独闯金星：苏联探测器为何被压扁？

金钢狼

上文书讲到了苏联发射的金星3号探测器在经过了轨道修正以后，直奔金星就去了。从地球飞到金星，大概要花3个月时间。就在金星3号正在途中的时候，科罗廖夫死在手术台上。金星3号探测器还是科罗廖夫的OKB-1设计局设计的。这个探测器还是所有工作移交给拉沃契金设计局之前搞出来的。总设计师去世，当然也不是一个好兆头。果然，没过几天金星3号就出毛病了。此时此刻，探测器距离金星只有17天的路程，就在这时候，金星3号失联了。

金星3号的绘画

苏联的测控人员无论怎么联系，探测器都没有回应，地面人员是一点办法都没有。按照最后测定的轨道，这个探测器会在1966年3月初撞上金星。尽管没有遥测数据，但是轨道毫无疑问是精确的，撞是肯定撞上了。
后来的金星4号，就已经是拉沃契金设计局完全负责了，总设计师是巴巴金。他对金星4号探测器做了不少改进，首先太阳能电池板两端的那个散热用的半球被去掉了。金星3号探测器内部是用液冷装置来维持温度，现在改成气冷的。圆盘型的散热器被装到了探测器的背阳面。而且这个圆盘也是抛物面天线的一部分，刚好一举两得。这一次天线尺寸加大了，这样可以保证更好的通讯信号。金星4号的太阳能电池板面积也加大了，电力也更加充足。

金星4号的着陆器

着陆器是个球形，直径也比金星3号的那个着陆器要大一点。这个球的重心是偏下，在金星上打开降落伞的时候更容易稳定姿态。依照国际上的共识，大家都认为金星上的气温高得吓人，达到400度以上，但是苏联科学界有不同的意见，美国的麻省理工曾经有一篇论文，说金星上正处于冰河期。水手2号的数据也没有起到一锤定音的作用，苏联设计师一时也吃不准。
巴巴金他们认为金星上的气温达到400度是有可能的。但是金星表面大气压撑死了只有10个地球大气压。所以，他们把金星4号的着陆器设计成可以耐受400度以上高温，能够承受18个地球表面大气压的耐压性，这总够用了。金星4号上甚至还包括了上次金星3号用过的那个糖锁。万一金星上气温不高，表面存在大面积的液态水。这东西就用得上了。万一金星4号探测器掉进水里，糖会溶解，会打开探测器的锁定装置，发回遥测信号。

金星4号效果图

经过这么一顿改造，这个探测器比金星3号重了足足146公斤，达到1.1吨，比水手5号大多了，水手5号才245公斤。水手5号比金星4号晚发射两天。但是速度比金星4号稍微快了一点点，因此水手5号抵达金星的时间仅仅比金星4号晚一天。在飞行了128天之后，金星4号接近了金星，紫外光探测器探测到一个微弱的氢日冕层。第二天到达的水手5号也发现了类似现象。

金星4号在距离金星表面4.5万公里的地方释放了着陆器。着陆器以每秒10.7公里的速度闯进了金星大气层。我们要知道，探测内太阳系的金星或者是水星，遇到的最大麻烦就是刹车困难。因为这个过程相当于探测器从高轨道掉到了低轨道。势能肯定是要转化成动能的。以当时的水平，如果靠火箭反推，根本就不够用。所以金星4号就不能像月球探测器那样先刹车进入环绕轨道，然后再做一步行动。只能一头撞进去再说。
所以，金星4号探测器释放的着陆器几乎是垂直砸向金星表面，金星的大气又非常浓密，所以球形表面的烧蚀材料马上就开始燃烧蒸发降温。着陆器外部的最高温度曾经一度达到了1.1万度。如果不靠烧蚀材料降温，连几分钟也坚持不了。金星4号探测器的本体完全没有防高温的设计，很快就在金星大气层里烧光了。只剩下着陆器继续往前冲。

金星4号着陆器效果图

着陆器经历的冲击过载也很大，张开降落伞的一瞬间过载达到了夸张的350G。降落伞展开以后，速度就骤降到了300米/秒，这个速度和初始速度10.7公里/秒是天差地别。这个过载是什么概念？你从10米高的跳台跳进水里，这个冲击过载大约是5G。飞行员弹射跳伞，过载大概是15~16G。
着陆器一开始开启的那个小降落伞只能做初步减速，300米/秒的速度也已经接近地球表面的音速了。探测器上的大气压力传感器一直在探测金星大气的环境。当压力达到0.6倍大气压的时候，小降落伞拽出主降落伞，开始进一步减速。

