Полеты к Венере

Ну что же! Наконец-то Венера! Мы подробно изучили исследования Луны, сегодня перейдем к таинственной, скрытой плотными облаками планете Венере.

Исследование Венеры с помощью космических аппаратов началось в 1961 г., Луны – в 1959 г. Всего два года разделяют начало полетов, но о Лунной программе мы знаем многое, Лунная гонка на слуху, а об исследовании Венеры – кто-то не знает совсем, кто-то позабыл.

Сегодня мы узнаем, кто был первым (а по-хорошему, главным) в освоении Венеры.

Красавица неба, «вечерняя и утренняя звезда» не раз была воспета поэтами и композиторами, описана в произведениях великих писателей, изображена на картинах знаменитых художников.

По силе блеска Венера - третье светило на небе после Солнца и Луны, и ее можно видеть иногда даже днем в виде белой точки на небе.

Меркурий, Венера, Земля, Марс

Венера — самая близкая к нам планета Солнечной системы, однако расстояние от Земли до Венеры постоянно меняется потому, что обе планеты движутся по круговым орбитам вокруг Солнца с разной скоростью. Так, Венера делает полный круг вокруг Солнца за 224,7 дня, тогда как Земля — за 365,26, поэтому их максимальные сближения и удаления повторяются лишь каждые 584 дня. Минимально возможное расстояние от Земли до Венеры 38 млн. км. Максимально возможно расстояние 261 млн. км.

К примеру, расстояние от Земли до Луны – 0,357 – 0,406 млн. км), от минимальное расстояние от Земли до Марса – 56 млн. км.

Благодаря тому, что Венера находится к Солнцу ближе, чем Земля, мы иногда можем наблюдать замечательное явление — прохождение Венеры по диску Солнца.

В телескопе Венера кажется очень большой, гораздо больше, чем Луна для невооруженного глаза, но разглядеть на ней ничего невозможно. Видимая поверхность этой планеты всегда белая, однообразная и на ней ничего не видно кроме неопределенных тусклых пятен. Это происходит потому, что Венера покрыта плотной атмосферой и всегда затянута белым облачным покровом, который мы и видим, рассматривая Венеру в телескоп.

А что же находится под этим облачным покровом на самой поверхности Венеры? Есть ли там материки, моря, океаны, горы, реки - ответа на эти вопросы оптическая астрономия дать не могла.

В начале 60-х годов 20 века с помощью радиолокационных исследований установили, что у поверхности Венеры есть рельеф, период вращения планеты вокруг оси – около 243 земных суток. Неожиданным оказалось направление вращения Венеры – обратно орбитальному вращению – Солнце восходит на ней на Западе. Радиотелескопы смогли подтвердить, что на Венере очень жарко, но значения температуры назывались разные. Данные о химическом составе атмосферы, об атмосферном давлении могли дать только космические аппараты, проникшие под гущу облаков.

Напомню, что первую станцию, полетевшую к Луне, отправил СССР. «Луна-1» в 1959 г. пролетела на расстоянии 6000 км от Луны, выполнив успешно часть программы, а уже через 8 месяцев «Луна-2» успешно достигла поверхности нашего спутника. Через месяц «Луна-3» передала впервые фотоснимки обратной стороны Луны.

Первый американский аппарат, частично выполнивший свою миссию (пролет мимо Луны» назывался «Пионер-4» - он стартовал через 3 месяца после «Луны-1», а первый успешный аппарат – «Рейнджер-7» - только в 1964 г.

Сейчас мы уже многое знаем о Венере, и я хотела бы дать табличку, наглядно показывающую разницу условий на ближайших к нам небесных телах.

Венера, Земля, Луна, Марс, Титан

Космический аппарат Венера-1

СССР запустил космический аппарат (КА) «Венера 1» 12 февраля 1961 года.

Ракета-носитель «Молния» с разгонным устройством для полезной нагрузки, впервые в мире вывели КА на межпланетную траекторию.

Этот КА был снабжён вымпелом СССР, который был вмонтирован в спускаемый аппарат, способный держаться на плаву в водном океане на Венере (таковы были представления о природных условиях на поверхности этой планеты). Масса запущенного КА составляла 645 кг.

