行星探測在技術上是一件非常困難的任務,與在地球附近運轉的衛星、月球探查機迥然不同。探查機距離地球越遠則通訊越花時間,因此想從地球上送出指令控制探查機也會因為從送出命令至實際執行產生的時間差而失去時效,所以探查機本身必須能夠掌握周遭情況自行下判斷。探查機也要考量所置身不同的環境中都能正常運作(例如承受更多太陽熱量等)。要實現這樣的任務需要極為高超的技術,行星探查機的開發與運用考驗著太空開發的總體戰力。

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各國金星探查機
  蘇聯在1967年~83年送往金星的Venera完成了穿越金星大氣降落等任務除了地表的元素組成及地形外對於大氣組成及溫度、壓力等金星基本資料的取得也貢獻很多,但這些觀測所取得的資料都是僅限於探查機降落場所的片段資訊。美國麥哲倫(Magellan)太空船在1990年~94年繞行金星運轉但是以探測表面地形為主因此直到今日仍然無法捕捉到金星大氣的全貌。2005年11月發射的歐洲"金星特快車"(Venus Express)是沿著連結南北兩極的極軌道繞行金星,著重在大氣的化學組成分析。這種軌道使得金星特快車不太能夠偵測雲的時間性連續變化但卻能探知南北極上空雲的狀態。

 

  AKATSUKI(Planet-C/黎明破曉之意)是日本第一架觀測被厚實雲層籠罩充滿謎團的金星大氣探查機,其基本系統以隼鳥1號工程實驗機為基底,發射重量517.6公斤,推進裝置由一具以聯氨/四氧化二氮為推進劑的500牛頓推力軌道變動主引擎與十二具以聯氨為推進劑的23牛頓推力姿態控制引擎所組成,通訊裝置為一具相對於拋物面天線重量較輕不易過熱的平面高利得天線與二具中利得天線。在2010年5月由H2A202火箭發射升空,與火箭分離時AKATSUKI以每秒11.7公里速度脫離地球重力圈進入霍曼轉移軌道直接飛向金星,12月3日準備進入近金點300公里遠金點80000公里傾斜角度172度、週期1.25天的繞行金星橢圓周回軌道,因推進裝置內氦加壓槽與燃料槽之間的檢查閥堵塞影響了用來冷卻燃燒室的聯氨流進主引擎,過多的四氧化二氮氧化劑導致燃燒溫度過高而毀壞了噴嘴與燃燒室喉部。使得逆噴射減速的時間過短而沒被金星引力拉進周回軌道,但AKATSUKI仍然在正常運作控制下,繼續在與金星公轉軌道相似但位在較內側軌道上繞太陽公轉。因主引擎推力只剩下原本的10%已無法再進行逆噴射進入環繞金星軌道,JAXA決定結合四具推力超過破損主引擎的姿態調整引擎來進行逆噴射,並把剩下的65公斤氧化劑四氧化二氮排棄來降低探查機重量;因為姿態調整引擎的比衝低於主引擎使得探查機必須放棄原本計畫的軌道改為進入高度較高的周回軌道。2015年12月AKATSUKI再度與金星會合,使用探查機頂部的四具姿態調整引擎點火20分鐘進行逆噴射後終於成功進入近金點400公里遠金點440000公里傾斜角度3度、週期13.6天的高橢圓周回軌道。 2016年3月姿態調整引擎將再點火把周回軌道遠金點降低成高度330000公里,縮短軌道週期為9天並展開2年的科學觀測。

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  金星半徑約6000公里與地球半徑(6400公里)差不多,而且金星與太陽間的平均距離大約1.08億公里,其公轉軌道與地球公轉軌道相差約4000萬公里,是距離地球最近的行星。金星的大小和地球差不多位置又是在地球隔壁因此被稱為地球的姊妹星球。但是金星表面環境卻和地球完全不同,地球表面的氣壓為1大氣壓但金星表面氣壓卻高達90大氣壓左右,這個壓力相當於地球海洋深度900公尺處的壓力。此外金星表面的溫度也高達攝氏460度左右宛如煉獄一般。金星表面之所以如此炙熱最可能是因為金星大氣有96%的成分是二氧化碳,因而產生強烈的溫室效應所致。地球的大氣中二氧化碳佔全體的0.038%左右,這個比例由於人類活動而逐漸增加使得暖化問題醞釀成災,或許可以說金星正是行星暖化到極點的面貌。在地球上二氧化碳溶於海中在海底形成碳酸鹽埋在地球內部,如果把這些全部取出那麼地球大氣中的二氧化碳可能與金星不相上下,說不定地球和金星在剛誕生時是非常類似的,到了某個時間點才走向不同的命運之途演變到今天成為迥然不同的行星。藉著詳細調查現在的金星能夠闡明當初促成使這對姊妹行星走向不同命運之途的原因。

