那些年，苏联对金星探测的狂热史（九）

　　作者 cbjchxh
　　转载于百度贴吧-航天吧
　　原始资料来源 卫星百科-sat.huijiwiki.com
　　金星13号和金星14号着陆器上的两个照相机都工作得很好，产生了当时最好的金星表面图像。
　　金星13号揭示了起伏的山丘和层状的岩石和土壤。根据着陆地点的高分辨率雷达成像，俄罗斯地质学家A.M.Abdrakhimov和A.T.Bazilevskii得出结论，金星13号可能降落在金星最常见的地形类型——平原上有褶皱的山脊上。这些是最古老的火山平原，形成于大约7.5亿年前，由于地壳的构造压力而断裂和弯曲。
　　金星14号看到了一片平坦的岩石，没有土壤。对该地的雷达成像显示了一个年轻的火山平原，上面有裂片状的熔岩流，可能形成于几百万年前。岩石最初被认为是凝固的熔岩，实际上是分层的和易碎的（由冲击减速分析确定）。一种新的理论认为它是一种类似浮石的物质，由火山灰或陨石撞击产生的灰尘形成。在金星上，大型陨石在稠密的大气中产生粉碎性的冲击波——即使陨石在撞击前燃烧殆尽。雷达还显示了降落残骸的抛物线扇形物。
　　科学家曾经推测，金星的快速纬向风可能会使其表面变得光滑。但测量显示地面风速只有0.5至1.0米/秒。表面的大气非常稠密，但与液体不同，气体的粘度不会随压力增加太多。在永恒的死寂中，金星的表面几乎没有受到风蚀的影响。
　　测量风速的传感器还捕捉到了着陆器活动的声音、相机盖的爆炸性喷射、土壤钻和用于将土壤样本盘推进X射线荧光光谱仪的炸药喷射。
　　金星好声音——金星13号录制的音频
　　土壤分析实验则在金星13号和金星14号两个着陆器上都非常成功。它们都发现，金星土壤主要由二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化镁、氧化钙、氧化钾组成。但是成分差别很大。
　　从土壤分析中可得出结论：金星表面即有大量金属化合物，因此具有很高的采矿价值
　　最后，质谱计的一个有趣的结果是：金星含有丰富的氩-40——一种钾的放射性衰变产物。在金星上，这种同位素的相对丰度约为地球值的25%。这表明了它没有构造板块，也没有地壳像地球上那样持续不断的翻转。所以，挥发性的放射性物质仍然滞留在地下。
　　金星13号的全景相片
　　至此，苏联人已经用着陆器将金星＂征服＂了。那么，接下来的任务又怎么进行呢？结合当时最先进的技术——合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR），苏联人有了想法。
　　今天来讲讲金星15、16号。
　　在上世纪80年代，合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）逐渐走向成熟。在人们把地球的每一丝每一毫细节都看清之后，科学界的目光又瞄准了金星。科学家意识到，合成孔径雷达是穿透金星浓厚大气的法宝，也只有这种技术能将金星的地表地形彻底看清。因此，新的金星探测计划便与新的雷达技术结合了起来。
　　简单#(滑稽) 讲讲合成孔径雷达的原理：
　　首先是雷达：
　　探测器在某一时刻向某一个特定方位发射一束小孔径的信号，信号会投射到金星表面上，再反射会探测器。通过反射信号的相位和幅度，探测器可以获得指定区域的高度信息。
　　实际上，探测器会同时向多个方向发射这样的波束。这样，对于每一个地方，随着探测器的移动，都能被探测到很多次。这些数据会被综合处理，＂合成＂为一个区域的最佳图像。于是就有了＂合成孔径雷达＂的说法。
　　具体而言，金星15、16号的雷达系统的天线交替切换到80瓦的行波管振荡器上，以8厘米波长发射。它用一束微波束照射表面上的一个点3.9毫秒。在此期间，光束被127个相移的20个周期调制，反射信号被记录为2540个复数（4位实数，4位虚数）。探测器每隔0.3秒进行一次雷达扫描，并将结果存储在RAM内存缓冲区中。为了跟上这个数据速率，两台机载磁盘交替读入信息。
