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

Бурение на Венере

    В марте 1982 г. АМС «Венера-13» впервые в мире провела бурение грунта Венеры. О подготовке и проведении этого выдающегося эксперимента рассказывает заместитель главного конструктора НПО им.Лавочкина, главный конструктор по направлению, д.т.н. В.Перминов.

    При полетах автоматических межпланетных станций (АМС) «Венера», созданных в НПО имени С.А.Лавочкина, был получен большой объем научных данных, позволяющих лучше понять природу загадочной планеты, которую еще три века назад ученые принимали за звезду. Венера нехотя открывала свои тайны автоматическим станциям землян. В 1967 г. спускаемый аппарат (СА) «Венеры-4», впервые в истории передавший на Землю информацию с другой планеты Солнечной системы, сообщил, что атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа. При полетах последующих станций было установлено, что давление атмосферы у поверхности планеты составляет 95 кг/см2 при температуре 470°С, а облачный слой, состоящий из капелек серной кислоты и хлористых солей соляной кислоты, имеет толщину порядка 20 км. СА передали на Землю черно-белые панорамы места посадки, а также данные о физико-механических характеристиках венерианского грунта.

В марте 1982 г. АМС «Венера-13» впервые в мире провела бурение грунта Венеры.
АМС "ВЕНЕРА-13"

    Однако отсутствие данных по составу поверхностных пород планеты, по мнению ученых-планетологов, являлось непреодолимым барьером на пути развития представлений о возможном происхождении и истории формирования Венеры. Ученые надеялись, что технические специалисты найдут пути решения этой проблемы. Мы, специалисты НПО им.Лавочкина, понимали, что, создав сложнейшую автоматическую систему, можно доставить образцы венерианского грунта на Землю, но, поскольку этот путь был трудным и дорогим, решили проработать возможность забора образцов грунта и анализ его элементного состава на борту посадочного аппарата (ПА). Для этого решения имелись определенные предпосылки:
    1) Для СА станций «Марс-6», -7 Институт геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) имени В.И.Вернадского разработал аппаратуру для анализа марсианского грунта. Элементный состав последнего определялся рентгеноспектрометром (выносной блок детектирования с газоразрядными счетчиками, работающими при давлении 0.06 кг/см2 и температуре атмосферы минус 100°С, и многоканальный анализатор в приборном отсеке СА).
    2) Проводимые в различных институтах и на предприятиях разработки по долгоживущей венерианской станции хотя и не были завершены, но полученные результаты позволяли надеяться на возможность использования некоторых решений.
    3) В Ташкентском филиале Конструкторского бюро общего машиностроения (КБОМ) было создано оригинальное грунтозаборное устройство (ГЗУ), с помощью которого станция «Луна-24» произвела бурение на глубину 2 м с последующей доставкой образцов лунного грунта на Землю. Некоторые решения этой разработки также могли быть использованы при создании венерианского ГЗУ. Общая схема эксперимента мне представлялась такой:
    – установка с электроприводом осуществляет бурение и измельчение венерианского грунта;
    – измельченный грунт с помощью пневмотранспорта подается к блоку детектирования, установленному в приборном отсеке ПА, и вакуумируется для обеспечения условий работы блока;
    – информация из блока детектирования поступает в многоканальный анализатор и передается по радиоканалу на Землю.

    1 - Расцепка ОО и СА (до Венеры – 800 тыс. км, время полета – 48 часов);
    2 - Скорость увода;
    3 - Траектория ОО;
    4 - Траектория СА;
    5 - Траектория полета СА;
    6 - Условная граница атмосферы (высота – 100 км);
    7 - Траектория полета ОА;
    8 - Заход за видимый диск Венеры относительно Солнца (время – 40 мин.);
    9 - Высота пролета – 1500 км;
    10 - Радиус Венеры 6100 км;
    11 - Заход за видимый диск Венеры относительно Земли (8 мин);
    12 - Участок фотографирования (34 мин);
    13 - Начало радиосвязи ОО с СА;
    14 - Направление на Солнце;
    15 - Местная вертикаль;
    16 - Расчетный участок радиосвязи ОО с СА (2 часа);
    17 - Резервный участок радиосвязи ОО с СА (0.5 часа)
СПУСК СА АМС "ВЕНЕРА"