 

金星之謎-----超自轉(super rotation)
金星表面高度50~70公里附近有濃硫酸形成的厚雲覆蓋著整個金星,在雲層上端高度70公里附近有風速大約每秒100公尺的風,在任何緯度都一樣地沿著金星自轉方向颳,大約每4天環繞金星一圈(4日循環)這現象稱為"超自轉"。地球上類似的定常性吹颳的風有中緯度上空的偏西風與低緯度的貿易風,地球自轉週期為一天赤道上的自轉速度為每秒460公尺而金星的自轉週期為243天旋轉速度很慢,其赤道上的自轉速度才每秒1.6公尺(跟人類走路速度差不多)。地球的大氣運動會與自轉速度差不多,但金星是個例外大氣以自轉速度的60倍在旋轉。AKATSUKI探查機的主要任務就是要闡明超自轉的機制,必須詳細地調查地表至雲的上端的大氣運動,了解各種高度的大氣運動時刻變化就能知道某個高度的大氣會對緊鄰其上方與下方的大氣施予什麼樣的力,這樣就能夠得知促成超自轉的能量來自何處以及如何傳遞了(雲層運動與風速分布的逐時調查)。

 

AKATSUKI探查機的科學儀器

 AKATSUKI是追隨著超自轉造成的金星整體雲層運動一起繞著金星旋轉,如此就能追蹤與超自轉不一致的雲層細微運動進而調查力在大氣中如何傳遞。AKATSUKI在通過比較靠近金星的位置時會拍攝雲層特寫照片,此時也會使用無線電波穿透金星大氣層來調查溫度結構。AKATSUKI共攜帶了五部各種波長相機來觀測各種高度的大氣流動,分別是「1微米紅外線照相機(1μm infrared cameras;IR1)」、「2微米紅外線照相機(2μm infrared cameras;IR2)」、「長波紅外線照相機(longwave infrared camera;LIR)」、「紫外線攝像儀(Ultraviolet imager;UVI)」與「閃電氣輝照相機(Lightning and airglow camera;LAC)」與一部用於電波科學實驗的「超穩定發振器( Ultra-stable Oscillator;USO」,科學酬載重量約34公斤。

金星擁有壟罩著整個金星的厚雲因此利用可見光並無法看到雲層下方的景象,但其他波長的電磁波能夠透視雲層下方及地表的景象。搭載的IR1與IR2分別能夠偵測波長1微米前後與2微米前後的紅外線,能夠把高度大約50公里左右的雲層的濃淡有如剪影般呈現出來。IR1也能調查地表附近的水蒸氣量以及地表的狀態,如果有正在噴發的火山也能夠偵測到。金星的大氣層主要成分是二氧化碳,會在大氣上層被陽光分解產生一氧化碳,這些一氧化碳可能順著大氣垂直方向的流動運送到雲層下方因此調查一氧化碳的濃度能夠得知大氣垂直方向的運動,IR2負責偵測雲層下方高度約35~50公里的一氧化碳濃度。LIR能夠偵測雲發出波長8~12微米的紅外線藉以調查雲頂上方的溫度分布,即可知道這種熱對流所造成垂直方向的大氣流動從而得知雲層的高度;藉由調查雲頂的運動也調查「子午面循環」(金星南北極連線方向流動的行星規模大氣運動)。UVI則是用來探索二氧化硫的分布。前蘇聯的Venera12與美國的先鋒號曾經觀測到可能是閃電而產生的無線電波,但是未曾直接觀測到閃電的發光,因此AKATSUKI也搭載LAC期望能發現閃電探討發生的機制。USO發射無線電波穿透金星大氣朝地球傳送來調查鉛錘方向的溫度分布。

 

 AKATSUKI的五部照相機,左邊紅色圓圈是閃電氣輝照相機,圓筒狀物為長波紅外線相機往下依序是紫外線攝像儀、1微米照相機與2微米照相機。

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