,上述發現表明,金星很可能是除地球外太陽系另一顆地質仍然活躍的行星。科學家說,了解這一常被稱為地球“孿生姐妹”的行星鄰居會幫助人們了解地球自身的演變史。

     

    公告援引參與這項研究的美國航天局噴氣推進實驗室科學家斯姆雷卡爾的話說,科學家目前已經掌握了金星新近發生過火山噴發的“確鑿證據”。

    歐航局表示,“金星快車”攜帶的可見光和近紅外線成像分光計能夠測出金星表面巖石的“亮度”,即所謂的放射率。2008年,科學家曾據此為金星南半球繪制了一幅紅外線放射率變化圖。斯姆雷卡爾和同事對其中的3個區域進行了研究,發現這幾個區域在地質特點上與夏威夷類似,呈現出火山活動的跡象,而且它們的放射率均超過周邊區域。斯姆雷卡爾認為,這表明上述區域受到的侵蝕程度較低,可能是熔巖新近流過所致。

    歐航局行星研究專家約恩赫爾伯特說:“在這些區域表面,凝固熔巖流看上去并沒有怎么受風化。因此,我們可以得出結論,它們僅有不到250萬年的歷史,而且大多數熔巖流存在的時間可能還不到25萬年。從地質學角度來說,這便如同剛剛誕生。”

    赫爾伯特說:“如果進一步分析能證實金星上的確存在火山活動,這勢必影響我們對自己星球的認識。雖然地球和金星在大小和結構上非常相似,但它們的演變史迥異。金星表面溫度有近500攝氏度,對生命來說是地獄,而地球卻生機盎然。或許未來金星能告訴我們,地球何以如此特別。”

    “金星快車”是歐洲首個金星探測器,在這一探測器2006年4月抵達金星軌道之前,人類已經對金星進行了20多次探測活動。其中美國發射的“麥哲倫”號探測器發回的探測數據表明,金星上有幾百座火山。而圍繞金星上火山爆發的問題,科學家們的觀點始終存在分歧:一部分人認為,金星曾經歷過一次大規模的火山爆發,熔巖將整個星球“夷為平地”;另一部分人則認為,金星上不斷有火山噴發,不過每次的規模相對較小。

    2008年,“金星快車”探測器在金星大氣中探測到高濃度二氧化硫氣體。一些科學家推測,這些二氧化硫可能來自金星表面火山近期的噴發。不過也有學者對此表示了懷疑,認為這些二氧化硫也可能是金星表面火山在1000萬年前噴發后的殘留物。[6]

     

     

    -1961年到1983年,前蘇聯發射了15個金星探測器,但只有幾個探測器成功飛越或登陸金星,其中1970年發射的“金星7號”探測器是世界上首個著陸金星表面的探測器,它對金星表面溫度進行了測量;1975年發射的“金星9號”探測器首次向地球發回了金星表面的照片。

    -美國在1962年到1974年間發射了10個“水手”探測器,對金星和火星及其周圍空間進行探測。其中1973年發射的“水手10號”探測器飛越金星時,發回了首批近距離拍攝的金星照片。

    -1978年,美國先后發射了兩個“金星先驅”探測器,第一個探測器進入金星軌道,不斷向地面傳回觀測到的情況;第二個探測器有4個子探測器在金星表面著陸,獲取了一些實地考察的數據。

    -1984年,前蘇聯發射的“金星-哈雷”探測器曾將一個科學探測裝置投放到金星表面,對金星進行了實地探測。

    -1989年,美國向金星發射“麥哲倫”探測器。“麥哲倫”于1990年進入金星軌道后,借助雷達技術對金星表面進行了地形測繪,4年期間拍攝的照片覆蓋了金星表面的98%。

     

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