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

АМС "Венера-4"

Первый успешный полет на Венеру: 1967 год


    Венера была целевой задачей десяти из шестнадцати планетных аппаратов, запущенных до конца 1965 года, но все они оказались неудачными. В их числе были «Венера-2» и «Венера-3», которые были совсем близки к цели. Ситуацию усугублял тот факт, что к этому времени США осуществили пролетные исследования Венеры в 1962 и Марса в 1964 году. Тем не менее, близость успеха с космическими станциями «Венера-2» и «Венера-3» вдохновляли советских исследователей, которые решительно намеревались достигнуть цели. Зная, что США планируют предпринять следующую попытку пролетных исследований Венеры в 1967 году, советские специалисты стремились во что бы то ни стало превзойти американцев, осуществив запуски двух спускаемых аппаратов, которые смогли бы преодолеть облачный покров планеты и получить принципиально новую информацию о ее загадочной атмосфере и поверхности.

ВЕНЕРА-4

    После «Венеры-2» и «Венеры-3» программа автоматических планетных исследований была передана из ОКБ-1 в НПО имени Лавочкина. Начиная эти работы в апреле 1965 года, Бабакин решил после кампании 1965 года не посылать больше к Венере пролетных космических станций. НПО провело тщательный анализ всех систем космических станций ЗМВ, которые предназначались для запуска на Венеру в окне запуска 1967 года, сосредоточившись главным образом на входе в атмосферу и посадке. Проводя работу с проектной документацией ЗМВ, переданной ОКБ-1, и вникая в опыт эксплуатации «Венеры-2» и «Венеры-3», инженеры Бабакина предложили усовершенствования ряда систем, в первую очередь системы терморегулирования. НПО провело значительно больше наземных испытаний и построило два новых испытательных стенда: первый представлял собой термобарокамеру, законченную в январе 1967 года, для испытаний космических станций в модельных условиях полета, а второй - центрифугу, обеспечивавшую ускорение до 500g, для испытаний систем в условиях входа в атмосферу и спуска. В ходе первого испытания спускаемого аппарата в этой камере на 350-450g, ожидавшихся при больших углах входа в атмосферу Венеры на скорости 11 км/с, внутренние компоненты станции разрушились. Поскольку предыдущие спускаемые аппараты определенно не могли успешно работать в таких условиях, конструкцию следовало изменить (табл.). После восьми лет попыток затраченные усилия немедленно окупились: «Венера-4» стала первой по-настоящему успешной планетной станцией, осуществившей впервые в мире парашютный спуск в атмосфере другой планеты и передавшей уникальные данные прямых in situ-измерений параметров атмосферы Венеры, открыв тем самым новую плодотворную эпоху советских исследований этой планеты.

Космические станции, запущенные на Венеру в 1967 году
1-я космическая станция
«Венера-4» (1В №310)
    Назначение станции
    Зонд для исследования атмосферы и поверхности Венеры
    Страна/Производитель
    СССР/НПО имени Лавочкина
    Ракета-носитель
    «Молния-М»
    Дата/Космодром
    12 июня 1967 г./02:39:45 (Байконур)
    Дата сближения
    18 октября 1967 г.
    Результат
    Успех, первые прямые измерения параметров атмосферы
2-я космическая станция
«Космос-167» (1В №311)
    Назначение станции
    Зонд для исследования атмосферы и поверхности Венеры
    Страна/Производитель
    СССР/НПО имени Лавочкина
    Ракета-носитель
    «Молния-М»
    Дата/Космодром
    17 июня 1967 г./02:36:38 (Байконур)
    Результат
    Аппарат остался на околоземной орбите
Космические станции, запущенные на Венеру в 1967 году


Космическая станция

Первая в мире космическая станция «Венера-4», осуществившая спуск на парашюте в атмосфере Венеры, вид спереди и сзади. На фотографиях не показан толстый слой теплозащитного абляционного материала для системы входа в атмосферу и теплоизоляционное покрытие.
ВЕНЕРА-4

