Венера - утренняя и вечерняя звезда
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Венера - кривое зеркало Земли
Космические исследователи Венеры

Аппараты "Венера-13,14"

    Межпланетные станции "Венера-13" и "Венера-14" стартовали 30 октября и 4 ноября 1981 года. Через четыре месяца, 1 марта 1982 года, спускаемый аппарат (СА) "Венера-13" совершил мягкую посадку в точке, расположенной на семь градусов южнее экватора Венеры. 5 марта СА "Венера-14" оказалась на твердом грунте примерно в тысяче километров от места посадки первой станции. С тех пор как в атмосферу "утренней звезды" прорвалась "Венера-4" (1967 год), представления об этой планете, считавшейся "близнецом" Земли, кардинально изменились. Результаты новой экспедиции: цветные панорамы поверхности, данные исследования облаков, ветра, солнечной радиации и атмосферы и элементный анализ состава поверхностных пород, выполненный на месте в 70 миллионах километрах от Земли...

    Автоматические межпланетные станции "Венера-13" и "Венера-14" в принципе похожи на своих предшественниц, но многое в их устройстве усовершенствовано и обновлено. Каждая из них состоит из двух основных блоков: орбитального и спускаемого. В полете "работает" только орбитальный - почти три десятка приборов, осуществляющих исследования на межпланетной трассе. Среди них: плазменный энергоспектрометр, измерители "солнечного ветра", космических лучей и радиационного фона, советско-французская аппаратура для определения интенсивности и координат источников гамма-всплесков солнечного и галактического происхождения, австрийский межпланетный магнитометр... Через орбитальный блок станция связана с Землей; в него поступают электромагнитные импульсы, обеспечивающие две коррекции траектории: первую через 10 и 11 суток после вылета, вторую - за 8 суток до подхода к цели.
    Межпланетные станции достигли Венеры соответственно на 122 и 121 сутки полета. Их спускаемые аппараты подошли к ней с заранее определенной скоростью - 20 тысяч километров в час. За двое суток до того на каждой из станций произошло разделение спускаемого и орбитального блоков. Первый продолжал лететь, подчиняясь силе притяжения планеты, второй - с помощью двигательной установки был переведен на траекторию, отклонившуюся от Венеры, и стал ретранслятором информации, посылаемой с планеты. Много технических трудностей пришлось преодолеть создателям спускаемого блока, которому предстояло работать при температуре до 500 градусов и давлении около 100 атмосфер, когда плавятся олово и свинец и теряют прочность алюминиевые сплавы. Все узлы и системы станций прошли стадию моделирования, были проверены в условиях, максимально приближенных к реальным космическим. Вакуум, невесомость, перепады температур, вибрация, большие перегрузки, необычайный жар вокруг и давление, в сто раз превышающее земное, - все было предусмотрено при испытаниях. Никто не знал, например, каким окажется грунт в месте посадки, поэтому буровое оборудование опробовали в камере высокой температуры и давления на породах широкого диапазона твердости - от песка до базальта.
    Многие из приборов, установленных на станциях, уже применялись. Но все они значительно усовершенствованы - позволяют проводить новые виды наблюдений и в более широком диапазоне со значительно большей точностью. Новая конструкция, например, панорамного телефотометра, рассчитана на получение не только черно-белых, но и цветных изображений. В десять (по некоторым показателям - в тридцать) раз чувствительнее стал масс-спектрометр, распознающий присутствие химических соединений и элементов даже в самых ничтожных концентрациях. Газовый хроматограф, служащий для того же, впервые оснащен тонко работающим электронно-захватным детектором. В системе спектрофотометра также впервые появился ультрафиолетовый канал (необычайно важное, как вскоре выяснилось, добавление).
    ...После интенсивного торможения на высоте около 62 километров раскрылся парашют, отстрелянный примерно через 10 минут 15 километрами ниже, когда аппарат пробил облачный слой. Затем падение сдерживал (на протяжении почти 50 минут) жесткий тормозной щиток. Скорость уменьшалась. По мере уплотнения атмосферы и к моменту посадки она не превышала восьми метров в секунду. Снижение шло точно "по графику". Все действия орбитального и спускаемого блоков были синхронны. Добиться столь высокой точности было нелегко. Приборы и устройства на внешней оболочке аппарата делали ее асимметричной, плохо обтекаемой. Нарушалась его устойчивость при движении в атмосфере и, следовательно, возрастали амплитуды колебаний и скорости вращения аппаратов при спуске.

