18 октября 1967 г., спускаемый аппарат (СА) советской автоматической станции «Венера-4» впервые в мире достиг Венеры и передал информацию с другой планеты. К сожалению, он не смог опуститься на
поверхность, по скольку был раздавлен атмосферой. Тем не менее информация, поступавшая с него до момента прекращения радиосигнала, пригодилась специалистам как для более точной оценки свойств
атмосферы Венеры, так и для создания других, более совершенных СА, которые впоследствии смогли не только совершить посадку, но и выполнить научные исследования по верхности ближайшей к Земле
плане ты, получить ее панорамы и провести анализ проб грунта.
|
В середине XX века ученые, используя новые методы дистанционных исследований, получили важные данные о природе некоторых планет. Но Венера оставалась непознанной, так как ее поверхность была
скрыта от наблюдений сплошным облачным покровом. В то же время эта планета, по размерам и плотности незначительно отличающаяся от Земли и ближайшая к ней, привлекала внимание ученых из-за
возможного существования там каких-либо форм жизни. На основании наблюдений надоблачной атмосферы и облачного слоя планеты ученые составили три гипотетические модели Венеры: парниковую,
эолосферную и ионосферную.
Условия на планете по этим моделям значительно отличались: по давлению – от 0.3 кг/ см
2 до 5 кг/ см
2; по температуре – от 75°С до 325°С. По ионосферной модели Венера
напоминала доисторическую Землю с большими водными бассейнами, а по другим – выжженную безжизненную пустыню. Для получения данных об условиях на Венере необходимо было доставить на нее приборы,
либо, в крайнем случае, установить их на КА, пролетающий вблизи планеты. Однако автоматических межпланетных станций (АМС) еще не существовало и для их создания нужно было решить сложнейшие
научно-технические проблемы, а для разработки СА – получить данные по атмосфере Венеры.
|
АМС "ВЕНЕРА-3"
|
Первые попытки исследования Венеры с помощью межпланетных станций были предприняты в ОКБ-1 под руководством С.П.Королева. В конце 1965 г., ощущая нехватку сил своего коллектива для разработки
новых важных проектов, Сергей Павлович передал работы по созданию АМС для исследования Луны и планет на Машиностроительный завод (МЗ; ныне – НПО) им. С.А.Лавочкина. В феврале 1966 г. к Венере
подлетали АМС «Венера-2», -3, созданные еще в ОКБ-1. Полагая, что эти станции смогут уточнить параметры атмосферы Венеры, лавочкинцы приступили к формированию задач и принципов построения АМС
нового типа для широкого исследования планет, выводимых новой мощной РН «Протон» с разгонным блоком (РБ) «Д».
По планете Венера они предполагали провести картографирование поверхности с орбиты ИСВ в различных диапазонах электромагнитного спектра, а также исследовать химический состав, механические
свойства, агрегатное состояние, освещенность поверхности и получить ее фотографию с помощью аппаратуры, установленной на СА. Планировалось провести детальное изучение атмосферы планеты, включая
исследования с помощью аэростатных зондов. Однако из-за досадной ошибки в технологии нанесения лакокрасочного покрытия на радиаторы системы терморегулирования (СТР), температура в отсеках
АМС «Венера-2», -3 на заключительном этапе полета значительно увеличилась, и связь со станциями была потеряна.
|
АМС "ВЕНЕРА-3"
|
Исследование планеты провести не удалось, и в апреле 1966 г. постановлением Правительства МЗ им. С.А.Лавочкина было поручено изготовить и в июне 1967 г. запустить аналоги АМС «Венера-2», -3 с
устранением обнаруженных в полете недостатков. До старта оставалось 13.5 месяцев. Планы по созданию станций нового типа пришлось отложить, сосредоточив все силы на выполнении постановления.