    Орбитальный аппарат
    Автоматическая станция «Венера-4» стала первой из серии космических аппаратов ЗМВ, предназначенных для исследований Венеры и существенно доработанных в НПО имени Лавочкина. Они были, в частности, оснащены значительно усовершенствованной системой терморегулирования, предыдущий вариант которой стал причиной отказа станций «Венера-2» и «Венера-3». С верхних концов панелей солнечных батарей были убраны полусферические жидкостные радиаторы, а новая система трубопроводов теплообменника расположилась за остронаправленной параболической антенной, которая сама выполняла функции радиатора, поскольку была направлена в противоположную от солнечных батарей сторону. Жидкостный хладагент заменили на газовый. Система связи также была усовершенствована, всенаправленную антенну заменили на спиральные конические антенны с низким коэффициентом усиления, смонтировав их на штангах, соединенных с солнечными батареями, и направив под таким углом, чтобы во время полета их диаграмма направленности захватывала Землю. Как и раньше, космической станции требовалось развернуться, чтобы направить на Землю антенну с высоким коэффициентом усиления, но этот маневр проводился только во время запланированных сеансов связи и во время операций на Венере.

    Системы и научные приборы космической станции «Венера-4»:
    1 - перелетный (орбитальный) аппарат,
    2 - звездный датчик,
    3 - датчик Солнца,
    4 - газовые баллоны для системы ориентации,
    5 - датчик Земли,
    6 - магнитометр,
    7 - параболическая остронаправленная антенна,
    8 - всенаправленная спиральная антенна,
    9 - радиатор системы терморегулирования,
    10 - солнечные батареи,
    11 - двигательная установка,
    12 - микродвигатели системы ориентации,
    13 - детектор космических лучей,
    14 - спускаемый аппарат
ВЕНЕРА-4

    Как и у ее предшественниц, длина «Венеры-4» составляла 3,5 м, размах солнечных батарей достигал 4 м, а диаметр параболической антенны был равен 2,3 м. Площадь солнечных батарей составляла 2,5 м2, но, как и раньше, размещение солнечных элементов было неплотным. Заметная разница между «Венерой-4» и ее предшественницами заключалась в придании солнечным батареям более прямоугольной формы и в отсутствии полусферических радиаторов.

    Спускаемый аппарат
    Для программы 1967 года конструкцию спускаемого аппарата усилили, чтобы он мог выдерживать перегрузки порядка 350g, и оснастили внутренним демпфером, чтобы снизить воздействие ударной волны во время входа в атмосферу и посадки. Диаметр спускаемого аппарата составлял 1 м - на 10 см больше, чем диаметр его предшественников, со сферической отделяющейся оболочкой и кожухом с открывающейся задней полусферой для выпуска парашюта и антенн. Спускаемый аппарат «Венеры-4» был первым из серии спускаемых/посадочных аппаратов, которые последовательно улучшались, чтобы пережить спуск и посадку на поверхность. Распределение массы внутри аппарата было наибольшим в его нижней части, чтобы гарантировать правильную точку входа и аэродинамическую стабильность в ходе спуска. Аппарат охлаждался до -10°С системой орбитального модуля до отделения, а в дальнейшем охлаждение обеспечивали вентиляторы за счет рециркуляции воздуха. Научная программа полета предусматривала проведение прямых измерений параметров атмосферы под облаками и передачу этих данных вместе с данными высотомера во время спуска. Предполагалось также, что аппарат сможет выжить при ударе о поверхность и провести там измерения. Аккумулятор емкостью 28 А*ч подзаряжался космической станцией в ходе полета и обеспечивал до 100 минут непрерывной работы. Спускаемый аппарат был рассчитан на давление 10 бар, хотя верхняя граница (с учетом конструкторского запаса) могла достигать 18 бар, а максимальная температура для парашюта составляла 400 °С. Автоматическая станция «Венера-4» была направлена в центр видимого с Земли диска Венеры с целью оптимизации связи. Диаграмма спиральной антенны в верхней части спускаемого аппарата была направлена непосредственно в зенит, данные телеметрии передавались парой резервных передатчиков непосредственно на Землю со скоростью 1 бит/с на частоте 922,8 МГц. Результаты измерений посылались каждые 48 секунд. В случае попадания капсулы в океан, во что мало кто верил, она осталась бы на плаву, а «сахарная голова» зарегистрировала бы это событие передачей семафорного сигнала.
    На рис. показан спускаемый аппарат без изоляционных слоев теплозащитного покрытия. Два разъема предназначены для проверки изолирующей системы на этой инженерной модели. Внутри толстого пористого и легкого абляционного материала размещена внутренняя капсула спускаемого аппарата (см. рис. ниже).

