Венера-4: Первые исследования атмосферы Венеры

Введение

1967 Советский зонд Венеры

Венера-4 (Венера-4), также обозначенная как 4V 1 №310, была зондом в советской программе «Венера» для исследования Венеры. Зонд состоял из посадочного аппарата, предназначенного для входа в атмосферу Венеры и спуска на поверхность на парашюте, и космического аппарата-носителя, который доставил посадочный аппарат к Венере и служил ретранслятором связи для него. В 1967 году он стал первым успешным зондом, выполнившим анализ окружающей среды другой планеты непосредственно на месте. Венера-4 предоставила первый химический анализ атмосферы Венеры, показав, что она состоит главным образом из углекислого газа с несколькими процентами азота и менее одного процента кислорода и водяного пара. При входе в атмосферу он стал первым космическим аппаратом, выдержавшим вход в атмосферу другой планеты. Станция обнаружила слабое магнитное поле и отсутствие радиационного поля. Внешний слой атмосферы содержал очень мало водорода и не содержал атомарного кислорода. Зонд передал первые прямые измерения, подтверждающие, что Венера чрезвычайно горяча, что её атмосфера намного плотнее, чем предполагалось, и что она давно потеряла большую часть своей воды.

Космический корабль

Основной носитель космического корабля 4 возвышался, его солнечные панели были развернуты и имели площадь около 3000 км². Носитель космического корабля включал в себя длинный магнитометр, ионный детектор, детектор космических лучей и ультрафиолетовый спектрометр, способный обнаруживать газы водорода и кислорода. Устройства должны были работать до входа в атмосферу Венеры. В этот момент станция была спроектирована для выпуска капсулы и последующего разрушения. Задняя часть носителя содержала жидкостный ракетный двигатель для коррекции траектории полета. Программа полета предусматривала две значительные коррекции курса, для выполнения которых станция могла принимать и выполнять до 127 различных команд, отправленных с Земли. Прочность капсулы проверялась путем воздействия на нее высоких температур, давлений и перегрузок с использованием трех уникальных испытательных установок. Теплостойкость проверялась в высокотемпературной вакуумной установке, имитирующей верхние слои атмосферы. Капсула подвергалась давлению до 25 атмосфер. (Давление на поверхности Венеры в то время было неизвестно. Оценки варьировались от нескольких до сотен атмосфер). Наконец, капсула испытывалась в центрифуге с ускорением до 450 g. Испытание в центрифуге привело к трещинам в электронных компонентах и кронштейнах кабелей, которые были заменены незадолго до запуска. Сроки запуска были сжатыми, чтобы не пропустить окно запуска — периоды года, когда путь к планете назначения с Земли энергетически наиболее выгоден. Капсула могла плавать в случае посадки на воду. Учитывая такую возможность, замок капсулы был изготовлен из сахара, который должен был раствориться в воде, освободив антенны передатчика. Капсула содержала новую систему виброизоляции, а ее парашют мог выдерживать температуры до -5 °C. В капсуле были высотомер, система терморегулирования, парашют и оборудование для проведения атмосферных измерений. Последнее включало в себя термометр, барометр, гидрометр, высотомер и набор приборов для анализа газов. Данные передавались двумя передатчиками на частоте 922 МГц со скоростью 1 бит/с; измерения передавались каждые 48 секунд. Передатчики активировались при раскрытии парашюта, когда внешнее давление достигало , что, как предполагалось, происходило на высоте около над поверхностью планеты. Сигналы принимались несколькими станциями, включая обсерваторию Джодрелл-Бэнк. Коррекция курса была выполнена 29 июля, когда аппарат находился в от Земли; в противном случае зонд пропустил бы Венеру. Хотя планировалось две такие коррекции, первая оказалась достаточно точной, поэтому вторая была отменена. 18 октября 1967 года космический аппарат вошел в атмосферу Венеры, предполагаемое место посадки находилось вблизи . Во время входа в атмосферу Венеры температура теплового щита поднялась до , а в какой-то момент замедление внутри капсулы достигло 300 g. Спуск продолжался 93 минуты. Капсула раскрыла парашют на высоте около и начала передавать на Землю данные о давлении, температуре и составе газов. Система терморегулирования поддерживала температуру внутри капсулы на уровне , температура на высоте была зафиксирована как , а давление – менее чем . В конце спуска температура достигла , давление возросло до , и передача сигнала прекратилась. Атмосферный состав был измерен как 90–93% углекислого газа, 0,4–0,8% кислорода, 7% азота и 0,1–1,6% водяного пара. (Эффект, известный как "алиасинг"). В то время расстояние до облачного слоя над поверхностью было неизвестно, и из-за этой неопределенности первое отражение от радара, которое сейчас считается находящимся на высоте около , первоначально было ошибочно интерпретировано как "поверхность". Поэтому, основываясь на ошибочных данных радара, советская группа первоначально объявила о посадке зонда на поверхность. Этот результат был быстро отвергнут как противоречащий измеренному радаром диаметру планеты, а показания давления капсулы были значительно ниже, чем предсказывали недавно разработанные модели атмосферы Венеры. организация раннего космического сотрудничества, позволившая получить более полное представление о профиле атмосферы Венеры.

