标题：金星快车探测器
简介
  金星快车探测器金星快车探测器重1270公斤，长宽高各为1.5米、1.8米和1.4米。探测器上面搭载了7种科学仪器，可以对金星大气、离子环境及其与太阳风的相互作用等进行测量。 [1]
据欧洲空间局介绍，“金星快车”离开发射台后，将用153天时间飞越4000万公里，于2006年4月11日到达金星轨道。随后，飞船将在金星轨道上停留2个金星日，即486个地球日展开探测。届时，“金星快车”将围绕金星运行，探测金星上鲜为人知而又恐怖的气候。在这个过程中，它将扫描金星上空的云层、深入到大气层里探测，完成两大任务，一为研究金星表面复杂的空气动力学和化学成分，借以了解其表面的大气特点；二为研究太阳风对金星表面空气是否有影响，借以理解行星的发展进化。如果能量足够的话，“金星快车”的工作时间还将延长。[2]
研发背景

2001年3月，欧空局开始征集“火星快车”探测器设计的建议。该局提出的要求极为苛刻。由于要利用“火星快车”的设计及其研发团队，故所提出的任务必须在很短的时间内就付诸实施。要求的发射时间是2005年。在收到的各种方案中，欧空局最终选择了“金星快车”，主要原因在于该方案能用上欧空局为“火星快车”和“罗塞塔”探测任务研制的多种备份仪器来实现其科学目标，对金星大气进行详细研究。
金星是离地球最近的行星，离地球的最近距离只有火星的一半。从尺寸和质量上说,金星与地球颇为相像,但其演化方式却与地球大相径庭。它的表面温度比微波炉内的温度还高，大气则由会令人窒息的有毒气体组成。“金星快车”将对这一大气进行有特色的研究。前苏联/俄罗斯和美国以往都曾向金星发射过探测器。“金星快车”将是第一颗对金星大气及等离子环境进行全球性研究的空间探测器。[3]
设计方案

  金星快车探测器发射“金星快车”探测器星体的设计目标是满足探测器的任务要求,同时广泛利用“火星快车”的设计,以降低成本和研制风险。因此,“金星快车”与“火星快车”在以下几个方面有相似之处: 
·系统方案:体装式仪器,固定通信天线,带单自由度定向机构的两个太阳阵。 
·结构设计:只进行了小的局部改动,以适应改动后的仪器有效载荷。 
·推进分系统:提高燃料加注量,以满足更苛刻的速度增量要求。 
·宇航电子设备:做了有限的改动,以适应新的任务剖面。 
·运行方案:在特定轨道段进行金星观测,而在其它时间则进行对地通信和蓄电池充电;观测和对地通信与充电交替进行。 
不过,与“火星快车”相比,“金星快车”探测任务还是有其自身的特点,所以星体设计需有所改动,主要体现在温控、通信和电力这几个方面。这些不同之处包括: 
·科学任务:必须装纳新增或有改动的仪器(“磁强计”(MAG)、“金星射电科学实验仪”(Vera)、“可见光与红外热成像光谱仪”(VIRTIS)和“金星监测相机”(VMC)),而“火星快车”上的两台重要仪器(“猎兔犬”着陆器和“火星亚表面与电离层探测先进雷达”(MARSIS))则被取消。 
·与太阳的距离:金星距太阳0.72个天文单位,而火星为1.5个天文单位。由于更靠近太阳,“金星快车”探测器所受的辐射热要4倍于“火星快车”,所处的电离辐射环境更恶劣,阳光对太阳能帆板的照射也更强烈。 
·行星布局:在火星轨道上,地球方向总处于太阳方向±40度的范围内,这有助于在对地通信期间使探测器的冷面远离太阳照射。而金星是一颗内行星,围绕它运行的探测器享受不到这种实惠。 
·与地球的距离:金星与地球的最大距离为1.7个天文单位,小于火星(2.7个天文单位)。 