Панорамы Венеры-13
Панорамы поверхности Венеры, переданные на Землю автоматическими межпланетными станциями "Венера-13" и "Венера-14". В верхних углах панорам - краешек неба Венеры. Видны детали станции: зубчатая корона, способствовавшая сохранению >>
Панорамы с места посадки КА "Венера-13".
аппаратами устойчивости при спуске в атмосфере, прибор для измерения механических свойств грунта (он похож на лесенку), эталонная шкала цветов. На панораме "Венера-13" заметно, как измельченный грунт слегка присыпал зубчатую оправу станции.
Панорамы Венеры-13

    Для улучшения устойчивости обычно устанавливают обтекатели. Но в таком случае пришлось бы пожертвовать рядом научных приборов - снизить научную информативность эксперимента. И тогда, тщательно исследовав влияние каждой надстройки на аэродинамические характеристики, инженеры установили на посадочной опоре аппарата зубчатую корону. Она разбивает отдельные мощные возмущающие вихри на множество малых потоков, не оказывающих заметного влияния на колебания системы. Фрагменты короны видны на всех фотографиях, переданных станциями. Работа на поверхности планеты - раскаленной, иссушенной, окутанной газовой толщей необычайной плотности - продолжалась у "Венеры-13" два часа семь минут, у "Венеры-14" - немногим меньше часа; разными были условия радиовидимости. Это - вчетверо и вдвое больше запланированных сроков. Надежность и совершенство механизмов и приборов, работавших на месте посадки, обеспечили успех всей экспедиции.
    В посадочном аппарате два герметичных отсека: сферический и эллипсоидный. От нагрева они защищены мощной теплоизоляцией. В последнем заключена научная аппаратура для измерений в атмосфере (к моменту посадки она в основном заканчивает работу). В первом, рядом с радиопередатчиками, аккумуляторной батареей, программно-временным устройством и приспособлениями тепло защиты, размещены два телефотометра с иллюминаторами и бортовая лаборатория для исследования химического состава грунта. За оболочкой посадочного устройства, поглощающей за счет смятия силу удара при посадке, находится буровая установка - предмет особой гордости геологов, исследующих планеты, приборы дли определения механических свойств грунта, цветовые тесты для синтеза цветной панорамы.
    "Глаза" научной лаборатории "открылись" сразу же после посадки, когда отделились защитные крышки. Одновременно вытянулась над поверхностью "рука" манипулятора с прибором, измеряющим прочность и электропроводность грунта. И включилось буровое устройство. И скважина им пробуренная, - первый глубокий след, оставленный человеком на Венере. Принципиально новой задачей было изучение химического состава грунта на месте. Буровая установка передала грунт для исследования автоматической лаборатории, оснащенной рентгенофлуоресцентным анализатором, работающим только в абсолютном вакууме при комнатной температуре. Применить этот метод не просто даже в наземных условиях. На Венере же - жесткие ограничения по массе, габаритам, энергопотреблению, необходимость передачи данных измерений на Землю при экстремальных значениях температуры и давления... Тем не менее было найдено оригинальное решение: саму сверхплотную венерианскую атмосферу конструкторы заставили "работать" - доставлять образцы грунта в приемную камеру.