　　地面会获得2540字节一幅的雷达图像，并进一步由计算机分析。数字滤波器（经典的如卡尔曼滤波）将信号分离，并将雷达扫过区域划分为127个穿过雷达波束轨迹的窄带。快速傅立叶变换分离了由航天器运动引起的多普勒频移，将雷达扫过区域沿轨道分成31个窄带。通过在3.9毫秒间隔内正确处理信号，分辨率得到很大提高。雷达图像处理的最终结果是31×127像素一幅的图像。
　　3200幅来自轨道的这样的图像被合并成195×10000像素的测量条带。为了减少散斑噪声，这时只有每个像素点的幅值被平均在一起，而不是复数的相干组合。
　　特殊傅里叶变换处理器（SPF-SM）是在苏联教授Iu.N.Alexandrov的领导下在电子控制计算机研究所开发的。它由一个SM主机处理器（PDP-11的苏联变体）和SIMD并行数学处理器组成。
　　处理是在Rzhiga的研究所使用一对SM-4微型计算机和一个20 mips的特殊傅里叶变换处理器（SPF-SM）进行的。
　　现在的计算机会比当时的运算得快得多。同时，现在的软件也强大得多。在python或者matlab上，快速傅里叶变换就是一行代码的事情。但是，当时的人们可没有这么好的计算机，也没有这么强大的软件——一切都是在机房用十分底层的代码实现的。
　　在测量地形的同时，合成孔径雷达的简化版本——雷达高度计也在工作。它直接指向飞船下面的表面，产生了一个精度为50米的海拔估计值。高度计光束在地面的覆盖范围约为70×40公里（沿轨道×交叉轨道）。最初几周（至11月28日），高度计采用低分辨率模式，127元件相位调制。这产生了29.3公里的长模糊数据。在精确确定卫星的轨道后，高度表会被切换到高分辨率模式。
　　通过合成孔径雷达和高度计，人们能在1984年得到金星的三维地形。
　　这次的金星15、16号上只携带了合成孔径雷达和雷达高度计，此外还有一个红外傅里叶光谱仪。它没有携带着陆器或者其他载荷，而是单纯为了地形测绘而来。
　　当然，苏联特色的任务纪念章是必不可少的
　　金星15号和金星16号飞船是完全相同的，是基于对金星9号至金星14号探测器的轨道器部分的改进版本。每艘航天器由一个5米长的圆柱体加压仪器舱和一个直径6米、高1.4米的抛物面碟形天线组成。
　　中央的圆柱形部分比标准长度长一米，可以容纳减速进入轨道所需的1300公斤推进剂。两个方形太阳能电池阵列从圆柱体两侧伸出，一套额外的太阳能电池板使发电量提高了70%。
　　天线一端用于合成孔径雷达。雷达测高仪的一个直径1米的抛物面碟形天线（下图左后方）也位于这一端，且测高仪天线的信号轴与圆筒的轴线对齐。
　　合成孔径雷达的信号轴偏离航天器轴线10°。在成像过程中，雷达测高仪将与金星的中心（局部垂直）对齐，SAR将以10°的角度向外看。
　　圆筒侧面还安装了一个2.6米的无线电天线，用于通信。即使金星在2.6亿公里的距离外，探测器也可以传输100Kbit/s的信号到埃夫帕托里亚（Evpatoriia）的70米接收器或熊湖（Bear Lakes）的64米接收器。
　　重4吨的金星15号于1983年6月2日发射升空，10月10日抵达金星。
　　同样配置的金星16号于6月7日发射升空，10月11日抵达金星。
　　两个探测器都被放置在椭圆极轨道上，最低高度为1000公里，最高为66000公里，周期为24小时。在与金星距离逐渐接近的过程中，它们花16分钟从北极附近到大约30°N纬度处收集数据。雷达图像带宽约120公里，长约7500公里。随后在远心点附近，3200个收集到的雷达图像会被传送到地球上。
　　一个技术细节：
　　两个探测器都使用了偏心率很高的极轨道，为什么？
　　因为信号传输速率不够 ，测绘的时间远远小于信号传输的时间，所以只能用极椭圆轨道测绘了。在近心点附近测绘，在远心点附近传信号。