The main carrier spacecraft 4 stood high, its solar panels spanned and had an area of The carrier spacecraft included a long magnetometer, an ion detector, a cosmic ray detector and an ultraviolet spectrometer capable of detecting hydrogen and oxygen gases. The devices were intended to operate until entry into the Venusian atmosphere. At that juncture, the station was designed to release the probe capsule and disintegrate. The rear part of the carrier spacecraft contained a liquid fuel thruster capable of correcting the flight course. The flight program was planned to include two significant course corrections, for which purpose the station could receive and execute up to 127 different commands sent from the Earth. The durability of the capsule was checked by exposing it to high temperatures, pressures, and accelerations using three unique testing installations. The heat resistance was checked in a high temperature vacuum system emulating the upper layers of the atmosphere. The capsule was pressurized up to 25 atmospheres. (The surface pressure on Venus was unknown at the time. Estimates ranged from a few to hundreds of atmospheres). Finally, it was subjected to accelerations of up to 450 g in a centrifuge. The centrifuge test caused cracking of electronic components and cable brackets, which were replaced shortly before launch. The timing for the launch was rather tight, so as not to miss the launch window — the days of the year when the path to the destination planet from Earth is energetically least demanding. The capsule could float in case of a water landing. Considering the possibility of such a landing, its designers made the lock of the capsule using sugar; it was meant to dissolve in liquid water, releasing the transmitter antennas. The capsule contained a newly developed vibration damping system, and its parachute could resist temperatures up to
The capsule contained an altimeter, thermal control, a parachute and equipment for making atmospheric measurements. The latter included a thermometer, barometer, hydrometer, altimeter and a set of gas analysis instruments. The data were sent by two transmitters at a frequency of 922 MHz and a rate of 1 bit/s; the measurements were sent every 48 seconds. The transmitters were activated by the parachute deployment as soon as the outside pressure reached , which was thought to occur at the altitude about above the surface of the planet. The signals were received by several stations, including the Jodrell Bank Observatory. A course correction was performed on 29 July when it was away from Earth; otherwise, the probe would have missed Venus. Although two such corrections had been planned, the first one was accurate enough and therefore the second correction was canceled. On 18 October 1967, the spacecraft entered the Venusian atmosphere with an estimated landing place near
During entry into the Venusian atmosphere, the heat shield temperature rose to and at one point the cabin deceleration reached 300 G. The descent lasted 93 minutes. The capsule deployed its parachute at an altitude of about , and started sending data on pressure, temperature and gas composition back to Earth. The temperature control kept the inside of the capsule at The temperature at was recorded as , and the pressure as less than At the end of the descent, the temperature reached and pressure increased to , and the signal transmission terminated. The atmospheric composition was measured as 90–93% carbon dioxide, 0.4–0.8% oxygen, 7% nitrogen and 0.1–1.6% water vapor. (an effect known as "aliasing"). At the time the distance of the cloud tops above the surface was not known, and due to this ambiguity, the first radar return, now believed to be at an actual altitude of about , was initially misinterpreted as Therefore, based on the misinterpreted radar results, the Soviet team initially announced the probe descended to the surface. This result was quickly dismissed as inconsistent with the planetary diameter measured by radar, and the pressure readings by the capsule were much lower than predicted by the recently developed models of the Venus atmosphere. an organization of early space cooperation, allowing a more complete drawing of the profile of the atmosphere of Venus.

Достижения

Впервые был проведен анализ атмосферы другой планеты непосредственно на месте, и данные были отправлены на Землю; анализ включал химический состав, температуру и давление. Измеренное соотношение углекислого газа к азоту, приблизительно равное 13, настолько сильно скорректировало предыдущие оценки (в некоторых кругах даже ожидали обратного соотношения), что некоторые ученые поставили под сомнение достоверность наблюдений. Основная станция не обнаружила радиационных поясов; измеренное магнитное поле оказалось в 3000 раз слабее земного, а плотность водородной короны – в 1000 раз меньше. Атомный кислород не был обнаружен. Все полученные данные свидетельствовали о том, что вода, если она когда-либо и присутствовала, покинула планету задолго до этого момента. Этот вывод оказался неожиданным, учитывая густые венерианские облака. В связи с пренебрежимо малой влажностью система "сахарного замка", использованная на "Венере-4" на случай посадки в воду, была исключена из последующих венерианских зондов.