Несмотря на сжатые сроки и новизну задачи лавочкинцы предложили изменить конструкцию АМС, установив вместо газожидкостной системы терморегулирования (СТР) более простую, надежную и легкую
газовую. Специалисты ОКБ-1, прикомандированные к конструкторскому бюро МЗ им. С.А.Лавочкина, единодушно выступили против изменений проекта, подкрепляя свое мнение невозможностью отработки
новой СТР из-за отсутствия в стране действующих термовакуумных камер. Главный конструктор МЗ им. С.А.Лавочкина Г.Н.Бабакин, рассмотрев все аргументы, принял решение о применении на изделии
В-67 (заводской индекс «Венера-4») новой системы.
|
1 – специальный отсек;
2 – баллоны системы ориентации;
3 – микродвигатели системы ориентации;
4 – орбитальный отсек;
5 – корректирующая двигательная установка;
6 – штырь магнитометра;
7 – радиаторы системы терморегулирования;
8 – панели солнечных батарей;
9 – малонаправленная антенна;
10 – остронаправленная антенна;
11 – датчик точной звездной и солнечной ориентации;
12 – датчик постоянной солнечной ориентации
|
АМС "ВЕНЕРА-3"
|
Для подтверждения ее работоспособности на предприятии началась разработка термовакуумной камеры с имитатором Солнца и космического пространства. Проблема создания СА по-прежнему осложнялась
отсутствием достоверных сведений о параметрах атмосферы Венеры – от правильного выбора расчетных условий работы аппарата в значительной степени зависела возможность получения информации с
планеты. В этой области Г.Н.Бабакин был особенно проницателен. Утверждая основные положения по венерианскому СА, предусматривающие его работу по максимальной модели при давлении
5 кг/см
2 (около 5 атм), он собственноручно дописал: «Проработать возможность посадки СА при Р = 10 атм». Во исполнение этого требования конструкция аппарата была разработана
лавочкинцами заново с использованием новейших технических и технологических решений. В состав СА был введен демпфер колебаний аппарата на участке входа в атмосферу Венеры и радиовысотомер.
Постановление СМ СССР предусматривало создание пролетной и посадочной станций, использующих унифицированный орбитальный отсек (ОО) с различными полезными нагрузками – научным отсеком (НА) и
спускаемым аппаратом. Их экспериментальная отработка, требовавшая много сил и времени, в условиях сжатых сроков могла привести к ошибкам и нежелательным последствиям. Нам было известно, что США
планировали в 1967 г. провести исследования Венеры с пролетной траектории АМС Mariner и не разрабатывали станцию с СА, поскольку (как позже стало известно) на данном этапе не считали
целесообразным решать сложнейшие проблемы по обеспечению живучести аппарата в атмосфере Венеры. Отечественные специалисты и ученые, напротив, считали, что, в условиях острой состязательности
между странами в этой области, приоритетные результаты можно получить только при успешном выполнении программы исследований на поверхности Венеры.
|
СХЕМА УСТРОЙСТВА СТАНЦИИ «ВЕНЕРА-4»
|
Н.А.Морозов, аэродинамик МЗ им. С.А.Лавочкина, проведя серию расчетов по входу в атмосферу и снижению СА на парашюте, показал, что гарантированное время до соприкосновения аппарата с
поверхностью составит не менее 10 мин даже в случае, если давление атмосферы на Венере будет меньше давления по минимальной (ионосферной) модели. Эти расчеты и напряженная обстановка, связанная
с изготовлением двух типов АМС, подтолкнула автора, который тогда был ведущим конструктором МЗ им. С.А.Лавочкина по аппаратам для исследования дальнего космоса, к идее «сыграть ва-банк» –
разработать и изготовить станции только в варианте с СА и обеспечить всестороннюю наземную отработку для достижения высокой надежности и получения приоритетных результатов.
Эту идею подкрепляли положительные результаты испытаний приборов СА на перегрузку 350 единиц с использованием план-шайб металлорежущих станков, а также строительство центрифуги для испытаний
полностью собранного аппарата на аналогичную перегрузку, начатое в соответствии с планом экспериментальной отработки АМС. После тщательного рассмотрения всех аспектов предложения Г.Н.Бабакин
принял решение о разработке станции только в варианте с СА и известил об этом министерство. Это решение позволило уменьшить объем работ в ОКБ и на производстве и ускорить изготовление и проверки
аппаратов для экспериментальной комплексной отработки (включая испытания парашютной системы и посадки СА на грунт и воду), которая началась уже осенью 1966 г. В январе 1967 г. на МЗ им.