　　加上高度计和红外光谱仪数据，两个探测器总共传输了8.1兆字节信息。
　　此外苏联始终没有一个全球深空通信网络，因此飞船必须保持24小时的轨道，才能每天与测控站同步进入无线电视线。为了保持轨道的形状，探测器中途还进行了几次航向修正。
　　由于金星长得很匀称（它的J2摄动项只有地球的0.004），不外加干预时，轨道的平面在太空中几乎可以保持固定不变。而金星每24小时旋转1.48°，因此在11月11日至来年7月10日的任务期间，探测器可以对整个极地进行扫描。
　　最初，两个航天器轨道的轨道平面相距4°。但才开始不久，探测器就遇上了臭名昭著的＂太阳会合＂事件。
　　上图为火星的＂太阳会合＂
　　太阳会合（Solar Conjunction）是一种天文现象。它是指地球、太阳与某太阳系行星刚好处在一条直线上，且太阳处在中间的现象。该现象发生时，则称该行星出现了＂太阳会合＂。
　　在会合期间，两颗行星之间的无线电传输有被太阳干扰破坏的风险。因此任何金星任务中，地面会在此时暂停向金星表面或环绕金星轨道的航天器发送指令。
　　有一种解决方法：借助第三颗行星。比如，金星太阳会合时航天器向火星上的探测器发送信号，再由火星返回地球。除非运气非常不好，一般都不会有问题。这也就是真正的深空探测网络的雏形了吧。
　　但是对于苏联，它当时还没有一颗环绕火星的、能运行的轨道器，所以只能在太阳会合时期与金星15、16号断了联系。
　　在太阳会合后，金星16号的轨道平面改变了20°，来扫描遗漏的部分。最终，单独的雷达图像测量条带通过图像处理拼接，形成了一幅完整的金星北部帽状图。最终图像含有27幅镶嵌图，每幅约4000至5000像素宽。
　　高度计数据和雷达成像的结合使苏联制图员和地质学家能够绘制出第一张金星地图。这些地图显示了金星表面的足够细节，可以准确分析金星的地貌。
　　来自金星15号和金星16号的数据质量空前。凭借这些数据，人们发现金星与地球有着惊人的不同：它主要覆盖着熔岩场和盾形火山，与线形山脊和圆形冠冕连成网络，还有一些更古老的褶皱地形，叫做＂镶嵌地块＂（tessera，我没查到通用的译名，就先这么翻译了）。金星15号和16号的发现加深了人们对金星复杂性的认识。
　　弗图那镶嵌地块（Fortuna Tessera）
　　例如，金星上的火山通常是宽而缓倾斜的，由低粘度的玄武质熔岩组成，就像夏威夷的盾形火山。高气压还可能抑制火山气体在喷发过程中的爆炸性火山碎屑释放，这可能解释了高锥形火山的稀有性。
　　科莱特火山（Colette Patera）
　　这次任务的一个主要发现是冠冕、圆或椭圆同心环形状的山的存在。这些之前都被误认为是熔岩填充而成的凹陷。现在人们认识到，顶部中心的小圆形特征是一个真正的陨石撞击坑。
　　杜坎陨石坑（Meteorite Crater, Duncan）
　　具有放射状裂缝的塌陷穹顶被称为蛛网膜（Arachnoids）。两个探测器共发现了80个。冠冕、蛛网膜和穹隆被认为是下伏地幔中的热源造成的。与地球不同，金星似乎没有移动的板块。金星上的热源并没有像夏威夷那样产生一连串的火山，而是静止不动，在地壳中产生向上的火山泡。
　　别列金尼亚平原的蛛网膜地形（Arachnoids in Bereghinya Planitia）
　　雷达图像首次实现了撞击坑与其他圆形特征（如冠冕）的精确区分。苏联研究小组在调查区域统计出了150个撞击坑。这是一个稀疏的陨石坑密度，结论是：金星的地壳只有7.5亿±2.5亿年。
　　一些人认为，金星地貌是灾难性地重塑的结果，大部分地区火山熔岩流覆盖。金星厚厚的大气层阻止了小型陨石，但较大的天体有足够的动能冲向地表。在金星稠密的大气中，一个典型的千米大小的岩石会产生爆炸，产生粉碎岩石的冲击波。
　　毫无疑问，1908年通古斯撞击事就是地球上的例子。