    В.Г.Елисеев, начальник Ташкентского филиала КБОМ, с которым мы обсудили идею эксперимента, заинтересовался предложением о разработке ГЗУ и, при условии положительного решения генерального конструктора КБОМ В.П.Бармина, согласился включиться в работу. Переговоры с В.П.Барминым, быстро оценившим актуальность эксперимента и возможность решения ряда проблем, закончились положительно.
    За создание уникального электропривода буровой установки взялся главный конструктор объединения «Машиноаппарат» Г.Ф.Катков, научное руководство по эксперименту и ответственность за разработку блока детектирования возлагались на ГЕОХИ, а разработка и изготовление многоканального анализатора – на Специальный НИИ приборостроения (СНИИП).

    1 - Разделение СА и ОА за 2 сут до подлета к Венере.
    2 - Вытяжной парашют.
    3 - Вход в атмосферу Венеры, баллистический спуск.
    4 - Парашют увода.
    5 - Отстрел крышек парашютных отсеков, ввод вытяжного парашюта и парашюта увода.
    6 - Отвод верхней теплозащитной оболочки, ввод тормозного парашюта.
    7 - Тормозной парашют.
    8 - Отстрел нижней теплозащитной оболочки.
    9 - Отстрел тормозного парашюта.
    10 - Посадка.
    11 - Земля.
    12 - ОА, используемый как ретранслятор.
СПУСК СА АМС "ВЕНЕРА"

    НПО имени С.А.Лавочкина отвечало за интеграцию составных частей эксперимента, разработку программы комплексных испытаний и проведение испытаний в составе ПА, а также за разработку пиротехнического блока. Все новое всегда связано с преодолением трудностей. Так случилось и с новым экспериментом. Стало известно, что СНИИП не может изготовить анализатор в заданный срок. Переговоры с руководством института закончились безрезультатно, и я сообщил об угрозе срыва эксперимента нашему куратору в ВПК- В.А.Сальникову. Он не смог изменить положение вещей и доложил обстановку своему начальству. Вскоре меня вызвали на доклад в Кремль.
    По длинным коридорам здания, минуя строгих, но вежливых часовых, добираемся до кабинета зампредседателя ВПК Б.А.Комиссарова. Короткая беседа заканчивается приглашением: «Поехали!». Садимся в черную «Волгу», вылетаем без предъявления пропусков через Спасские ворота мимо козыряющих милиционеров и вскоре подъезжаем к СНИИПу. Нас уже ждали и без оформления документов (удобно ездить с большим начальством!) провели к директору. Руководитель института, ссылаясь на необходимость выполнения важных государственных заказов, продолжал настаивать на переносе сроков изготовления анализатора. Только предложение Б.А.Комиссарова выполнить эту работу в cверхурочное время за дополнительную оплату из фондов Совмина привело к соглашению.
    Следующая проблема была связана с термокамерой высокого давления. Существующая в НПО Лавочкина единственная в мире камера высокого давления (КВД), диаметром 1.5 м с изменяемыми по заданному закону давлением и температурой углекислой атмосферы, не позволяла испытывать полностью собранный ПА с диаметром посадочного кольца 1.8 м. Учитывая, что установленные на кольце научные приборы на ПА предыдущих «Венер» не имели функциональной связи с приборным контейнером, их испытания в КВД мы проводили раздельно. В новом эксперименте ГЗУ было связано с приборным контейнером, и возникла необходимость испытаний ПА целиком.
    Документацию на новую КВД выпустил зам. главного инженера В.В.Купченко, отвечающий в НПО Лавочкина за разработку испытательного оборудования. Центральная часть камеры – толстостенный цилиндрический колпак с полусферическим днищем, с внутренним диаметром 2.4 м и высотой 3 м – по условиям безопасности должна была быть цельной. Камеру собирался делать Ижорский завод под Ленинградом.

