Венера. Ближайшая к Земле планета и самый яркий объект ночного неба после Луны. Интерес человека к Венере возник очень давно. Астрономы древних времён – из Китая, Вавилона, Греции и Индии – видели её как яркую звезду, которая появлялась незадолго до восхода Солнца и быстро исчезала после заката. Планета сыграла важную роль в эпоху Просвещения, поскольку учёные могли наблюдать фазы Венеры и использовать эти наблюдения для опровержения геоцентрических теорий. 

Но в последние десятилетия Венера служила нам в качестве полигона для испытаний новых технологий, исследования химических процессов в экстремальных условиях, а также изучения изменений климата и разработки климатических моделей. Давайте взглянем на неё поближе и посмотрим, каким образом люди на самом деле могут изучать эту планету.

Почему Венера – это привлекательное место для исследований?

Венера – планета размера чуть меньшего, чем Земля. Её главная особенность состоит в наличии очень плотной атмосферы, которую впервые пронаблюдал русский учёный-естествоиспытатель Михаил Ломоносов. Это произошло в 1761 году. Только спустя 200 лет, в 1961 году, учёные стали предпринимать серьёзные попытки приоткрыть завесу тайны над поверхностью планеты. С помощью наземных радиотелескопов, им удалось узнать подробности о вращении Венеры и её радиусе, а также сделать предположения о составе поверхности.Большой вклад в изучение Венеры внёс СССР.

Исследования, проводимые советскими космическими аппаратами, дали нам очень важные данные об условиях на планете. К ней отправлялись как спускаемые, так и орбитальные зонды. Первую успешную посадку на Венеру удалось выполнить аппарату “Венера-7”. За этим успехом последовали и другие.

Оказалось, что давление атмосферы у поверхности более чем в 90 раз превышает земное, а значения температуры забегают выше 450 °С. Добавим к этому факт наличия облаков с относительно высоким содержанием серной кислоты, и получим условия, неблагоприятные не то что для существования человека, но и какой-либо электроники – установленный в 1982 году аппаратом “Венера-13” рекорд в виде пребывания на поверхности планеты в течение 127 минут до сих пор не побит!

Такая, мягко говоря, несладкая погода обусловлена, по большей части, наличием парникового эффекта. Атмосфера Венеры на 95% состоит из углекислого газа. Она пропускает часть солнечного излучения к поверхности, но не даёт ему оттуда выбраться. Прибавляем к этому внутреннее тепло от самой планеты – и получаем то, что имеем.

Но даже в этом свете Венера представляет собой важное место для будущих космических исследований. В первую очередь речь идёт об изучении парникового эффекта и экстремального климата планеты. Это та область, которая очень интригует учёных различных направлений (приглашаю вас прочитать интересное интервью с астробиологом Дэвидом Гринспуном, который попытался объяснить всю важность изучения Венеры – прим. автора). 

Но есть кое-что более интригующее. В ходе исследования Венеры удалось выяснить, что на планете имеется место, где вполне комфортно могли бы работать люди. Речь, конечно же, не о поверхности.

В атмосфере Венеры, на высоте примерно в 50 километров, существуют условия максимально близкие к земным. Давление – чуть большой одной атмосферы, а средняя температура – около 75 градусов. На этой высоте также происходит резкое возрастание концентрации азота, который является вторым по распространённости в атмосфере Венеры веществом, а заодно – одним из двух важнейших компонентов воздуха. Добавим сюда гравитацию, которая составляет примерно 90 процентов от земной. Выглядит не так уж и плохо!

В связи с такими открытиями, некоторые учёные и инженеры всерьёз задумываются о пилотируемых исследованиях Венеры. Потому что в сравнении, например, с Марсом, у этой планеты есть ряд преимуществ.

