Космические исследователи Венеры

     Может показаться странным, что с того места, где мы рассказали о «Маринере-2», мы больше не упоминали про американские венерианские станции. На этом направлении действительно наметилось затишье. Национальная Академия наук США постановила, что первоочередной программой является изучение Марса, и деньги направлялись туда. Ещё больше средств поглощала программа пилотируемого полёта на Луну - «Аполлон».
     Может, это было вызвано тем, что Mariner-2 «застолбил» на этом направлении определённый приоритет. Работы велись, просто запуск новых аппаратов не планировался на ближайшее время.
     В 1960-е годы в США для изучения Венеры разрабатывались три типа станций: «парящая венерианская станция» Buoyant Venus Station (BVS), станция для получения радиолокационных изображений поверхности планеты с орбиты её спутника и лёгкий спутник Венеры на базе лунной станции Lunar Explorer.

Внешний вид АМС BVS. Отделение контейнера с аэростатом от космического аппарата, совершающего пролёт около Венеры

МАРИНЕР-5

Внешний вид АМС Lunar Explorer а) Вид сверху: 1 — управляющее реактивное сопло; 2 — панель с солнечными элементами; 3 — магнитометр Центра им. Годдарда; б) Вид сбоку: 1 — магнитометр Центра им. Годдарда; 2 — панель с солнечными элементами; 3 — тормозной РДТТ; 4 — магнитометр Центра им. Эймса

МАРИНЕР-5

     Проект парящей станции подразумевал доставку в атмосферу Венеры аэростатного зонда с приборным контейнером. Согласно одному из проектов, диаметр аэростата был 5,5 м, к нему подвешивалась гондола диаметром 0,8 м с полезной нагрузкой весом 40-60 кг. Давление в оболочке аэростата могло регулироваться, что обеспечило бы его дрейф на разной высоте. В гондоле планировали установить телевизионную камеру, прибор для поиска органики, приборы для непосредственных измерений параметров атмосферы, прибор для определения уровня освещённости, высотомер, а также, возможно, сбрасываемые контейнеры для исследования до поверхности планеты.

Схема развертывания аэростатного зонда BVS в атмосфере Венеры

МАРИНЕР-5

Макет аэростата в аэродинамической трубе. Фото NASA

МАРИНЕР-5

Парашютный зонд миссии BVS

МАРИНЕР-5

     Прелесть такой миссии была в том, что успешность этой программы практически не зависела от того, какая из теорий о структуре атмосферы была верна - просто в более плотной атмосфере зонд дрейфовал бы на большей высоте. Оставалось только измерить расстояние до поверхности радаром, определить состав атмосферы, и можно было точно понять, какая из гипотез ближе всего к истине. Запуск двух станций BVS планировался на 1972 год при помощи PH Atlas-Centaur.
     Станции Venus Explorer были частью более общей программы Planetary Explorer. Основой была станция, разработанная для изучения Луны, на её базе предполагалось создать орбитальные спутники Марса и Венеры. Сами аппараты были лёгкими, массой не более 230 кг, при массе полезной нагрузки 23 кг. На них планировали установить камеру для съёмки Венеры в ультрафиолетовых лучах, запоминающее устройство, микроволновые радиометры, а также приборы для изучения ионосферы, магнитного поля и солнечного ветра. К сожалению, малая масса станций также ограничивала массу и характеристики научной аппаратуры. Впрочем, миссия была очень дешёвой. Для запуска планировалось применить Thor-Delta, а общие расходы на программу не должны были превысить 133 млн долларов. На 1970 финансовый год уже даже было запланировано выделение 8 млн долларов под эту программу, с запуском станций Venus Express в 1973 и 1975 годах.
     Станция для получения радиолокационных изображений была проектом на ещё более далёкую перспективу. Астрономам было очевидно, что увидеть сквозь плотную венерианскую атмосферу детали поверхности вряд ли получится. А для планетологов знать точный характер рельефа было очень важно. Так что создание станции, способной на построение карты Венеры с помощью радиолокации, было весьма заманчивой идеей.
     НАСА начало проработки станции уже в начале 1960-х, разослав заявку о создании так называемого радара с синтезированной апертурой, пригодного для установки на космический аппарат. Затея была, конечно, привлекательной, вот только был очевиден и её главный минус. Станция должна была получиться очень тяжёлой, даже Atlas-Centaur её бы уже «не потянул». Нужно было использовать гораздо более тяжёлые носители: скажем, Saturn или Titan-Centaur. Но это сразу отодвигало реализацию программы на тот момент, когда отлетают все «Аполлоны». По самым оптимистичным прикидкам, такой аппарат никак не мог полететь раньше конца 1970-х годов.
     Так что до 70-х никаких планов относительно Венеры у США, можно сказать, не было, чего нельзя сказать об СССР. В стартовое окно 1964 года был запущен «Зонд-1», в 1965 году - «Венера-2» и «Венера-3». Следующее стартовое окно открывалось в 1967 году. Пуски АМС и тогда и сейчас были политизированы, и выходило, что США упускают свой приоритет.
     Нужно было что-то делать. И опять у JPL оказался «козырь в рукаве». После запусков к Марсу станций Mariner-З и -4 в 1964 году на Земле оставалась одна станция этого типа. Она имела внутреннее наименование Mariner-E. Её можно было немного модернизировать и запустить к Венере. Расходы на миссию в этом случае определялись лишь стоимостью ракеты Atlas-Agena, что было не такой уж большой ценой. Хотя, если ракета подведёт, запасных станций уже не останется.
     С учётом нового типа миссии станция подверглась некоторым модификациям. Уменьшили размеры панелей солнечных батарей и убрали с них солнечные паруса. Сами панели развернули на 180 градусов, ведь станция должна быть ориентирована относительно Солнца иначе, чем Mariner-4. На днище аппарата, обращённом к Солнцу, установили специальный теплозащитный экран. Демонтировали поворотную платформу с камерами и «телескоп» для регистрации положительно заряженных частиц. Немного изменили узел поворота антенны и систему обработки научных данных. Ну, и самое главное - установили научную аппаратуру в виде ультрафиолетового фотометра и антенн для приёма сигналов с Земли на частотах 49,8 и 423,3 Мгц. Так и родилась станция Mariner-5.

МАРИНЕР-5

     Основной задачей станции было определение параметров сигнала при радиопросвечивании атмосферы планеты. По уровню ослабевания сигнала можно было получить характеристики атмосферы, нужные для планетологов. Две вышеупомянутые антенны предназначались для изучения ионосферы Венеры, зондирование атмосферы должно было осуществиться при помощи штатного бортового передатчика. Метод радиопросвечивания США с успехом применило на «Маринере-4» (однотипном с «Маринером-5») в 1964 году при исследовании атмосферы Марса.
     Но были и отличия. В эксперименте на «Маринере-4» частота, выдаваемая высокостабильным рубидиевым эталоном, посылалась к зонду с Земли, от которого ретранслировалась обратно. Таким образом, сигнал два раза проходил через атмосферу Марса и мог быть очень точно сравнён с эталонным.
     При подготовке эксперимента на Венере стало ясно, что сигнал ослабеет слишком сильно, и таким методом можно будет получить только параметры самой верхней части атмосферы Венеры, которые планетологов интересовали уже меньше.
     Было решено ограничиться однократным проходом сигнала через атмосферу, а сигнал должен был генерироваться бортовым кварцевым генератором.

Запуск АМС Mariner-5. Фото NASA

МАРИНЕР-5

     Полёт «Маринера-5» начался в 6:01 14 июня 1967 года. Через 29 минут аппарат штатно отделился от последней ступени PH и раскрыл солнечные батареи. Его датчики поймали звезду Канопус, а передатчик станции был переведён на номинальный г ежим. Mariner-5 летел к Утренней звезде.
     19 июня была проведена коррекция траектории. Траекторные измерения показали, что аппарат прибудет к Венере 19 октября и пройдёт от неё (с вероятностью 97,7%) на расстоянии 800-4000 км.

ПРОЛЁТ «МАРИНЕРА-5»

     19 октября в 2:50 на зонд был подан сигнал со станции в Австралии на подвод питания к бортовому записывающему устройству, к датчику планеты, а также на включение оборудования для траекторных измерений. Начался припланетный режим работы.

МАРИНЕР-5

     Когда в 10:45 Венера показалась над горизонтом в Калифорнии, в дело вступили уже основные станции дальней космической связи в Голдстоуне.
     Для начала датчик планеты захватил Венеру, потом включился ультрафиолетовый фотометр. Это был первый эксперимент из запланированных. По уровню ультрафиолетового излучения можно было попробовать определить содержание воды и кислорода в атмосфере.
     Но главным был эксперимент по радиопросвечиванию. Он начался в 17:29 на расстоянии примерно 4 100 км от планеты. Приблизительно за 3 минуты до максимального сближения с планетой радиолуч вошёл в ощутимую нейтральную атмосферу на расстоянии от центра порядка 6 145 км. И сразу уровень сигнала пошёл вниз. Через 2 минуты 40 секунд он настолько ослаб, что наземные станции уже не смогли его выделить из шумов. Mariner-5 скрылся за Венерой.
     Приблизительно через 15 минут сигнал снова возник уже на освещённой стороне планеты. Снова появились эффекты, аналогичные тем, которые наблюдались перед входом, только на дневной стороне на радиолуч воздействовала также и венерианская ионосфера. Примерно через 23 минуты, после максимального приближения станции к планете, радиолуч покинул атмосферу и его характеристики совпали с характеристиками, наблюдаемыми в свободном пространстве.

МАРИНЕР-5

     Эксперимент прошёл на редкость буднично. Не было гонки со временем, не было отказов аппаратуры в самый последний момент, как на «Маринере-2». Все приборы отработали без сбоев.
     Для приёма сигнала с «Маринера-5» были задействованы все четыре антенны дальней космической связи в Голдстоуне в Калифорнии. 63-метровая антенна была основной. Также использовалась две дополнительные антенны на 25 метров. Одна из них, получившая название Venus Site, отличалась особенно низкими шумами на приёмнике.

МАРИНЕР-5

МАРИНЕР-5

     После пролёта Венеры «Маринер» вышел на орбиту искусственного спутника Солнца, где и находится по сей день. Последний сеанс связи с ним был проведён в октябре 1968 года. К этому моменту его солнечные батареи сильно деградировали, и станция испытывала сильный энергетический «голод». 22 октября 1968 года был послан сигнал на переключение передатчика на всенаправленную антенну, что по сути, означало конец миссии. Принимать сигнал с этой антенны не было возможности.

РАЗБОР ПОЛЁТОВ

     Осталось разобраться с тем, что передали «Венера-4» и «Маринер-5».
     Получить методом радиопросвечивания данные о нижней атмосфере планеты так и не удалось - при давлении около 5 атмосфер наступила сверхрефракция радиоволн. Несмотря на то, что приборы Mariner-5 отработали без сбоев, сам эксперимент не смог обогатить учёных Земли весомой информацией о поверхности Венеры. Но были получены результаты анализа атмосферы, расположенной на расстоянии приблизительно 6140 - 6085 км от центра планеты. Их особая ценность, как оказалось в дальнейшем, была именно в том, что их привязка осуществлялась к центру Венеры.
     Впрочем, из них нельзя было получить график плотности напрямую. Данные с просвечивания на самом деле представляли собой отношение температуры к молярному весу газа. Взяв за основу некую точку в атмосфере Венеры, в которой температура, как полагали, составляла примерно -43° С, высчитали молярный вес, а из этого и состав.
     По такой оценке, содержание СO₂ должно было лежать в пределах от 69 до 87%. В качестве рабочей гипотезы выбрали 75%. Теперь можно было попробовать рассчитать, чему будут равны температура и давление на поверхности. Как уже писалось, сигнал с Mariner-5 «завяз» в атмосфере на расстоянии 6085 км от центра планеты.Радиоастрономы определили,что радиус Венеры - 6054 км. Выходило, что последние данные получены с высоты приблизительно 30 км от поверхности планеты. Зная параметры атмосферы, можно было вычислить данные на самой поверхности. Поскольку начальные цифры обладали определенной погрешностью, возможный разброс давления оказался очень велик - от 50 до 200 атмосфер. Собственно, ни состав, ни давление не совпали с данными «Венеры-4». В частности, несмотря на то, что датчик на Венере показал концентрацию 90 ± 10%, с учётом всех данных она ясно показала > 90%!

Траектории АМС «Венера-4» и Mariner-5 относительно Венеры

МАРИНЕР-5

     Еще одним удивительным моментом оказался тот факт, что по данным «Маринера-5» температура на дневной стороне Венеры оказалась ниже, чем на ночной. Этот факт вообще было очень трудно объяснить. Более того, результаты и «Венеры-4», и расчётной группы «Маринера» плохо согласовывались с данными радиоастрономов о температуре на поверхности планеты. Где-то имелись ошибки. Нужно было понять, где именно.
     Чтобы более детально разобраться в том, что тогда происходило, автор внимательно изучил подшивку журнала «Космические исследования» и специализированные издания за 1960-е годы.
     Настоящая битва идей! Оба вышеупомянутых аппарата разрушали очень много теорий. Трудно просто так отвергнуть гипотезу, которая разрабатывалась годами. Необходимо было понять, что же передали станции, привязать их данные друг к другу, а также к порой противоречивым данным, полученным с Земли.
     Уже по журнальным статьям видно: учёные быстро поняли - что-то не так. При сравнении данных, полученных при затмении Регула, с данными «Венеры-4» можно было получить «радиус Венеры» в момент прекращения связи (R = 6065 км ± 7 км) даже без учёта результатов, переданных «Маринером-5». Этот радиус неудовлетворительно совпадал с радиусом, полученным радиоастрономами. Как раз в 1967 году был закончен большой труд по совместной обработке всех измерений Венеры, проведённых с 1961 по 1966 годы. Особенно масштабными были измерения на 300-метровом радиотелескопе в Аресибо, который способен проводить оценку расстояния до Венеры, когда последняя находится вообще в любой точке орбиты (за исключением тех случаев, когда она скрывалась за Солнцем). В результате было получено значение радиуса Венеры в 6 056 ± 1,2 км.
     Сам этот факт ещё мало о чём говорил, ибо станция могла снижаться и над высокогорным районом. Ещё более очевидным становилось расхождение при сравнении данных «Венеры-4» и «Маринера-5». У них был общий участок, и совместить результаты обеих станций не составляло особого труда. Получалось, что «Венера-4» замолчала на расстоянии около 6070-6085 км от центра планеты.
     В 1968 году было проведено несколько независимых исследований радиолокационных данных, накопленных за последнее время в Аресибо, Голдстоуне и Хайстике. Они опять показали ставший уже привычным результат - 6056 км. Выходило, что «Венера-4» до поверхности долететь не могла. С другой стороны, при экстраполировании данных «Венеры-4» и «Маринера-5» на радиоастрономический радиус получалось, что на поверхности планеты давление доходит до 150 атмосфер, а температура - до 800 К. Такая температура опять противоречила информации радиоастрономов. Где-то были ошибки, причём явно - множество. Также переданные данные вступали в противоречие с основными моделями венерианской атмосферы. Значит, неточности были и в них.
     Первой была найдена ошибка в результатах расчетной группы «Маринера». Расчетная группа не учла разницу между солнечным временем, в котором осуществлялась работа на приемных станциях, и звездным временем, в котором исчисляются эфемериды планет, что, по оценке авторов эксперимента, привело к сдвигу высот на 8,85 км. К облегчению планетологов, подобная поправка «исправила» температуру дневной стороны Венеры. Она все-таки была не холоднее ночной, и это приблизило данные «Маринера» к данным «Венеры-4», но разность все равно была слишком велика.
     В начале 1968 года в Японии прошла международная конференция COSPAR, на которой встретились Аркадий Кузьмин и американский учёный Карл Саган. По воспоминаниям Сагана, у него тогда было хорошее настроение. Когда в 1962 году он опубликовал свою работу о парниковом эффекте на Венере, его оппонент предложил пари. Оппонент ставил 100 долларов против 10-ти, что давление на Венере не превосходит 10 атмосфер. Саган согласился, а сейчас, имея на руках данные с «Венеры-4», получил свой выигрыш.
     К началу конференции уже было ясно, что «Венера-4» вряд ли села на планету. Все факты говорили против этого. Для объяснения, как советские учёные пришли к данному выводу, решили подробно рассказать об устройстве станции, о том, как были определены параметры атмосферы, и особенно о том, как работал радиовысотомер, поскольку лишь его измерения не вписывались в общую картину. Кузьмин предположил, что аппарат умудрился войти в атмосферу над «Венерианской Килиманджаро». На замечание Сагана о величине шансов, Кузмин резонно заметил, что шансы есть всегда, какими бы они ни были.
     Ещё одно объяснение такой работы прибора предложил сам Саган. У каждого радиовысотомера есть определённая критическая высота измерений, при превышении которой вполне возможна неоднозначность результатов его работы. Обычно известно, на какой высоте работает радар, и потому никаких разночтений не случается.