    1 - Отсек парашютной системы.
    2 - Отсек научной аппаратуры, работающей в облачном слое.
    3 - Научная аппаратура.
    4 - Телефотометр.
    5 - Служебная аппаратура.
    6 - Прочный корпус.
    7 - Теплоизоляция.
    8 - Теплозащитный корпус.
    9 - Посадочное устройство.
    10 - Научная аппаратура.
    11 - Аэродинамическое тормозное устройство.
    12 - Антенна.
СПУСКАЕМЫЙ АППАРАТ АМС "ВЕНЕРА"

    Его расположение у воды облегчало доставку 270-тонной центральной части КВД до г.Химки, но транспортировка такого груза от канала до завода по Ленинградскому шоссе оказалась невозможной из-за недостаточной прочности переходов и мостов. На строительство специальной дороги не было ни денег, ни времени…
    Выход из создавшейся ситуации нашел начальник испытательного комплекса В.И.Давыдов, предложивший проводить испытания не полностью собранного ПА с ГЗУ, а специально разработанного фрагмента с полным сохранением функциональных связей между составными частями эксперимента. Это замечательное предложение позволило использовать для комплексной экспериментальной отработки существующую КВД.
    С большим трудом удалось решить проблему передачи на Землю информации с СА. Для выполнения программы научных исследований последний должен был осуществить посадку на освещенную, но невидимую в данное время поверхность Венеры. Из-за отсутствия прямой видимости СА с Земли информация могла быть передана только при использовании в качестве ретранслятора станции, видимой с Земли. На «Венерах-9» и -10 эта проблема решалась за счет использования оригинальной схемы полета: СА входил в атмосферу планеты, облетая ее с одной стороны, а станция выходила на орбиту ее искусственного спутника с другой стороны и как бы «зависала» над местом посадки аппарата, обеспечивая устойчивую связь с Землей в метровом диапазоне волн в течение двух часов и более.
    Но тогда АМС стартовали в оптимальный по астрономическим условиям год – энергии одной ракеты «Протон» с разгонным блоком хватало как для доставки на Венеру СА, так и для создания искусственного спутника планеты. Последующие «астрономические» годы были неблагоприятными: станцию – спутник планеты нужно было выводить отдельным «Протоном». Для уменьшения стоимости и сложности проекта мы пытались использовать станцию после отделения СА для ретрансляции информации с ПА на Землю. Однако максимальная длительность связи в этом варианте по расчетам не превышала 30 мин, что было недостаточно для проведения исследований и тем более для передачи цветных панорам места посадки. В итоге в эскизном проекте был принят вариант с запуском четырех КА: двух для доставки СА и двух для создания искусственных спутников Венеры. Аналогичный вариант использовался в проекте «М-73» для исследования Марса в 1973 г.

    1 - Спускаемый аппарат.
    2 - Научная аппаратура.
    3 - Остронаправленная антенна.
    4 - Блок баков.
    5 - Радиатор горячего контура системы терморегулирования.
    6 - Прибор ориентации на Землю.
    7 - Научная аппаратура.
    8 - Приборы ориентации на звезду.
    9 - Приборы ориентации на Солнце.
    10 - Малонаправленная антенна.
    11 - Приборный отсек.
    12 - Научная аппаратура.
    13 - Баллон системы ориентации.
    14 - Радиатор холодного контура системы терморегулирования.
    15 - Газовые сопла системы ориентации.
    16 - Магнитометр.
    17 - Солнечная батарея.
    18 - Орбитальный аппарат.
АМС "ВЕНЕРА - 13, 14"