    После того, как грунт был взят, по командам с программно-временного устройства разрывалась мембрана механизма перегрузки, за которой поддерживалось давление в одну атмосферу. Под воздействием давления сверхплотной газовой атмосферы образец продавливался в камеру и попадал в специальную капсулу. Шлюзовый канал с помощью взрыва мгновенно герметезировался, а "капля" венерианской атмосферы сбрасывалась в специальную вакуумную емкость (давление понижалось с 90 до 0,05 атмосферы). Капсула с грунтом подавалась в герметический контейнер под рентгенофлуоресцентный анализатор. Тепловой аккумулятор обеспечивал оптимальные температурные условия проведения эксперимента. По ретрансляционной линии, незримо соединявшей посадочные аппараты с орбитальным комплексом и Землей, передавалось большое количество научной информации. Эффективность линии оказалась очень высокой, поскольку сигнал ретранслировался через антенну, остронаправленную на приемные устройства Земли, одно из которых представляет собой параболическое зеркало диаметром 70 метров.
    Об атмосфере Венеры известно многое. Измерения ее важнейших параметров повторяются в каждом полете и всегда обнаруживается какая-то новая закономерность... Когда раскрылся парашют, включились датчики температуры и давления, зафиксировавшие быстрое возрастание этих показателей. Если и на высоте 60 километров температура составляла около 20°С, а давление 0,2 атмосферы, то на поверхности, соответственно, 457 градусов и 89 атмосфер (место посадки "Венеры-13") и 465 градусов и 94 атмосферы (место посадки "Венеры-14") . Но прежде чем они достигли твердой оболочки Венеры, автоматы исследовали ее облачную сферу, окружающую всю планету слоем 15-20 километров. Зондировали облака четыре прибора - нефелометр, спектрофотометр, рентгеновский флуоресцентный спектрометр и прибор "Гроза". Нефелометр - оптический прибор, снабженный искусственным источником света. Его сфокусированный луч зондирует атмосферу на "глубину" приблизительно 20 метров. Свет, рассеянный аэрозольными частицами, регистрируется. По интенсивности сигнала можно судить о содержании аэрозолей и их природе.
    Четко зафиксирована основная трехъярусная структура облаков, впервые обнаруженная в 1975 году. Отдельные ее слои отличаются друг от друга микроструктурой и числом слагающих их частиц. Примерно на километр ниже сферы облаков выявлен узкий, толщиной не более полкилометра, облачный слой, представляющий интерес с точки зрения механизма формирования венерианских облачных масс. 40 километром дымка, впервые зафиксированная в 1972 году станцией "Венера-8".
    Над местом посадки "Венеры-13" облачный слой располагается, по данным спектрофотометрии, на высоте 49 километров, "Венеры-14" - 47,5 километра. Световой поток, пройдя сквозь облака, теряет половину или чуть больше своей силы. В месте посадки "Венеры-13" освещенность составила пять килолюкс, а "Венеры-14" - семь. Следовательно, несмотря на мощную облачность, до поверхности Венеры доходит немалая доля солнечного излучения в видимом диапазоне света. Почти полностью поглощается лишь ультрафиолетовая его часть. Хорошо известен венерианский феномен: при исключительно медленной скорости вращения планеты (время одного оборота равно 243 земным суткам) облачный слой облетает вокруг нее в 60 раз быстрее. Путь к разгадке этого явления - точные измерения распределения ветра над Венерой. Скорость ветра определялась по изменению частоты радиосигнала (во время спуска на парашюте) и при помощи акустического датчика (после посадки). Физическая основа метода - использование эффекта Доплера, обусловленного зависимостью частоты сигнала от скорости движения излучателя. В данном случае - радиопередатчика на спускаемом аппарате. Советские ученые, впервые применившие эту методику на "Венере-4", располагают большой коллекцией данных таких измерений. Кстати сказать, регистрация очень небольших изменений частоты, связанных с влиянием ветра на движение аппарата, находится сейчас на пределе технических возможностей. На рисунке показано, как изменяется скорость ветра с высотой (данные "Венеры-13").

Исследования "Венеры-13,14"