С.А.Лавочкина было закончено строительство первой в СССР термовакуумной камеры с имитаторами Солнца и космического пространства. Испытания в камере аналога летной станции подтвердили
работоспособность новой СТР.
С нетерпением мы ожидали завершения строительства центрифуги для испытаний СА, так как трудно было представить, как поведут себя межблочные монтажи при расчетных перегрузках, когда их вес
вырастет в 350 раз. В конце апреля 1967 г. первая в мире центрифуга для испытаний СА массой до 500 кг на перегрузки до 450 единиц была введена в строй на МЗ им. С.А.Лавочкина. После испытаний
аналога летного СА на перегрузку 350 единиц и последующего вскрытия были обнаружены значительные разрушения: сломаны разъемы кабельной сети, разрушены узлы ее крепления. Срочно разработали
документацию по устранению дефектов. Первого мая, в нарушение канонов советского времени, по особому распоряжению главного инженера А.П.Милованова ряд рабочих и ИТР вместо демонстрации пришли
на завод и приступили к доработкам экспериментального и летных СА. Повторные испытания аппарата на центрифуге после доработки прошли без замечаний.
|
Схема полета и проведение сеансов радиосвязи и коррекции: 1 – приземный сеанс; 2 – сеанс связи на малонаправленной антенне; 3 – сеанс астрокоррекции; 4 – сеанс связи на остронаправленной антенне;
5 – подлетный (припланетный) сеанс
|
ТРАЕКТОРИЯ ПЕРЕЛЕТА
|
12 июня 1967 г. ракета «Молния» (четырехступенчатый вариант «Союза» с разгонным блоком «Л») вывела станцию «Венера-4» на межпланетную траекторию. Вторая АМС, стартовавшая 17 июня 1967 г., не
вышла на межпланетную траекторию из-за отказа РБ. 18 октября 1967 г., преодолев расстояние свыше 300 млн км, «Венера-4» вошла в зону притяжения планеты. Начался заключительный сеанс связи. По
темпу нарастания частоты принимаемого с ОО сигнала ощущалось стремительное увеличение – под действием поля тяготения Венеры – скорости встречи с планетой. Но вот сигнал пропал – набегающий
атмосферный поток нарушил ориентацию параболической антенны станции на Землю. В тот же момент бортовая автоматика выдала команду на отделение СА. В небольшом зале Евпаторийского центра управления
полетом наступила тишина: все замерли в ожидании сигнала. Томительно медленно электронные часы отсчитывали секунды. Наконец по громкой связи услышали радостный крик: «Есть сигнал с СА!» Через
несколько минут начала поступать информация: «Давление 0.05 атм, температура минус 33°С, содержание СО2 в атмосфере около 90%» – и после небольшой паузы: «Информация с радиовысотомера в сбое».
Это наш специалист Р.Прядченко, глядя на пролетающую по столу бесконечную ленту с двоичными символами, визуально – не только «персоналок», но и простых электронных калькуляторов тогда еще не
существовало – выделяла нужный канал, превращала двоичные символы в число и по заполненным тарировочными характеристиками довольно точно сообщала значение параметра. Давление и температура
продолжали нарастать. Уже пройден расчетный уровень 10 кг/см
2, снижение СА продолжалось. «18 атм, сигнал пропал», – сообщили по громкой связи. Что случилось? От чего разрушился
корпус СА – от сверхрасчетного внешнего давления или от удара о поверхность? Доктор ф.-м. наук М.Я.Маров, проведя экспресс-анализ полученных данных, показал, что три точки сбойной информации
радиовысотомера абсолютно точно ложатся на полученную кривую изменения давления атмосферы Венеры по времени. В этом случае давление атмосферы у поверхности могло составить
18–20 кг/см
2. Получалось, что сигнал мог прекратиться из-за разрушения корпуса СА при соприкосновении с поверхностью.
Гипотеза автора, что давление у поверхности может быть больше, не нашла поддержки, тем более что на следующий день Mariner провел исследования Венеры с пролетной траектории и, по его данным,
давление у поверхности могло составлять 20 кг/см
2. Несмотря на эти события автор продолжил обработку информации с «Венеры-4» с целью определения возможной величины давления у
поверхности. Результаты анализа оказались ошеломляющими: давление атмосферы у поверхности Венеры могло составлять 120–150 кг/см
2! Ученые скептически отнеслись к этим оценкам. Однако
автор, уверенный в результатах, при разработке материалов по объекту В-70 (заводской индекс АМС «Венера-7») предложил разрабатывать СА этой станции на давление атмосферы 150 кг/см
2.
|
СА станции «Венера»:
1 – передающая антенна;
2 – вентилятор;
3 – радиовысотометр;
4 – радиопередатчик;
5 – опорное кольцо;
6 – демпфер;
7 – силовой корпус;
8 – блок коммутации;
9 – теплоизоляция;
10 – радиатор СТР;
11 – крышка парашютного отсека;
12 – антенна радиовысотометра;
13 – парашют
|
СПУСКАЕМЫЙ АППАРАТ
|
В январе 1969 г. на межпланетные траектории вышли АМС «Венера-5», -6. Осуществить намеченную цель – их посадку на поверхность планеты – не удалось: корпуса СА, рассчитанные на внешнее давление
25 кг/см
2, были раздавлены атмосферой Венеры при давлении 27 кг/см
2. Радиовысотомеры разработки НИИ РТА на обоих аппаратах не работали, и мы не смогли определить ни
оставшийся путь до поверхности, ни величину максимального давления атмосферы. Для решения этого вопроса ученые дополнительно рассмотрели материалы по Венере и пришли к заключению, что давление
атмосферы у поверхности не может превышать 60 кг/см
2. Возвращаясь из института Геологии и аналитической химии, где проходило заключительное совещание, я напомнил Г.Н.Бабакину о
результатах анализа полета СА «Венера-4» и предложениях о создании СА В-70 на давление 150 кг/см
2. Вероятно, и он сомневался в достоверности цифры по давлению 60 кг/см
2
(около 60 атм), так как сразу ответил: «Нужно разрабатывать СА на разрушающее давление 180 атм».
Естественно, что при разработке проекта мы не могли игнорировать официально утвержденную модель атмосферы Венеры и должны были обеспечить посадку СА как при давлении 60 кг/см
2, так
и при давлении 150 кг/см
2. В обычных условиях спуск и посадка с использованием парашюта при давлении выше расчетного не вызывает проблем. В горячей же атмосфере Венеры, в случае
применения парашюта, рассчитанного на посадку при давлении 60 кг/см
2, при снижении в более плотной атмосфере СА должен был перегреться и выйти из строя еще на участке спуска.
Оригинальный выход из этого положения нашли специалисты НИИ парашютно-десантных средств. Они предложили вводить парашют в зарифованном виде, обеспечивая быстрый спуск СА до слоя атмосферы с
температурой 200°С. По достижении этой температуры рифовочный шнур расплавляется – и купол парашюта полностью раскрывается, обеспечивая необходимые условия посадки СА при давлении
60 кг/см
2.
