Венера - утренняя и вечерняя звезда
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Венера
 Исследователи
Новая "Венера"
Страница: Новое поколение, Первые панорамы (Part #1, Part #2), Атмосфера Венеры (Part #1, Part #2), Цветные панорамы Венеры (Part #1, Part #2, Part #3.1, Part #3.2), Радиолокация Венеры (Part #1, Part #2, Part #3, Part #4), Аэростаты на Венере (Part #1, Part #2, Part #3), Венера и комета Галлея (Part #1, Part #2, Part #3), Выводы (Part #1);
Венера - кривое зеркало Земли

АМС "Венера-15" и АМС "Венера-16"

Радиолокационная съемка поверхности Венеры: 1982-1983 годы


    К началу 1980-х годов большинство целей, поставленных перед посадочными аппаратами серии «Венера», были достигнуты. Поэтому в июне 1983 года к Венере были направлены две новые космические станции, оснащенные, вместо посадочных аппаратов, большими радиолокационными антеннами с целью картирования поверхности планеты в диапазоне радиоволн. Полеты обеих станций оказались успешными. Сквозь плотную облачность Венеры они разглядели рельеф поверхности и построили карту от 30° с. ш. до полюса с разрешением около 1-2 км.

Проникновение под облачный покров Венеры

    После одиннадцати последовательных успешных запусков на Венеру начиная с 1967 года, в том числе шести тяжелых посадочных аппаратов нового поколения «Венера-9, -10, -11, -12, -13 и -14», в Советском Союзе было принято решение отправить в 1983 году орбитальные космические станции с радиолокационными системами формирования изображения. В 1978 году орбитальная станция «Пионер-Венера-1» получила данные альтиметрии - измерения высот на поверхности планеты, но с очень низким поверхностным разрешением: 150 км. Только в узкой экваториальной полосе радиовысотомер, работавший в режиме бокового обзора, получил топографию с разрешением 30 км. В 1981 году эти данные были использованы для выбора мест посадки аппаратов «Венера-13 и -14». В 1983 году орбитальные радиолокаторы предполагалось использовать для съемки Венеры по методу бистатической радиолокации с целью картирования не менее 25% поверхности планеты с разрешением 2 км или лучше.

ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    Венера стала более или менее «красной планетой», которую исследовал почти исключительно Советский Союз. После пролетных исследований «Маринера-5» в 1967 году прошло более десяти лет, прежде чем США вновь запустили два небольших аппарата «Пионер-Венера» в 1978 году с целью исследований главным образом атмосферы и ионосферы. Но в то же время США разрабатывали и программу радиолокационного картирования Венеры VOIR (Venus Orbiting Imaging Radar).
    НПО имени Лавочкина работало над созданием аппарата для съемки и получения карт Венеры в радиодиапазоне начиная с 1976 года, после получения пионерских локальных изображений поверхности методом бистатической локации с использованием орбитальных аппаратов «Венера-9 и -10». Светский Союз хотел осуществить программу картографирования Венеры раньше американцев. Как показали дальнейшие события, советским специалистам не пришлось соревноваться с американцами, поскольку в 1981 году программа VOIR была свернута и заменена на менее дорогостоящую программу «Магеллан», которую США не могли запустить вплоть до 1989 года. По существу все, что требовалось сделать НПО имени Лавочкина, - это заменить спускаемый аппарат на радиолокатор бокового обзора, чтобы получить изображение поверхности планеты и уточнить ее электрические свойства, а также добавить радиовысотомер для проведения топографической съемки вдоль проекции траектории на поверхность. Но потребовавшаяся для этих целей модификация космической станции была связана с необходимостью технологических доработок.

Космические станции, запущенные на Венеру в 1983 году
1-я космическая станция
«Венера-15» (4В-2 №860)
    Назначение станции
    Орбитальная космическая станция для радиосъемки Венеры
    Страна/Производитель
    СССР/НПО имени Лавочкина
    Ракета-носитель
    «Протон-К»
    Дата/Космодром
    2 июня 1983 г., 02:38: (Байконур)
    Дата выхода на орбиту
    10 октября 1983 г.
    Дата окончание программы
    Март 1985 г.
    Результат
    Успех, проведено первое радиокартирование поверхности Венеры
2-я космическая станция
«Венера-15» (4В-2 №861)
    Назначение станции
    Орбитальная космическая станция для исследования Венеры
    Страна/Производитель
    СССР/НПО имени Лавочкина
    Ракета-носитель
    «Протон-К»
    Дата/Космодром
    7 июня 1983 г./02:32:00 (Байконур)
    Дата выхода на орбиту
    14 октября 1983 г.
    Дата окончание программы
    28 мая 1985 г.
    Результат
    Успех, проведено радиокартирование поверхности Венеры
Космические станции, запущенные на Венеру в 1983 году