Теплозащитное покрытие системы входа в атмосферу космической станции «Венера-4»
ВЕНЕРА-4

Спускаемый аппарат внутри
ВЕНЕРА-4

    По обеим сторонам расположены антенны радиовысотомера, которые разворачивались как только выпускался парашют. В соответствии с международными правилами перед запуском капсулу стерилизовали. Для обеспечения отделения спускаемого аппарата от космической станции применялись пять уровней резервирования. Первый обеспечивался прямой командой с Земли, второй - бортовым программно-временным устройством, третий - датчиком ускорения при входе в атмосферу, четвертый - датчиком, который активировался в случае прерывания связи с Землей или изменения ориентации при входе в атмосферу, а пятый (в качестве последнего средства) обеспечивался в ходе спуска перегоранием лент, связывающих капсулу с космической станцией.

    Стартовая масса: 1106 кг.
    Масса спускаемого аппарата: 383 кг.

Полезная нагрузка

    Орбитальный аппарат:
    1. Трехосный феррозондовый магнитометр.
    2. Детектор заряженных частиц солнечного ветра.
    3. Фотометры для измерения излучения атомарного водорода в линии Лайман-альфа и атомарного кислорода.
    4. Газоразрядные и твердотельные детекторы космических лучей.

    Аналогичное оборудование устанавливалось на орбитальных аппаратах «Венеры-2» и «Венеры-3», за тем исключением, что в число приборов для измерения космических лучей входил второй газоразрядный детектор другого типа.

    Системы и научные приборы спускаемого аппарата «Венера-4»:
    1 - внешняя теплоизоляция,
    2 - опорная рама,
    3 - корпус,
    4 - система раскрытия радиовысотомера,
    5 - теплообменник,
    6 - антенна радиосвязи,
    7 - антенна радиовысотомера,
    8 - блок системы управления,
    9 - аккумулятор,
    10 - внутренняя теплоизоляция,
    11 - амортизатор
ВЕНЕРА-4

    Спускаемый/посадочный аппарат:
    1. Датчики температуры, давления и плотности.
    2. Газоанализаторы химического состава атмосферы.
    3. Радиовысотомер.

Газовый анализатор (слева) и датчик температуры, давления, плотности (справа)
ВЕНЕРА-4

    Датчики температуры, давления и плотности были в целом идентичны стоявшим на «Венере-3». Газоанализаторы использовали одиннадцать ячеек для измерения двуокиси углерода, молекулярного азота, молекулярного кислорода и водяных паров. Состав определялся по характеру реакции атмосферы с материалами в каждой ячейке - например, по электропроводности химически абсорбирующих поверхностей, или реакции специальных волокон при нагреве, или по изменению внутреннего давления в зависимости от особенностей абсорбирующего материала. Программой предусматривалось проведение первой серии измерений сразу после раскрытия парашюта, а затем, спустя 347 секунд, повторные измерения. Химические газоанализаторы были также аналогичны тем, которые летали на «Венере-3», но дополнительно включали еще гидрометр для измерения водяных паров. Радиовысотомер был использован впервые для определения высоты над поверхностью в процессе спуска и подтверждения факта посадки. Он был создан на основе прибора, использующегося в авиации. В целях экономии он не передавал непрерывные данные, а только сообщал о снижении аппарата с высоты 26 км. Доплеровский эксперимент не требовал установки специального оборудования непосредственно на борту спускаемого аппарата: измерения проводились по сдвигу несущей частоты излучения его бортового передатчика, что позволяло определить составляющую скорости аппарата в проекции на линию зрения во время его спуска в атмосфере.
    Некоторые научные приборы, установленные на предыдущих аппаратах, были исключены, чтобы высвободить дополнительную массу, необходимую для размещения радиовысотомера и усиления конструкции. В жертву также были принесены детектор гамма-излучения, датчик волнового движения и фотометр. Но, как обычно, в капсулу были заложены медальоны с гербом СССР и барельефом Ленина.

Описание миссии

    Первая космическая станция «Венера-4» была успешно запущена к Венере 12 июня 1967 года. Вторая станция, запущенная 17 июня, осталась на промежуточной орбите, поскольку четвертая ступень не включилась из-за того, что не было предварительного охлаждения турбо-насосного агрегата. Она была названа «Космос-167» и через восемь дней прекратила существование, войдя в атмосферу. «Венера-4» в ходе всего полета функционировала нормально, регулярно (через каждые несколько дней) ориентируя остронаправленную антенну на Землю для проведения сеансов связи.

ВЕНЕРА-4

    29 июля была проведена коррекция курса на промежуточной траектории на расстоянии 12 млн км от Земли. Станция достигла Венеры 18 октября и в 04:34 по Всемирному времени, находясь на высоте 44800 км над ночной стороной планеты, отделила спускаемый аппарат. Орбитальный аппарат передавал результаты измерений верхних слоев атмосферы и ионосферы Венеры до тех пор, пока не разрушился в атмосфере.

    Последовательность посадки спускаемого аппарата «Венера-4»:
    1 - отделение посадочного аппарата от космической станции,
    2 - свободный нестабилизированный полет,
    3 - вход в атмосферу и стабилизация посадочного аппарата,
    4 - ввод тормозного парашюта,
    5 - полет с открытым основным парашютом, включение передатчика и радиовысотомера; научные измерения и передача данных во время спуска,
    6 - касание поверхности, отстрел основного парашюта
ВЕНЕРА-4

    Спускаемый аппарат вошел в атмосферу на скорости 10,7 км/с и стал замедляться с максимальной перегрузкой, достигавшей 350g. При давлении 0,6 бар на скорости 300 м/с был сброшен аэродинамический защитный кожух и выпущен 2,5-метровый вспомогательный тормозной парашют. Спустя несколько секунд раскрылся основной парашют площадью 55 м2 и одновременно с ним антенны радиовысотомера. На высоте 55 км включились научные приборы, в этот момент скорость достигла 10 м/с. Механический коммутатор по очереди прерывал работу каждого прибора, показания которых сообщались передатчику. Передача велась на протяжении 93 минут спуска на парашюте, после чего связь прекратилась. Был сделан вывод, что спускаемый аппарат достиг поверхности в точке с координатами 19° северной широты и 38° восточной долготы на темной стороне Венеры вблизи утреннего терминатора. Местное солнечное время в этом районе Венеры было 4:40 часов, а зенитный угол Солнца был равен 110°. С учетом трех запланированных испытательных полетов это была первая полностью успешная советская программа планетных исследований из двадцати ранее предпринятых запусков и первый в мире аппарат, совершивший успешный спуск на другой планете, к чему стремились обе космические державы.

Вымпелы на борту посадочного аппарата "Венера-4"
ВЕНЕРА-4

    Радиообсерватория Джодрелл Бэнк сообщила о получении сигналов с поверхности Венеры, не понимая, что сигналы были посланы во время спуска в атмосфере. Думая вначале, что спускаемый аппарат достиг поверхности в рабочем состоянии, советские специалисты сообщили, что зонд совершил посадку на планету. Последующий анализ совместно с данными «Маринера-5», который пролетел мимо Венеры на следующий день после прибытия «Венеры-4», и результатами наземных радиолокационных измерений радиуса Венеры, показал, однако, что это не так и что температура поверхности гораздо выше, чем полученная при завершении измерений на спускаемом аппарате *. В результате серии встреч советских и американских ученых, прошедших в течение двух последующих лет, был сделан вывод, что спускаемый аппарат прекратил существование, находясь все еще высоко над поверхностью, будучи раздавленным давлением атмосферы, значительно превышающим расчетное.

ВЕНЕРА-4
* Причиной сделанного вначале вывода о том, что «Венера-4» достигла поверхности, явилось ошибочное показание радиовысотомера, отсчеты которого, как оказалось, были кратны высоте 26 км. Поэтому сигнал, полученный примерно с этой высоты над поверхностью планеты, был ошибочно истолкован как нуль высоты и, следовательно, факт посадки.
ВЕНЕРА-4

    Сам по себе это был выдающийся результат, открывший Венеру как планету с чрезвычайно горячей и плотной атмосферой и уникальными условиями на поверхности. «Венера-4» стала эпохальным событием в науке и как первый космический аппарат, осуществивший прямые измерения и передавший эти данные из атмосферы другой планеты. Полученная информация продемонстрировала, насколько враждебна окружающая среда Венеры, и послужила основой при планировании будущих миссий. Стало, прежде всего, очевидным, что посадочные аппараты необходимо значительно усилить, чтобы выдержать необычайно высокие давление и температуру.

Результаты

    В процессе снижения спускаемый аппарат «Венеры-4» передал свыше 23 серий данных о структуре атмосферы. Измерения начались на высоте 55 км, температура атмосферы измерялась на протяжении всех 93 минут спуска. Начальная температура составляла 33 °С и возрастала до 262 °С. Первоначально измеренное давление было равно 0,75 бар, а расчетного предела шкалы 7,3 бар измерительный прибор достиг задолго до того, как аппарат прекратил передачу данных. Прибегнув к моделированию атмосферы с использованием всей совокупности полученных данных, ученые пришли к выводу, что сигнал пропал на высоте 24 км. Плотность атмосферы была получена с использованием данных о температуре и давлении из уравнения гидростатики, а результат независимо проверен с помощью соотношений, в основу которых были положены характеристики спуска аппарата на парашюте **. Обработка данных измерений допплеровского сдвига радиосигнала на несущей частоте бортового передатчика (master oscillator) позволила получить сведения о распределении по высоте (высотном профиле) скорости ветра в горизонтальном и вертикальном направлениях, хотя ошибка этих измерений была довольно велика.

ВЕНЕРА-4
** Поскольку показания радиационного плотномера были противоречивы, они не принимались во внимание при обработке данных атмосферных измерений. Как показал последующий анализ, вероятно, это было обусловлено влиянием на работу прибора аэрозолей облаков и подоблачной дымки.
ВЕНЕРА-4

    Эксперименты по определению химического состава атмосферы показали, что атмосфера состоит, главным образом, из углекислого газа:

    - углекислый газ - примерно 90 +/- 10%,
    - молекулярный азот - меньше 2,5%,
    - молекулярный кислород - от 0,4% до 1,6%,
    - водяной пар - от 0,05% до 0,7%.

    Преобладающее относительное содержание углекислого газа явилось неожиданным, поскольку поначалу ожидалось, что атмосфера Венеры состоит, по крайней мере, на 50% из молекулярного азота, и американские ученые вначале отнеслись к данным «Венеры-4» скептически. Но последующие полеты автоматических станций подтвердили правильность этих измерений. Столь же неожиданным оказалось низкое содержание в атмосфере водяного пара, в одночасье положив конец представлениям о Венере как о водной планете.
    Радиовысотомер, основой которого послужил авиационный радиолокационный альтиметр, предназначался для отсчета высоты в процессе спуска аппарата, но в его конструкции был заложен дефект поэтому его показаниям на высоте 26 км мог фактически соответствовать сигнал, отвечающий как удвоенной высоте 52 км, так и 0 км. В этом состояла основная причина ошибочного вывода о том, что «Венера-4» достигла поверхности. Данные о параметрах атмосферы и доплеровских измерений показывали, что в ходе передачи информации аппарат снизился на 28 км и сигнал альтиметра указывал, что верхний уровень, с которого начались измерения, составлял 26 км. К тому же последние измерения (температура 262 °С и соответствующее давление 18 бар) были близки к тогдашним представлениям об условиях на поверхности планеты. Между тем измерения яркостной температуры Венеры в микроволновом диапазоне, проведенные наземными радиотелескопами, указывали, по крайней мере, на температуру 325 °С, хотя разброс в оценках давления достигал почти двух порядков величины. Химический анализ атмосферы на «Венере-4», показавший преобладание углекислого газа, потребовал пересмотра данных о радиояркостной температуре, основанных на моделях атмосферы с меньшим содержанием двуокиси углерода. Однако новый анализ данных радиоизмерений, проведенный в 1967 году, объяснивший некоторые необычные особенности микроволнового спектра Венеры за счет углекислого газа, привел к еще более высокой оценке температуры поверхности (до 427 °С), что не согласовывалось с данными «Венеры-4», если бы они были переданы с поверхности. Модели атмосферы, основанные на данных «Маринера-5» и данных, обработанных совместно с данными радиолокационных измерений радиуса Венеры, также свидетельствовали о гораздо больших значениях температуры и давления у поверхности. Советский радиоастроном А. Кузьмин предположил, что «Венера-4» совершила посадку на высокой горе, но К. Саган указал на то, что радиолокационные исследования планеты не обнаружили столь больших неоднородностей рельефа. Вскоре после этого, переосмыслив всю совокупность полученных данных, авторы прямых измерений Авдуевский, Маров и Рождественский (1969) пришли к выводу, что спускаемый аппарат «Венеры-4» прекратил существование на высоте около 24 км над поверхностью при давлении атмосферы 18+/-2,5 бар. Использовав, как наиболее вероятную, адиабатическую модель венерианской атмосферы, они экстраполировали эти данные к поверхности, отвечающей радиолокационному радиусу Венеры, и получили значения 442 °С и 90 бар. Эти значения блестяще подтвердились результатами последующих измерений.
    Передача сигнала со спускаемого аппарата прекратилась, когда значение атмосферного давления (18 бар) оказалось для него предельным. Возможно, однако, что к этому моменту, после 93 минут работы, разрядились бортовые аккумуляторы. В любом случае аппарат должен был разрушиться, а затем, вероятно, сгорел парашют, и спускаемый аппарат свободно упал на поверхность при сравнительно небольшой скорости из-за высокой плотности атмосферы.
    Орбитальный аппарат вплоть до момента его разрушения при входе в атмосферу проводил прямые измерения околопланетного магнитного поля, параметров термосферы, ионосферы и солнечного ветра. Когда в 1962 году «Маринер-2» пролетел на расстоянии 34 773 км от Венеры, это расстояние было слишком велико, чтобы зарегистрировать магнитное поле или хотя бы следы магнитосферы. «Венера-4» надежно не обнаружила у Венеры собственного магнитного поля. Зарегистрированные слабые поля были обусловлены взаимодействием с ее атмосферой солнечного ветра. Радиационных поясов также обнаружено не было, но вместе с тем была открыта протяженная корона атомарного водорода, протянувшаяся от планеты в космос на расстояние свыше 10000 км.
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