«Венера-4»

Ежегодник БСЭ 1968 г

Значительные результаты исследований Космоса были получены в 1967 г. с помощью автоматической межпланетной станции (АМС) «Венера-4».

18 октября 1967 г. АМС «Венера-4» после четырехмесячного полета достигла планеты Венера. Спускаемый аппарат станции плавно спустился в атмосфере планеты. На поверхность планеты второй раз были доставлены вымпелы Советского Союза (рис. 6). Станция позволила получить научные данные о физических условиях в межпланетном пространства и в окрестностях Венеры, впервые непосредственно измерены температура, давление и плотность атмосферы Венеры, определен ее химический состав.

По внешнему виду АМС «Венера-4» (рис. 3) напоминает своих предшественниц - станции «Венера-2» и «Венера-3». Ее вес 1106 кг. Станция состояла из орбитального отсека и спускаемого аппарата. В герметичном орбитальном отсеке помещались: приборы системы астроориентации и стабилизации, аппаратура радиокомплекса, блоки автоматики системы терморегулирования, аккумуляторы и научная аппаратура. Спускаемый аппарат станции, предназначавшийся для проведения комплекса научных исследований в атмосфере Венеры, был выполнен в форме, близкой к сфере с диаметром 1 м (рис. 4). Вес его - 383 кг . Аппарат имел два герметичных отсека: парашютный и приборный. В последнем находились два передатчика, телеметрическая система, аккумуляторная батарея, программно-временное устройство, блоки автоматики, система терморегулирования, радиовысотомер и научная аппаратура. В парашютном отсеке, кроме основного и тормозного парашютов, были размещены датчики научной аппаратуры, передающая антенна и антенны радиовысотомера. Наружная поверхность спускаемого аппарата была закрыта специальной теплозащитой, предохранявшей приборы аппарата от аэродинамического нагрева и от воздействия горячей атмосферы Венеры. Перед стартом «пускаемый аппарат станции «Венера-4» подвергался стерилизации с целью предотвращения заноса на Венеру микроорганизмов земного происхождения.

Полет АМС «Венера-4» к планете Венера начался 12 июня 1967 г. с промежуточной орбиты спутника Земли (рис. 2). С помощью радиоизмерений было установлено, что отклонение станции от расчетной траектории у Венеры составит 160 тыс. км. Поскольку ставилась задача попадания на планету, то 29 июля 1967 г., когда станция находилась на расстоянии 12 млн. км от Земли, с помощью жидкостной реактивной двигательной установки была осуществлена коррекция траектории полета, обеспечившая попадание в планету и прямую радиовидимость станции с центра дальней космической связи во время проведения научных измерений в атмосфере Венеры. Двигательная установка была рассчитана на проведение двух коррекций, но надобности во второй коррекции не возникло.

18 октября 1967 г., когда станция находилась от Венеры на расстоянии ок. 45 тыс. км, начался припланетный сеанс. АМС «Венера-4» была сориентирована так, что ось параболической антенны была направлена на Землю. Это положение станция сохраняла до входа в атмосферу, когда произошло отделение спускаемого аппарата (рис. 1), и он в условиях громадных перегрузок (максимальное значение перегрузки более 300 единиц) затормозился от V~11 000 м/сек до V~300 м/сек. Дальнейшее торможение спускаемого аппарата производилось парашютной системой. Ввод парашютной системы в действие был обеспечен барометрическим датчиком. В момент раскрытия основного парашюта включились научные приборы, радиопередатчики и началась передача информации на Землю. В это время высота аппарата над поверхностью Венеры была равна ~26 км, а скорость снижения -10 м/сек. Передача научной информации производилась в течение 93 мин. Место входа станции в атмосферу планеты (с точностью до 500 км) находится на ночной стороне Венеры, вблизи экватора на расстоянии ок. 1500 км от терминатора. Это позволяет считать, что весь спуск проходил на ночной стороне планеты.

Научная аппаратура станции «Венера-4» проводила измерения физических условий в межпланетном пространстве на траектории полета Земля-Венера, в околопланетном пространстве в окрестностях Венеры и в плотных слоях ее атмосферы на участке плавного снижения спускаемого аппарата. В орбитальном отсеке находились: трехкомпонентный магнитометр с диапазоном измерений 50γ и чувствительностью 2γ; счетчики частиц космических лучей; индикатор УФ-излучения Солнца, рассеянного частицами водорода и кислорода; ловушки заряженных частиц для изучения ионосферы Венеры. Все эти приборы проводили измерения вплоть до момента, когда орбитальный отсек вошел в плотные слои атмосферы и прекратил функционирование.

В спускаемом аппарате были размещены приборы для измерения температуры, давления, плотности и химического состава атмосферы Венеры: два термометра сопротивления для определения температуры окружающего газа с пределами измерений 270÷600°K - первый термометр и 210÷730°K - второй; барометрический датчик анероидного типа; плотномер с диапазоном измерений для углекислого газа 0,5-10^-3-15·10^-3 г-см^-3и 11 патронов-газоанализаторов на углекислоту, воду, кислород и азот.

Принцип действия измерителя плотности основан на ионизации атомов и молекул газа в объеме датчика потоком быстрых электронов, создаваемым источником бета-излучения, и измерении величины ионного тока, являющегося функцией плотности исследуемого газа. В патроны-газоанализаторы вводилась проба атмосферы на двух уровнях высоты: на высоте ~26 км (в 5 патронов) и на высоте ~19 км (в остальные 6 патронов). После введении проб патроны-газоанализаторы герметически закрывались. Активный поглотитель каждого анализатора поглощал одну из химических компонент атмосферы. Это позволяло по снижению давления в анализаторе определить содержание исследуемой компоненты. Привязка измеренных параметров атмосферы к высоте производилась начиная от высоты 26 км над поверхностью Венеры (измерение данной высоты проведено радиовысотомером в момент раскрытия основного парашюта). Дальнейшая привязка осуществлена двумя методами - по вычислению скорости снижения спускаемого аппарата на парашюте и по барометрической формуле с использованием данных о составе, плотности и температуре атмосферы.

Научная информация передавалась на Землю радио-комплексом станции. Радиокомплекс обеспечивал также проведение измерений параметров движения станции, передачу служебной информации, управление работой систем по командам с Земли. В орбитальном отсеке помещалась следующая аппаратура радиокомплекса: два приемника, передатчик, телеметрические коммутаторы, дешифраторы, запоминающее устройство и вспомогательная аппаратура. В спускаемом аппарате были размещены два передатчика, телеметрический коммутатор, программный механизм и устройство автоматического переключения передатчиков в случае выхода одного из них из строя.

Связь станции с Землей осуществлялась в дециметровом диапазоне радиоволн. Па трассе полета к Венере использовались остронаправленная параболическая антенна диаметром ~ 2,3 метра и две малопаправленные антенны. Передача информации во время снижения спускаемого аппарата на парашюте велась через специальную аптенну, излучающую радиоволны в сравнительно узком конусе, в пределах которого находилась Земля.

Снабжение электроэнергией всех приборов станции производилось системой энергопитания, состоящей из химических аккумуляторов, солнечных батарей и блока управления. Аккумулятор спускаемого аппарата во время полета станции к Венере находился в нерабочем режиме и лишь подзаряжался слабым током от отдельной секции солнечной батареи.

Система ориентации и стабилизации АМС «Венера-4» обеспечивала освещение солнечных батарей прямыми лучами Солнца, ориентацию на Землю во время сеансов радиосвязи оси параболической антенны и ориентацию станции в пространстве при проведении коррекции траектории. В состав системы входили электронно-оптические датчики, гироскопические приборы, приборы управления и микродвигатели с баллонами газа. Разворот аппарата в заданное положение в пространстве производился относительно определенных астрономических ориентиров: Земли, Солнца и звезды Канопус.

Необходимый тепловой режим элементов конструкции и бортовых систем обеспечивался сочетанием пассивных и активных способов терморегулирования. С помощью пассивных способов поддерживался температурный режим агрегатов и приборов, размещенных вне герметичных отсеков станции. Активная система терморегулирования сохраняла заданный тепловой режим в орбитальном отсеке и спускаемом аппарате. Нагретый газ поступал из отсеков станции в теплообменник, где избыточное тепло излучалось в космическое пространство. Необходимая температура в отсеках создавалась за счет регулирования расхода газа. Конструктивно теплообменник был совмещен с отражателем параболической антенны. В течение полета температура в отсеках находилась в пределах + 15 - + 25°С.

Все приборы и агрегаты станции прошли широкий комплекс наземных испытаний. Основные приборы и элементы систем были задублированы, однако в полете необходимость использования дублирующей аппаратуры не возникла.

В результате осуществления эксперимента на АМС «Венера-4» получена научная информация исключительно большой ценности. Измерения, проведенные в межпланетном пространстве на траектории полета Земля - Венера, подтверждают ранее полученные данные. Сопоставление результатов, переданных станциями «Венера-2» и «Венера-3» и станцией «Венера-4», показывает, что в 1967 г. интенсивность солнечных вспышек возросла в сотни раз по сравнению с 1965 г. Интенсивность потока частиц высоких энергий оставалась постоянной до высот 5 тыс. км от поверхности планеты, а затем стала уменьшаться за счет поглощения космических лучей планетой. Этот результат свидетельствует, что у Венеры нет радиационных поясов. Он согласуется и с результатами измерений магнитного поля.

Предварительный анализ исследований магнитного поля показывает, что дипольный магнитный момент Венеры не превышает трех десятитысячных дипольного магнитного момента Земли.

Измерения, проведенные при помощи ловушек заряженных частиц, показывают, что концентрация положительных ионов на высотах более 100 км не превышает 1000 частиц -см ^-3. Это во много раз меньше содержания заряженных частиц в ионосфере Земли. С помощью индикатора УФ-излучения Солнца обнаружена водородная корона Венеры, простирающаяся до 10 000 км от поверхности и содержащая примерно в 1000 раз меньше водорода, чем верхняя атмосфера Земли. Атомарный кислород индикатором не обнаружен.

Наиболее интересными результатами являются данные о составе, температуре и давлении атмосферы Венеры. Оказалось, что основной компонентой ее является углекислота: 90% с ошибкой меньше, чем ± 10%, кислорода больше 0,4% и меньше 1,5%, азота меньше 7%, воды - 1-8 мг/л. Температура атмосферы от высоты 26 ±1,3 км до поверхности изменяется линейно от 25°±10°С до 270°± 10°С. Давление на этих же высотах изменяется от 0,7 до 20 атмосфер.

Рис. 1. Схема полета в атмосфере и посадки спускаемого аппарата. 1 - начало припланетного сеанса, 2 - отделение спускаемого аппарата от орбитального отсека, 3 - торможение в атмосфере, 4 - раскрытие тормозного парашюта, 5 - раскрытие основного парашюта, 6 - начало работы радиовысотомера, научные измерения, 7 - посадка. Рис. 2. Схема полета станции «Венера-4». 1 - выведение на орбиту ИСЗ, 2 - выход на траекторию полета к Венере, 3 - коррекция, 4 - припланетный сеанс радиосвязи с Землей, 5 - торможение спускаемого аппарата в атмосфере Венеры, 6 -- спуск на парашюте, проведение научных измерений и передача информации на Землю. Рис. 3. Автоматическая межпланетная станция «Венера-4». 1 - орбитальный отсек, 2 - датчик астроориентации, 3 - датчик постоянной солнечной ориентации, 4 - баллоны с газом, 5 - датчик ориентации Солнце - Земля, 6 - датчик и штанга магнитометра, 7 - остронаправленная параболическая антенна, 8 - малонаправленная антенна, 9 - радиатор системы терморегулирования, 10 - панель солнечной батареи, 11 -- корректирующая двигательная установка, 12 - микродвигатели системы астроориентации, 13 - счетчик космических частиц, 14 - спускаемый аппарат. Рис. 4. Спускаемый аппарат станции «Венера-4» (теплоизоляция с верхней части снята). Рис. 6. Вымпелы с Гербом СССР, установленные на борту станции «Венера-4» (6аб - лицевая, 6вг - оборотная сторона).

Сиддики:

Макет посадочной капсулы 1-метрового диаметра Венера-4 на выставке в Мемориальном музее космонавтики в Москве.

Научные инструменты:
СА:
1. MDDA высотомер
2. Газоанализаторы Г-8 и Г-10
3. Денситометр и термометр ТПВ
4. барометр
АМС:
1. СГ-59М трехосный магнитометр
2. 4 ионные ловушки
3. Счетчик расхода газа СТС-5
4. детекторы излучения
5. Счетчик расхода газа СБТ-9
6. Счетчики частиц космических лучей КС-18-2М
7. ЛА-2 спектрометр
Венера-4 была первым космическим аппаратом, который передавал данные из атмосферы планеты. Это был также первый зонд Венера, построенный конструкторским бюро Лавочкина, хотя инженеры Лавочкина сохранили базовую конструкцию более ранних зондов 3MV, построенных под руководством главного конструктора Сергея Королева. Космический аппарат состоял из главного аппарата высотой около 3,5 м и 383-килограммового зонда, предназначенного для передачи данных при спуске через атмосферу Венеры. Эта капсула может выдерживать нагрузки до 300 g и приземляться как на землю, так и на жидкость. Для входа в атмосферу он был оснащен толстым абляционным теплозащитным экраном. Для запуска впервые использовался модернизированный Blok L (4-й ступень), Blok VL. После исправления в середине траектории 29 июля 1967 года Венера 4 приблизилась к Венере 18 октября. Приблизительно за 2 часа до прибытия на Венеру, на расстоянии 45 000 километров, по команде с Земли космический корабль был правильно ориентирован для входа. АМС отделила спускаемый аппарат в 04:34 UT, и он вошел в атмосферу Венеры со скоростью 11 километров в секунду. Перелётный модуль какое-то время присылал данные, прежде чем сгорел в атмосфере. Спускаемый аппарат, тем временем, испытывал до 300 g и снижал скорость до 210 метров в секунду, после чего была развернута парашютная система. Одновременно спускаемый аппарат начал передавать информацию обратно на Землю. Поскольку альтиметр был разработан для регистрации давления только до 7,3 атмосферы, он довольно быстро вышел из строя. Измерения температуры (от 33°C до 262°C) продолжались в течение 93 минут, поскольку зонд медленно спускался через атмосферу. Первоначально советские ученые считали, что СА передает данные с поверхности. Более поздний анализ данных показал, что передача прекратилась на высоте 28 километров, когда высокое атмосферное давление и температура смяли СА. СА уже без связи приземлился около 19° с.ш./36°E. Данные подразумевали, что температура и давление на поверхности составляли 500° С и 75 атмосфер соответственно. Газоанализаторы обнаружили, что атмосфера планеты состоит из 90–95% из углекислого газа (с чувствительностью ± 7%) без азота, который, как ранее предполагалось, будет составлять большую часть атмосферы. Данные ионизирующего денситометра показали, что облачный покров в атмосфере Венеры существует на высотах до 52 километров, а нижняя граница составляет примерно 35 километров. АМС измерила слабое магнитное поле планеты и не обнаружила кольца радиационных поясов. КА обнаружил очень слабую атмосферу атомарного водорода примерно в 9 900 километрах над планетой. Заслуживает внимания то, что Венера-4 обнаружила ударную волну, обнаруженный накануне Маринером V (и позднее подтвержденную Венерой-5). Важность миссии была подчеркнута, когда администратор НАСА Джеймс Э. Уэбб опубликовал заявление 18 октября 1967 года, отметив, что высадка «представляет собой достижение, которым может гордиться любая страна». Исследователи из Исследовательского центра Эймса НАСА были особенно заинтересованы в данных с Венеры 4, особенно о влиянии атмосферы планеты на распространение радиосигналов от космического аппарата в ожидании будущих миссий НАСА на Венеру.