·引力:金星的引力大于火星(分别是地球引力的90%和38%),因此入轨所需的速度变量更大,要求探测器装载更多的推进剂。这还间接地导致“金星快车”的轨道周期更长(约24小时,而“火星快车”为7小时)和近心点速度更高(约9公里/秒,而“火星快车”为4公里/秒)。
组成系统
结构系统
  金星快车发射升空过程模拟图“金星快车”探测器有7个分系统,即结构、温控、电源、推进、姿态与轨道控制、通信和数据管理分系统。 
“金星快车”的星体大致呈方形,尺寸为1.65米×1.7米×1.4米,总体构型为核心结构加外围结构。星体被核心结构的隔板分割成6个隔舱。各有效载荷装置依其主要需求来安置。对温控和/或指向性能有苛刻要求的有效载荷(“行星傅里叶光谱仪”(PFS)、“金星大气特征研究分光计”(SPI-CAV)和“可见光与红外热成像光谱仪”(VIRTIS))集中放置于—X轴向隔舱内,靠近探测器—X轴冷面和姿态与轨道控制系统基准单元(惯性测量装置和星跟踪器)。MAG磁强计的传感器和可伸缩支杆装在星体外部顶板上。“空间等离子体与高能原子分析仪”(ASPERA)4的传感器装在底板和-Y轴侧壁上。推进系统的安装与“火星快车”相同。两个推进剂贮箱安装在核心结构的中心部位,主发动机位于底板之下并指向-Z轴方向,而8台推力器则设在星体的4个底角处。两个太阳翼安装在土Y轴的侧壁上,可绕Y轴旋转(接口同“火星快车”)。 
温控系统在任务的各个阶段,探测器的温控系统用于使所有设备都处在容许的温度范围内。这些设备分为两类,即集中控制装置(由温控系统统一进行隔热和加热)和单独控制装置(自备温控措施(如涂层、加热器和隔热件))。“金星快车”的温控设计采用了被动控制方案,尽量做到与“火星快车”相一致。不过,考虑到金星是一颗内行星,且温度更高,还是进行了一些系统和设计上的改动。 
电源系统“金星快车”的电源系统设计要能满足该行星际探测器的任务要求。由于无法由地面进行实时控制,电源系统要做到高度自主。该系统还要能应对多变的环境,特别是太阳能帆板上阳光照射强度的大幅度变化。 
探测器上对称安装有两个太阳能电池阵,每个由两块帆板组成,总面积5.7平方米,采用三结砷化镓电池。太阳阵在发射过程中被叠放起来,由4个压紧与释放机构压放在探测器侧壁上。展开时两个翼通过爆炸螺栓切割器分别释放。太阳阵通过单自由度太阳阵驱动机构指向太阳,方向通过太阳捕获传感器经姿态与轨道控制系统提供给太阳阵驱动电子装置的数据来控制。太阳阵在地球附近可产生至少800瓦的功率,在金星轨道上的发电功率为1100瓦。在日蚀期或当探测器用电需求超出太阳阵供电能力时,可由3组24安时的锂离子电池供电。 
推进系统  金星快车整流罩分离时的模拟图“金星快车”的推进系统与“火星快车”所用的双元推进剂系统相同,但加注了更多的推进剂(约530公斤,而“火星快车”约为430公斤)。推进剂为四氧化二氮和单甲基肼,供分四组安装的8台推力器和主发动机使用。主发动机推力为415牛,推力器单台推力为10牛。 
姿轨控系统“金星快车”采用了固定安装的高增益通信天线和只有一台主发动机的推进系统配置,从而要求它有高度的姿态机动能力。当从天底指向观测轨道段转向对地通信阶段,或要取得进行其它科学观测所需的特定姿态,或要通过选择最适宜的姿态来优化反作用轮卸载操作时,都需要进行姿态机动。探测器的姿态测量采用星跟踪器和陀螺仪来进行,能保证在几乎任何姿态下都有数据可用。姿态测量受到的主要限制是星跟踪器在太阳或金星处于或靠近其视场时无法提供数据。反作用轮用于几乎所有的姿态机动,具有灵活性和精确性.并可降低燃料消耗。轮的角动量由地面根据需要通过去饱和机动来管理。 
