由于它恰好是我们的隔壁邻居，你可能会想象我们对金星这个星球有透彻的了解。但你错了。美国宇航局已经 30 多年没有访问过这个星球了，这个地方有很多我们几乎不了解的地方，从它的地质历史到它表面的岩石种类，它的大部分环境本质上都是一个谜。
科学家们认为金星曾经和地球一样，但两者在进化过程中的某个时刻发生了分歧，变成了今天截然不同的地方。我们知道金星有一层厚厚的大气层，可以保持热量，使它成为太阳系中最热的行星。我们知道它的表面覆盖着山脉、裂谷和火山，尽管我们不知道这些是否仍然活跃。
关于金星仍然未知的一个原因是它厚厚的大气层隐藏了它的大部分地形，而且很难透过云层看到下面的东西。另一个原因是它是一个令人毛骨悚然的荒凉之地。在它的烘烤温度和它浓稠、充满酸的气氛之间，没有任何人造物体在其表面存活超过几分钟。
但如果我们想更多地了解隔壁这颗神秘的星球，我们需要去参观它。而这正是 NASA 的 DAVINCI 任务计划要做的事情，通过将一个探测器放入大气层中，在它落到地表时一直向下读取读数。该任务将是未来十年前往金星的三项任务之一，计划于 2029 年发射，并于 2031 年抵达金星，使其在大气层中坠落。
为了了解如何构建探测器以抵御这种地狱般的环境，以及我们可以从中学到什么，我们采访了 DAVINCI 团队的两名成员：该任务的首席研究员 Jim Garvin 和系统项目工程师 Mike Sekerak。
金星的大气层是怎么回事？
金星代表了行星科学的前沿，考虑到它离我们有多近，我们对此知之甚少。上层云层下方发生的事情是一个特别有趣的问题。
“大气的特征，从云层顶部到地表——这个巨大的、巨大的大气，其中 75% 的质量位于下部 15 到 20 公里——几乎没有被探索过，”加文说。
在 1960 年代和 1970 年代发送到金星的探测器试图收集有关大气的数据，并取得了一些成功。但之前对大气进行的测量并不可靠，因为之前的探测器存在物理问题，例如入口堵塞和可用的技术有限。这导致了一些混乱的读数，加文说：“其中一些没有意义。”
特别是低层大气在许多方面都是一个谜。它可能是一种超临界流体，其中的温度和压力非常大，以至于它像液体一样四处晃动。还有一个问题是行星表面的岩石如何与大气相互作用。
研究大气和表面可以帮助回答我们对金星的最大问题之一：它的表面是否曾经有液态水海洋，如果有，它们发生了什么？
两大挑战
金星不是一个适合探测的地方：它的温度是烤箱的两倍，而且表面上的压力比一公里海洋以下的压力还要大。
“我们在这里面临的技术挑战非常令人兴奋，”Sekerak 说。任何潜在的金星任务的最大问题是热量，因为表面温度可能高达 900 华氏度（475 摄氏度）。那温度足以熔化铅，并且会对电子设备造成严重破坏。
不过，这只是环境挑战的一部分。 “然而，就困难而言，压力并不大，”塞克拉克说。地表压力约为 95 巴，或接近地球表面大气压的 100 倍，因此为这种环境设计探测器有点像建造潜艇。
当它落入大气层时，DAVINCI 将与时间赛跑，在热量和压力破坏其组件之前收集所需的所有信息。为了尽可能长时间地保持探头处于活动状态，它呈球形并覆盖在厚钛壳中以承受压力并隔热。然后这个外壳内部有更多的绝缘材料，由特殊材料制成，包括 astroquartz，一种由熔融石英制成的纤维。
内部的设计也使组件与外部保持热隔离，以防止热量从外壳转移。然后将其充满二氧化碳气体，以保护高压电子设备免受火花，并阻止任何地球气体在发射过程中泄漏。
总体而言，该团队称为下降球的探测器宽约一米。它将从带有降落伞的轨道器中释放以减缓其下降速度，尽管大气层对此有所帮助，因为它太厚了，更像是将探测器从水中放下而不是穿过空气。
总的来说，探测器到达地面需要 63 分钟，在这 1 个小时内，它将尽可能多地收集数据，然后不可避免地被残酷的环境摧毁。
一路向下采样
下降球将穿过大气层并一直向下采样，以构建从顶部到底部的大气图片。
球体内部将是光谱仪等仪器，类似于火星探测器好奇号和毅力号上的仪器，可以通过观察样品吸收的光的波长来测量样品的化学成分。但与需要数小时或数天才能收集和仔细分析样本的火星探测器不同，DAVINCI 必须在几分钟内完成采样和分析。
球体上方的各个点都有进气阀，陶瓷盖会破裂以吸入气体。必须非常快速地分析这些气体，然后将其排出，以便采集更多样品。这将使探测器能够最详细地了解大气所有层的化学成分。
在这种情况下，探测器中的其他传感器将测量温度和压力等因素，以帮助了解大气的结构。然后所有这些数据将在探测器撞击表面之前发送回轨道器。