    Воспоминания о трудностях, с которыми нам тогда пришлось встретиться, подталкивали нас к поиску более простого варианта. Зам. главного конструктора НИИ приборостроения Ю.Ф.Макаров, ответственный за создание бортового радиокомплекса, предложил создать радиоканал «ПА – станция» в дециметровом диапазоне волн с использованием параболической антенны станции. За счет большого коэффициента усиления этой антенны дальность, а следовательно, и время связи увеличивалось. Станция, двигаясь по пролетной траектории, должна была, перенацеливая антенну, отслеживать координаты ПА. Этот вариант, обеспечивающий длительность связи более двух часов, имел существенный недостаток: ориентация параболической антенны на ПА исключала возможность ретрансляции информации на Землю, и мы лишались контроля состояния бортовых систем станции в самом ответственном и напряженном сеансе.
    Отложив этот вариант про запас и повинуясь внутреннему ощущению возможности использования для ретрансляции информации станции «на пролете», я попросил В.Н.Хейфеца – эрудированного специалиста нашего ОКБ – еще раз рассмотреть возможность увеличения времени сеанса связи, варьируя координатами посадки аппарата, траекторией движения станции, синхронизацией их взаимного положения и другими параметрами. Настойчивость увенчалась успехом: используя метод математической статистики, В.Н.Хейфец показал, что при определенных условиях возможно увеличить время связи ПА со станцией до часа, а в некоторых случаях даже больше. Вздохнув с облегчением, мы прекратили изготовление искусственных спутников Венеры, значительно сократив расходы на программу. Метод передачи информации с ПА с использованием станции на пролетной траектории, на который было получено авторское свидетельство, был отмечен дипломом Госкомитета по делам изобретений и открытий СССР как лучшее изобретение года.
    Время, оставшееся до старта станций, неумолимо сокращалось. В ГЕОХИ уже была отработана методика анализа грунта с блоками детектирования, но ГЗУ еще не была доведена и темпы ее отработки снижались. Вероятно, сказалась смена руководства в Ташкентском филиале КБОМ (В.Г.Елиссев перешел на работу в Москву) и усталость исполнителей от напряженной работы по наземным испытаниям.
    Работа оживилась после назначения И.В.Бармина (в то время начальника отдела КБОМ) ответственным за создание ГЗУ и ведущего конструктора НПО Лавочкина О.С.Федорова – ответственным за комплексные испытания ГЗУ на стендах нашего объединения. Вскоре мы перешли к этапу испытаний в КВД, где была подтверждена работоспособность системы при тестах трех фрагментов с вращательно-ударным бурением различных по прочности образцов грунта с транспортировкой породы и анализом грунта. Дополнительно О.С.Федоров по договоренности с ГЕОХИ получил восемь образцов грунта, паспортизованных блоком детектирования, и передал их для независимого анализа в другой институт.
    Результаты лабораторных исследований отличались от данных, полученных блоком детектирования, не более чем на 5%.
    30 октября и 4 ноября 1981 г. был осуществлен старт АМС «Венера-13» и -14; в конце февраля 1982 г. станции, двигаясь по траектории попадания в Венеру, достигли окрестностей планеты. Началась подготовка к заключительному этапу: были заряжены аккумуляторы СА, а температура приборного контейнера понижена до минус 10°С. Запас холода был нужен для увеличения времени активного существования ПА на раскаленной поверхности Венеры. За двое суток до встречи с планетой СА отделились от станций, а последние с помощью двигательной установки перешли на траекторию с высотой перицентра пролетной гиперболы 30 тыс км.

Посадочный аппарат АМС «Венера13»
АМС "ВЕНЕРА - 13, 14"