• Венера является ближайшей к Земле планетой. Расстояние от Венеры до Земли варьируется от 38 до 261 миллиона километров, в то время как у Марса аналогичные показатели составляют от 55 до 401. 
• Из близости планеты вытекает другой важный фактор: продолжительность путешествия. Потенциальные траектории пилотируемых полётов к Венере туда и обратно охватывают промежуток времени в 14 месяцев. В то время как для Марса этот показатель составляет примерно 26 месяцев. 
• Как уже было сказано выше – условия венерианской атмосферы на высоте 50 километров довольно благоприятны. Вкупе с гравитацией планеты, их, пожалуй, можно назвать наиболее близкими к земным в Солнечной системе. 

Планета предоставляет большое количество необходимых ресурсов. У Венеры очень большой потенциал для использования солнечной энергии. Атмосфера наполнена большим количеством азота, углерода и кислорода (оба элемента в связанном виде – CO₂). Там также имеется относительно небольшое количество воды.

Задумки учёных и инженеров, вдохновлённых изложенными выше соображениями, реализуются в виде кое-каких проектов. В 2015 году сотрудники Управления концептуальных проектов и системного анализа (SACD) из Исследовательского центра NASA имени Лэнгли представили проект HAVOC. High Altitude Venus Operational Concept. Что это такое? Давайте разбираться.

Проект HAVOC: в общих чертах

Мы уже выяснили, что атмосфера Венеры на высоте около 50 километров является довольно любопытным местом. Концепция NASA HAVOC представляет собой проект отправки в средние слои атмосферы Венеры специализированного дирижабля. Это транспортное средство способно нести с собой как множество различных научных инструментов для изучения планеты в автоматическом режиме, так и обитаемый модуль, способный поддерживать жизнь и работоспособность пары астронавтов. Конструкция дирижабля рассчитана на работу по основной миссии в течение 30 дней.  Полная продолжительность экспедиции при этом может составить около 14 месяцев, что почти в два раза меньше, чем продолжительность экспедиции марсианской. Основные технологические сложности в реализации концепции связаны с:

• Выполнением манёвров входа дирижабля в атмосферу
• Развёртыванием конструкции дирижабля
• Защитой дирижабля и солнечных батарей от серной кислоты

И некоторые из этих проблем могут быть решены с помощью современных технологий.

Каков план?

Концепция HAVOC предлагает проводить исследования Венеры в пять этапов. Первый этап полностью фокусируется на роботизированном изучении планеты. Этапы номер два, три и четыре будут опираться на данные, собранные в ходе первого этапа. Они будут представлять собой пилотируемые экспедиции. Изучение Венеры на этих этапах будет происходить как на орбите, так и в атмосфере. В конечном итоге, это приведёт нас к пятому этапу: долгосрочному пребыванию в атмосфере Венеры.

Первый этап

Схема первого этапа проста. Мы конструируем развёртываемый в атмосфере дирижабль, снабжённый солнечными батареями, укладываем его в аэроооблочку и запускаем на любой из доступных нам ракет тяжёлого класса к Венере. По прибытии к планете аэрооболочка производит вход в атмосферу и выпускает дирижабль, который развёртывается в процессе падения и приходит в своё эксплуатационное состояние на высоте около 50 километров от поверхности, позволяя научным приборам начать сбор информации об окружающей среде. Выглядит это примерно вот так:

Дирижабль будет двигаться, по большей части, за счёт продольных ветров, которые огибают всю планету по экватору примерно за 110 часов. Его масса составит  почти 1400 килограмм. В совокупности с аэрооболочкой и транспортным модулем общая масса составит порядка 7150 килограмм. Объём оболочки дирижабля – 1118 кубических метров. Энергоснабжение будет осуществляться за счёт солнечных батарей общей площадью чуть более 50 квадратных метров, зарезервированных хранилищем энергии ёмкостью почти в 93 кВт∙ч, которое позволит поддерживать работу всей системы в течение 66 часов (это максимальное количество времени, которое дирижабль может провести в условиях венерианской ночи).

В пользу использования дирижабля говорит его универсальность. Он может внести вклад в любую из областей изучения Венеры. Что наглядно представлено на изображении ниже.