探头仅设计用于向大气采样，而不是着陆。但是，当它确实降落在地表时，它就有可能存活下来。厚厚的大气层和降落伞将有助于减缓它的下降速度，但是，“它肯定会以呃，不适合航天硬件的速度撞击，”Sekerak 笑着说。
但是，如果探测器确实在着陆过程中幸存下来，它可能会持续长达 20 分钟的时间来收集数据，然后热量会渗入球体并烧毁电子设备。这将是关于表面温度和压力以及存在的气体的更多额外数据。
了解大气的化学成分只是 DAVINCI 目标的一部分。另一部分，对公众来说可能是最令人兴奋的，是拍摄神秘的金星表面。
人类尺度的金星
加文说，探测器将在“金星山脉，人类从未见过的一种地形”下落。该团队希望以视觉和化学方式记录这种体验。
下降球体还将有一个摄像头，用于拍摄表面的高对比度图像，然后可以将其构建成 3D 地图。
但是，要让相机在金属球内运行，您需要一个窗口。而且玻璃不是处理强烈高压环境的好材料。这就是为什么 DAVINCI 的窗户不是由玻璃制成，而是由蓝宝石制成。
“它实际上是一块非常非常大的蓝宝石，”Sekerak 说。 “因为它具有出色的光学特性。”它非常坚固但也非常清晰，因此不会扭曲通过它拍摄的图像。但不可避免的是，让光线进入的窗户也会让更多的热量进入，因此工程师们在窗户组件周围添加了相变材料。这种材料在特定温度下熔化，以吸收窗户的多余热量。
这将允许相机在下降过程中拍摄清晰、锐利的图像。这些将用于拍摄金星的地形，从高处一直到表面本身。
“我们的最终图像将具有 10 厘米的分辨率，”加文说。 “这就是你在客厅看到的比例。”
除了提供丰富的科学数据外，加文还希望以这种规模捕获图像将帮助公众感觉他们可以将金星视为一个真实的地方，而不仅仅是一个可以从远处观察的点。
“我们希望将人类的视觉和感官感知带到金星，”他说。 “我们将开始在人类尺度上感知金星。”
测试未知
金星任务中真正棘手的部分甚至不是处理我们所知道的挑战，比如温度和压力。它试图预测一个我们知之甚少的环境可能会带来哪些挑战。
这就是为什么测试和准备工作将成为 DAVINCI 团队未来七年工作的重要组成部分，为计划于 20219 年的发射做准备。
“我们进行最坏情况测试，”Sekerak 解释说。 “所以我们测试了最坏的环境可能是什么。”
例如，研究人员知道金星的云中有几滴硫酸，硫酸会腐蚀物质。对于将下降球连接到降落伞的 Kevlar 挂绳来说，这是一个特别值得关注的问题。因此，为了测试挂绳是否能承受酸性环境，工程师们不只是将其悬挂在几滴酸中——他们将整个表面涂上酸液，然后测试挂绳的拉力以确保它能够存活足够长的时间即使在最坏的情况下，也要让探头穿过大气层。
至于如何在与地球不同的环境中测试硬件，你必须要有创意。为了了解金属球加热需要多长时间，该团队将其带到了金属铸造厂。 “他们的工作是熔化金属，”Sekerak 说。 “我们把仪器放在那里练习加热，测量热流。”
这个想法是为每个关键系统建立足够的余量，以允许行星可能向球体抛出任何未知数。 Garvin 解释说：“我们已经建立了……很多工程思想和降低风险的方法。”
这甚至会影响收集数据的方式。 “如果我们在金星上度过了愉快的一天，我们可能会得到 500 张下降图像，”他说。 “如果我们有人类已知的绝对最糟糕的一天，我们可能会得到 35 回。但是 35 比我们进行这种映射所需的要多得多。”当然，更多的图像意味着更多的信息，这是更可取的，因为它可以实现更多的科学。但即使在最坏的情况下，他们也会发现宝贵的信息。
总是有新东西要学
即使按照雄心勃勃的大太空任务标准，访问金星也是一项巨大的挑战。但就我们可以学到的东西而言，潜在的回报是巨大的。
了解金星本身就会很有趣。但这对于我们了解系外行星也很重要。随着像詹姆斯韦伯太空望远镜这样的任务发现和研究太阳系外的新行星，我们需要一个参考点来探测地球、火星和金星等岩石行星。
我们对地球和火星的基本特征有了相当扎实的了解，通过添加来自金星的数据，我们将能够更好地了解遥远的行星。
“金星将成为一个校准点，用于我们将能够通过韦伯和超越的大型望远镜看到和理解的大型、岩石、大气行星，”加文说。
当然，还有大多数人的本能，去学习和探索，去新的地方旅行。 “这就是我喜欢从事这些太空探索任务的原因之一——我们要去一个我们不太了解的地方，”Sekerak 说。
我们已经学到了很多关于为地球和火星环境建造的知识，现在我们可以将其中的一些知识应用到不同的地方。为这种环境建造将扩展我们的技术，用探测器访问它可以开始解开它的一些谜团。正如 Sekerak 所说，在参观一个新的太空环境时，“总有一些新东西可以学到。”