    Установлено: на высоте 50-60 километров скорости ветра составляют от 50 до 60 метров в секунду. Ниже они постепенно уменьшаются и близ поверхности едва достигают одного метра в секунду. Однако надо учесть, что в плотной атмосфере и такой "ветерок" ощутим. Акустический датчик в приборе "Гроза" регистрировал шум ветра на поверхности после посадки. Кстати, уровень его соответствовал скорости 0,4 метра в секунду... На последних исследовательских станциях была использована новая схема анализа спектра солнечного света. Она позволяла детальнее, более полно, чем прежде, определить количество энергии, поглощенное атмосферой в различных спектральных областях и на разных высотах. Измерения показали: в ультрафиолетовом диапазоне (длины волн короче 400 ангстрем) солнечное излучение весьма эффективно расходуется на высоте 60- 70 километров. Не исключено (данные экспедиции наводят на эту мысль), что этот источник энергии играет важную роль в поддержании высоких скоростей ветра на больших высотах.
    С приближением к поверхности Венеры уровень коротковолновой солнечной радиации быстро понижается. Поток ультрафиолетового излучения, зарегистрированный "Венерой-14", составил около 17 ватт на квадратный метр на высоте 58 километров, а десятью километрами ниже - всего четыре ватта. Стало быть, особенно активные солнечные лучи практически не доходят до поверхности Венеры. Химический состав атмосферы исследовали, проверяя и дополняя показания друг друга, четыре прибора: масс-спектрометр, газовый хроматограф, оптический спектрофотометр и влагомер.
    Масс-спектрометр забирал из атмосферы, дозировал пробы газа и с помощью высокочастотного электрического поля сортировал ионы по массам. Такие операции начались на высоте 26 километров и продолжались до момента посадки аппаратов. Всего взято 11 проб, на Землю передано более 250 масс-спектров. Подтверждены результаты, полученные ранее: атмосфера Венеры - углекислый газ, на 3,5 процента разбавленный азотом. Высокая чувствительность и расширенный диапазон масс-спектрометров позволили определить присутствие в атмосфере Венеры некоторых ее "малых составляющих", что очень важно, поскольку наиболее доступные для изучения "следы" самых ранних стадий эволюции планет Солнечной системы зафиксированы именно в соотношении атмосферных газов. Здесь особое место занимают не вступающие в химические реакции инертные газы и их изотопы. Многие из них сохранились с момента "рождения" планеты. Они - свидетели ее истории, а, значит, и самой ранней истории Земли. Общее содержание изотопов инертных газов в венерианской атмосфере оказалось в несколько раз большим (изотопов аргона - в триста раз), чем на Земле. Кроме того, "малые составляющие" участвуют в сложной цепи атмосферных физико-химических превращений (например, в образовании облаков), играют существенную роль в становлении теплового режима атмосферы.
    Газовые хроматографы новой конструкции, работавшие на "Венере-13" и "Венере-14", позволяют измерять такие объемы многих веществ, которые не регистрируются масс-спектрометром. Например, кислород. Его в атмосфере Венеры около 0,002 процента. Впервые измерено содержание водорода - 0,003 процента на высоте около 50 километров, сероокиси углерода: 0,01 процента в той же пробе и 0,004 - на высоте 30 километров. В меньших количествах обнаружено и галогенсодержащее соединение - предположительно шестифтористая сера, в молекуле которой шесть атомов фтора и один атом серы. Совокупность имеющихся данных указывает: вертикальное распределение водяного пара на Венере имеет максимум на высоте от 40 до 60 километров (от нескольких сотых до десятых процента) и минимум на двух уровнях - вблизи поверхности и верхней границы облачного слоя (тысячные доли процента). Первый минимум понятен. А вот уменьшение концентрации влаги с высотой происходит, вероятно, потому, что водяной пар связывается серной кислотой. Первые предположения о таком поведении водяного пара были сделаны на основе данных, полученных спектрофотометром "Венеры-11", а после совместных измерений несколькими приборами на "Венере-13" и "Венере-14" это - твердо установленный факт. И все же форма вертикального профиля распределения Н2О пока не находит полного объяснения.
    При помощи рентгенофлуоресцентного спектрометра проведен анализ химического состава аэрозоля в составе облаков Венеры. Во время прохождения облачного слоя газ прокачивается через прибор, а аэрозоль накапливается на фильтре. За 10 минут прибор пропустил один кубический метр газа и собрал около двух миллиграммов аэрозоля, который был облучен радиоактивными изотопами. Его химический состав определялся посредством регистрации вторичного рентгеновского флуоресцентного излучения. В элементном составе аэрозоля основной компонент серосодержащие и хлорсодержащие (в значительно меньшей степени) соединения. Доля серы составляет 85 процентов, а хлора - 15. В эксперименте "Гроза-2" при измерении напряженности низкочастотного электромагнитного поля вновь зарегистрированы атмосферные электрические разряды, впервые обнаруженные "Венерой-11" и "Венерой-12", а также акустические шумы (в том числе возбуждаемые ветром после посадки) и механические колебания грунта в месте посадки (микросейсмическая активность). И в атмосфере, и в недрах планеты бывает, очевидно, немало "гроз"...