Космическая станция «Венера-15». Сверху над приборным отсеком и цилиндрическим топливным баком - радиолокатор (РЛС) с синтезированной апертурой, наклоненный на 10° к вертикальной оси, и радиовысотомер - музейная модель. Изображение в двух ракурсах
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    В 1979 году в США начали циркулировать слухи о готовящейся советской программе радиолокационной съемки поверхности Венеры и NASA попыталась получить финансирование для программы VOIR. Будучи хорошо осведомленными о тяжелых орбитальных РЛС РОРСАТ с бортовой ядерной установкой, которые Советский Союз использовал для слежения за западными ВМС, большинство наблюдателей в США не верили, что у СССР есть технология создания более легких радиолокаторов бокового обзора (радаров с синтезированной апертурой). Тем временем на инженерном фронте шли настоящие баталии советских специалистов, чтобы удовлетворить, в частности, требованиям, предъявляемым к устройствам записи и хранения данных, и к вычислительным средствам. Поэтому старт отложили с 1981 на 1983 год, но в конце концов запуск был очень хорошо подготовлен и успешно осуществлен.

Космическая станция


    Автоматическая межпланетная станция «Венера-15».
    1 - радиолокатор бокового обзора,
    2 - остронаправленная антенна для передачи информации на Землю
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    «Венера-15» и «Венера-16» были первыми в серии орбитальных станций со времени «Венеры-9 и -10», которые пришлось существенно модифицировать. Корпус был удлинен на 1 метр, чтобы вместить 1300 кг топлива для вывода столь тяжелой космической станции на орбиту вокруг Венеры. Масса азота для системы управления ориентацией возросла с 36 до 114 кг, чтобы обеспечить достаточно большое число изменений положения станции в пространстве, в соответствии с задачами программы. На внешнюю сторону были добавлены еще две солнечные батареи для обеспечения дополнительного питания радиолокатора. Диаметр параболической антенны увеличили на 1 метр, в результате чего он составил 2,6 м, а скорость передачи данных возросла с 6 до 108 кбит/с. Кроме того, была использована новая система телеметрии в диапазоне 5 см для связи с наземными станциями, оснащенными антеннами 64 и 70 м. Конструктивно космическая станция была в целом идентична своим предшественницам. Ее корпус представлял собой цилиндр диаметром 1,1 м и длиной 5 м. Наверху, вместо спускаемого аппарата, была установлена параболическая антенна радиолокатора с синтезированной апертурой (САР) размером 1,4x6,0 м. Полная масса системы САР составляла 300 кг. Вблизи САР была установлена параболическая антенна радиовысотомера диаметром 1 м. Электрическая ось антенны радиовысотомера была направлена вдоль продольной оси космической станции, а САР была отклонена от этого направления на 10°. Соответственно в процессе формирования изображения радиовысотомер был сориентирован по местной вертикали, а САР был направлен от нее под углом 10°.

    Схема радиолокационной съёмки
    Антенна радиовысотомера направлена по вертикали и непосредственно измеряет высоту SO космического аппарата относительно среднего уровня поверхности в освещённом пятне 2 под ним. Антенна радиолокатора отклонена от вертикали и вбок от плоскости орбиты. Она периодически «освещает» участок поверхности 1 в пределах диаграммы направленности. Элементы его поверхности находятся на разных расстояниях от космического аппарата S и имеют относительно него неодинаковые радиальные скорости. Вследствие этого принятые сигналы по-разному и запаздывают, и меняют частоту вследствие эффекта Доплера. Например, точка A находится ближе к космическому аппарату, чем точка B, и отражённые ею сигналы приходят раньше. Одновременно точка C приближается к аппарату, и сигналы от неё имеют более высокую частоту, чем от точки D, которая удаляется. Различия в запаздывании отражённых сигналов и в доплеровском смещении их частоты используют для построения «кадра» радиолокационного изображения. Отдельные кадры, получаемые по мере движения космического аппарата, объединяют в сплошную полосу. 2 – след антенны радиовысотомера. Элемент разрешения выделен.
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16


    Стартовая масса:
    «Венера-15» - 5250 кг,
    «Венера-16» - 5300 кг.
    Масса топлива:
    «Венера-15» - 2443 кг,
    «Венера-16» - 2520 кг.