Третий этап

Этот этап невероятно важен, поскольку должен продемонстрировать жизнеспособность концепции HAVOC в принципе. 

Вся схема становится намного сложнее. Изначально на низкую орбиту около Венеры должен быть произведён запуск аэрооболочки (капсулы) A, которая будет нести с собой дирижабль для атмосферных пилотируемых исследований и небольшую ракету с кораблём для возвращения с Венеры на орбиту. Там капсула A будет ждать свою сестру: капсулу Б. 

Запуск капсулы Б изначально будет производиться на низкую околоземную орбиту. В неё будет интегрирован жилой модуль. Транспортный модуль будет запускаться отдельно (возможно – собираться прямо на орбите). Также капсула Б предусматривает топливо для возвращения команды. 

Туда же (на НОО) отдельной ракетой на отдельном космическом корабле будут доставлены астронавты, которые переместятся из корабля в жилой модуль капсулы Б. Она отправится к Венере с низкой околоземной орбиты благодаря транспортному модулю и на низкой орбите Венеры соединиться с капсулой A. Команда пересядет в последнюю и начнёт 30-дневный этап пилотируемых исследований. Всё это время капсула Б будет находиться на орбите. 

По завершению исследований, дирижабль сможет продолжить исследования планеты в автоматическом режиме. Астронавты, при помощи небольшой ракеты-носителя и пилотируемого корабля вернутся в заполненную топливом капсулу Б, которая всё это время ожидала их на орбите Венеры. Пересядут из корабля в жилой модуль капсулы Б и, за счёт предусмотренного запаса топлива, отправятся к низкой околоземной орбите, где совершат пересадку в земной космический корабль, который и доставит их на родную планету.

Не пугайтесь, если ничего не поняли. Может быть изображение ниже поможет вам разобраться в плане экспедиции.

Отправка людей к Венере может занять примерно 110 дней. Продолжительность основной части миссии составит 30 дней. На возвращение экипажа создатели проекта отводят 300 дней. Общая продолжительность экспедиции должна составить 440 дней – чуть более 14 месяцев. Траектории полёта наглядно отображены на следующем рисунке.

Естественно, что дирижабль для пилотируемой миссии будет несколько отличаться от дирижабля для миссии роботизированной. В первую очередь это выражается в габаритах и массе. Объём оболочки пилотируемого дирижабля – более 77,5 тысяч кубических метров. Масса – более 95 тонн. Большая её часть будет приходиться на небольшую ракету-носитель с капсулой, которая отправит закончивших свою основную миссию астронавтов к ожидающей их на орбите аэрооболочке Б. Источником энергии на дирижабле будут выступать установленные на нём солнечные батареи площадью 1044 квадратных метра. Хранилище энергии на случай продолжительной венерианской ночи будет иметь ёмкость 1959 кВт∙ч.

Работа, проведённая учёными и инженерами из Исследовательского института NASA имени Лэнгли, в основном сосредоточена как раз на третьем этапе проекта: 30-дневной пилотируемой миссии в атмосфере. Эта работа преследует две цели:

• Построение модели, которая продемонстрирует работу концепции входа, снижения и развёртывания дирижабля (EDI)
• Проведение тестирования различных материалов для плёнок, задача которых будет состоять в защите солнечных панелей от кислотных условий атмосферы

Итак, мы получили некоторое представление о важных этапах проекта HAVOC. Настало время чуть углубиться в детали.

Вход в атмосферу

В рамках проекта HAVOC основное внимание при моделировании взаимодействия аппарата и газовой оболочки Венеры уделяется двум аспектам: атмосферному торможению, а также концепции EDI (entry, descent, inflation – вход, снижение, развёртывание).

Во время атмосферного торможения аэрооболочка будет использовать высокое сопротивление, возникающее при прохождении через относительно плотные слои газа на высокой скорости, для выхода на круговую орбиту вокруг Венеры. Как только аэрооболочка с дирижаблем внутри выйдет на запланированную траекторию, начнётся этап входа в атмосферу. По достижении сверхзвуковых скоростей стартует этап снижения. На этом этапе для дальнейшего замедления будут использоваться парашюты или баллюты. Фаза развёртывания в такой схеме начнётся только тогда, когда скорость будет сброшена до минимальных значений, позволив дирижаблю влиться в ветровые потоки атмосферы Венеры.