    1 марта 1982 г. СА станции «Венера-13» со скоростью 11.2 км/с вошел в атмосферу планеты. Жаркими объятиями встретила его Венера. Ударная волна с температурой до 10 тыс °С, возникающая при торможении аппарата, пыталась раскачать его и прожечь корпус теплозащитной оболочки сбоку, где защита была меньше. Но демпфер (металлический диск, двигающийся под действием боковых ускорений по внутренней оребренной поверхности нижней части теплозащитной оболочки) быстро уменьшил амплитуду колебаний СА. Теперь и линейные перегрузки, максимальное значение которых при торможении достигало 230 единиц, стали действовать вдоль продольной оси СА.
    Когда аппарат приблизился к облачному слою (верхняя граница – на высоте около 60 км от поверхности Венеры), его скорость уменьшилась до околозвуковой и бортовая автоматика выдала команду на отстрел крышки парашютного отсека. Далее в действие вступил целый каскад парашютов: сначала вытяжной, затем парашют увода верхней полусферы теплозащитной оболочки. Последняя была разрезана по периметру огненным ножом удлиненного кумулятивного заряда (УКЗ), а парашют увода снял с СА ее верхнюю часть и вытянул тормозной парашют. Затем другой УКЗ отделил нижнюю часть оболочки.
    Четкая последовательность введения каскадов парашютной системы обеспечивалась не командами бортовой автоматики, а опытом и мастерством специалистов НИИ парашютно-десантных средств, которые в процессе наземной отработки системы «колдовали» над ней, отрывая от куска ткани ленточки различной ширины, завязывая ими узелки на определенных, только им известных местах парашютной системы. Неточность в ширине ленточки или в месте ее завязывания могла привести к катастрофе в небе Венеры; подобные картины иногда наблюдались при отработке парашютной системы на Земле.
    ПА продолжал снижаться на тормозном парашюте. Через две минуты после освобождения от оков теплозащитной оболочки, когда свежий атмосферный поток очистил аппарат от пороховых газов УКЗ, сработали механизмы, разбившие защитные стеклянные колпачки заборных устройств, и высокочувствительные научные приборы – масс-спектрометр и газоанализатор – вдохнули первую порцию венерианского облачного слоя. На высоте около 48 км, после прохождения нижней границы облачного слоя, по команде бортовой автоматики отстрелился тормозной парашют, и ПА, как бадминтонный воланчик, устремился к поверхности Венеры на посадочном щитке.
    Нужно было успеть за оставшееся время гарантированной связи выполнить все запланированные эксперименты. ПА станции «Венера-13» совершил посадку на поверхности Венеры в районе с координатами 7°30’ю.ш. и 330°11’в.д. Сеанс исследований поверхности Венеры начался. Сбросились защитные крышки телефотометров и началась передача панорамы. На поверхность были вынесены цветные тесты для определения (на Земле) истинного цвета поверхности Венеры и прибор для измерения механических характеристик грунта. Включился привод бурового механизма; последний опустился и прижался к поверхности планеты. Вращательно-ударные движения полого сверла начали дробить поверхностный слой Венеры. Бурение прекратилось через четыре минуты. Под давлением в 95 кгс/см2, увлекая за собой измельченные частицы грунта, порция венерианской атмосферы устремилась в малую вакуумную емкость, соединенную с внутренней полостью сверла и разрушенную пиропатроном. Струя газа ушла через боковой трубопровод в эту емкость, а грунт по инерции проскочил мимо и осел в специальном грунтоприемнике, похожем на ствол ружья. Подрыв следующего пиропатрона отсек специальной пробкой канал поступления грунта от атмосферы Венеры.

Панорама поверхности Венеры, переданная с борта СА «Венера13»
АМС "ВЕНЕРА - 13, 14"

    Сработал третий пиропатрон, разрушивший мембрану в канале, соединяющем приемную камеру с большой вакуумной камерой. Атмосфера из приемной камеры с давлением 95 кгс/см2 расширилась, и давление упало до 0.2 кгс/см2. Посредством четвертого пиропатрона челнок с грунтом, подобно пуле, пролетел грунтоприемник и остановился в блоке детектирования под радиоизотопными источниками железа Fe55 и плутония Pu238 и газоразрядными счетчиками. Радиоактивное облучение возбудило атомы вещества грунта; при переходе на свободные орбиты электроны излучили кванты энергии, пропорциональные атомному номеру элементов грунта. Данные по числу квантов и уровням их энергий, зарегистрированных газоразрядными счетчиками, поступили в анализатор, который разложил их по 256 «полочкам» – каналам. После завершения каждого цикла измерений длительностью 508 сек данные по радиоканалу передавались на Землю.
    ПА «Венеры-13» проработал на поверхности Венеры 127 мин и полностью выполнил программу полета.
    5 марта 1982 г. СА станции «Венера-14», повторив путь предыдущего аппарата, совершил посадку в районе с координатами 13°15’ю.ш. и 310°09’в.д., проработал на поверхности Венеры 53 мин и также полностью выполнил программу полета. Впервые ученые, кроме большого объема другой важной информации, получили данные об элементном составе поверхностных пород Венеры. На основании анализа полученной информации ученые пришли к выводу, что поверхность Венеры в этих районах покрыта магматическими породами базальтоидного ряда, что указывает на определенные принципиальные аналогии в истории геологического развития Земли и Венеры.
Уборка после потопа услуги уборка.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru