国外金星探测发展态势及战略规划解析

韩淋; 杨帆; 范唯唯; 王海名

doi:10.11728/cjss2024.05.2024-yg08

国外金星探测发展态势及战略规划解析

doi: 10.11728/cjss2024.05.2024-yg08 cstr: 32142.14.cjss2024.05.2024-yg08

中国科学院科技战略咨询研究院　北京　100190

基金项目: 中国科学院战略研究专项“科学前沿制高点研究”项目资助(GHJ-ZLZX-2024-05)

详细信息

作者简介:

韩淋　女, 1980年6月出生于吉林省吉林市, 现为中国科学院科技战略咨询研究院科技战略情报研究所副研究员, 主要研究方向为空间科技、半导体等领域的科技战略情报和政策研究. E-mail: hanlin@casisd.cn

通讯作者:

杨帆　女, 1977年2月出生于黑龙江省哈尔滨市, 现为中国科学院科技战略咨询研究院科技战略情报研究所副主任, 空间科技战略和政策研究中心主任, 研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为空间科技战略情报研究、空间政策研究、科技前沿和智库决策研究等. E-mail: yangfan@casisd.cn

中图分类号: P185
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出版历程
- 收稿日期: 2024-06-24
- 修回日期: 2024-08-20
- 网络出版日期: 2024-09-09

Trends and Strategic Planning Researches of Venus Exploration Abroad

Institutes of Science and Development, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190

摘要

摘要:
当前, 欧洲以及美、俄、印等均部署了面向2030年左右的金星探测任务, 全球金星探测即将迎来新高潮. 本文系统梳理国外已发射和未来明确规划的金星探测任务, 对美国金星探测路线图进行系统研究, 分析金星探测的科学目标体系、平台任务类型、关键支撑技术体系及成熟度, 揭示国外金星探测任务特点及长期科学和技术战略谋划的新成果、新进展. 通过综合分析国际发展态势, 提出中国应把握时机尽快启动部署金星探测任务, 同时加强支持科学任务规划长期战略研究储备, 以期为中国金星任务研究和规划提供参考.
- 金星探测 /
- 任务规划 /
- 科学目标 /
- 路线图
Abstract:
Europe, the United States, Russia and India have planned Venus exploration missions around 2030, and global Venus exploration is about to reach a new peak. This article systematically reviews the global Venus exploration missions that were launched or have been selected to implement in near future, conducts research on the US Venus exploration roadmap, analyzes the scientific goals, mission platforms, key technologies of Venus exploration, and reveals the characteristics of future Venus exploration missions and progress of long-term scientific and technological strategic planning abroad. By comprehensively analyzing the international Venus exploration trends, it is proposed that China should seize the opportunity to initiate Venus exploration as soon as possible, while strengthening support for scientific goals planning and long-term strategic research, hoping to provide reference for China’s Venus mission research and planning.
- Venus exploration /
- Mission planning /
- Scientific objectives /
- Roadmap

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图 1 NASA“达芬奇+”任务

Figure 1. NASA “DAVINCI+” mission

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图 2 NASA 真理号任务

Figure 2. NASA VERITAS mission

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图 3 俄罗斯金星-D任务

Figure 3. Russia Venera-D mission

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图 4 ESA展望号任务

Figure 4. ESA Envision mission

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表 1 全球已发射金星任务

Table 1. List of launched Venus missions

序号	任务	发射时间	国家/地区	任务类型	任务结果
1	Tyazhely Sputnik	1961年2月	苏联	撞击	失败
2	金星-1 (Venera-1)	1961年2月	苏联	撞击	失败
3	水手-1 (Mariner-1)	1962年7月	美国	飞掠	失败
4	2 MV-1 No.1	1962年8月	苏联	着陆器	失败
5	水手-2 (Mariner-2)	1962年8月	美国	飞掠	成功
6	2 MV-1 No.2	1962年9月	苏联	着陆器	失败
7	2 MV-2 No.1	1962年9月	苏联	飞掠	失败
8	3 MV-1 No.2	1964年2月	苏联	飞掠	失败
9	宇宙-27 (Kosmos 27)	1964年3月	苏联	飞掠/着陆器	失败
10	探测器-1 (Zond 1)	1964年4月	苏联	飞掠/着陆器	失败
11	金星-2 (Venera 2)	1965年11月	苏联	飞掠	失败
12	金星-3 (Venera 3)	1965年11月	苏联	着陆器	失败
13	宇宙-96 (Kosmos 96)	1965年11月	苏联	飞掠	失败
14	金星-4 (Venera 4)	1967年6月	苏联	大气探测	成功
15	水手-5 (Mariner 5)	1967年6月	美国	飞掠	成功
16	宇宙-167 (Kosmos 167)	1967年6月	苏联	着陆器	失败
17	金星-5 (Venera 5)	1969年1月	苏联	大气探测	成功
18	金星-6 (Venera 6)	1969年1月	苏联	大气探测	成功
19	金星-7 (Venera 7)	1970年8月	苏联	着陆器	部分成功
20	宇宙-359 (Kosmos 359)	1970年8月	苏联	着陆器	失败
21	金星-8 (Venera 8)	1972年3月	苏联	着陆器	成功
22	宇宙-482 (Kosmos 482)	1972年3月	苏联	着陆器	失败
23	水手-10 (Mariner 10)	1973年11月	美国	飞掠	成功
24	金星-9 (Venera 9)	1975年6月	苏联	轨道器/着陆器	成功
25	金星-10 (Venera 10)	1975年6月	苏联	轨道器/着陆器	成功
26	先驱者金星-1 (Pioneer Venus 1)	1978年5月	美国	轨道器	成功
27	先驱者金星-2 (Pioneer Venus 2)	1978年8月	美国	大气探测	成功
28	金星-11 (Venera 11)	1978年9月	苏联	飞掠/着陆器	基本成功
29	金星-12 (Venera 12)	1978年9月	苏联	飞掠/着陆器	基本成功
30	金星-13 (Venera 13)	1981年10月	苏联	飞掠/着陆器	成功
31	金星-14 (Venera 14)	1981年11月	苏联	飞掠/着陆器	成功
32	金星-15 (Venera 15)	1983年6月	苏联	轨道器	成功
33	金星-16 (Venera 16)	1983年6月	苏联	轨道器	成功
34	维加-1 (Vega 1)	1984年12月	苏联	飞掠/大气探测/着陆器	基本成功
35	维加-2 (Vega 2)	1984年12月	苏联	飞掠/大气探测/着陆器	成功
36	麦哲伦号 (Magellan)	1989年5月	美国	轨道器	成功
37	金星快车 (Venus Express)	2005年11月	欧洲	轨道器	成功
38	拂晓号 (Akatsuki)	2010年5月	日本	轨道器	成功, 运行中
注　列表为以金星为主探测目标的任务.

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表 2 金星探测的目标、目的和研究活动

Table 2. Goals, objectives and investigations of Venus exploration

目标	目的	研究活动 (研究活动与目的的关系分为3类: 至关重要, 重要, 特定)
了解金星的早期演化和潜在宜居性, 为揭示金星大小的(系外)行星的演化提供约束	金星早期是否有温和的地表环境和液态水	水的起源(至关重要): 确定金星是否显示出丰富的硅化火成岩和/或古代沉积岩的证据
		再循环(至关重要): 寻找金星地壳再循环的结构、地貌和化学证据
		大气损失(重要): 量化金星大气向太空失去质量的过程, 包括磁场与入射离子和电子之间的相互作用
		磁性(特定): 表征金星地壳剩余磁性的分布
	金星是如何体现行星演化的各种可能路径的	同位素(至关重要): 测量金星大气中D/H、稀有气体、氧气、氮气和其他元素的同位素比率和丰度
	金星是如何体现行星演化的各种可能路径的	岩石圈(至关重要): 确定金星上对流变学和潜在地球动力学转变至关重要的岩石圈参数, 包括: 应力状态、含水量、物理结构以及弹性和机械厚度　热流(重要): 确定金星岩石圈当前的热结构, 并测量原位热流　金星核(重要): 测量金星核的大小, 确定其是否部分呈现液态