Аппарат «Венера-1» был также оборудован приборами для измерения интенсивности космических лучей, напряженности межпланетных магнитных полей, регистрации микрометеоритов и т.п.

Через 7 суток после запуска, на расстоянии 1,9 миллионов километров от Земли, связь с КА была потеряна.

До этого с КА «Венера 1» были получены данные о параметрах солнечных космических лучей в окрестностях Земли, а также до расстояния почти в 2 миллиона километров от Земли. После открытия солнечного ветра, сделанного с помощью КА «Луна 2», данные с аппарата «Венера-1» подтвердили наличие плазмы солнечного ветра в межпланетном космическом пространстве.

Американцы неудачно попытались запустить аппарат «Маринер-1» (погиб из-за аварии ракеты-носителя) и успешно – 27 августа 1962 года близнеца «Ма́ринер-2».

Аппарат имел массу 203 кг и был оборудован научными приборами для измерения магнитного поля, инфракрасного и микроволнового излучения, детектирования частиц высоких энергий, метеоритной пыли. Фотокамеры станция не имела.

В декабре 1962 года аппарат прошёл на расстоянии 34,7 тыс. км от Венеры. «Маринер-2» передал данные, подтверждающие теорию об экстремально горячей атмосфере планеты, обнаружил отсутствие у Венеры магнитного поля (в пределах чувствительности аппарата), измерил скорость вращения планеты вокруг своей оси. «Маринер-2» также проводил непосредственные измерения параметров солнечного ветра В начале января 1963 года связь со станцией прекратилась.

Далее в 1962 г. мы попытались запустить станции 2МВ 1 №№1 и 2, более совершенные, по сравнению с «Венерой-1», но авария разгонных блоков привела к неудаче.

А 2 апреля 1964 г. (обратите внимание – лунная гонка в разгаре, прошло всего 3 года с первого полета человека в космос, а мы параллельно продолжаем полеты к Венере!) мы запустили КА Зонд 1 - первый из космических аппаратов серии Зонд, предназначенных для изучения космического пространства и отработки техники для дальних космических полётов. Он был запушен для испытаний бортовых систем и получения научной информации на трассе перелёта к Венере и вблизи неё.

Связь с космическим аппаратом была потеряна 14 мая 1964 года при его удалении от Земли на 14 млн. километров.

Исходя из баллистических данных, можно предполагать, что 14 июля 1964 года Зонд 1 осуществил неуправляемый пролет Венеры на расстоянии около 100 тыс. км от неё и продолжил свой полёт вокруг Солнца.

Интересна дальнейшая судьба этой серии. Зонд 2 и Зонд 3 (который ещё и передал изображения обратной стороны Луны) были отправлены к Марсу 30 октября 1964 года и 18 июля 1965 года соответственно.

Последующие космические аппараты серии Зонд (4 – 8), имели иную конструкцию с массой более пяти тонн. Они были предназначены для отработки систем и агрегатов для осуществления облёта Луны и возвращения космонавта на Землю.

Космический аппарат Венера-2

Космический аппарат (КА) «Венера 2» был запущен 12 ноября 1965 года. Для дублирования возможности решения его научных задач 16 ноября 1965 года был запущен КА «Венера 3».

На аппарате «Венера 2», как и на КА «Венера 3» при полёте по траектории межпланетного перелета проводились научные эксперименты по измерению содержания нейтрального водорода в межпланетном космическом пространстве; по исследованию галактических космических лучей; по изучению солнечного длинноволнового радиоизлучения, а также солнечных космических лучей и магнитных полей в межпланетном пространстве.

На этом КА была установлена телевизионная система и научные приборы для исследований Венеры с пролётной траектории. 28 февраля 1966 года аппарат пролетел на расстоянии 24 000 км от планеты Венера. За время миссии было проведено 26 сеансов связи. Однако система управления КА вышла из строя ещё до его подлёта к Венере. Поэтому никаких данных о Венере получено не было.