Но вход в атмосферу такого массивного аппарата, как пилотируемый дирижабль, связан с некоторыми рисками. В их числе:

• Риск не выйти на круговую орбиту для последующего входа в плотные слои атмосферы планеты. Может быть связан с слишком высокой набранной скоростью.
• Чрезмерные колебания высоты, связанные с подъёмной силой, которая может возникнуть из-за описанного выше риска. Это явление обычно выражено на траекториях с малыми углами входа.
• Чрезмерные перегрузки. В течение продолжительного времени они могут оказать сильное влияние на здоровье экипажа.
• Чрезмерный нагрев. Потребуются системы теплозащиты и снижение общей массы конструкции.

Для решения этих проблем учёные применили компьютерное моделирование, создав тысячи вариантов возможных траекторий. Исследователи использовали как независимые – угол входа траектории, общий угол атаки и угол крена – так и зависимые параметры, к которым они отнесли пиковые перегрузки, пиковую скорость нагрева и общую тепловую нагрузку. Траектория считалась приемлемой, если она не приводила к риску не выйти на круговую орбиту и не создавала перегрузки выше определённого значения. 

Важнейшие параметры расчётных траекторий входа в атмосферу вы можете наблюдать ниже.

Дирижабль и аэрооболочка

В проекте HAVOC предлагается простая конструкция с двумя основными элементами: дирижаблем и аэрооболочкой. Последняя должна пережить как суровые условия атмосферного торможения для выхода на круговую орбиту, так и непосредственный вход в атмосферу.

Дирижабль в целом не будет сильно отличаться от своих земных аналогов. В его конструкцию должны быть заложены некоторые поправки: на гравитацию, плотность атмосферы и плавучесть. Расчётные значения объём оболочки дирижабля для роботизированной и пилотируемой миссий составляют 1118 м³ и 77521 м³. Расчётная масса – 1382 и 95772 килограмма. С учётом наличия подъёмного газа. 

Кстати о нём. Транспортировка подъёмного газа на другую планету создаёт дополнительное ограничение по массе. Поэтому инженеры пришли к выводу, что в качестве него должен выступать гелий. Для пилотируемой миссии расчётная масса подъёмного газа составляет 8200 килограмм (без резервуаров). Если бы нам потребовалось использовать в качестве подъёмного газа воздух, то масса возросла бы многократно: до 59400 килограмм. Хотя сами исследователи отмечают, что было бы интересно исследовать использование гелий-воздушной смеси.

Теперь немного об аэрооболочке. В пилотируемом варианте эта конструкция базируется на правильном цилиндре диаметром около десяти метров. Это означает, что она может быть упакована в ракету только с очень широким обтекателем. С роботизированной миссией проще: тут инженеры предлагают капсулу диаметром 4,7 метра.

Конфигурация аэрооболочки предусматривает воздействие очень высоких температур. Профиль её нагрева можно увидеть на рисунке ниже.

В связи с этим, аэрооболочке потребуется довольно серьёзная тепловая защита. Рассмотрим кандидаты в материалы на эту роль.

Тепловая защита

Система теплозащиты была рассчитана по тепловым профилям номинальных траекторий входа в атмосферу с запасом по массе в 25 процентов. Для аэрооболочки дирижабля в роботизированной миссии, диаметр которой составляет 4,7 метра, а длина – 14,7 метра, расчётная площадь теплозащитного покрытия будет составлять чуть более 121 м². Аналогичный показатель для аэрооболочки пилотируемого дирижабля (диаметр – 10 метров, длина – 30 метров) составляет почти 550 м².

