По дороге к комете Галлея: история первых и единственных аэростатов на Венере
40 лет прошло с тех пор, как в июне 1985 года впервые в истории мировой космонавтики советские ученые и конструкторы провели исследования верхних слоев атмосферы Венеры с помощью аэростатных зондов, доставленных туда межпланетными станциями «Вега-1» и «Вега-2» по дороге к комете Галлея. Это был полный успех и первый пример воздухоплавания за пределами Земли. До сих пор ни одна страна мира даже не попыталась повторить этот уникальный эксперимент.
«Венера-84» с аэростатом «Монгольфьер»
Когда со станций «Венера-13» и «Венера-14» были получены цветные панорамы, а «Венера-15» и «Венера-16» провели радиолокационные измерения, по которым ученые составили карты невидимой из-за облачности поверхности планеты, встал вопрос: что дальше?
В начале 1980-х годов советские ученые и конструкторы совместно с коллегами Франции начали работу над проектом «Венера-84». Он предполагал доставку на Венеру сферического аэростата, получившего название ПАС (плавающая аэростатическая станция). Ведь атмосфера Венеры ничуть не менее интересна, чем ее поверхность. Например, было обнаружено, что скорость ветра там сравнима со скоростью вращения планеты вокруг оси. Для планеты это медленно: один оборот примерно за 243 земных дня. Между тем скорость ветра на Венере необъяснимо велика и иногда доходила до 120–130 метров в секунду. А значит, аппарат смог бы облететь планету за три земных дня.
При этом ученые смогли бы объяснить, почему и как возникает это явление, или хотя бы собрать о нем больше информации. На Земле исследования атмосферы проводят с помощью аэростатных зондов. Исследовать атмосферу Венеры тоже решили с помощью таких зондов. Дрейфующая в атмосфере станция, не опускаясь на поверхность, смогла бы, как цепка на воде, плавать в плотной атмосфере Венеры достаточно долго, так как на высоте порядка 50 км температура и давление на порядок меньше, чем на поверхности.
Согласно проекту, «аэростат должен был летать (плавать) на высоте облаков, 50-55 километров. В какой-то степени этот аппарат похож на неуправляемый дирижабль, но с учетом венерианских условий — более сложен», — рассказывал академик Михаил Маров, в то время руководивший научным наполнением венерианских исследований.
Предполагалось, что СССР на базе отработанной конструкции уже летавших к Венере станций создаст перелетно-орбитальный и посадочный аппараты с системой развертывания аэростатного зонда. Французы в Тулузе взяли на себя создание аэростата и его гондолы.
Запуск двух станций был запланирован на 1984 год и официально был приурочен к 200-летию изобретения братьями Монгольфье воздушного шара, поэтому проект назвали «Монгольфьер на Венеру».
По этому проекту ПАС имела массу около 220 кг и состояла из тефлонового баллона диаметром 10 м и гондолы с научным оборудованием массой около 50 кг. Длительность работы «Монгольфьера» в атмосфере Венеры предполагалась в течение пяти земных суток и лимитировалась только емкостью аккумулятора. Полученная с аэростата информация должна была запоминаться на магнитофон перелетно-орбитального блока и ретранслироваться на Землю. На нем же устанавливалась аппаратура для измерении скорости дрейфа аэростатов. Это решало важнейшую задачу — понять, как на деле устроена атмосферная циркуляция Венеры. Но этому проекту не суждено было сбыться.
Почему «Могольфер» не полетел на комету Галлея
Вмешались астрономы, которые давно хотели получить изображение ядра самой известной в мире кометы Галлея. Они напомнили, что эта комета в 1986 году в очередной раз будет облетать Солнце, что бывает раз в 75-76 лет. Земляне наблюдали ее с 240 года до новой эры много раз, но возможность исследовать ее с помощью космических представилась впервые. Многие страны решили не упустить этот момент, так как следующий пролет этой наиболее известной в мире кометы будет только в 2061 году.
Идея заинтриговала директора Института космический исследований академика Роальда Сагдеева, который считался ведущим мировым ученым по исследованию физики плазмы и плазма кометного хвоста его очень интересовала. Он предложил вместо проекта «Венеры-84» реализовать в 1984 году другой проект: в период с 11 по 24 декабря 1984 года запустить станции к Венере и после отделения посадочного аппарата выполнить гравитационный маневр и направить станции к комете Галлея.