В отличие от аппарата «Венера 2» в состав КА «Венера-3» был включён спускаемый на Венеру космический аппарат.

Спускаемый аппарат представлял собой шар диаметром 92 сантиметра. В нём был размещён металлический глобус Земли (напомню, в те годы всерьез обсуждалась разумная жизнь на Марсе, а о Венере не знали толком вообще ничего – а вдруг и там есть жизнь или туда «заскакивают» таинственные гуманоиды), внутри которого находился вымпел с изображением герба Советского Союза. В спускаемом аппарате были также установлены научные приборы (в частности, способные измерять параметры волнения моря на поверхности Венеры – предполагалось, что с большой вероятностью его посадка произойдёт на водную поверхность).

1 марта 1966 года спускаемый КА «Венера-3» достиг планеты Венера и врезался в её твёрдую (как стало понятно позднее) поверхность. Он стал первым в истории космическим аппаратом, который достиг другой планеты и вошел в ее атмосферу.

За время полета с перелётным КА «Венера-3» было проведено 63 сеанса связи. Однако система его управления вышла из строя ещё до подлёта к Венере. Поэтому он не передал никаких данных о Венере и телеметрии со спускаемого аппарата.

Неудачи? Вовсе нет! Это называется «частично успешные миссии» - из 5 миссий 4 наши, одна американская.

Космический аппарат "Венера-4"

Задачи, поставленные перед межпланетной станцией "Венера-4":

проникновение в атмосферу Венеры до максимально возможной глубины;

осуществление попытки посадки на поверхность планеты;

передача телеметрической информации в процессе погружения в атмосферу и после посадки на Венеру.

Автоматическая станция "Венера-4" состояла из орбитального отсека и спускаемого аппарата.

Спускаемый аппарат имел форму, близкую к шару диаметром 103 см и состоял из двух герметичных отсеков: приборного и парашютного. В парашютном отсеке была установлена двухкаскадная парашютная система, состоящая из тормозного парашюта с площадью купола 2,2 м² и основного парашюта с площадью купола 55 м². Перед стартом спускаемый аппарат прошел стерилизацию с целью предотвращения заноса на Венеру микроорганизмов земного происхождения. Общая масса автоматической станции "Венера-4" составила 1106 кг.

Снаружи спускаемый аппарат был покрыт теплозащитой с применением сублимирующих материалов. Для предотвращения разогрева аппарата в процессе спуска между внешней теплозащитой и корпусом была расположена многослойная теплоизоляция из стеклотекстолитовых сот с прослойками из асботекстолита.

12 июня 1967 года ракета-носитель «Молния» вывела «Венеру-4» на траекторию к Утренней звезде.

В ходе перелета 29 июля 1967 года на расстоянии 12 миллионов километров от Земли двигателем была проведена "солнечная" (с ориентацией только по Солнцу) коррекция траектории, позволившая ликвидировать ошибки выведения.

Спустя 128 суток после старта, 18 октября 1967 года, станция "Венера-4" сблизилась с планетой.

При входе станции "Венера-4" в атмосферу со скоростью ~11 км/с был отделен спускаемый аппарат. Какое-то время орбитальный аппарат еще передавал телеметрию и научную информацию, пока не разрушился.

Спускаемый аппарат при входе в атмосферу Венеры испытал перегрузки в 300 единиц.

После аэродинамического торможения до скорости ~210 м/с была отстрелена верхняя крышка СА и последовательно введена парашютная система. Вместе с раскрытием основного парашюта раскрылись антенны радиовысотомера и передатчика, включились научные приборы, и началась передача научной информации со скоростью 1 бит в секунду, что соответствовало одному опросу в 48 секунд.

Сразу при включении радиовысотомер выдал метку соответствующую 26 километрам, что ввело всех в заблуждение. Этот факт дал повод некоторое время утверждать, что спускаемый аппарат станции "Венера-4" совершил посадку на поверхность планеты. На самом деле, по последующим оценкам, парашют раскрылся на высоте 61-65 км.