了解金星的大气动力学和组分	驱动金星全球大气动力学的过程是什么	深层动力学(至关重要): 表征金星低层大气(约75 km以下)的动力学特征, 包括逆行纬向超级自转、经向环流、辐射平衡、地形波和角动量传输
		高层动力学(至关重要): 在金星的高层大气和热层, 表征全球动力学以及空间天气与电离层和磁层之间的相互作用
		中尺度过程(重要): 确定中尺度动力学在金星大气层中重新分配能量和动量的作用

	决定金星大气组成的基线和变化以及全球和局部辐射平衡的过程是什么	辐射平衡(至关重要): 表征大气辐射平衡以及辐射传输如何驱动金星大气动力学
		相互作用(至关重要): 表征金星大气各组分之间的物理、化学和可能的生物学相互作用的性质
		气溶胶(重要): 确定金星大气气溶胶随海拔高度变化的物理特征和化学组成, 包括气溶胶类型/组成的区分
		未知吸收剂(重要): 表征金星高层大气中未知的短波吸收剂及其对局部和全球过程的影响
		排气(特定): 确定金星火山排气的产物及其对大气组成的影响
了解金星表面保存的地质历史以及当前金星表面和大气之间的相互作用	塑造金星表面的地质过程是什么	地质史(至关重要): 通过表征地层、改变状态和表面单元的相对年龄, 揭示金星的地质历史
		地球化学(至关重要): 确定金星上具有全球地质单元代表性的地区的元素化学、矿物学和岩石类型
		地质活动(至关重要): 表征改变了金星上的地质单元、撞击坑和喷出物的当前火山、构造和沉积活动
		地壳(重要): 确定金星地壳的三维结构和整个表面的厚度
	金星的大气和表面是如何相互作用的	局部风化(至关重要): 评估金星上具有全球地质单元代表性的地区的表面风化岩石外部的矿物学、氧化状态和化学变化
	金星的大气和表面是如何相互作用的	全球风化(重要): 确定金星全球风化状态的成因和空间范围　化学相互作用(特定): 表征金星关键地区和全球从地表到云底的大气组成和化学梯度

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表 3 金星探测路线图任务平台

Table 3. Platforms included in the Venus exploration roadmap

平台类型	子类型	实施周期	平台描述和主要科学目标
轨道器	表面/内部	近期	单个航天器, 运行在圆形轨道、低空轨道、近极地轨道, 可完成大部分针对金星表面和内部的探测, 包括雷达成像、红外测绘、重力测量
	大气层/电离层	近期	单个航天器, 运行在偏心轨道、长周期轨道, 可进行大气遥感和原位电离层、磁层测量
	小卫星或立方星	近期	单个或多个航天器, 特定轨道运行, 开展有针对性的研究, 可为地面和空中平台提供中继和导航支持

大气层进入	飞掠	近期	大气层飞掠, 先在较高高度对金星大气采样, 随后飞离大气层进行样品分析和数据中继
	探针 (probe)	近期	进入大气层并下降到地表, 研究沿单一剖面的大气结构和成分以及近地表成像
	探空器 (sonde)	中期	探空器在下降过程中利用空中平台进行数据中继

