【航天】William: 俄國拒絕NASA合作金星探測 緣於擁有最強登陸器?

2020-09-28 14:02:18 最後更新日期:2021-02-08 17:32:23
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

    現時有理論指,在金星頭十億年歷史中,環境仍和地球類似,只是後來太陽溫度漸漸升高、磁場消失等多重因素,導致大氣層被溫室氣體主導,成為灼熱的地獄。(網絡圖片)

 

近日與天文相關而最受關注的新聞,可說是有科學家發現金星大氣層有磷化氫的反應,而且濃度不算低(約20ppb,即1億個空氣分子中有2個,以金星大氣密度而言,這算很高)。雖然80年代的蘇聯金星探測計劃已發現大氣中有磷,但磷化氫在自然界中基本上只能透過微生物/壓氧生物才能產生出來,故有學者認為金星的高空大氣層可能存在生命。

不過在傳出行星生物學重大利好消息及可能引發新一輪金星探測興趣時,俄國卻在一項新的金星探測計劃上「一腳伸開」美國,不再接受NASA參與計劃。由於近年NASA經費因登月計劃及所費甚鉅的James Webb太空望遠鏡而令太空資金十分吃緊,幾乎沒有餘力重新設計一個能抗拒金星極端環境的探測器;未來十年除了一些小行星探測計劃外,他們就再沒有探測其他行星的計劃(註1)

近年隨著美俄關係急劇惡化,美俄間原有太空合作都漸漸停止,例如一直執行二十年的RD-180引擎購買案可能於2024年前就會終止。(網絡圖片)

   

俄國航天部門此舉似乎和美俄關係大幅惡化,連原本影響較少的太空合作都因美國停止購買載人前往國際太空站的服務而受到影響;另一方面,這可能又是雙方資金攤分談不攏的結果(NASA在這個計劃上有點像搭順風車、跟隨登陸器降落金星並在中途脫離,成為一個氣球探測器),或者俄國有乘研究報告發表而「坐地起價」之嫌,尤其是,金星探測一直以來就是前蘇聯航天的強項……

蘇聯各種金星登陸器及水手10號在穿越大氣層的過程中都探測到類似閃電的現像,估計和火山活動有關,但因為金星大氣完全遮蔽了視線,根本沒法肯定閃電發生的位置。(網絡圖片)

 

金星概況:由生機到死寂

單純就質量及成份而言,金星其實非常接近地球,質量大約是地球的81%,直徑只比地球少600公里。由於金星與太陽的距離為地球的3/4,客觀上金星比地球吸收更多太陽的能量,但由於金星表面面積大約只有地球90%,削除溫室效應後行星平均溫度只比地球高一點(260K VS 255K)。若果金星大氣層成份更接近地球的話,未必比地球熱多少。

金星的盾狀火山,是一種非板塊運動造成的火山,其溶岩由一點緩組流出,漸漸把附近地形填滿抬高。如果溶岩黏度不夠的話,這種盾火山會非常像煎餅一樣,簿簿的一片。(網絡圖片)

 

基於技術原因及表面溫度過高,雖然已有不少地表數據,但仍無法進行大規模地質研究,對於金星今天模樣的成因所知甚少,只知與兩大現像有關:自轉緩慢及溫室氣體濃度極高,且兩者是互為影響的。自轉緩慢有可能來自早期某次大撞擊事件所影響,其結果則是大幅減慢金星自轉速度,影響內部對流,直接導致沒有足夠磁場產生(也間接導致板塊沒能生成);在這情況下,金星原有水份及大部氫、氧氣會被太陽風所加速逸失;巨量溫室氣體則來自大規模火山噴發的「補充」,這個活躍程度可比除木衛一及地球外其他行星 / 衛星都強並持續數千萬至數億年,除完全重塑金星地面外,更造成氣壓比地球大上90倍的高濃度二氧化碳大氣層,困住大部分熱能,令地表溫度達到連鉛及錫等都可溶化的地步。

現時生命誕生理論,離不開水和含碳有機物質的化學作用。關於行星生物學最新理論發展,可參考著名的天文學科普節目《宇宙有道理》第7季EP08:〈探索外星生命〉

 

