Использование аэростатных модулей для изучения Венеры

Введение

Венера похожа на Землю. Именно это во многом определило высокий интерес к изучению Венеры как планеты земной группы. Обе планеты-сестры имеют практически одинаковый размер, плотность, а следовательно, и близкий состав. Обе планеты получают примерно одно и то же количество тепла от Солнца: Венера расположена ближе к Солнцу, и солнечная постоянная для нее в два раза выше, чем для Земли, но это компенсируется тем, что отражательная способность облачного слоя (альбедо) для Венеры также примерно вдвое выше. Предполагается, что обе планеты образовались при сходных начальных условиях в протопланетном газопылевом диске, окружавшем молодое Солнце 4.5–5 миллиардов лет назад. Изучение Венеры представляет интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения сравнительной планетологии: исследования Земли, Венеры и Марса позволяют лучше понять раннюю историю формирования и развития планет земной группы и эволюции их атмосфер, различие в истории их тектонической активности. В частности, это позволяет провести параллели в будущее, показывая  возможные пути эволюции нашей Земли, ее атмосферы и климата.

Цель данной работы — собрать информацию и разобраться, для чего нужны аэростатные модули, исследующие Венеру.

Задачи:
1) Изучить параметры Венеры и ее атмосферы.
2) Рассмотреть реализованные проекты разных стран по исследованию Венеры.
3) Понять, какими свойствами должен обладать аппарат, чтобы полноценно изучать Венеру.
4) Изучить проект будущего аэростатного модуля для изучения Венеры.

Общее описание Венеры

Параметры планеты

Венера — вторая по удалённости от Солнца планета Солнечной системы, наряду с Меркурием, Землёй и Марсом принадлежит к семейству планет земной группы. Названа в честь древнеримской богини любви Венеры. Венерианский год составляет 224,7 земных суток. Она имеет самый длинный период вращения вокруг своей оси (243 земных суток) среди всех планет Солнечной системы и вращается в направлении, противоположном направлению вращения большинства планет. Венера не имеет естественных спутников. Это третий по яркости объект на небе Земли, после Солнца и Луны. Планета достигает видимой звёздной величины 4,6m — так что её яркости достаточно, чтобы отбрасывать тени ночью. Изредка Венера видна невооружённым глазом и в светлое время суток.

Венера в естественном цвете

Параметры атмосферы

Венера имеет плотную атмосферу, состоящую из более чем 96 % углекислого газа. Атмосферное давление на поверхности планеты в 92 раза больше, чем на поверхности Земли, и примерно равно давлению воды на глубине 900 метров. Венера, безусловно, самая горячая планета в Солнечной системе — средняя температура поверхности 462°С,  даже несмотря на то, что Меркурий находится ближе к Солнцу. Венера покрыта непрозрачным слоем облаков из серной кислоты с высокой отражающей способностью, что помимо всего прочего закрывает поверхность планеты от прямой видимости. Высокая температура поверхности обусловлена действием парникового эффекта.

Изучение Венеры

Первый аппарат, достигший поверхности

“Венера-3” — автоматическая межпланетная станция, предназначенная для исследования планеты Венера. Стала первым земным аппаратом, достигшим поверхности другой планеты.

почтовая марка, посвященная запуску “Венеры-3”

26 декабря 1965 года была проведена коррекция траектории полёта станции “Венера-3”. В это время станция находилась на расстоянии около 13 миллионов километров от Земли. 1 марта 1966 года станция достигла Венеры и врезалась в её поверхность в районе от -20° до +20° по широте и от 60° до 80° восточной долготы (то есть к востоку от кратера Мид). Станция “Венера-3” стала первым космическим аппаратом, который достиг поверхности другой планеты. За время полета со станцией “Венера-3” было проведено 63 сеанса связи. Однако, система управления станции вышла из строя ещё до подлёта к Венере. Никаких данных о планете станция не передала.

Тем не менее, были получены научные данные о космическом и околопланетном пространстве в год спокойного Солнца. Большой объём траекторных измерений представил большую ценность для изучения проблем сверхдальней связи и межпланетных перелётов. Были изучены магнитные поля, космические лучи, потоки заряженных частиц малых энергий, потоки солнечной плазмы и их энергетические спектры, космические радиоизлучения и микрометеоры.