Расчеты показали, что введение участка быстрого спуска СА исключает его перегрев при снижении до давления атмосферы 150 кг/см
2. Очень сложной оказалась проблема создания СА, способного
работать на раскаленной поверхности Венеры при внешнем давлении 150 кг/см
2. На Земле сосуды с таким внутренним давлением газа допускаются к эксплуатации только в нормальных
климатических условиях (НКУ) с обязательной сертификацией службой котлонадзора. В инструкциях по эксплуатации категорически запрещается ударять по таким сосудам. Корпус же венерианского СА должен
был работать не при внутреннем, а наружном давлении 150 кг/см
2, и не в НКУ, а при температуре свыше 540°С, да еще сохранять работоспособность после посадки с перегрузкой до 100 единиц,
т.е. выдерживать удар по корпусу силой 50 тонн! Поистине адские условия!
|
Время передачи информации через основную антенну ~ 13 мин (параметры атмосферы, освещенность, контроли
руемые параметры СА); время передачи через выносную антенну ~ 17 мин
(параметры атмосферы, освещенность, данные с гамма
спектрометра, контролируемые параметры СА).
1 – направление на Землю;
2 – парашют (после отстрела);
3 – антенна выносная (до отстрела);
4 – антенна основная;
5 – датчики измерения освещенности;
6 – датчик давления и температуры атмосферы;
7 – датчик гамма
спектрометра;
8 – гамма
излучение поверхности;
9 – антенна выносная (после отстрела)
|
"ВЕНЕРА-8" НА ПОВЕРХНОСТИ
|
Конструкторы, прочнисты и технологи МЗ им. С.А.Лавочкина под руководством зам. главного конструктора В.Е.Ишевского блестяще решили эту сложную проблему, предложив изготавливать корпус аппарата с
переменной толщиной стенок из двух титановых поковок с высокоточной механической обработкой поверхностей. Для проверки работоспособности СА в этих условиях на предприятии была построена
уникальная, не имеющая аналогов в мире, камера высокого давления. Она позволяла испытывать аналог летного СА с полной имитацией воздействия на него атмосферы Венеры, как по составу, так и по
темпу нарастания давления и температуры вплоть до 150 кг/см
2 и 540°С. АМС «Венера-5», -6 замерили большие скорости ветра в атмосфере Венеры. При посадке со сносом связь с Землей
могла прекратиться из-за опрокидывания СА.
Мнения проектантов по способам решения этой проблемы разделились. Одни предлагали конструкцию аппарата диаметром 1 м с нанесенной на прочный корпус теплозащитой. Станцию с таким СА можно было
вывести на межпланетную траекторию с помощью РН «Молния», но лишь при реализации ряда неординарных решений. Другие считали, что такой СА может опрокинуться, и предлагали прочный корпус установить
в теплозащитной сфере диаметром 2.4 м, полагая, что аппарат такой формы обладает большей устойчивостью. Подобная АМС могла быть выведена на межпланетную траекторию только мощной РН «Протон» с
блоком «Д». При посадке со сносом существует две фазы движения сферического СА: сначала он скользит по поверхности и катится, а затем только катится. Теоретических разработок по динамике движения
СА не существовало, и споры оппонентов носили в основном эмоциональный характер. Для решения проблемы пришлось глубоко заняться теорией. Согласно расчетам, выполненным по полученной формуле,
для изделия В-70 был принят СА меньшего диаметра, который при прочих равных условиях оказался более устойчив. За счет упрочнения корпуса СА масса станции выросла на 100 кг, что превышало
возможности РН «Молния».
|
Компоновка СА станции по проекту В
70:
1 – приборный отсек;
2 – передающая антенна;
3 – колпак антенны;
4 – крышка парашютного отсека;
5 – первый каскад парашютной системы;
6 – второй каскад парашютной системы;
7 – третий каскад парашютной системы;
8 – крышка аэродинамического корпуса;
9 – отсек датчиков научной аппаратуры;
10 – теплоизоляция;
11 – теплозащита;
12 – приборная рама;
13 – демпфер
|
"ВЕНЕРА-8" НА ПОВЕРХНОСТИ
|
Пришлось максимально облегчить ОО, увеличить емкость топливных баков блока «Л», а также снять с РБ телеметрическую систему, контролирующую его работу в полете. Однако это были еще не все
проблемы. Выяснилось, что закупленный ранее в ФРГ термостойкий стеклонитроновый материал для изготовления парашютной системы кончился, и приобрести его новую партию не удалось. Заместитель
председателя комиссии Президиума СМ СССР по военно-промышленным вопросам Б.А.Комиссаров организовал в Кремле совещание ученых и специалистов-материаловедов. Выступивший д.т.н. из Клинского
объединения «Химволокно» сообщил, что у него имеется опытная установка, на которой можно изготовить за год... 0.5 кг нитронной нити, работоспособной до 400°С. Но при давлении атмосферы
150 кг/см
2 расчетная температура атмосферы Венеры должна составлять 541°С! Далее взявший слово профессор из Калининского института сказал: «Мы можем сшить нити» – и, увидев
недоуменное выражение моего лица и предугадав реплику «Нити должны сплетаться, а не сшиваться», добавил: «Так у нас называется химический процесс, позволяющий увеличить термостойкость нити
более чем на 100°С».