地面平台	短期	近期	典型着陆器, 可在金星表面存活数小时, 探测着陆点附近岩石的元素和矿物成分, 包括地表深度的变化
	长期, 探路者	中期	探测器, 可在金星表面运行1个金星日(约116个地球日), 测量温度、风速和主要化学成分, 视情况携带地震传感器
	长期, 先进平台	长期	对大气、热流和地震活动分别开展短时(1个地球日)和长时(2个金星日)地表调查

空中平台	固定高度–中层云	近期	昼/夜漂浮在约20℃、标称高度 55 km 的位置, 6天内完成包括大气和内部探测在内的逆行纬向超旋转(RZS)
	可变高度–中层云	中期	漂浮高度控制在海拔50～60 km, 可探测云层内不同区域的成分和结构
	可变高度–云基	长期	使用被动热控系统将海拔控制在约40～60 km范围内, 保障常规电子设备的使用. 处于暴露位置的传感器须能承受最高150℃温度

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表 4 NASA金星探测技术需求

Table 4. NASA Venus exploration technology requirements

领域	需求
进入技术	资助确保进入技术能力水平不下降
子系统	开发用于金星环境、能力持续提升的高温电子器件、传感器、高密度电源
大气平台	通过竞争性计划确定哪种可变高度气球方案是最可行的
原位仪器	为金星环境专门设计的新仪器系统的飞行演示技术和开发
通信和基础设施	研究建立金星通信和导航基础设施的可行性和方法
先进制冷	对高效机械热转换和冷却设备的投资
下降和着陆	在金星稠密大气层中实施精确下降和着陆避险技术的新概念
自主性	专门用于金星的自动化和自主技术
小平台	开发作为大型任务补充的小型平台, 以及围绕小型平台设计新的任务类型
设备和基础设施	支持仪器和飞行系统所需的实验室设施和能力, 包括避免能力水平下降的关键技术
建模仿真	建立金星建模的系统科学方法
金星探测独特技术	继续并加强对高运行温度技术(HOTTech)等项目和其他技术开发项目的支持

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表 5 近、中、远期任务模式和适用技术

Table 5. Mission modes and applicable technologies for near-, mid- and far-term missions

实施周期	平台类型	系统级技术成熟度	子系统级技术成熟度	科学仪器成熟度
近期	轨道器	大气制动(高)	储能电池(高) 太阳能发电(高) 通信(高)	地表遥感(高) 大气遥感(高)

	小卫星	－	储能电池(高) 太阳能发电(高) 被动热控(高) 通信(高) 制导、导航和控制(高)	地表遥感(高) 大气遥感(高)

	深层探针	进入(高) 下降和部署(高) 空中平台(高)	储能电池(高) 高温机械(高) 中温电子器件(高) 通信(高) 制导、导航和控制(混合)	地表遥感(高) 原位空中平台和探针(高)

	多个浅层探针	进入(高) 下降和部署(高) 空中平台(高)	储能电池(高) 被动热控(高) 高温机械(高) 中温电子器件(高) 通信(高)	原位空中平台和探针(高)

	短期大型着陆器	进入(高) 下降和部署(高) 着陆(高) 空中平台(高) 着陆器(高)	储能电池(高) 被动热控(高) 高温机械(高) 中温电子器件(高) 通信(高) 制导、导航和控制(混合)	地表遥感(高) 原位地表短时(高)

	固定高度空中平台	进入(高) 下降和部署(高) 空中平台(高)	储能电池(高) 太阳能发电(高) 高温机械(高) 中温电子器件(高) 通信(高) 制导、导航和控制(混合)	地表遥感(高) 原位空中平台和探针(高)

中期	先进轨道器	自动化和自主性(中)	储能电池(高) 太阳能发电(高) 被动热控(高) 通信(高) 制导、导航和控制(高)	主动遥感(高–中) 被动遥感(高–中)

	亚卫星/小卫星平台	大气捕获(高–中) 小型平台(中) 自动化和自主性(中)	通信(中) 制导、导航和控制(中)	主动遥感(中) 被动遥感(高–中)