Первый спускаемый аппарат

При создании “Венеры-4” были учтены параметры атмосферы планеты, полученные во время полёта межпланетной станции “Венеры-3”. До полета “Венеры-4” предполагалось, что давление на поверхности Венеры может достигать 10 атмосфер (на порядок меньше истинного значения — 90 атмосфер). Спускаемый аппарат был рассчитан с двойным запасом прочности — на 20 атмосфер, а также должен был работать при температуре 425°C. АМС “Венера-4” состояла из орбитального отсека и спускаемого аппарата. 18 октября 1967 года станция “Венера-4” достигла планеты. При входе в атмосферу Венеры, на скорости 11 км/с, от станции отделился спускаемый аппарат. Орбитальный отсек передавал на Землю телеметрическую информацию, пока не разрушился в атмосфере. Спускаемый аппарат вошёл в атмосферу планеты на ночной стороне, в районе экватора, на расстоянии порядка 1500 км от утреннего терминатора. Во время торможения перегрузки на спускаемом аппарате достигали 300 g. После снижения скорости приблизительно до 210 м/с были введены в действие парашютная система и радиопередатчик и включились измерительные приборы. Началась передача информации со скоростью 1 бит/с. Радиовысотомер передал значение 26 км, но после того, как данные были тщательно проанализированы, это значение было исправлено на 61-65 км. Значения давления передавались вплоть до значения, на которое был рассчитан манометр — 7,3 атмосферы. Значения температур передавались в течение 93 минут, пока продолжался парашютный спуск, за это время температура менялась от 33°C до 262°C. Приблизительно на высоте 28 км над поверхностью он был раздавлен атмосферным давлением.

спускаемый аппарат “Венеры-4”

Улучшение аппаратов

Поняв, какие условия на поверхности Венеры, ученые узнали, какими свойствами должен обладать спускаемый аппарат, чтобы там функционировать. Однако времени на переделку спускаемых аппаратов “Венера-5” и “Венера-6” уже не было, и они полетели с аналогичными спускаемыми аппаратами, но площадь тормозных парашютов у них была уменьшена до 12 м², что позволило им достичь более глубоких слоев атмосферы. Лишь на “Венеру-7” был поставлен новый спускаемый аппарат, рассчитанный на 180 атмосфер, что позволило ему достичь поверхности в рабочем состоянии.

Аппараты СССР

Советский Союз начал изучать Венеру в 1961 году. Всего в СССР было осуществлено 30 запусков в сторону этой планеты, из которых успешными можно признать 15. “Венера” — серия советских автоматических межпланетных космических аппаратов для изучения планеты Венера и космического пространства. Жёсткие условия на Венере, а также первоначальный недостаток достоверной информации о таких параметрах, как температура и давление, сильно осложняли процесс исследования планеты. Спускаемые аппараты первых серий даже имели запас плавучести. Первые полёты их проходили неудачно — но это были первые в истории человечества автоматические межпланетные перелёты.

Тем не менее, СССР добился таких высот в исследовании небесного тела, что Венеру стали называть “русской планетой”.

Аппараты США

США в то время отдавали предпочтение исследованиям Марса. Тем не менее, они не хотели отставать и тоже посылали к Венере аппараты по программе “Маринер”, которые принесли очень ценные сведения об этой планете. Один из них, “Пионер-Венера-1”, “проработал” ее искусственным спутником рекордный срок — 14 лет (с 1978 г. по 1992 г.). Одновременно с ним к Венере отправился еще один аппарат — “Пионер-Венера” многозондовый, который доставил в атмосферу планеты четыре аэростатных зонда. Один из них совершил незапланированную посадку на поверхность.

аппарат “Пионер-Венера-2”

Изучение Венеры с помощью аэростатов

Аэростатные модули аппаратов “Вега”

По результатам наземных наблюдений Венеры было установлено, что облачный слой вращается вокруг планеты со скоростью 100 м/с. Механизм этого вращения был неизвестен. По мнению ученых, исследование облачного слоя Венеры с помощью аэростатов могло способствовать познанию процессов, влияющих на долгопериодическое изменение климата на Земле. Но возможность создания венерианских аэростатных станций появилась только после эпохального полета АМС “Венера-4”, 18 октября 1967 г. впервые передавшей на Землю информацию о характеристиках атмосферы Венеры в диапазоне давлений 0.05–1.8 МПа.

аппарат “Вега”

Космические аппараты “Вега” были созданы в рамках международного проекта “Венера-Галлея” и предназначены для исследования в пролетном сближении двух небесных объектов – планеты Венера (с десантированием на её поверхность посадочных аппаратов и внедрением в её атмосферу аэростатных зондов) и кометы Галлея. К одновременному участию в выполнении миссии были подготовлены два космических аппарата “Вега-1” и “Вега-2”. По решаемым задачам, схеме полёта, конструкции, составу бортовых систем и научной аппаратуры “Вега-1” и “Вега-2” полностью идентичны. Посадочные аппараты совершили мягкую посадку на ночную сторону Венеры. В ходе спуска в атмосфере нештатно (досрочно) включилась аппаратура первого посадочного аппарата, предназначенная для исследований на поверхности — таким образом, эта часть эксперимента не была выполнена. Второй посадочный аппарат успешно выполнил программу исследований на поверхности, передача сигнала продолжалась 56 минут. Аэростатные зонды “Вега” произвели снижение на парашютах и после наполнения их оболочек гелием начали дрейф в атмосфере планеты на высоте 53—55 км, проводя измерения метеорологических параметров. Продолжительность работы обоих зондов составила более 46 часов. Давление на этой высоте составляло 0.05 МПа, а температура — 40 °C.