Давление и плотность измерялись вплоть до зашкаливания приборов, поскольку верхний предел манометра составлял 7,3 атмосферы. Только измерение температуры проводилось в течение всего спуска аппарата на парашюте в течение 93 минут до момента пропадания связи. За это время температура изменялась от 33 до 262°С. После пересчета показаний давления, плотности и температуры, было получено значение величины давления 17-20 атмосфер, соответствующее температуре 262°С. В свою очередь, такие параметры атмосферы соответствовали высоте ~28 км. На этой высоте спускаемый аппарат разрушился.

Программа полета станции "Венера-4" была выполнена полностью.

Главным результатом полета станции "Венера-4" стало проведение первых прямых измерений температуры, плотности, давления и химического состава атмосферы Венеры.

Газоанализаторы показали преимущественное содержание в атмосфере Венеры углекислого газа (~90%) и совсем незначительное содержание кислорода и водяного пара.

Научные приборы орбитального аппарата станции "Венера-4" показали отсутствие у Венеры радиационных поясов, а магнитное поле планеты оказалось в 3000 раз слабее магнитного поля Земли. Кроме того, с помощью индикатора УФ-излучения Солнца была обнаружена водородная корона Венеры, содержащая примерно в 1000 раз меньше водорода, чем верхняя атмосфера Земли. Атомарный кислород обнаружен не был.

Через сутки после «Венеры-4» в околопланетном пространстве Венеры появился американский космический аппарат «Маринер-5», приблизившийся к планете на расстояние 4100 километров. Было осуществлено радиозондирование, построен вертикальный разрез ионосферы и нейтральной атмосферы вплоть до уровня 5 атм. «Маринер-5» пролетел мимо планеты.

Космический аппарат "Венера-5".

5 января 1969 г. стартовала «Венера-5», а 10 января - «Венера -6». Это было великое время полетов на другие планеты. Мы и американцы штурмовали Луну. А параллельно осуществлялся венерианский проект. 16 и 17 мая того же года они вошли в атмосферу Венеры и провели исследование ее глубоких слоев.

Спускаемый аппарат станции "Венера-5" проектировался в расчете на внешнее давление 25 атмосфер и температуру у поверхности планеты 290±10°С против 10 атмосфер и 425°С соответственно в предыдущей модели. Увеличение прочности достигалось за счет увеличения толщины стенок, то есть веса. Пришлось снять магнитометр, чтобы уложиться. Для того, чтобы спускаемый аппарат как можно меньше времени провел в атмосфере Венеры, уменьшили площадь обоих парашютов, а второй парашют был сделан из термостойкой (до 500 гр С) материи.

Подлет к Венере осуществлялся с теневой стороны относительно Солнца. Станция "Венера-5" достигла планеты 16 мая 1969 года спустя 131 сутки после старта. 52,5 минуты длился спуск на парашюте. За это время были проведены измерения температуры, давления, освещенности и химического состава атмосферы планеты на участках, где температура изменялась от 25 до 320°С, а давление от 0,5 до 27 атмосфер, что соответствует диапазону высот от 55 до 18 км над поверхностью. Станция разрушилась на высоте 18 км.

Автоматическая межпланетная станция "Венера-6"была запущена с космодрома Байконур 10 января 1969 года ракетой-носителем "Молния-М". «Венера-6» являлась полным аналогом станции «Венера-5», как по конструкции, задачам и схеме полета, так и по составу научной аппаратуры. Станция «Венера-6» достигла планеты 17 мая 1969 года спустя 127 суток после старта или всего лишь через сутки после прилета «Венеры-5».

КА «Венера-6» был предназначен для доставки в атмосферу Венеры спускаемого аппарата. В ходе снижения аппарата были проведены измерения температуры, давления, освещенности и химического состава атмосферы планеты на участках, где температура изменялась от 25 до 320°С, а давление от 0,5 до 27 атмосфер, что соответствует диапазону высот от 55 до 18 км над поверхностью. За время спуска было выполнено свыше 70 измерений давления и свыше 50 измерений температуры. Прием сигнала со спускаемого аппарата прекратился при внешнем давлении 27 атмосфер, что превышало расчетные значения для СА (25 атмосфер). При этом до поверхности планеты оставалось еще около 18 км.