然后呢，着陆器开始和地球进行通讯，开始传回金星大气的数据。地面的科学家们看大数据的时候非常的出乎意料，因为他们发现，金星大气的氮气非常少。二氧化碳才是主要成分，这一点和地球大气很不一样。此前科学家们知道金星上肯定没有氧气，二氧化碳的含量非常高，但是没想到氮气如此之少，和惰性气体加在一起也只占了2.5%，90%是二氧化碳，剩下的份额主要是水蒸气。
地球大气的主要成分是氮气，占了70%左右。宇宙大爆炸的时候产生的元素只有氢和氦，还有少量的锂元素。氮元素其实是在恒星之中，经历了一连串核反应才造出来的。恒星在死之前，会把自己身的各种物质抛洒到宇宙空间，这些物质就成为形成下一代恒星系统的主要材料。我们的太阳系就是从这种星云之中产生的。我们的太阳是个二代目恒星。
氮元素并不是以单质气体的方式存在于太阳系星云之中，往往是和氢元素结合在一起形成了氨气。早期的地球环境很定不是现在这个样子，大气之中肯定含有大量的还原性气体，其中就包括氨气，其实早期的太阳系，大家的成份都差不多。木星的表面的那些彩色条纹，就有不少是氨气形成的。木星上的氨气存在于底层大气，随着对流被带到高空。
所以，科学家们猜测，早期金星环境也是类似的，也是个还原性大气层。那么好了，地球大气之中的氨气是怎么变成氮气的呢？那是因为太阳辐射含有大量短波紫外线，这些紫外线的能量足以把氢原子和氮原子给拆开，于是氨气就被分解了。氢元素在地球大气之中是存不住的。会逐渐逃逸，氮气比较重，会被地球引力拉住，于是地球大气之中的氮就保留下来了。
因为氮气比较稳定，不太容易和别的物质产生化合物，因此大气层里的氮气随着时间不断积累，也就越积攒越多了。按理说，金星也应该差不多啊，怎么会氮气占比如此之低呢？当时的科学家们百思不得其解。

我们还是说回着陆器。主降落伞张开以后，着陆器的速度进一步下降，基本上是在10米/秒。第一次传回数据的时候，是0.75地球表面大气压。温度为33摄氏度。随着着陆器的下降，数字在不断的攀升。
没过多久，气压计爆表了。气压计的最大量程是7巴，大约等于7个地球表面标准大气压。又过了19分钟，大气密度计也爆表了。着陆器在金星大气之中飘了93分钟之后，没了读数。最后返回的数据是气温262摄氏度，气压估计是在18巴。因为这个探测器只能承受18巴的压强。没信号了，估计就是被压瘪了。那么气压肯定就是18巴嘛。
神舟飞船从空间站返回地球表面，打开降落伞之后，也就飘个十分钟左右就下来了，马斯克的龙飞船从开伞到掉进水里，也不过才4分钟左右。金星4号的着陆器到好，打开降落伞，在金星大气之中飘了一个半钟头才下来，这还不一定是落地了，这有可能是半路上被大气压压扁了。你说这个金星大气又多夸张吧。这浓度得到什么程度，才能让降落伞飘的这么慢啊。

水手5号

不管怎么说吧，苏联人算是取得了成功。第二天美国人的水手5号从距离金星表面4096公里的高度飞掠而过，开始传回数据。水手5号对金星的质量进行了更精确的测量，探测了金星的电离层和弓形波。而且还利用和地球的无线电通讯，测量的金星的大气层。英国人的乔德雷河岸天文台的大型射电望远镜也一直在对金星4号和水手5号进行监测。
水手5号是飞掠而过，因此在金星的引力作用之下，探测器会一拐弯，从金星背后飞出去。因此水手5号和地面的无线电联系会被金星大气所折射，利用无线电信号的变化，也就可以测量金星大气的数据，利用无线电信号的遮挡，就可以精确的测量金星的半径。大家发现，金星的半径是6053公里，误差小于4公里。云顶高度为67±10公里。利用无线电穿透金星大气的过程，测量了20~90公里高度的大气温度和压力的剖面。25公里以下的部分，因为大气密度太大，无线电波会发生严重的折射。信号被这个浓厚的透镜给散射了，地球上根本收不到信号，所以无法用这样的办法去探测。

水手5号的绕行轨迹

因为这两个探测器是几乎同时抵达金星，前后只差了一天。所以这两个探测器发送的数据应该是能相互印证的，但是NASA在分析这些数据的时候，发现了不少的矛盾之处。根据无线电波的折射情况，金星表面的温度是在377~527°C之间。压力是在75巴到100巴之间。这些数值远远超过了金星4号的数据。金星4号最后传回的温度是262度，压力是18巴。这个18巴还是估算出来的。这个温度和压力与美国人测出来的金星表面参数不相符啊。
但是，如果把金星4号的数据和火星表面上空26公里高度的数据进行对比，一切都吻合的比较好，也就是说，金星4号着陆器报告的最后一批数据是在26公里的高度上，然后就坏了，没信号了。
可是苏联人雷达高度表的数据显示已经快到地面了呀。这个数据对不上了啊，到底是怎么回事呢？苏联人的解释是着陆器撞山了，落在了一个高度26公里的山顶。雷达高度表是靠电波反射来测距的，山头会影响高程读数。