    Полезная нагрузка:
    1. Радиолокатор с синтезированной апертурой (САР) «Полюс-В», работающий на длине волны 8 см.
    2. Радиовысотомер «Омега».
    3. Тепловой инфракрасный фурье-спектрометр от 6 до 35 мкм (ИКСИ, ГДР-СССР).
    4. Датчики космических лучей (6).
    5. Детекторы солнечной плазмы.
    6. Магнитометр (Австрия).
    7. Радиопередатчики для проведения радиозатменных измерений.

Общий вид космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» с радиолокационной аппаратурой
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16


    В системах САР и радиовысотометра использовались одни и те же компоненты, за исключением антенн. Каждые 0,3 секунды электроника переключала 80-ваттную лампу бегущей волны между антеннами. Бортовой компьютер контролировал их работу и последовательность операций. Антенна САР могла облучать поверхность в течение 3,9 миллисекунд с 20 повторениями 127 фазовых сдвигов для кодирования сигнала перпендикулярно плоскости орбиты. Движение космической станции в течение этого интервала времени позволяло охватить область, эквивалентную наблюдению с виртуальной 70-метровой антенной. После каждой передачи антенна переключалась на прием, в ходе которого проводилась оцифровка величины и фазы отраженных импульсов радиолокатора, и шла запись данных в виде 2540 комплексных чисел в буфер твердотельной памяти. Чтобы поддерживать цикл излучения радиолокатора в течение каждых 0,3 с, данные считывались поочередно и записывались на два пленочных магнитофона. Это обеспечивало необходимый объем информации, получаемой за 16 минут топографической съемки при прохождении периапсиса. За каждый такой проход накапливалось около 3200 изображений, образующих полосу отснятой территории размером 120 х 7500 км *. Принятые на Земле данные в пределах каждых 3,9 миллисекунды разделялись путем временной задержки на 127 диапазонов перпендикулярно траектории и 31 диапазон вдоль траектории, а вслед за тем они обрабатывались для компенсации атмосферных, геометрических и орбитальных эффектов. Получаемые отдельные изображения при каждом проходе собирались затем в последовательности в виде полос, отражающих рельеф поверхности Венеры - горы, впадины, склоны и другие неоднородности, а также ее излучательную способность и диэлектрические свойства.

ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16
* Впервые при радиолокационном картографировании поверхности Венеры скорость приема научной информации комплексом была доведена до 100 кбит/с.
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

Часть полосы изображения поверхности Венеры, полученного в первом сеансе съёмки 16 октября 1983 года аппаратом «Венера-15». По горизонтали отложена в градусах орбитальная долгота, отсчитанная от перицентра орбиты, по вертикали - орбитальная широта, отсчитанная от плоскости орбиты. Космический аппарат двигался слева направо, его трасса проходила выше полосы. Регулярные смещения полосы относительно плоскости орбиты связаны с изменением высоты аппарата, двигавшегося по сильно вытянутой эллиптической орбите, нерегулярные - вызваны местным рельефом
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    Во время измерения высоты антенна передавала кодовую последовательность из 31 импульса длительностью по 1,54 микросекунд каждый. После передачи антенна подключалась к приемнику, который в течение 0,67 миллисекунд записывал отраженный от поверхности сигнал. Овальная зона охвата луча радиовысотомера достигала 70 км вдоль траектории и 40 км в перпендикулярном направлении. После обработки отраженного сигнала данные записывались на ленточном магнитофоне для дальнейшей передачи на Землю и последующей обработки с целью устранения искажений, связанных с атмосферными, геометрическими и орбитальными эффектами, влияющими на точность определения высоты. Пока элементы орбиты не были точно определены, использовался режим низкого разрешения, а после их точного определения аппаратура станции переключалась на работу в режиме высокого разрешения. В сочетании с анализом доплеровского сдвига частоты сигнала режим высокого разрешения снижал область охвата до 10 км на 40 км с ошибкой около 1 км. Точность определения высоты составляла 50 метров.
    На обеих космических станциях был также установлен инфракрасный фурье-спектрометр, предоставленный Германской Демократической Республикой. Спектрометр весил 35 кг и, как ожидалось, обеспечивал более высокое спектральное разрешение, чем инфракрасный радиометр, установленный на орбитальной космической станции «Пионер-12». Он разделял спектр на множество из 256 каналов, охватывающих диапазон от 6 до 35 мкм. Его поле зрения составляло 100 км х 100 км. Спектрометр обеспечивал передачу 60 полных спектров при прохождении каждого периапсиса. Целью эксперимента было измерение температурных профилей атмосферы в диапазоне высот от 90 до 65 км в линии двуокиси углерода 15 мкм, температуры верхнего слоя облаков, содержания аэрозолей, двуокиси серы и водяных паров в атмосфере, а также получение данных о тепловой структуре и динамике средней атмосферы и облаков.
    Приборы для изучения космических лучей и солнечного ветра были такими же, какие летали на каждой космической станции «Венера», начиная с «Венеры-1».