姿态与轨道控制系统的传感器包括两台星跟踪器、两台惯性测量装置和两台太阳捕获敏感器。每台星跟踪器都有一个16.4度的圆视场,能利用星等为5.5或更高的恒星进行测量。每台惯性测量装置使用3个环形激光陀螺和3台加速度计。太阳捕获敏感器用于在太阳捕获模式下或在姿态捕获或重新捕获过程中为探测器定向。 
姿轨控系统采用由4个斜置反作用轮组成的反作用轮组合,能利用其中任意三个轮来完成大部分基本飞行动作。该系统控制着推进系统,可利用10牛推力器完成采用反作用轮无法实现的变姿操作或进行小的轨迹修正。主发动机则用于完成大的变轨动作。姿轨控系统还能向太阳阵驱动机构提供控制输入,以改变太阳阵的指向。 
姿轨控系统针对不同的任务阶段(姿态捕获与重新捕获、日常科学任务操作和轨道控制)具有几套工作模式。姿态捕获与重新捕获使用两种模式。首先是太阳捕获模式,即利用来自太阳捕获敏感器的数据使探测器的X轴和太阳阵指向太阳。然后是安全/保持模式,即通过建立三轴定向并使高增益天线指向地球来实现捕获。日常科学任务操作都在正常模式下进行。该模式也用于在飞往金星途中以及在变轨机动前后进行探测器定向所需的变姿操作过程中的巡航定向。 
轨迹修正或轨道控制机动有4种模式:轨道控制模式(OCM)用于采用10牛推力器完成的小的轨迹修正;主发动机推进模式(MEBM)用于采用主发动机完成的轨迹修正;制动模式(BM)是专门为大气制动阶段设计的,只在需通过大气制动才能进入最终轨道的情况下使用;推力器过渡模式(TTM)用于实现由推力器控制的模式(即OCM和BM模式)与由反作用轮控制的正常模式之间的平稳过渡。 
通信系统  金星快车与第三级火箭分离模拟图“金星快车”的通信系统由一台双波段转发器(DBT)、一台射频分配单元(RFDU)、两台行波管放大器(TWTA)、一台波导接口单元(WIU)和4部天线组成。双波段转发器含两个双重收发链路,每路均设有X波段发射机、带5瓦末级放大器的S波段发射机、X波段接收机和S波段接收机。“金星快车”与地面通信时使用能在S波段进行全向收发的两部低增益天线(LGA)、用于在S和X波段进行高速遥测发送和指令接收的一部双波段高增益天线(HGA1)以及用于X波段高速遥测发送和指令接收的一部单波段偏置天线(HGA2)。LGA天线与“火星快车”所用的一样。HGA1天线与“火星快车”的高增益天线类似,但直径为1.3米,小于“火星快车”的1.6米,原因在于该探测器与地球间的最大距离较小。HGA2天线是“金星快车”上新增的,以在受热环境限制的条件下满足探测器的通信需求。探测器能在S波段提供短距离上的上行和下行链路全向覆盖,同时能在金星轨道上在X波段提供高速数据下行链路和指令上行链路。
低增益天线将在发射和初期运行阶段使用,可覆盖最初5天的飞行任务。该阶段过后,在飞往金星的途中,将借助HGA2天线进行X波段通信。在进入金星轨道过程中,通信将转到S波段。在各工作模式下,当不用VeRa时,通信将在X波段进行。当金星位于其轨道上合一侧且距地球最远时,将使用HGA1天线。为使探测器冷面指向总是远离太阳,在金星位于其轨道下合附近(探测器距地球最远为0.78个天文单位)时,将使用HGA2天线。当使用VeRa时,上行通信可通过HGA1天线在X或S波段进行。VeRa下行通信在S和X波段同时进行,信号由VeRa的超稳振荡器产生,并通过探测器上的转发器馈送给HGA1天线。 
