NASA选择金星样本返回任务

在但丁·阿利吉耶里的史诗《神曲》中，著名的一句话“进入这里的人放弃所有希望”装饰着地狱之门。有趣的是，但丁对地狱的想象恰如其分地描述了金星上的情况。金星的平均温度为450°C(842°F)，大气压力是地球的92倍，并且还有硫酸雨云，金星是太阳系中环境最恶劣的。难怪航天机构自太空时代伊始就一直在探索金星大气层时遇到如此困难。

尽管如此，仍有许多任务建议可以在金星地狱般的环境中生存足够长的时间以完成样本返回任务。其中一项提案是“从金星表面返回样本”，由航空航天工程师兼作家杰弗里·兰迪斯和他在美国宇航局格伦研究中心的同事提出。他们提出的概念被选入今年的NASA创新先进概念(NIAC)计划。它由一架太阳能飞机组成，可以直接从金星大气层中制造推进剂，并将样本返回漫游车部署到金星表面。

兰迪斯和他的同事们已经开发了大约20年的太阳能飞机探索金星的概念。兰迪斯在2001年发表的第一篇论文《用太阳能飞机探索金星》中指出，太阳能飞机如何能够安全地探索金星云层之上——距地表约60公里(37英里)。他声称，在这个高度，太阳强度“相当于或大于陆地太阳强度”，而且大气压力使飞行比在火星上更容易。

他还指出，金星的缓慢自转将确保飞机持续暴露在阳光下，并且不需要为夜间飞行储存能量。在2003年发表的一篇论文《金星大气层飞行：概念设计》中，兰迪斯和来自NASA格伦以及伊利诺伊大学的同事分享了潜在太阳能飞机机队的规格。两年后，紧随其后的是2005年的“利用太阳能飞机进行金星大气层探索”，兰迪斯和这些同事主张执行距金星表面50至75公里(31至47英里)的大气层探索任务。

该区域是金星“中层大气”的一部分，温度范围为-100°C(-148°F)至约30–70°C(86–158°F)，暴露于硫酸雨的可能性极小。更重要的是，由于金星的自转周期很慢(243天)，在云层上方飞行的太阳能飞机也会常年暴露在日光下。正如兰迪斯通过电子邮件告诉《今日宇宙》：

“金星的中间大气层几乎是地球上最未知的区域，仅仅在这个区域驾驶飞机就可以带来一些有趣的科学成果。飞机的优势在于它们可以完全控制飞行;你可以去你想去的地方，而不是风送你去的地方。为了样本返回，飞机让我们可以选择与返回火箭进行受控交会。”

在2004年发表的后续论文“金星表面和大气的机器人探索”中，兰迪斯提出了一种任务架构，其中包括表面机器人和太阳能飞机。机器人将在金星表面探索50天(其整个生命周期)，而飞机将在金星表面上方100公里(62英里)至60公里(37英里)之间(即云层上方)探测金星大气层。从那时起，兰迪斯和他在美国宇航局格伦的同事开始考虑材料科学的进步如何使地面任务成为可能。

2008年，兰迪斯和他的团队向NASA的金星科学技术定义小组(STDT)提出了他们的概念。据他们透露，该概念机的翼展为9米(29.5英尺)，长7m(23英尺)，采用可折叠设计，可以放入航空壳内。一旦到达金星，该飞机就会展开，并且比气球和太阳能飞艇等其他机载概念具有许多优势。兰迪斯和他的团队随后进行了多项研究，并且设计随着时间的推移而不断发展。

可以说，这个概念在过去20年里已经发生了很大的变化，并且它的存在源于许多不同的来源。在被选用于第一阶段NIAC开发的最新版本中，该飞机依靠一氧化碳火箭技术，直接从金星大气中产生自己的推进剂。正如兰迪斯告诉《今日宇宙》的那样，这个概念仍然符合最初的想法，并且可以实现金星的第一次样本返回任务：

“我写的第一篇论文是关于金星飞机的，早在2001年，当时我们仍然希望通过在另一个星球上的首次飞行来庆祝莱特飞行器一百周年会是令人兴奋的。我们看到的太阳能飞机不过，过去是为了在高层大气中飞行，而不是在炎热的近地表大气中飞行。但美国宇航局格伦和其他地方正在开发高温电子设备，因此有理由开始思考是否有可能实际上一路飞到地面然后返回。”

“另外，我们正在研究其他任务的现场推进剂生产，我开始思考，我们还能在哪里考虑应用尚未分析的现场推进剂生产，特别是，它可以在哪里真正实现原本几乎不可能完成的任务有何不同?”兰迪斯说。“金星样本返回就是出于这种想法。”

该飞机将配备一个利用高温表面系统的表面元件。正如之前文章中探讨的那样，科学家们花了数年时间研究可以在金星地狱般的环境中运行的概念。这导致了各种各样的建议，其中包括“蒸汽朋克”技术、风帆或能够承受金星大气层的极端高温和压力的特殊电子系统。此外，该飞机还可以获得大气样本，或许可以解决金星云层中是否存在生命的争论。

“对于地表样本，这主要是地质学和矿物学任务，”兰迪斯说。“大气样本对于天体生物学也具有巨大的科学价值，并且将成为更困难的表面样本任务的良好垫脚石。最近在金星云层中发现磷化氢使得云采样器的想法更加令人兴奋。”

随着第一阶段的资金到位，兰迪斯和他的同事现在专注于将概念任务架构转变为详细设计。正如兰迪斯所解释的那样，这将包括一个逐步的作战概念(CONOPS)，其中所有任务组成部分将被结合起来以制定大规模预算，产生一些硬数据，并表明它是可行的。展望未来，兰迪斯和他的同事希望他们的提案能够带来远远超出金星和火星范围的飞行器和探索应用：

“我确实认为，由火星“洞察”直升机开创的行星探索的下一个重大步骤是飞行。原位资源利用虽然被广泛讨论，但尚未在任何太阳系天体(地球除外)上进行尝试。将这些放在一起应该会为探索许多行星体打开大门。”