金星生命痕跡的發現,著實令人驚訝,因為根據近期生物起源的理解,早期生物源自海邊或熱水潭中間的小洞,水流或潮汐讓不同有機物隨機沖進洞中積聚並隨機組合形成的;大氣層中的微生物則是由地表隨風吹上來的,地表上無法維持生命的話,大氣層中的生物都難以長期存在,惶論作更複雜的進化,然而金星地表的惡劣環境至少已維持了7億年,很難想像大氣層中仍有微生物能維持。

1990年代美國天文學家協助將金星13號照片影像校正後的模樣。前面的支架是抽取泥土樣本的機械鑽,而那個蓋是相機觀景鏡覆蓋的蓋子。此時探測器外的溫度保持在470℃。(網絡圖片)

 

當然,由於金星表面環境極其惡劣,嚴重限制了儀器的使用,事實上也嚴重限制了對金星的進一步探測,尤其是最重要的長期大氣層與地面探測。加上行星科學發展上普遍更著重同樣近但較冷、較大機會找到生命跡像的火星,變相令西方太空探索較為忽略金星的研究。相比之下,前蘇聯可是一個例外。

 

火星3號其實才是第一艘成功登陸火星的探測器,而且比美國早了五年。遺撼的是,探測器登陸並開始工作20秒後,信號就突然中斷。有指探測器是遇上沙塵暴,並因大量沙塵磨擦表面而發生靜電放電現像,令通訊系統損壞,其攝影機連有意義的景象也沒能傳送完成。(網絡圖片)

 

金星系列探測器,由金星8型開始都是重達七噸的超大型載荷。NASA在這30年內掃描金星地形及長時間觀察金星大氣方面有很大成就,但就大氣層內直接測量及登陸上,仍無法超越前蘇聯的水平。(網絡圖片)

 

美蘇冷戰中太空競賽

曾經有一個冷戰戲謔提道「火星是資本主義的;金星是社會主義的」,美蘇兩國冷戰期間的太空競賽,集中在四條路線上,分別是登月、載人航天、太空站及對不同行行星的深空觀察上。單就深空觀察一項上,兩國的競賽可說一面倒:相對於美國幾乎都去過八大行星,且在火星上進行了登陸活動;蘇聯不單只集中於火星和金星上,在火星探測上更是少有的「仆街」到底,歷次探測中只有兩次部分成功,而且雖然爭取到首次登火成功,但登陸後10多秒即發生故障,連第一張照片都沒有傳送完成,可謂霉運至極。相對地,美國的探測則幾近大獲全勝。

金星13號的全色照片。由鑽探得知,地表絕大部分都是典型玄武岩,主要是一大片溶岩冷欲後因風化等漸漸碎裂而形成的大小石板。(網絡圖片)

 

同期的金星探測,形勢卻是反轉過來。1970年代登月後NASA預算驟減,其費用多集中於穿梭機研發、外行星探測及不甚成功的天空實驗室上,對金星沒有投入過多心力;相對的,蘇聯航天當局就搞了個最困難的項目:直接登陸金星。以70年代而言,這更像是在登月及探火失敗後扳回一城的行為,似乎有些賭氣成份。然而以當時技術看來,若進行SAR雷達地形探測任務,蘇軍仍在試驗相關技術,未能投入使用;而大氣層化學實驗又可在登陸過程中完成,因為整個再入大氣層過程可要持續一小時,足夠完成大氣層測量,所以著陸任務事實上更化算。

金星14號降落過程動畫。由於金星大氣密度非常大,鈦合造打造的減速板已有相當於大型降傘的減速效果,探測器著陸時速度其實相當慢。

 

蘇聯的金星任務就簡單的被稱為金星計劃(音譯維拉尼亞),由1961年開始,1985年才基本結束。基於之前蘇聯外空間任務失敗較多,加上每次發射門窗口都有18-19個月的限制,蘇聯太空部門每次都是發射兩個著陸器互為備份,務求必定有一個完成任務;至1975年後成功率幾乎達100%,但仍維持這樣的發射模式,直到1985年最後的維加計劃為止。