Описание миссии

    «Венера-15» была запущена 2 июня 1983 года. Были проведены две коррекции траектории - 10 июня и затем 1 октября, перед выходом на орбиту вокруг Венеры 10 октября. «Венера-16» была запущена 7 июня, провела коррекцию траектории 15 июня, а затем 5 октября и вышла на орбиту 14 октября. Орбитальные плоскости этих станций были наклонены друг к другу под углом около 4°, так что любая пропущенная одной станцией область должна была охватываться другой. 17 октября была проведена коррекция орбиты «Венеры-15», а 22 октября - «Венеры-16». Каждая рабочая орбита была наклонена на 87,5° к плоскости экватора с периапсисом 1000 км и апоапсисом около 65000 км, а период обращения составлял 24 часа. Периапсисы располагались на 62° с. ш., и при каждом их прохождении формировалось изображение поверхности вдоль 70-градусной дуги. Обе космические станции начали научную работу 11 ноября. Чтобы сохранить периапсис, время от времени включались двигатели, чтобы подстроить положение остронаправленной параболической антенны под уменьшающийся угол Солнце-станция-Земля и сохранить трехчасовой интервал между прохождениями станциями периапсисов орбит.

Перепады высот по данным измерений радиовысотомера на станциях «Венера-15» и «Венера-16». Равнина Лакшми слева (обработка Института радиоэлектроники РАН)
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    Построение карты и альтиметрия поверхности обычно начинались на 80° с. ш. при движении в направлении к полюсу и продолжались после пролета над полюсом до 30 градусов северной широты. Формирование радиолокационных изображений проводилось непрерывно, а наилучшее разрешение при этом составляло около 1 км. Данные накапливались при каждом 16-минутном прохождении периапсиса, сохранялись на ленточном магнитофоне, затем воспроизводились для передачи на Землю ежедневно в течение 100-минутного сеанса связи, до следующего периапсиса. В течение 24-часового интервала Венера поворачивалась вокруг своей оси на 1,48°, поэтому последовательно снятые полосы изображений перекрывались друг с другом. При такой скорости на охват всех долгот требовалось 8 месяцев. 24-часовой период обращения по орбите был необходим для синхронизации передатчика с приемными станциями на территории СССР. Во время выполнения программы было сделано несколько корректировок орбиты с целью сохранения ее периода и формы. В июне 1984 года Венера прошла через верхнее соединение, и передача данных оказалась невозможной, пока она находилась за Солнцем, если смотреть с Земли. Такое расположение небесных тел открывало возможность проведения радиозатменных исследований по изучению солнечной и межпланетной плазмы. После прохождения верхнего соединения плоскость орбиты станции «Венера-16» была повернута на 20° относительно плоскости орбиты станции-партнера, чтобы провести топографическую съемку областей, пропущенных до верхнего соединения, и вскоре после этого 10 июля построение карты было завершено.

    Компьютерная система для обработки данных с радара Венеры-15,16
    На борту космических аппаратов регистрировался отражённый сигнал - радиоголограмма. Её изображение восстанавливали (расшифровывали) с помощью преобразования Фурье. Для этого в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) разработали методику обработки сигнала на специализированном цифровом процессоре, созданном совместно с Институтом электронных управляющих машин Минприбора. Вместе с малой ЭВМ СМ-4 Фурье-процессор составил основу вычислительного центра обработки информации с «Венер» во фрязинской части ИРЭ. Построенное изображение можно было просмотреть на телевизионном экране. Для хранения магнитных лент с информацией радиолокационного картографирования пришлось оборудовать специальное помещение.
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    Обе космические станции смогли совместно построить изображение поверхности планеты от 30° с. ш. до северного полюса с перекрытием 25%. Разрешение 1-2 км было близко к разрешению 300-метрового радиотелескопа Аресибо, но последний был ограничен экваториальными широтами и не мог сопровождать изображения поверхности данными альтиметрии.
    В марте 1985 года «Венера-15» истощила свой запас газа для системы контроля ориентации, а «Венера-16» продолжала передавать данные вплоть до 28 мая того же года. Не было предпринято попыток изменить их орбиты для достижения лучшего разрешения или увеличения охвата съемкой.