金星4号着陆器落地想象图

但是美国人就是不信啊。刚好落在山头上，你这也太巧了。你这比中彩票概率都小啊。最后仔细分析雷达数据，发现这个雷达高度表不准，数据是错的，难怪了。苏联人还以为探测器落地了呢，其实并没有，而是在半空之中就被金星大气层强大的压力给压扁了。从此大家坐实了一件事，金星大气真的是比地狱还可怕。
既然知道大气的密度了，也知道金星大气又多厚了，那就可以算算金星大气的总量了。这一算又吓了一跳。我们前边不是说了，金星大气之中氮气和惰性气体加起来，也只占了2.5%吗？但是算绝对数量的话，金星大气之中的氮气总量和地球大气氮气总量是差不多的。这说明，不是金星氮气太少，而是二氧化碳太多了。
这么多的二氧化碳是哪里来的呢？这个问题一直到70年代，美国和苏联利用探测器上的雷达，对金星表面进行探测，才初步有了答案。美国人还利用阿雷西博望远镜对金星表面进行过雷达探测。

阿雷西博望远镜

没错，阿雷西博和FAST不一样，这家伙是能发射电磁波的，FAST只能收听。所以，FAST是研究射电天文学的。但是阿雷西博还可以研究雷达天文学。阿雷西博的雷达波可以从土星那么遥远的天体上被反射回来，然后被接收到，一来一回要2.6小时。这还要考虑到地球自转的因素，如果天体更加遥远，来回时间更长，等到电磁波反射回来了，阿雷西博的大天线已经随着地球自转歪到一边去了，也就无法接受回波信号了，时差成了限制阿雷西博的一个重要因素。
不过呢，阿雷西博用来探测金星表面，那是没问题的。这个话题我们按下不表，以后再讲到苏联金星系列探测器的时候，我们再讲。
苏联人在1967年其实发射了两颗金星探测器，一颗叫金星4号，另外一颗叫做宇宙167，你一听这个名字就知道，这家伙肯定发射失败了。对的，没错，苏联人是想双保险，每个发射窗口干脆一口气打两发。但是第二颗探测器因为闪电号火箭的第4级罢工了，所以探测器没能飞向金星，在8天之后坠落回了地球。失败的这一颗，苏联人当然也就黑不提白不提了。成功的这一颗金星4号，在宣传上也闹了乌龙。

乔德雷河岸天文台的MarkⅡ射电望远镜

金星4号传送了长达93分钟的数据信号，但是苏联人非常谨慎，他们没有第一时间宣布这个结果，因为他们也怕闹乌龙，让美国人笑话。但是苏联人不说话，不意味着西方不知道，你别忘了英国人设立在柴郡的乔德雷河岸天文台的大型射电望远镜一直在监听探测器的无线电信号呢。你发了些什么东西，断线没断线，人家都知道。
当然啦，如果无线电信号是加密的，英国人也解不开，不知道任务的具体细节。所以西方都在关注苏联的官方消息。莫斯科电台有消息吗？早间新闻没提。苏联科学院的院长昨天曾经透露过，金星4号释放的着陆器应该在早上4:30分左右开始着陆过程。早新闻应该有消息啊，怎么又不提了？
西方媒体正在纳闷呢？《真理报》编辑部发给乔德雷河岸天文台台长伯纳德·洛威尔爵士，你们知道金星4号发生什么事儿了吗？弄得英国人一头雾水，你问我，我还问你呢？怎么《真理报》不去问拉沃契金设计局，怎么问外国人啊？

《真理报》为金星4号出的特刊

苏联分管国防工业的乌斯季诺夫火冒三丈，把《真理报》的编辑骂了一顿。人家真理报的国际信息编辑也一肚子委屈啊。苏联科学院和人家乔德雷河岸天文台有合作，请人家帮助接收金星4号的数据。这都是公开消息，大家都知道。所以我一大早就给人家打电话，了解一下他们那边的情况，这不是很正常吗？因为电话打得太早，我还提供不好意思的呢？人家说没事，这一宿他们都没睡。都在盯着射电望远镜接收的信号呢？
然后呢，就是冠冕堂皇的客套话了。英国人也询问莫斯科那边什么时候发消息啊？真理报的编辑也就告诉他，苏联的各大媒体早就准备好了新闻稿，就等上边一声令下了。
所以人家真理报的编辑真没多说什么。这怎么就把一堆他根本没说过的话安在他脑袋上呢？伯纳德爵士是怎么跟媒体说的，怎么还带添油加醋的呀。最后还是路透社出来和稀泥，这事儿也就算过去了。
从此，苏联对这种消息的审核更加严格了，一点错也不敢出。其实苏联人不懂什么叫先入为主。你慢，你谨慎，那人家可就掌握主动权了。
不管怎么说吧，金星4号探测器还是非常成功的。这个窗口期算是过去了，下一步依然还是聚焦月球。美国人准备发射下一艘勘测者4号探测器了。这个探测器，可是一点都不让人省心。
我们下回再说