Таким образом можно в одном полете исследовать небесную странницу и продолжить изучение Венеры. Такой вариант был значительно дешевле и интереснее, чем создавать и запускать аппараты отдельно к Венере и отдельно к комете Галлея. Потому предложение Сагдеева было принято к реализации.
Новый проект получил название «Вега». Его название образовано из двух слов «Венера» и «Галлея».
«Вега» вместо «Венера 84»
Конструкторы НПО имени С.А. Лавочкина, как и предполагалось в проекте «Венера 84», при создании станций «Вега-1» и «Вега-2» использовали уже отработанную конструктивную базу межпланетных станций серии В4 (аналогичных АМС «Венера-9» — «Венера-14»), состоящую из перелетно-орбитального и посадочного модулей, но решили адаптировать их под новые задачи.
Главный конструктор НПО Лавочкина Вячеслав Ковтуненко так прокомментировал газете «Правда» конструкцию новых станций: «Это наша новинка для первой части проекта "Вега". Спускаемый аппарат станции выпустит этот зонд в атмосфере Венеры. А подвешенный к нему небольшой, легкий, но очень мощный радиопередатчик будет через миллионы километров передавать прямо на Землю данные о параметрах атмосферы». Он подчеркивал также, что благодаря аэростатным зондам ученые получат возможность проследить за их дрейфом, а следовательно, впервые зафиксировать циркуляцию атмосферы Венеры.
Основная задача станций — фотографирование кометы, определение концентрации и состава кометной плазмы, выявление наличия и измерение величины электрического и магнитного полей, а также выяснение влияния на комету солнечного ветра — была возложена на перелетно-орбитальный модуль станций. После его адаптации под новые задачи он потерял функцию орбитального ретранслятора и стал существенно тяжелее, что повлекло за собой необходимость облегчения посадочного модуля.
В сферическом посадочном модуле предполагалось разметить аэростатный атмосферный зонд, парашютную систему и спускаемый аппарат, основная задача которого — бурение грунта и исследование его химического состава.
Чем отличались станции «Вега»
Посадочный модуль во многом повторял посадочные аппараты межпланетных станций «Венера 9-14», но в связи с тем, что по баллистическим условиям посадка совершалась на ночной стороне Венеры, с него были сняты телефотометры, а также плотномер. Зато были установлены грунтозаборные устройства и аппаратура «Арахис» для определения содержания в грунте породообразующих элементов. Кроме того, из-за установки новых научных приборов и для предотвращения колебаний посадочного аппарата в набегающем потоке при спуске на аэродинамическом щитке между ним и посадочной опорой был установлен конический экран.
Для проекта «Вега» французская сторона отказалась делать плавающую аэростатную станцию, как было запланировано в проекте «Венера-84», и потому создание аэростатного зонда взяли на себя конструкторы НПО им.С.А. Лавочкина. В создании научных приборов и обслуживающих их систем вместе с советскими учеными и конструкторами приняли участие представители Австрии, Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Франции, ФРГ, Чехословакии, Европейского космического агентства, Японии и США. Таким образом проект «Вега» стал воистину международным.
Аэростатные зонды межпланетных станций «Вега-1» и «Вега-2», созданные советскими специалистами, были меньших размеров, чем французские. Они имели сферическую форму диаметром 3,4 м (вместо 10-метрового проекта Венера-84») из тефлоновой пленки, наполненной гелием. Тефлон был выбран неспроста. Это довольно прочный материал, который легко переносит перепады температуры, а также имеет малый коэффициент трения (легко разворачивается при заполнении газом) и низкую адгезию. Кроме того, он почти не подвержен химическому воздействию серной кислоты в том числе и потому, что капельки серной кислоты венерианских облаков, не задерживаясь на поверхности аэростатов, скатывались с нее.
К аэростатной сфере на 13-метровом капроновом тросе, как лампочки на новогодней гирлянде, крепились несколько приборных контейнеров, образующих своеобразную гондолу длиной 1,2 м и массой всего 6,9 кг. В верхней части гондолы закреплена полунаправленная антенна для передачи данных от приборов непосредственно на земные антенны дальней космической связи. В контейнерах разместили аккумуляторы с ресурсом до 52 часов и пять научных приборов: нефелометр для измерения оптических свойств веществ, рассеивающих свет в атмосфере; анемометр для измерения скорости и направления ветра; термометр; барометр и фотометр. Вес каждого аэростатного зонда вместе с системой наполнения газом и приборной гондолой не превышал 110 кг.
Аэростатные зонды выбрасывались из спускаемого модуля сразу после отвода верхней крышки теплозащитной сферы посадочного аппарата и благодаря сочетанию объема, заполняемого гелием, и массы гондолы могли дрейфовать на высоте около 50 км.
Аэростатные зонды на Венере
К «окну» в декабре 1984 года — оптимальному сроку запуска для полета к Венере и комете Галлея — все было готово. Не лишне отметить, что не только межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2», но и уникальный аэростат, и радиопередатчик изготовлены целиком советскими специалистами из отечественных комплектующих, причем в очень сжатые сроки.
5 декабря 1984 года с космодрома Байконур ракетой-носителем «Протон-К» с разгонным блоком «Д-1» была запущена станция «Вега-1». Через шесть дней за ней последовала «Вега-2». 9 июня 1985 года от пролетного модуля «Веги-1» отделился посадочный модуль. 11 июня он вошел в атмосферу Венеры. Спускаемый аппарат выполнил мягкую посадку, а аэростатный зонд продолжил полет в атмосфере, передавая за Землю научную информацию. То же самое спустя 15 июня проделала станция «Вега-2».
Аэростат «Веги-1» дрейфовал на высоте 53-50 км 46 часов и за это время преодолел 11 600 км со средней скоростью 69 м/с. Его полет начался из полуночного района, а закончил он свою работу на дневной стороне. Аэростатный зонд «Веги-2» дрейфовал на высоте 54 км и за 46 часов преодолел путь около 11 100 км.
Что дали науке аэростатные зонды
Научная аппаратуры, закрепленная на гондолах обоих аэростатных зондов, измеряла температуру и давление атмосферы, вертикальные порывы ветра, а также среднюю освещенность. Была измерена концентрация серной кислоты в облаках и обнаружены в атмосфере планеты признаки хлора, а также, вероятно, фосфора. Кроме того, с помощью нефелометра, тоже закрепленного к гондоле аэростатного зонда, удалось выяснить, что содержание сернистого газа в венерианской атмосфере составляет всего 0,00015%, чего вполне хватает для образования облаков, плотно закрывающих планету.
Зонды изучали и серно-кислотные дожди, которые испаряются, не достигнув поверхности. Оказалось, что эти дожди идут только на высоте выше 40–50 км, так как там ниже температура и капельки кислоты не испаряются. С помощью фотометра удалось обнаружить световые вспышки на ночной стороне Венеры. Это были грозовые разряды, зафиксированные еще спускаемым аппаратом «Венеры-9». Тогда же наличие молний на Венере подтвердили исходящие от планеты радиоволны.
Также впервые на ночной стороне планеты обнаружено довольно тусклое, но стабильное освещение. Ученые предположили, что это собственное свечение атмосферы, возникающее не от Солнца, а из-за химических реакций от взаимодействия атмосферы с заряженными частицами. Подобный эффект проявляется в полярных сияниях на Земле.
Анемометр собрал много данных о ветре. Были зафиксированы восходящие и нисходящие потоки, зональные ветра, взаимосвязь потоков с рельефом и стоячие волны.
В связи с отсутствием спутника-ретранслятора (пролетный аппарат уже летел в комете Галлея) передача информации с зондов шла непосредственно на Землю. Для ее приема были созданы две сети радиотелескопов: советская Система дальней космической связи, координируемая Институтом космических исследований Академии наук СССР (ИКИ АН СССР), и международная, координируемая французским Национальным центром космических исследований (CNES).
Позади Венера, до кометы Галлея лететь еще два года
После завершения первого этапа проекта «Вега» — исследований атмосферы Венеры аэростатными зондами обеих станций и грунта планеты спускаемым аппаратом «Веги-2» — обе станции выполнили гравитационный маневр и направились на встречу с кометой Галлея, которая состоялась в марте 1986 года. Но пока «Веги» летели к комете, на Земле началась и долгие годы продолжалась кропотливая обработка полученной с аэростатов информация информации.
Благодаря проекту «Вега» ученые Советского Союза и других стран получили новые знания о нашей ближайшей спутнице Венере.