Заслушав затем специалистов по производству нити, изготовлению из нее парашютного материала в необходимом ассортименте и убедившись, что все звенья технологической цепочки готовы решить проблему,
Б.А.Комиссаров дал указание Клинскому объединению «Химволокно» передать наработанную нитронную нить по технологической цепочке для освоения технологии работ и срочно протиражировать опытные
установки для наработки нитрона в необходимом количестве. Так и родился советский стеклонитрон...
15 декабря 1970 г. СА станции «Венера-7» совершил спуск в атмосфере планеты и впервые достиг ее поверхности. Оказалось, что давление здесь составляет 100 кг/см
2 при температуре 475°С!
Первая задача исследований Венеры была решена. Для решения следующей – получения панорамы места посадки СА – нужны были данные по уровню освещенности, которые можно было получить только при
посадке на «светлую» сторону планеты. Однако по законам небесной механики в момент прилета АМС освещенная поверхность Венеры видна с Земли в виде узкого серпа, как в завершающей стадии старения
Луны. Баллистикам МЗ им. С.А.Лавочкина, ЦНИИмаш и ИПМ нужно было использовать новейшие достижения в науке для обеспечения посадки на эту поверхность.
|
СЕРИЯ СТАНЦИЙ "ВЕНЕРА"
|
СА предыдущих станций, входящие в атмосферу Венеры на ночной стороне, были оборудованы малонаправленной антенной с грушевидной диаграммой направленности, при которой передача информации на
Землю, находящуюся в районе зенита, при отклонениях продольной оси аппарата от вертикали не нарушалась. Так как при посадке на освещенную сторону Венеры Земля наблюдалась под углом 60°, на СА
требовалось установить антенну с воронкообразной диаграммой. Для надежной передачи информации с поверхности наши специалисты разработали дополнительную дискообразную антенну с четырьмя
складывающимися лепестками, которая после посадки СА катапультировалась из парашютного отсека. Лепестки открывались и не позволяли антенне стать на ребро. Торцы диска являлись излучателями, а
установленный внутри него гравитационный переключатель после фиксации антенны включал на излучение верхнюю сторону.
22 июля 1972 г. СА станции «Венера-8» впервые совершил мягкую посадку на освещенную поверхность Венеры, определил уровень освещенности, характер поверхностных пород и провел ряд других
исследований. Полетом этой станции завершился этап рекогносцировочных исследований планеты. Эти работы получили высокую оценку. Газета The New York Times от 13.09.72 писала: «Успех советских
ученых в использовании станций «Венера» можно смело отнести к величайшим техническим достижениям нашего века». Успешное завершение этого этапа было предопределено проницательностью Г.Н.Бабакина
и принятыми им решениями, так как при создании станций В-67 в двух вариантах, как было предусмотрено постановлением Правительства, станция с СА, имеющая большую массу, должна была стартовать
второй. В этом случае, вместо ошеломляющих результатов станции «Венера-4», впервые передавшей на Землю информацию с другой планеты, пришлось бы довольствоваться исследованиями с пролетной
траектории. А СА «Венеры-7», рассчитанный по утвержденной модели на давление 60 кг/см
2, неминуемо был бы раздавлен атмосферой до достижения поверхности планеты.