Космический аппарат "Венера-7"

Автоматическая станция "Венера-7" явилась дальнейшим развитием станций "Венера-4", "Венера-5" и Венера-6".

В отличие от предыдущих экспедиций основной целью при запуске в 1970 году ставилась уже посадка на поверхность планеты. Поэтому в состав исходных данных вошла и скорость ветра у поверхности Венеры, которая по расчетам составила 1,5 м/с.

Исходя из принятых условий, был спроектирован принципиально новый спускаемый аппарат «Венера-7». Он должен был выдержать давление, которое в 6 раз превышало расчетное давление для станций "Венера-5" и Венера-6". При этом требовалось проработать на поверхности, то есть при максимальном давлении, не менее 30 минут.

Чтобы выдержать такое давление, корпус спускаемого аппарата изготовили из титана. Такой корпус мог выдержать внешнее давление 180 атмосфер.

Тепловая изоляция нижней полусферы была выполнена из стеклопластика, а верхней полусферы - из стекловаты, которая заполняла ячейки стеклосот. Для уменьшения перегрузок при посадке было установлено амортизационное устройство.

Высокое атмосферное давление позволило заменить двухкаскадную парашютную систему на однокаскадную с рифленым парашютом конусной формы площадью 2,8 м². ". Изготовлен парашют был из отечественного материала стеклонитрон.

Для обеспечения достаточной прочности купол парашюта изготавливался из 4 слоев ткани. После выгорания нитрона обеспечивалась воздухопроницаемость купола, гарантирующая его надежное функционирование.

Автоматическая межпланетная станция "Венера-7" была запущена с космодрома Байконур 17 августа 1970 года ракетой-носителем "Молния-М".

Все полеты к Венере дублировались, и 22 августа 1970 года в 8 часов 6 минут 8 секунд был произведен запуск ракеты-носителя "Молния-М" со второй станцией, которая по конструкции, составу бортовых систем и научной аппаратуре была аналогична станции "Венера-7". Первые три ступени ракеты-носителя отработали штатно, но из-за сбоя программного устройства произошел взрыв двигателя разгонного блока НВЛ, в результате чего автоматическая станция осталась на околоземной орбите под названием "Космос-359".

Спустя 120 суток после старта, 15 декабря 1970 года станция "Венера-7" достигла планеты. Во время аэродинамического торможения скорость аппарата уменьшилась с 11,5 км/с до 200 м/с. При этом максимальные перегрузки достигали 350 единиц.

На высоте около 55 км от поверхности Венеры, при внешнем давлении порядка 0,7 атмосферы система автоматики осуществила ввод в действие парашюта, и 15 декабря в 8 часов 34 минут 10 секунд спускаемый аппарат станции "Венера-7" впервые в мире совершил посадку на поверхность Венеры.

Космический аппарат в течение 53 минут передавал на Землю информацию, в том числе, около 20 минут с поверхности планеты.

При входе СА в атмосферу произошел отказ телеметрического коммутатора, в результате чего на Землю передавалась только температура окружающей среды, которая изменялась от 25 до 475 градусов Цельсия.

Постоянные измерения соотношения сигнал/шум принимаемого на Земле сигнала позволили зафиксировать уменьшение в момент посадки уровня сигнала почти в 30 раз. Это могло означать влияние ветра на спускаемый аппарат во время посадки или его опрокидывание.

Оказалось, что давление у поверхности Венеры составляет 90±15 атмосфер, а температура - 475°±20°С.

Обратите внимание: каждый полет – это как бы «проба пера». По сути, конструкторы начинали вслепую, но постепенно, от полета к полету, космические аппараты менялись, и их миссии становились все успешнее. Нельзя просто так успешно полететь в космос, на Луну, на Марс. Либо аппарат должен быть приспособленным к любым неизвестным неожиданностям, что невозможно – мы ограничены в весе полезной нагрузки имеющимися параметрами ракеты-носителя, либо нужны вот такие пробные полеты.