接收的射频上行信号(已通过打包指令调制为NRZ/PSK/PM数据)被发向一双工器,完成鉴频,之后再前往双波段转发器的输入端。该转发器将进行载波获取和解调,并把萃取的信号送往数据处理系统做进一步处理。S和X波段上传频率分别大致为2100兆赫和7166兆赫。“金星快车”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/秒的数据率。原则上,工作于S波段的低增益天线将采用低数据率,而高数据率则供一部高增益天线在X波段上使用。由于探测器上的仪器会产生大量的数据,探测器要有高速数据下传能力。但由于探测器远离地球,使下传能力受到了限制。向地面站下传遥测数据可在S或X波段进行。S和X波段下传频率分别约为2296兆赫和8419兆赫。下传采用可由指令控制和可变的数据率。与上行链路一样,原则上,低增益天线将使用低数据率,而高数据率则供一部高增益天线在X波段上使用。 
数据管理系统数据管理系统(DMS)负责向整个探测器分发指令、从探测器各系统及有效载荷处收集遥测数据并对收集的数据进行格式编排以及对星体和有效载荷进行全面监控。该系统基于标准的星载数据处理(0BDH)总线结构,并由把控制与数据管理单元(CDMU)处理器与固态大容量存储器(SSMM)和姿轨控系统接口单元联系起来的高速串行数据链路来增强。借助远程终端单元(RTU),OBDH总线成为平台和有效载荷数据获取及指令分发的数据通道。 
数据管理系统有4个相同的处理器模块,分置于两个控制与数据管理单元内。两个处理器模块专供数据管理系统使用,另两个供姿轨控系统使用。数据管理系统选用的处理器模块充当总线主控器,负责管理平台的通信、电源和温控系统。选作姿轨控系统计算机的处理器模块  金星快车探测器负责所有的传感器、作动器、高增益天线和太阳阵驱动电子装置。 
固态大容量存储器用于数据存储,最大容量为12吉比。它与两台数据管理系统处理器、传输帧发生器(TFG)以及VIRTIS和VMC仪器相连。 
控制与数据管理单元控制地面指令的接收和执行、星务管理及科学和遥测数据的存储以及存储数据发送前的格式编排。它还用于进行星上数据管理、控制律处理和星上控制程序的执行。与其它数据处理单元的数据交换使用一冗余OBDH数据总线和IEEE-1355串行链路进行。两个接口单元把这些链路同探测器的其它单元联系起来。姿轨控系统接口单元负责姿轨控系统传感器、反作用轮、太阳阵驱动装置及推进传感器和作动器。远程终端单元与探测器其它系统和仪器连接。[4]
实用装备

装备1 ：空间等离子体和高能粒子分析器，用于测量太阳风与金星大气之间的互动。 
装备2 ：“金星快车”磁力计。金星表面有一种很奇怪的现象，没有内部的磁场，表面形成的磁场都是和太阳风作用的结果，磁力计将对此进行研究。 
装备3 ：高分辨率红外傅立叶变换光谱仪，用于高精度测量金星上空55到100公里处的大气层温度，同时寻找是否还存在火山。 
装备4 ：紫外与红外光谱仪，用于在大气层中寻找水、硫磺或氧分子的痕迹，并测量80到180公里高度的大气层密度、温度。 
装备5 ：金星无线电科学实验仪，负责地球与飞船之间的无线电连接，调查金星表面的电离层，并测量40到100公里高度的大气层密度、温度和气压。 
装备6 ：紫外-可见光-红外成像光谱仪，用于研究40公里低空的大气组成，并跟踪云团。 
装备7 ：金星检测照相机，对金星的总体和局部进行拍照，并配合其它仪器的使用。[5] 