В качестве материалов для теплозащиты исследователями предложено два варианта: HEEET и PICA. Первый представляет собой двухслойный материал, в котором внешний высокоплотный слой, состоящий полностью из углеродных волокон, переплетается с внутренним слоем более низкой плотности, в основе которого – углеродные волокна, пропитанные фенольными смолами. PICA – более лёгкий абляционный материал, модификация которого, например, используется в кораблях SpaceX Dragon.

В работе предлагается сделать теплозащитные экраны на основе конструкции сот, зажатых между пластинами графита. Толщина слоя графита должна составлять один миллиметр, а вот толщина сот будет зависеть от типа миссии: в роботизированной – чуть больше 5 сантиметров; в пилотируемой – 7,6. 

Расчётная масса покрытия сильно разнится. PICA, в целом, является более лёгким материалом, который хорошо подходит для роботизированной миссии. Общая масса аэрооболочки с теплозащитой PICA и автоматическим дирижаблем внутри составит примерно 4,5 тонны. В то время как у пилотируемой миссии этот показатель составит 133,9 тонн. Всё дело в том, что профиль нагрева аэрооболочки в пилотируемой миссии несколько иной. Здесь теплозащитные свойства PICA подходят к верхней границе своих возможностей, поэтому исследователи предполагают, что для большей надёжности придётся использовать материал HEEET. Хотя они не отрицают, что возможно продумать гибридный вариант теплозащиты, при котором удастся снизить общую массу аэрооболочки в пилотируемой миссии.

Защита от кислотной среды

С теплозащитой более-менее разобрались. Аэрооболочка входит в атмосферу и выпускает дирижабль. Но и тут его ждут неприятности. Помните облака с высоким содержанием серной кислоты, что были упомянуты в начале статьи? Сам факт их наличия – это очень плохо, в особенности для фотоэлементов, которые должны обеспечивать дирижабль энергией. Тут нужен материал достаточно лёгкий и не препятствующий работе солнечных батарей. Команда исследователей разработала эксперимент для проверки физической целостности и оптической прозрачности нескольких подходящих плёнок после их погружения в раствор серной кислоты с диапазоном концентраций от 75% до 85%. В числе кандидатов на место защитной плёнки: поливинилхлорид, полипропилен и FEP-тефлон. 

Учёные ожидали, что лучше всего себя проявит FEP-тефлон; полипропилен будет испытывать незначительные повреждения, а поливинилхлорид так и вовсе не пройдёт тест. Они провели три эксперимента продолжительность в 1, 7 и 30 дней. Исследователи помещали материалы в 75-процентный и 85-процентный растворы серной кислоты и наблюдали за тем, как образцы меняются. 

Ниже приведены результаты спектроскопии для каждого из образцов. Значения представляют собой усреднённый коэффициент пропускания на длинах волн от 300 до 1000 нм. Коэффициент показывает способность материала пропускать видимый свет к солнечным панелям.

Образцы из FEP-тефлона и полипропилена в 30-дневном эксперименте не показывают каких-либо значительных отклонений в пропускной способности. Образец поливинилхлорида в 75-процентном растворе серной кислоты через час стал коричневым, после чего у него наблюдалось заметное снижение коэффициента пропускания. В 85%-процентном растворе поливинилхлорид проявил себя настолько плохо, что его даже не стали использовать для спектроскопии. Анализ также показал, что поливинилхлорид не только ухудшил показатели пропускания света, но и претерпел химические изменения, чего не случалось с другими материалами.

По итогу учёные сделали вывод что лучшим защитным материалом для солнечных батарей будет являться FEP-тефлон. Хотя пока совершенно не ясно, как совместить его с фотоэлементами и начать проводить полноценное тестирование.

Обитаемые модули

Отложим в сторону роботизированную экспедицию и взглянем на пилотируемую. Для того чтобы она состоялась, экипажу необходимо где-то жить. Пришло время поговорить об обитаемых модулях.