Результаты

    В ходе совместной работы двух космических станций были получены изображения поверхности Венеры от 30° с. ш. до северного полюса с разрешением от 1 до 2 км. Монтаж обработанных спутниковых снимков позволил построить карту северного полушария в масштабе 1:5000000, охватившую 25% поверхности планеты. Полученные результаты подтвердили, что самые высокие возвышенности на Венере высотой более 4 км характеризуются значительным усилением радиолокационного сигнала, отраженного планетой.
    Радиолокационная съемка и картирование Венеры привели к важным открытиям рельефа и свойств поверхности планеты. Были обнаружены новые типы поверхностных структур, имеющих характерные особенности:

    • короны - обширные круглые или овальные образования с глубокими концентрическими кольцами;
    • купола - плоские, почти круглые поднятия, некоторые с центральными кальдерами;
    • арахноиды - осевшие купола с радиальными трещинами-разломами паукообразной формы;
    • тессеры - обширные области с длинными горными хребтами и долинами.

Примеры форм рельефа поверхности Венеры по данным радиолокационных измерений станциями «Венера-15» и «Венера-16». Короны Анахит и Помоны, тессера Фортуна; арахноиды на равнине Берегини и кратер Дункан (обработка Института радиоэлектроники РАН)
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    На изображениях территории поверхности планеты, охваченной съемкой «Венеры-15» и «Венеры-16» было найдено около 30 корон и 80 арахноидов. Образования типа «корон» просматривались и на отдельных изображениях, полученных радиотелескопом Аресибо, и предполагалось, что это импактные структуры, заполненные лавой. Результаты спутниковой радиолокационной съемки дали основания считать, что короны, купола и арахноиды являются поверхностным проявлением нагрева неподвижной коры мантийными плюмами, поскольку не было очевидных свидетельств наличия тектоники плит. Прямых аналогов таких образований на Земле не существует. Тессеры оказались древнейшими областями коры планеты и зачастую перекрывались лавовыми потоками.
    Даже если большой объект, проникая в атмосферу Венеры, разрушался до столкновения с поверхностью, он мог породить ударную волну, которая оставляла на поверхности заметный след. На исследованной территории было обнаружено около 150 кратеров. Анализ их характеристик указал на очень юный возраст этих образований, около 750 +/- 250 миллионов лет, что согласовывалось с идеей катастрофических геологических процессов, сопровождавшихся образованием крупномасштабных «пузырей» над мантийными плюмами и изменением областей тессер.
    При помощи высотомера были получены обширные данные о топографии северного полушария, которые, в сочетании с данными радиолокационной съемки, позволили построить подробные карты поверхности Венеры.

Картография равнины Лакшми с горами Максвелла и кальдерой справа (обработка Института радиоэлектроники РАН)
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    Инфракрасный спектрометр «Венеры-16» не работал, но на «Венере-15» такой же прибор функционировал на орбите в течение двух месяцев, вплоть до его выхода из строя. На спектрах хорошо различалась линии двуокиси углерода, водяных паров, двоукиси серы и аэрозолей серной кислоты. Эти данные подтвердили, что в верхнем облачном слое большинство частиц состоит из 75-85% раствора серной кислоты. Распределение аэрозолей и относительные концентрации двуокиси серы и водяного пара были измерены на высотах от 105 до 60 км. В том же диапазоне высот были также определены тепловая структура и оптические свойства атмосферы. Облака наблюдались на высотах от 70 до 47 км, но в полярной области их верхняя граница располагалась на 5-8 км ниже, а сама атмосфера выше 60 км оказалась теплее, чем в экваториальной области. В спектре не наблюдалось особенностей, которые позволили бы предположить присутствие органических соединений.

Данные инфракрасного спектрометра «Венеры-15»
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

Мозаика №01
Мозаика №02
Мозаика №03
Мозаика №04
Мозаика №05
Мозаика №06
Мозаика №07
Мозаика №08
Мозаика №09
Мозаика №10
Мозаика №11
Мозаика №12
Мозаика №13
Мозаика №14
Мозаика №15
Мозаика №16
Мозаика №17
Мозаика №18
Мозаика №19
Мозаика №20
Мозаика №21
Мозаика №22
Мозаика №23
Мозаика №24
Мозаика №25
Мозаика №26
Мозаика №27
3200 радарных полос было собрано за время миссий Венера-15 и Венера-16. Они были объединены в 27 мозаик. Мозаика 1 в конформной проекции, все остальные в конической проекция Ламберта-Гаусса.
ВЕНЕРА-15 и ВЕНЕРА-16

    Две орбитальные станции провели 176 радиопросвечиваний Венеры между октябрем 1983 года и сентябрем 1984 года и измерили высотные профили плотности средней атмосферы.
ИСТОЧНИК:
М.Я. МАРОВ и У.Т.ХАНТРЕСС,
"Советские роботы в Солнечной системе"
НПО им. Лавочкина

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