探测活动
欧洲和美国科学家日前从欧洲航天局“金星快车”探测器传回的金星地质图像中发现了一些年代较新的熔岩流痕迹，这为金星上仍有火山活动的观点提供了新证据。 　　欧航局日前发表公告说，上述发现表明，金星很可能是除地球外太阳系另一颗地质仍然活跃的行星。科学家说，了解这一常被称为地球“孪生姐妹”的行星邻居会帮助人们了解地球自身的演变史。
公告援引参与这项研究的美国航天局喷气推进实验室科学家斯姆雷卡尔的话说，科学家目前已经掌握了金星新近发生过火山喷发的“确凿证据”。
欧航局表示，“金星快车”携带的可见光和近红外线成  “金星快车”发射升空像分光计能够测出金星表面岩石的“亮度”，即所谓的放射率。2008年，科学家曾据此为金星南半球绘制了一幅红外线放射率变化图。斯姆雷卡尔和同事对其中的3个区域进行了研究，发现这几个区域在地质特点上与夏威夷类似，呈现出火山活动的迹象，而且它们的放射率均超过周边区域。斯姆雷卡尔认为，这表明上述区域受到的侵蚀程度较低，可能是熔岩新近流过所致。
欧航局行星研究专家约恩赫尔伯特说：“在这些区域表面，凝固熔岩流看上去并没有怎么受风化。因此，我们可以得出结论，它们仅有不到250万年的历史，而且大多数熔岩流存在的时间可能还不到25万年。从地质学角度来说，这便如同刚刚诞生。”
赫尔伯特说：“如果进一步分析能证实金星上的确存在火山活动，这势必影响我们对自己星球的认识。虽然地球和金星在大小和结构上非常相似，但它们的演变史迥异。金星表面温度有近500摄氏度，对生命来说是地狱，而地球却生机盎然。或许未来金星能告诉我们，地球何以如此特别。”
“金星快车”是欧洲首个金星探测器，在这一探测器2006年4月抵达金星轨道之前，人类已经对金星进行了20多次探测活动。其中美国发射的“麦哲伦”号探测器发回的探测数据表明，金星上有几百座火山。而围绕金星上火山爆发的问题，科学家们的观点始终存在分歧：一部分人认为，金星曾经历过一次大规模的火山爆发，熔岩将整个星球“夷为平地”；另一部分人则认为，金星上不断有火山喷发，不过每次的规模相对较小。
2008年，“金星快车”探测器在金星大气中探测到高浓度二氧化硫气体。一些科学家推测，这些二氧化硫可能来自金星表面火山近期的喷发。不过也有学者对此表示了怀疑，认为这些二氧化硫也可能是金星表面火山在1000万年前喷发后的残留物。[6]
金星探测
人类的金星探测
-1961年到1983年，前苏联  金星发射了15个金星探测器，但只有几个探测器成功飞越或登陆金星，其中1970年发射的“金星7号”探测器是世界上首个着陆金星表面的探测器，它对金星表面温度进行了测量；1975年发射的“金星9号”探测器首次向地球发回了金星表面的照片。
-美国在1962年到1974年间发射了10个“水手”探测器，对金星和火星及其周围空间进行探测。其中1973年发射的“水手10号”探测器飞越金星时，发回了首批近距离拍摄的金星照片。
-1978年，美国先后发射了两个“金星先驱”探测器，第一个探测器进入金星轨道，不断向地面传回观测到的情况；第二个探测器有4个子探测器在金星表面着陆，获取了一些实地考察的数据。
-1984年，前苏联发射的“金星-哈雷”探测器曾将一个科学探测装置投放到金星表面，对金星进行了实地探测。
-1989年，美国向金星发射“麦哲伦”探测器。“麦哲伦”于1990年进入金星轨道后，借助雷达技术对金星表面进行了地形测绘，4年期间拍摄的照片覆盖了金星表面的98%。[1]