Перелётный модуль

Перелётный модуль предназначен для транспортировки экипажа с низкой околоземной орбиты на низкую орбиту Венеры и обратно. Его работа рассчитана на период от 180 до 360 суток и он предусматривает возможность выхода в открытый космос. Модуль представляет собой металлическую капсулу массой около 20 тонн, максимальным диаметром в 7,2 метра и с рабочим пространством в 44 м³ (22 м³ на человека). В конструкции модуля инженеры предусматривают четыре иллюминатора диаметром 0,5 метра, один внешний люк и два стыковочных узла. Модуль будет защищён многослойной изоляцией. 

Контроль температуры в модуле будет осуществляться за счёт двух контуров: внешнего контура, в котором протекает аммиак, а также внутреннего контура, который использует воду и 60-процентный раствор пропиленгликоля. Отвод тепла будет осуществляться за счёт радиаторов, подобных тем, что установлены на Международной космической станции.

Систему жизнеобеспечения модуля исследователи также предлагают сделать по типу МКС. А обеспечением энергии займутся три многопереходные солнечные батареи, зарезервированные тремя литий-ионными аккумуляторами.

Атмосферный модуль

Атмосферный модуль представляет собой небольшое специализированное пространство в гондоле дирижабля. Период его эксплуатации должен соответствовать продолжительности основной миссии (на третьем этапе проекта она составляет 30 дней). Рабочего пространства в нём предусмотрено не так много – 21 м³. Общая масса может достигать 5 тонн. В конструкции модуля предусмотрено панорамное окно, внешний люк и один стыковочный узел. В нём, также как и в перелётном модуле, должна иметься многослойная защита. Плюсом к ней в каюты экипажа предлагается добавить защитный слой из воды толщиной почти в 6 сантиметров, который должен помочь в защите экипажа во время вероятного солнечного шторма. 

Система жизнеобеспечения и контроля температуры этого модуля аналогична той, что будет установлена на перелётный. А вот система питания по большей части должна быть спроектирована таким образом, чтобы в большей степени зависеть от дирижабля (при этом резервные хранилища энергии всё же поставить придётся).

Возвращаемый модуль

Возвращаемый модуль – это по сути обычный пилотируемый космический корабль массой чуть больше двух тонн, единственной целью которого является доставка экипажа в перелётный модуль капсулы Б для последующего возвращения на Землю. Удобств тут совсем немного: общее рабочее пространство в 4,6 м³ не позволяет. Системы жизнеобеспечения и контроля температуры аналогичны тем, что предусмотрены на вышеописанных модулях. 

Доставляться на орбиту этот корабль будет посредством небольшой ракеты. Предполагается, что это будет двухступенчатый носитель массой примерно в 63 тонны, заправленный керосином и жидким кислородом.

Что в итоге?

Проект HAVOC предлагает вполне реализуемую концепцию исследований Венеры. Команде удалось разработать модели, показывающие процессы входа в атмосферу планеты. Также исследователи показали, что упакованный в аэрооболочку дирижабль может являться хорошим вариантом как для пилотируемых, так и для автоматических исследований. У человечества уже имеются материалы, способные обеспечить аэрооболочке тепловую защиту, а солнечным батареям дирижабля – защиту от кислотной среды. Прогресс в разработке пилотируемых модулей также не стоит на месте: этот показал прошедший недавно запуск корабля Crew Dragon. Да и с ракетами, способными к пуску методом воздушного старта дела обстоят не так уж и плохо: носитель Pegasus показал, что идея доставки грузов в космос таким способом вполне имеет место быть. 

Тем не менее, концепции HAVOC необходима дальнейшая проработка. Сейчас же этот проект заархивирован NASA до лучших времён. Хотя Венера, с её относительно гостеприимной атмосферой, вполне может сыграть большую роль в космическом будущем человечества.

Статья написана на основе материалов с официальной страницы проекта

Подборка интересных материалов о Венере:

• Вулканы, жизнь и океаны: разговор с астробиологом о перспективах изучения Венеры
• Почему так сложно изучать «сестру Земли»?
• Возвращение NASA на Венеру: что и почему?
• Удивительные приключения и метаморфозы «Венеры-Д»