Панорамы Венеры-14
Панорамы поверхности Венеры, переданные на Землю автоматическими межпланетными станциями "Венера-13" и "Венера-14". В верхних углах панорам - краешек неба Венеры. Видны детали станции: зубчатая корона, способствовавшая сохранению >>
Панорамы с места посадки КА "Венера-14".
аппаратами устойчивости при спуске в атмосфере, прибор для измерения механических свойств грунта (он похож на лесенку), эталонная шкала цветов. На панораме "Венера-13" заметно, как измельченный грунт слегка присыпал зубчатую оправу станции.
Панорамы Венеры-14

    Определение химического состава поверхностных пород Венеры явилось одной из главных задач экспедиции. Применение для этой цели рентгеновского флуоресцентного спектрометра (РФС) на Венере - дело нелегкое. Для того, чтобы прибор работал нормально, при доставке проб грунта к прибору, давление окружающей их атмосферы требовалось понизить в 2000 раз, а температуру - в 15-20 раз; эта задача была решена. Образец породы облучался радиоактивными изотопами плутония-238 и железа-55. Внутренние электронные оболочки атомов возбуждались, и они излучали рентгеновские кванты, которые регистрировались газоразрядными датчиками, анализировались и запоминались 256-канальным амплитудным анализатором. А радиоволны за четыре минуты доставляли сигналы на Землю, где ученые сразу же видели характеристический спектр излучения, ширина и высота линий которого говорит об относительном содержании разных химических элементов в породе. За время работы "Венера-13" передала около сорока, а "Венера-14" - двадцать таких спектров. На рисунке приведены некоторые из них.
    Спектры эти рассказали исследователям: в месте посадки станции "Венера-13" коренные породы представлены претерпевшим заметное химическое выветривание калиевым щелочным базальтом с повышенным содержанием магния. Геологам известно, что на Земле калий в магматических породах появился только 2-2,6 миллиарда лет назад. Мы не знаем возраста встреченных на Венере базальтов, но не исключено, что они тоже достаточно древнего происхождения, а их химический состав говорит о большой глубине инъекции расплавов и очень малой степени их дифференциации. Образцы, взятые станцией "Венера-13", содержат 45 процентов окиси кремния, 4 - окиси калия, 7 процентов окиси кальция. В месте посадки "Венеры-14" породы заметно отличаются. Здесь окись кремния составляет 49 процентов, окись калия - 0,2, окись кальция - 10 процентов. Этот состав отвечает земным "океаническим" базальтам.
    С помощью автоматов впервые удалось провести прямые измерения физико-химических свойств грунта. Многозвенный рычажковый механизм вогнал конусолопастный штамп в грунт с силой, определенной заранее, и повернул его там. Прочность отдельных небольших камней составила несколько десятков килограммов на квадратный сантиметр. Получение цветного изображения Венеры - один из важнейших итогов советской экспедиции. Черно-белый лик Венеры, надежно закрытый облаками от посторонних взглядов, увидели на Земле впервые семь лет назад. Теперь перед нами планета в цвете. Оптико-механическая система, положенная в основу космического телевидения, точно измерила световой поток от каждой точки обозримого пространства, и светочувствительный приемник преобразовал его в электрический сигнал, ушедший на Землю. Так просто свершилось это чудо - мы узнали, какого цвета поверхность далекой планеты...