Данный облачный слой является наиболее плотным в атмосфере Венеры, и в нём, как предполагалось, наиболее отчетливо должна проявляться суперротация атмосферы Венеры — глобальное вращение атмосферы с востока на запад. Каждый зонд проработал около 46 часов и за это время пролетел под  действием ветра около 12 тыс. км со средней скоростью 250 км/ч, измеряя вдоль трассы полёта температуру, давление, вертикальные порывы ветра, дальность видимости в облаках, среднюю освещенность и следя за наличием световых вспышек. Первый зонд дрейфовал вдоль экватора в северном полушарии, второй — в южном.

Данные зондов показали наличие очень активных процессов в облачном слое Венеры, характеризующихся мощными восходящими и нисходящими потоками. Когда аэростатный зонд “Веги-2” пролетал над вершиной горы высотой 5 км, которая расположена в районе плато Афродиты, он попал в воздушную яму и резко снизился на 1,5 км. Оба зонда обнаружили на ночной стороне вариации освещенности и световые вспышки, то есть грозовые разряды. Аэростатный эксперимент позволил получить новую, уникальную информацию об атмосфере планеты.

Новый аппарат “Венера-Д”

“Венера-Д” — новая российская автоматическая межпланетная станция для исследования Венеры. Аппарат должен стать первым отечественным венерианским зондом, запущенным после распада Советского Союза. Во многом эта миссия повторяет предыдущие советские, но предполагается, что новые технологии позволят существенно увеличить продолжительность работы оборудования.

С орбитального аппарата будут спущены два аэростатных зонда. Они будут летать в атмосфере планеты на высоте 55 и 48 км. Ожидаемый срок работы аэростатов — не менее 8 суток. Такой результат планируется достичь с помощью инновационного материала, способного выдерживать пагубные действия серной кислоты. Также в прессе появилась информация, что рассматривается вариант замены надувных баллонов на планер, что увеличит время работы зондов.

аэростат станции “Венера-Д”

Изначально проект был предложен в 2003 году и позже его включили в Федеральную космическую программу на 2006-2015 гг. Сроки предполагаемого запуска неоднократно откладывались. Сначала это был 2013 г., потом перенесли на 2016 г. Сейчас ожидается, что аппарат может быть запущен в 2025 году.

Выводы

Венера относится к планетам земной группы. Однако, в отличие от Земли и Марса, она имеет чрезвычайно плотную атмосферу с ярко выраженным парниковым эффектом. Именно это привело к неудачам в первых программах по изучению планеты — посадочные зонды просто разрушались атмосферным давлением ( “Венера-4”, “Венера-6” ).

В дальнейших программах посадочные модули были улучшены, чтобы выдерживать высокое давление ( “Венера-7” ). Однако и они не могли проработать на поверхности более часа.

В то же время, весьма перспективными и сравнительно просто реализуемыми для изучения Венеры можно считать аппараты аэростатического типа — надувные, с мягкой оболочкой, дрейфующие на определенной высоте над поверхностью планеты. Первые такие аппараты были запущены в рамках программы “Вега”. Они смогли проработать на планете уже 46 часов. Ожидается, что новые аэростаты, создаваемые по программе “Венера-Д”, будут работать на планете не менее 8 суток.

Основная цель аэростатных зондов: изучить строение атмосферы Венеры и поверхности планеты оптическими средствами. Радиолокационными методами уже составлены карты поверхности Венеры, но они не позволяют изучить поверхность столь же детально, как мы знаем Луну или Марс. Подобная информация может раскрыть многие тайны раннего формирования планет, так как слабость разного рода разрушающих факторов, отсутствие гидросферы, слабость ветровой эрозии должны сохранить следы ранней истории рельефа планеты земного типа.

Использованные источники

1. http://cyclowiki.org/wiki/Венерианская_космическая_программа_СССР
2. http://mykosmos.ru/venera-d/
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_искусственных_объектов_на_Венере
4. http://pretich.ru/articles.php?article_id=125

Автор: Шампоров Д.А.
ученик 7Б класса

Руководитель: Дружков А.В.
учитель физики

МОУ СОШ № 52
г. Курган
2018