Космический аппарат "Венера-8"

И вот автоматическая межпланетная станция "Венера-8" была запущена с космодрома Байконур 27 марта 1972 года ракетой-носителем "Молния-М".

31 марта 1972 года в 7 часов 2 минуты 33 секунды был произведен запуск ракеты-носителя "Молния-М" со второй станцией-близнецом "Венеры-8". На межпланетную траекторию станция не вышла вследствие аварии разгонного блока. Аппарат, получивший название "Космос-482", остался на околоземной орбите.

"Венера-8" по целям и задачам полета практически полностью повторяла станцию "Венера-7". По результатам полета станции "Венера-7" была скорректирована модель атмосферы Венеры, что позволило проектировать спускаемый аппарат "Венеры-72" под реальные условия с небольшим запасом. Вместо расчетного давления 150 атмосфер было принято 105 атмосфер, а вместо 540° - 493°С. Стенки спускаемого аппарата сделали тоньше, изменили теплозащиту.

Было переделано и передающее антенно-фидерное устройство.

Основная спиральная антенна работала только на участке снижения, а после посадки из спускаемого аппарата "выбрасывалась" дополнительная антенна. Корпус этой антенны был изготовлен в виде плоской шайбы с четырьмя складывающимися лепестками, так что одной из своих плоских сторон он должен лежать на поверхности Венеры. Торцы диска являются излучателями, а установленный внутри него гравитационный переключатель после фиксации антенны включает на излучение верхнюю сторону.

Спустя 117 суток после старта, 22 июля 1972 года станция "Венера-8" достигла планеты. При входе в атмосферу Венеры от станции отделился спускаемый аппарат.

После 55 минут плавного спуска на парашюте в атмосфере аппарат совершил посадку на освещенной стороне Венеры вблизи экватора, причем вертикальная скорость в момент касания составила 8,3 м/с. Прием радиосигнала и телеметрической информации продолжался еще в течение 50 минут после посадки. Все это время бортовые системы и научные приборы работали нормально, что позволило получить полную информацию не только об атмосфере Венеры, но и об условиях на ее поверхности.

Программа полета станции "Венера-8" была выполнена полностью.

Были получены следующие параметры окружающей среды на поверхности планеты Венера: температура — 470±8 °C, давление — 90±1,5 атмосферы. Эти значения подтвердили данные, полученные предыдущей станцией — «Венера-7». Измерения освещённости показали, что нижний слой облаков находится достаточно высоко над поверхностью, и атмосфера достаточно прозрачна ниже облаков, так что на поверхности Венеры возможна фотосъёмка, как в пасмурный день на Земле.

Исследования атмосферы планеты показали, что объёмное содержание аммиака находится в пределах 0,01-0,1 %. Измерения показали наличие широтного ветра, направленного от терминатора на дневную сторону, то есть в направлении собственного вращения планеты.

По измерениям мощности отраженных от поверхности радиоволн, излучавшихся бортовым радиовысотомером, получены оценки диэлектрической проницаемости и плотности грунта. Результаты измерений позволяют сделать вывод, что в районе места посадки СА поверхностный слой планеты является достаточно рыхлым, с плотностью грунта 1,4 г/см3.

С помощью гамма-спектрометра, регистрировавшего интенсивность и спектральный состав естественного гамма-излучения, были проведены первые определения характера пород планеты Венера по содержанию в них естественных радиоактивных элементов (калия, урана, тория), как на этапе спуска, так и после посадки. По содержанию радиоактивных элементов и по их соотношению венерианский грунт напоминает земные гранитные породы.

Как видите, за 11 лет исследований Венеры (1961 – 1972 г.г.) американцы смогли осуществить только две частично успешные миссии.

Впереди – наши успешные мягкие посадки, передача изображения, исследование рельефа. Об этом я расскажу в следующей статье. Кстати, вопрос: мы так успешно осваивали Венеру… что пошло не так с Марсом?

По результатам исследований был создан глобус Венеры.

Рельефный глобус Венеры диаметром 135 см был выполнен под заказ для Московского планетария к его открытию после длительной реставрации. Для изготовления глобуса широко использовались технологии 3d печати.