早期金星四號軌道器,著陸器在底部。這種著陸器由於沒有支架,落地時較易翻倒,影響運作。不過由這時開始,蘇聯工程師已開始使用上耐壓殼及隔熱材料網絡圖片)

 

由1972年的金星8號開始,引入一個全新概念的著陸器。著陸器外邊有個具一定熱盾功能的球體外殼。再入外殼後在65公里上空脫離並張開降傘(這區的氣壓已接近地面的1巴),降落傘在45公里的高度脫離,然後就靠愈來愈高的大氣壓及探測器本身的鈦合金減速結構持續減速,到達地表時降落速度已跌至7米 / 秒,比起地球的自由落體速度(55米/秒)低很多。

金星10號所拍得的照片。照片是由一種潛望鏡相機透過鈦金屬耐壓殼上厚1CM的耐壓玻璃,向下17度進行攝影。耐壓殼上的觀景窗,可左右124度轉動。金星10號有兩部相機,但其中一部的蓋子沒法彈開,無法攝影。(網絡圖片)

 

基於技術所限,當時所採用的攝影技術是全廣角形攝影並以當時的類比電視拍攝及傳送形式,經由天線上傳到軌道器,再由軌道器發送回地球(早期是黑白攝影機,到八十年代轉用彩色),加上相機觀影鏡設計特別,照片基本角度都是向下的,發回來的照片都類似魚眼透鏡的形式,後期經過影像調整,才有正常維度的影像。及後維加計劃(金星計劃最後兩個項目),登陸器改成完全的實驗儀器,不再發送影像(因為要佔用很多空間與載荷),同時能於降落途中施放探測氣球。這氣球亦是史上首兩個也是至現在唯二兩個金星大氣層觀察氣球。

金星8號開始使用的著陸器,至維加1、2號時基本結構還沒有大變,只修改過部份儀器而已;圖二為登陸器結構及保護殼。圖三為內層鈦合金耐壓殼鑄件(上)及製作隔熱層的複合材料模具;圖四則為維加1、2號上的金星高空氣球。(網絡圖片)

 

金星登陸器另一特殊之處,在於核心科學與通訊儀器都是裝在鈦製並輔以隔熱物料的耐壓隔熱壓容器之內(簡單來說,蘇聯太空部門是把深潛用耐壓球殼直接搬到降落器上用),少數暴露在外的探頭及攝影機都處以耐高溫耐壓處理,這大大加長了探測器在450℃高溫下的工作時間,最長達到兩小時,而且這是在90巴(90倍地球大氣壓,相當於900米下海洋的水壓)下完成的!相對之下,美國的伽利略號所搭載的木星大氣層探測器,只在木星大氣層內生存了57分鐘,且只在150℃及22巴大氣壓的性況下就「敗陣」了!

被稱為加里略探針的木星大氣層探測器,雖然重量只有金星登陸器一半,但耐熱耐壓性似乎相差比較遠......(網絡圖片)

   

現時俄國正在進行的金星探測計劃被稱為金星-D,嚴格來說是金星計劃的延續,技術上更是以金星14號及維加1、2號的著陸器與軌道器為基礎,算是現代化版本,現時除細部設計外,其實還在資金籌措的階段。其耐壓耐熱結構在十二次成功著陸及工作中已證實非常可靠!之前小弟提過,航天探測中一個好的多功能功作平台,比什麼火箭或最穩定芯片更要(軍事及航天在芯片上一直是求穩而不是求新,不過KOL是不會教你的)!這也難怪俄羅斯在金星探測計劃上仍然有向美國叫扳的資本了。

金星D型探測器現時的設計,基本由維加計劃的基礎上發展過來;至於登陸器的設計似乎更只是原有登陸器的輕量化及將攝影機修改成大量非穿越鈦合金耐壓豰的外置型數碼相機,同時更換電池以延長登陸器籌命。原計劃這登陸器還有空間搭載NASA用於金星大氣測量的氣球。(網絡圖片)

  註1:按已落實的計劃,2025年前會發射一個木衛二的軌道探測器,不過至少要到2031年才開始入軌並進行觀測工作。

發佈於 博評
By 2020-09-28

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