    На спускаемых аппаратах установлены два наклонных телефотометра, направленных на объект съемки под углом 50 градусов к вертикальной оси аппарата. Угол обзора 180 градусов по горизонтали и 37 - по вертикали. Это дало возможность увидеть довольно большой участок. Передача изображения по вертикальным строкам (а их более тысячи) - дело долгое, при таких гигантских расстояниях в особенности. Но для новых посланцев к Венере оно было сокращено вдвое - до 14 минут. Для черно-белой картинки этого времени вполне достаточно. Однако, чтобы получить цветную, нужно повторить передачу трижды, пропустив световой поток через синий, зеленый и красный светофильтры. И те, кто снаряжал экспедицию, беспокоились, сумеет ли "телецентр Венеры" выполнить свою задачу. Но станции работали значительно дольше, чем предполагалось, и успели передать на Землю две полные круговые панорамы в цвете. Отсвет желто-оранжевого неба (оно видно в верхних углах панорам) лежит на всей планете. Телекамеры космического телевидения зафиксировали сильнейшее подавление синего сигнала; по существу этот светофильтр оказался не нужен. Причина ясна - ведь коротковолновая часть спектра солнечного света почти полностью поглощена облаками. И нет никаких сомнений, что панорамы познакомили нас с истинными цветами Венеры. Космонавт, окажись он там, увидел бы тот же желто-оранжевый отблеск на всем. Однако в условиях земной освещенности раскраска пород, слагающих поверхность Венеры, была бы другой. И ученые, обрабатывающие материалы экспедиции, надеются извлечь недостающие цвета из черно-белой "картинки", в которой заключен весь спектр света.
    Будто специально, чтобы помочь земным ученым, Венера бросила горсть своего грунта на зубчатую оправу аппарата... На переднем плане панорам можно видеть детали размером в несколько миллиметров. Внешний вид пород в местах посадки станции различен. "Венера-13" оказалась в раскаленной каменистой пустыне с невысокими выступами коренных скальных пород. В понижениях между ними видна более темная поверхность рыхлого мелкозернистого грунта, содержащего угловатые обломки камней размером до пяти сантиметров. В правом и левом углах панорам (там, где проходит линия горизонта) на расстоянии 100-200 метров видны невысокие, до 4-8 метров, крутосклонные холмы. На них неясно угадываются какие-то полосы: не пласты ли пород? В левой части обеих панорам, снятых "Венерой-13", в коренных обнажениях и крупных глыбах отчетливо видно: следы выветривания ориентированы в одном направлении. Общий же облик коренных обнажений свидетельствует об их глубоком химическом преобразовании. Все это вместе с данными о химическом составе пород указывает, что в районе посадки станции "Венера-13" мы скорее всего имеем дело с древним туфолавовым покровом.
    На панорамах, полученных "Венерой-14", виден относительно ровный участок каменистой равнины - сплошное, уходящее к горизонту, обнажение скальных пород. Отчетливо различаются слои, образующие многочисленные горизонтальные ступени высотой от одного до десяти сантиметров. Поверхность их ровная, чистая, с извилистыми трещинами. Слоистость пород в месте посадки "Венеры-14" подобна той, которая свойственна земным осадочным породам, причем отложение тонкого пылевидного материала, видимо, происходило в достаточно спокойной, а не в турбулентной (вихревой) среде. Ландшафт типичен для территорий, покрытых продуктами взрывных извержений вулканов. На Земле подобные отложения иногда также распространяются на многие тысячи квадратных километров, а выброс подобного тонкого материала даже сейчас, при ограниченном проявлении вулканизма, достигает 3 миллиардов тонн в год. Наличие и состав подобных образований на Венере говорит о том, что рожденные мантией базальтовые расплавы насыщены газами, а сама мантия обеднена водой.

     Все эти данные позволяют выделить по формам рельефа и геологической структуре три типа поверхности Венеры (сформированные в разное время, но состоящие только из пород базальтовой группы), отвечающие трем этапам ее эволюции: древние холмистые равнины, сложенные калиевыми щелочными базальтами; низменности, покрытые вулканическим туфом, тоелитовым базальтом; молодые щитовые вулканические постройки, изливающие лавы, близкие по составу к земным островодужным известково-щелочным базальтам. Правда, мы еще ничего не знаем о составе пород горных массивов Иштар и Афродита - венерианских аналогов земных материков.

студия дизайна интерьера спб
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru