Укрощение строптивой: как «Венера-9» и «Венера-10» продолжили штурм «Утреней Звезды»
Полвека назад, в 1975 году, со стартовой площадки №81 космодрома Байконур к планете Венера были запущены аналогичные по конструкции и оснащению автоматические межпланетные станции «Венера-9» и «Венера-10». Первая отправилась в космос 8 июня в 5:38 мск, а вторая — 14 июня в 6:00. Осенью того же года, 22 и 25 октября, посадочные аппараты станций совершили мягкую посадку на освещенной стороне планеты и впервые в истории передали на Землю телевизионные изображения поверхности Венеры. Между тем сами станции стали ее первыми искусственными спутниками.
Новые станции для не «сестры Земли»
В 1972 году успешной посадкой на поверхность Венеры посадочного аппарата станции «Венера-8» серии 3ВМ, разработанной в НПО им.С.А.Лавочкина, была достигнута цель — отработка мягкой посадки на Венеру. Инженеры предприятия в содружестве с учеными и конструкторами научных приборов Института космических исследований решили разработать для дальнейших исследований Венеры автоматическую межпланетную станцию (АМС) нового, уже четвертого поколения 4В, которая могла бы нести существенно больше научной аппаратуры и проработала на поверхности не менее часа — примерно столько времени было необходимо для передачи на орбитальный аппарат-ретранслятор телевизионной картинки панорамы поверхности планеты.
Запускать станции в пять раз более массивные, чем их предшественницы, можно было не ракетой-носителем «Молния-М» с разгонным блоком 2ВЛ, а более мощной ракетой-носителем «Протон-К» с разгонным блоком «Д-1», уже зарекомендовавшей себя высокой надежностью.
За основу новой серии АМС 4В-1 была принята конструкция марсианских станций серии М-71, запускавшихся в 1971 году под названием «Марс-2» и «Марс-3». При этом базовую конструкцию самой станции и ее посадочного аппарата необходимо было существенно доработать.
К этому времени ученые уже знали, что Венера совсем не «сестра Земли» и на ней невероятно суровые условия: давление атмосферы, состоящей на 97% из углекислого газа, на поверхности в 97 раз больше земного; температура порядка 95 градусов Цельсия. Планету окружает непроницаемый для видимого части спектра слой, состоящий из облаков серной кислоты и пылевых частиц, задерживающих порядка 90% солнечного света. Грозовые разряды превышают земные в десятки раз.
Но эти условия не испугали конструкторов. Новые космические станции 4В были разработаны и состояли из двух модулей — орбитального, а точнее перелетно-орбитального, и посадочного аппаратов.
Конструкция перелетно-орбитального модуля
Орбитальный модуль новой «Венеры» по конструкции близок к перелетному модулю станций «Марс-2» и «Марс-3». Вначале предполагалось, что при подлете к Венере после отделения посадочного аппарата основная конструкция станции выполнит функцию ретранслятора информации и продолжит полет мимо планеты по пролетной траектории. Но конструкторы НПО им. С.А. Лавочкина нашли возможность вывести перелетный модуль на орбиту вокруг Венеры и таким образом создать первый в мире спутник Венеры. В результате из перелетного основной модуль станции стал перелетно-орбитальным.
Основным силовым элементом перелетно-орбитального аппарата является блок топливных баков для несимметричного диметилгидразина и тетраоксида азота. Форма этого блока — цилиндр с двумя выпуклыми днищами. На нижнем днище закреплена корректирующе-тормозная двигательная установка КТДУ-425А с возможностью многократного запуска, которая могла развивать тягу от 9,856 до 18,890 Н для двух коррекций орбиты во время перелета и торможения для выхода на околовенерианскую орбиту.
Здесь же размещен приборный отсек (ПО), имеющий форму тора диаметром 2,35 м. В нем размещены приборы систем автономного управления, ориентации, радиокомплекса, энергопитания, электроавтоматики и терморегулирования. Снаружи ПО находилась научная аппаратура и оптико-электронные приборы системы ориентации. Кроме того, на ПО снаружи крепились сопла вспомогательных двигателей, выступающих из тора.
Навигационная оптика, прикрепленная к внешней части приборного отсека, включала в себя несколько дублирующих друг друга датчиков Солнца, собранных в единый блок, несколько телескопических датчиков звезды Канопус и датчики Земли.
Наибольших изменений коснулась система связи с Землей, так как для передачи информации со своих приборов и с посадочного аппарата орбитальный блок использовался в качестве ретранслятора. Для передачи информации на Землю в дециметровом и сантиметровом диапазонах, сбоку на приборном отсеке, размещена остронаправленная параболическая антенна диаметром 1,6 м д. Рядом с ней разметили шесть всенаправленных спиральных антенн: четыре для связи с Землей и две для связи с посадочным аппаратом. Работа командной радиолинии обеспечивалась спиральной антенной на частоте 769 МГц. Была предусмотрена возможность записи на бортовой ленточный магнитофон для хранения и последующей передачи на Землю 16 мегабайт информации.
Электроэнергией перелетно-орбитальный аппарат обеспечивался двумя панелями солнечных батарей. Благодаря близости к Солнцу их площадь относительно марсианского «предка» уменьшена до размеров 1,25х2,1 м каждая. Но эта же близость потребовала усилить систему терморегулирования, разместив дополнительные радиаторы на фермах крепления солнечных батарей.
Не изменился только бортовой компьютер, работа которого опробована при запусках к Марсу станций серии М-71. В результате всех этих переделок перелетно-орбитальный модуль станций В4 оказался существенно меньше марсианского прародителя. Его диаметр, равный 110 см, стал меньше диаметра его марсианской версии на 70 см, а длина — 2,8 м, что на 1 м короче.
На перелетно-орбитальном аппарате установлена научная аппаратура:
панорамная телевизионная камера для получения изображений облачного слоя;
инфракрасный спектрометр для измерения интенсивности полос поглощения атмосферных газов и отражательной способности облачного слоя;
инфракрасный радиометр для измерения температуры облачного слоя;
фотометр для измерения яркости облачного слоя в ультрафиолетовых;
фотополяриметр для измерения яркости и поляризации солнечного излучения, отраженного облачным слоем;
спектрометр для исследования структуры надоблачной атмосферы;
фотометр для измерения интенсивности солнечного излучения, рассеянного атомами водорода во внешних слоях атмосферы Венеры;
спектрометр для изучения спектра свечения атмосферы Венеры в области длин волн от 3000 до 8000Ằ;
аппаратура для экспериментов по радиопросвечиванию атмосферы;
магнитометр;
плазменный электростатический спектрометр;
ловушки заряженных частиц.
На орбитально-перелетном модуле установлены также приборы для исследования солнечных космических лучей. На верхнем днище перелетно-орбитального модуля размещен переходник, к которому крепится термоизоляционная сфера с размещенными внутри ее посадочным аппаратом и парашютной системой.
Устройство посадочного аппарата
Как было указано выше, посадочный аппарат и парашютная система размещены внутри термоизолированной сферы, защищающей все, что в ней находится, от высокой температуры ударной волны на первом участке входа в атмосферу и обеспечивающей раскрытие парашютной системы. Ее большой диаметр позволил установить вне герметичного корпуса посадочного аппарата научную аппаратуру для изучения на спуске облачного слоя и применить надежное амортизирующее посадочное устройство, которое обеспечивает мягкую посадку при соударении с поверхностью любой твердости.
Основным силовым элементом посадочного аппарата, общая высота которого составила 2 м, является прочный сферический корпус из титана диаметром 80 см, рассчитанный на работу давлении выше 100 атм, покрытый снаружи и изнутри теплоизоляцией. Сверху к сферическому корпусу посадочного аппарата крепится кольцеобразный щиток (как поля у шляпы) диаметром 2,1 м — своеобразное аэродинамическое тормозное устройство. Он применен взамен парашюта, который при посадке мог накрыть иллюминатор телефотометра. Кроме того, этот щиток обеспечивал вертикальное положение посадочного аппарата при посадке и являлся своеобразным отражателем радиосигнала со спиральной антенны.
Над щитком размещен цилиндрический контейнер диаметром 80 и высотой 40 см с двумя отсеками. В одном из них — научная аппаратура, работающая в облачном слое, в другом — тормозной и основной парашюты. На внешней стороне цилиндра расположена спиралевидная широкодиапазонная антенна метрового диапазона, через которую на орбитальный аппарат станции передается научно-техническая информация на всех этапах спуска и работы на поверхности. К нижней части сферического корпуса крепится посадочное устройство, представляющее собой тонкостенный тор. В момент удара о грунт оболочка этого тора деформируется, атмосферный газ, проникший в нее через отверстия во время спуска, выходит, уменьшая возможный подскок посадочного аппарата.
Внутри последнего на специальной раме установлены бортовые приборы: радиокомплекс с телеметрией, аккумулятор, элементы автоматики, средства терморегулирования, поглощающими тепло тепловыми аккумуляторами на основе тригидрата нитрата лития, а также ряд научных приборов и т. п.
Но главной задачей посадочного аппарата была съемка двумя телекамерами круговой панорамы поверхности планеты. Кроме широкополосного фотометра с тремя каналами видимого и двумя каналами инфракрасного диапазонов для измерения лучистого потока в атмосфере и на поверхности внутри посадочного аппарата разместились:
Узкополосный инфракрасный фотометр с тремя каналами для сравнения потоков излучения в полосах водяного пара, двуокиси углерода и фона;
Фотометр для измерения освещенности в пяти спектральных интервалах;
Фотометр для измерения яркости атмосферы в трех спектральных интервалах;
Нефелометр для исследования рассеивающей способности атмосферы;
Датчики давления и температуры;
Датчики перегрузки для измерения ускорений, возникающих при спуске;
Масс-спектрометр для определения химического состава атмосферы;
Анемометр для измерения скорости ветра на поверхности;
Гамма-спектрометр для выявления радиоактивности в поверхностном слое грунта;
Радиационный плотнометр для определения плотности грунта.
Новая система посадки
В связи с тем, что на Венере более плотная атмосфера конструкторам пришлось в корне изменить систему посадки. Посадочный аппарат, а также многоуровневую парашютную систему разместили в сферической оболочке диаметром 2,4 м, покрытой изнутри и снаружи мощной теплозащитой.
Циклограмма посадки имела следующую последовательность операций. За два дня до подлета к Венере от перелетно-орбитального аппарата отделяется сфера, которая на вторые сутки входит в атмосферу Венеры под углом 20-23 градуса. При этом при торможении она должна выдержать перегрузки 120-180 g. Тем временем пролетно-орбитальный аппарат выполняет маневр торможения и выходит на орбиту вокруг Венеры.
На высоте около 65 км от сферы отстреливается крышка парашютного отсека. Оттуда выстреливается вытяжной парашют, который извлекает из контейнера парашют увода. Этот парашют отводит в сторону верхнюю часть теплозащитной сферы. За это время скорость спуска снижается с 250 м/сек до 150 м/сек. Затем раскрывается тормозной парашют, сбрасывается нижняя часть теплозащитной сферы, включается радиокомплекс посадочного аппарата и начинается передача на Землю научной и служебной информации путем ее ретрансляции через орбитальный блок стации.
За 15 секунд тормозной парашют замедляет скорость снижения посадочного аппарата до 50 м/сек. Затем вводится в действие основной трехкупольный парашют площадью 180 квадратных метров. Через 20 минут, когда посадочный аппарат пройдет через облачный слой, трехкупольный парашют отстреливается. Посадочный аппарат продолжает снижаться постепенно затормаживаясь с помощью своего аэродинамического щита (в виде юбки).
Огромная плотность атмосферы Венеры позволила отказаться от двигателей мягкой посадки и использовать для смягчения удара о поверхность тороидальное, сминаемое кольцо. В результате посадочный аппарат касается поверхности Венеры со вполне допустимой скоростью около 7 м/с.
Посадочные аппараты обеих станций «Венера-9» и «Венера-10» совершили успешную посадку на расстоянии около 2200 км друг от друга. Через несколько секунд начали передачу информации. К сожалению, на обеих станциях не раскрылись крышки вторых телекамер, потому вместо круговых панорам были получены панорамы на 180 градусов. Скорость съемки панорам и передачи изображения на орбитальный модуль требовала обеспечения работоспособности всего посадочного аппарата не менее одного часа.
Реально информация с посадочного аппарата «Венеры-9» передавалась 53 минуты и была прекращена, так как орбитальный аппарат с ретранслятором ушел из зоны радиовидимости. На момент прекращения связи температура внутри аппарата не превышала 60°С, и бортовая аппаратура продолжала исправно функционировать. По той же причине прием информации с посадочного аппарата «Венеры-10» прекратился через 65 мин.
Впервые в мире были получены панорамы поверхности планеты Венера, недоступной для наблюдения с орбиты из-за плотной облачности.
Венера-9 4В-1 № 660:
Старт: 8 июня 1975 года 05:38:00 ДМВ;
Стартовая масса: 4936 кг;
Масса топлива: 1093 кг;
Масса орбитального аппарата без топлива: 2283 кг;
Посадка на Венеру: 22 октября 1975 г. 08:13 ДМВ.
Венера-10 4В-1 №661:
Старт: 22 октября 1975 г. 08:13 ДМВ;
Стартовая масса: 5033 кг;
Масса топлива: 1159 кг;
Масса орбитального аппарата без топлива: 2314 кг;
Посадка на Венеру: 25 октября 1975 г, 08:17 ДМВ.
Масса посадочного аппарата с системой входа в атмосферу: 1560 кг;
Масса посадочного аппарата на поверхности: 660 кг.
Об уникальных результатах, полученных с АМС «Венера-9» и «Венера-10», мы расскажем в октябре, когда эти станции впервые в мире выйдут на орбиту вокруг Венеры, а их спускаемые аппараты передадут первые в мире снимки с поверхности.
