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金星快车

科普小知识2022-12-29 22:15:22
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金星快车是欧洲对金星的第一次任务。名称来源于定义、准备和发射该任务用了很短时间。主要承包商是法国图卢兹市的伊兹·阿斯特瑞姆公司。2005年11月9日由联盟号飞船发射升空,2014年11月失去联系。宇宙飞船由位于德国达姆施塔特市的欧洲太空控制中心操纵。

名称:金星快车

制造商:EADS阿斯特里厄姆公司

发射日期:2005年11月9日

发射地点:哈萨克斯坦,拜科努尔

轨道:250公里×26000公里(155英里×41010英里),轨道倾角90°

纬度:45°37'N

经度:63°19'E

结构尺寸:3.2米×3.3米×2.1米

1、简介


金星快车

金星快车是欧洲航天局探测太阳系的主要项目,任务得名“金星快车”的原因是:该任务从申请到设计、准备,直至最后发射的过程只经过了不到3年的时间。“金星快车”实际上与“火星快车”是“双胞胎",所以开发速度很快,而且开发成本也很低。它与“火星快车”主要的区别在于温度控制装置,装备更大、更有效的散热器,以及共有23层的多层隔热层的颜色由黑色改为了金色。侧面的两块太阳能电池帆板也经过重新设计。

“金星快车”探测任务继承了欧洲宇航局“火星快车”和“罗塞塔”号探测任务所取得的成果。该项目耗资达1.4亿英镑(2亿欧元)。

2、探测任务

“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。

3、探测对象


金星

金星是在地球上可以用肉眼看到的最明亮的一颗星,它也是太阳系内距离地球最近的一颗。金星与地球有很多相似的地方,如外形、质量、大小。但是金星上的气候却与地球有着天壤之别--它厚密的大气具有极强的腐蚀性,温室效应也极为严重,巨大的气压连同炼狱般的高温也曾使前苏联探测器亡命此处。本次“金星快车”的探测任务就是要去揭开金星为何具有如此残酷的环境之谜。

金星之所以能让科学家们如此着谜,就是因为美国和俄罗斯(包括前苏联)之前的一系列探测任务都几乎毁于金星严酷的环境。“金星快车”装备的诸多仪器就是为了去研究金星厚密的云层、周围环境,并收取样品加以分析比较来解释为何它与地球有着如此大的区别。

地球大气正不断被污染和变热。研究金星有利于科学家们更深地了解地球气候的演变进程。

4、结构特点

“金星快车”星体有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。

结构系统


金星快车

探测器设计寿命为4年,总重量1270公斤,其中包括93公斤的有效载重,570公斤的燃料。“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。

1、星体被核心结构的隔板分割成6个隔舱。主要搭载的仪器包括:

对温控和/或指向性能有苛刻要求的:行星傅里叶光谱仪(PFS)、金星大气特征研究分光计(SPICAV)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。

2、外围结构

两个太阳翼安装在±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))。

电源系统

金星快车的电源系统高度自主。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。

姿态与轨道控制系统


发射架上的金星快车

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。

探测器的姿态测量采用星跟踪器和陀螺仪来进行。

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。

通信系统

“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。

数据管理系统

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。

固态大容量存储器用于数据存储,最大容量为12GB。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。

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。

5、携带设备


金星快车

“金星快车”携带了7种探测仪器,用于抵抗金星严峻的轨道环境,并更好地完成任务。“金星快车"上的科学研究设备安装于星体的3个面上。它装备了两架高频天线,一架是1.3米的碟形天线,而另一架是1.3米(1英尺)的天线,它们安装于不同的面上。

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。

6、任务历程


金星快车发射

北京时间2005年11月9日11时33分,欧洲宇航局的金星快车探测器从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射升空。这是欧洲首次向金星发射探测器,也是十多年来首次有人类探测器再次探访金星。

2006年4月11日,欧洲空间局宣布,格林尼治时间8时07分,金星快车完成减速过程,顺利首次进入环金星椭圆形轨道。

2006年4月14日,欧洲空间局公布了金星快车传回的首批金星图像。这些金星南极地区的图片是探测器4月12日在距离金星20万公里的环金星椭圆形轨道上由“紫外线、可见光和近红外线成像分光计”和“金星监测照相机”拍摄的。

2006年5月7日,在围绕金星飞行了16周之后,“金星快车”进入了它预设的科学运行轨道。这条轨道的近心点(在轨道上最接近中心天体的点)位于北纬80°,轨道周期为24小时。

2006年6月27日,欧洲空间局宣布,科学家对金星快车发回的数据进行分析后确认,金星南极上空大气中存在着奇怪的双漩涡。

2007年6月6日飞越金星时它与NASA的信使号开始进行联合观测。这次任务的预期时间至少为两个金星恒星日(486个地球日)。

2014年年初,由于“金星快车”火箭燃料不多,它很有可能会从原先的轨道上坠入金星大气并最终烧毁。为了让“金星快车”摆脱被烧毁的命运,ESA在6月18日到7月11日期间对其执行了一项名为气阻减速(aerobaraking)的实验技术。虽然气阻减速成功阻止了“金星快车”坠入金星大气,但毕竟这只是一个临时性的解决办法。

为了能将这艘飞船的任务寿命延长到2015年,2014年11月23至30日,ESA又不得不对新的一套引擎执行点火。但这次的实验并不成功,从11月28日起,ESA就失去了“金星快车”的信号。

2014年12月16日,欧洲航天署(ESA)宣布因为燃料耗尽的问题,“金星快车”彻底结束任务。

7、探测发现


金星快车传回的金星图片

2006年6月27日,欧洲空间局宣布,科学家对金星快车发回的数据进行分析后确认,金星南极上空大气中存在着奇怪的双漩涡。

2011年11月的《伊卡尔斯》杂志报道了最近“金星快车号”的测量结果,也证实金星阴面有一层薄薄的臭氧层。

2012年4月,金星快车观测到了金星上的“磁重联”现象,通过分析从“金星快车”获得的数据揭示出许多磁场和磁尾中的等离子体有交换能量的现象。在许多方面金星的磁层是地球磁层的缩小版,新发现表明,“磁重联”致使大量等离子体从磁尾中逃逸,这为我们提供了一种用来解释为什么气体会从金星的上层大气中丢失的新机理。这对于理解金星在经历了“失控的温室效应”之后又丢失掉了大量的水有帮助。

2012年10月,金星快车在金星的大气里发现一个的寒冷区域,这里的大气温度低至零下175摄氏度,低温环境或许能令二氧化碳冻结成冰或者雪。

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