Данные, переданные «Венерой-4», в зависимости от времени

МАРИНЕР-5

     Рассмотрим элементарный пример. Обычный земной самолёт летит на высоте 10 км. Его высотомер отправляет радиосигнал в сторону поверхности сериями. Первая серия ушла во время А, отражённый от поверхности сигнал вернулся во время А1, что соответствует уже известной высоте. Вторая серия сигналов уходит во время В, и так далее. Но если представить, что самолёт летит на высоте вдвое большей, а наблюдателю это неизвестно? Во время А уходит первая серия - ответа нет. Может, сигнал попал на поверхность со слабым уровнем отражения, может, случилось ещё что-то. Во время В уходит вторая серия, и в В1 отражённый сигнал возвращается на станцию. Если это сигнал из серии В - значит, высота 10 км. Но если приёмник зафиксировал вернувшийся сигнал из предыдущей серии А, то высота получается вдвое больше. Радиовысотомер «Венеры-4» работал на несколько другом принципе, но общую идею этот пример передаёт.
     Для завершения этой истории хотелось бы упомянуть ещё одну версию прекращения работы станции. Запас энергии в бортовом аккумуляторе был примерно на 100 минут, и к моменту прекращения связи станция проработала 93 минуты. Есть шанс, что у неё просто «сели батарейки». В любом случае, получить информацию с поверхности в тот раз было не суждено - слишком плотной оказалась атмосфера. Можно предположить, что даже после прорыва «венерианского воздуха» в корпус станция ещё не один час медленно спускалась в атмосфере, пока не коснулась грунта Венеры.
     Первоначальная ошибка в анализе данных объяснялась эйфорией и тем, что тогда мало кто понимал, что же собой представляет Венера. При этом «Венера-4» с честью выполнила все те функции, для которых проектировалась.
     Комбинация двух различных методов изучения атмосферы с «Венеры-4» и «Маринера-5» позволили получить модель и данные об атмосфере, которые трудно было бы получить с каждой станции отдельно. По сути, была реализована та самая первоначальная задача, поставленная перед станциями серии «Венера» ещё при их разработке в ОКБ С. П. Королёва.
     При всем при этом не стоит забывать и о других научных результатах, полученных двумя станциями. Ультрафиолетовые фотометры как «Венеры-4», так и «Маринера-5» выявили у Венеры слабую водородную корону. Другими словами, некое вещество в атмосфере Венеры разбивалось на составные элементы (у Земли это - вода), и водород улетал в межпланетное пространство. Ещё более интересные результаты дал магнитометр, который выявил слабое магнитное поле планеты, индуцируемое солнечным ветром. Выяснилось, что Венера по сравнению с Землёй имеет очень слабую ионосферу.
     Также очень сложно объяснить, что же дало планетологам прямое измерение состава атмосферы. Итоговый результат напоминал эффект домино. Точный состав атмосферы позволил заново рассмотреть уже готовые результаты экспериментов. Теперь можно было уверенно привязать к реальным параметрам данные, полученные при затмении Регула. Гигантский объём спектрометрических данных зажил новой жизнью, стало кристально ясно, к какой высоте на Венере относилось поглощение, с какой температурой и давлением. Дождались своего часа результаты, полученные «Маринером-2» за 14 лет до этого. В 1976 году была выпушена итоговая статья по его данным - в свете новой информации, переданной «Маринером-5» и советскими «Венерами».
     Следует заметить, что если бы в ОКБ имени С. А. Лавочкина не решили для ускорения процесса разработать и оттестировать станции только в варианте с спускаемым аппаратом, то единственная станция с СА, как более тяжёлая, должна была стартовать первой и стала бы «Космосом-167». К Венере вышли бы две станции, предназначенные только для исследования с пролётной траектории, чьи результаты наверняка бы дублировали друг друга. А первый аппарат вошёл бы в атмосферу другой планеты на полтора года позже.
     К сожалению, пока оставался не прояснённым вопрос: каковы же давление и температура на поверхности Венеры? Рядом приведён график, на который нанесены данные, полученные с «Венеры-4» и «Маринера-5». Уровень специально выбран относительно центра планеты. Читатели сами могут выбрать радиус её поверхности и получить свои результаты.

Модель атмосферы Венеры по данным «Венеры-4», «Маринера-5» и результатам наземных измерений

МАРИНЕР-5

     Понять всё это было чрезвычайно важно для разработки следующих станций.
     Опять интересно пролистать подшивки журнала «Космические исследования». Статьи, содержащие подробный анализ результатов, появились в конце 1968 года. Особый интерес представляла статья, одним из авторов которой был постановщик эксперимента М.Я. Маров. В статье выдвигались следующие параметры на поверхности Венеры: температура на среднем уровне: 625 ± 100 К, давление 50 ± 30 атмосфер. Именно эти данные были заложены в ТЗ для новых станций.