	多个深层探针和探空器	进入(高) 下降和部署(高) 小型平台(中) 自动化和自主性(中)	储能电池(高) 被动热控(中) 中温电子器件(高–中) 高温电子器件(中) 通信(高)	原位空中平台和探针(高)

	时间更长的大型着陆器	进入(高) 下降和部署(高) 着陆(高) 着陆器(中) 自动化和自主性(中)	储能电池(高) 被动热控(中) 主动热控(高) 高温机械(高–中) 通信(高) 制导、导航和控制(高)	－

	长期小平台着陆器	进入(高) 下降和部署(高) 着陆(高) 着陆器(中) 小型平台(中) 自动化和自主性(中)	储能电池(中) 太阳能发电(中) 替代能源发电(中) 被动热控(中) 高温机械(中) 高温电子器件(中) 通信(中) 制导、导航和控制(高–中)	原位地表高温传感器(中)
中期	上层和中层云层高度可控空中平台	进入(高) 下降和部署(高–中) 飞行(中) 机动(中) 自动化和自主性(高–中)	储能电池(高) 太阳能发电(高) 被动热控(高) 通信(高–中) 制导、导航和控制(中)	被动遥感(高–中) 原位空中平台和探针(中)

远期	先进轨道器/小卫星网络	大气捕获(高–中) 下降和部署(高) 小型平台(中) 自动化和自主性(中–低)	通信(高) 制导、导航和控制(中–低)	主动遥感(中) 被动遥感(中) 原位空中平台和探针(高)

	所有云层高度可控空中平台	进入(高) 下降和部署(高–中) 飞行(中–低) 机动(中–低) 自动化和自主性(中)	储能电池(高) 太阳能发电(高–中) 被动热控(高–中) 通信(高–中) 制导、导航和控制(中)	被动遥感(高–中) 原位空中平台和探针(中)

	冷却长期着陆器	进入(高) 下降和部署(高) 着陆(高) 飞行(中) 着陆器(中) 自动化和自主性(中)	储能电池(中) 放射性同位素发电(中) 替代能源发电(中) 主动热控(中–低) 高温机械(中) 中温电子器件(中) 高温电子器件(中) 通信(中) 制导、导航和控制(中–低)	原位地表高温传感器(中)

	长期着陆器网络	进入(高–中) 下降和部署(高) 着陆(高) 着陆器(中) 小型平台(中) 自动化和自主性(中)	储能电池(中) 太阳能发电(中–低) 放射性同位素发电(中) 替代能源发电(中) 主动热控(中) 高温机械(中) 中温电子器件(中) 高温电子器件(中) 通信(中) 制导、导航和控制(低)	原位地表高温传感器(中)

	地表机动	进入(中) 下降和部署(中) 着陆(中–低) 机动(低) 小型平台(低) 自动化和自主性(低)	储能电池(中–低) 太阳能发电(低) 放射性同位素发电(中–低) 替代能源发电(中–低) 主动热控(中–低) 高温机械(低) 中温电子器件(中–低) 高温电子器件(低) 通信(中–低) 制导、导航和控制(低)	主动遥感(低) 被动遥感(低) 地表遥感(低) 大气遥感(低) 原位地表高温传感器 (中–低) 原位地表长时移动实验室(低)

	云层采样返回	大气捕获(中) 进入(中) 下降和部署(中) 飞行(中–低) 小型平台(低) 自动化和自主性(低)	太阳能发电(高) 制导、导航和控制(低)	原位空中平台和探针 (中–低)

	地表采样返回	大气捕获(中–低) 进入(中–低) 下降和部署(低) 着陆(低) 飞行(低) 机动(低) 上升航天器(低) 小型平台(低) 自动化和自主性(低)	储能电池(低) 太阳能发电(低) 被动热控(低) 高温机械(低) 中温电子器件(低) 高温电子器件(低) 制导、导航和控制(低)	－

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参考文献(18)

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