Удивительные приключения и метаморфозы «Венеры-Д»

В закладки

Текущая версия статьи – 2.0. Автор бесконечно признательна сотруднику Объединенной рабочей группы Роскосмос/ИКИ- NASA Дмитрию Горинову за внесение поправок и официально заявляет, что должна ему как минимум шоколадку.

Графика: РИА Новости. Алина Полянина, НПО им. С. А. Лавочкина

Современная российская космонавтика, к сожалению, небогата на крупные научные проекты. Недавний запуск совместного российско-германского рентгеновского телескопа «Спектр-РГ» стал крупнейшим событием такого рода за последние 10 лет и заметно оживил череду запусков спутников ДЗЗ, навигации и двойного назначения, из которых в последнее время состоял наш «гражданский космос» (не считая пусков по программе МКС, конечно).

Как ни странно, самих проектов научных миссий в России имеется немало. Некоторые из них разрабатываются десятилетиями и постоянно откладываются по причине недостаточного финансирования; некоторым везет меньше, как «Интергелиозонду» — их и вовсе отменяют. Тем ценнее и долгожданнее становятся проекты, в которых намечается прогресс, и об одном из них под названием «Венера-Д» мы сегодня и поговорим.

Предыстория

Фото, сделанное посадочным аппаратом «Венеры-13». Обработка: Don P. Mitchel

В 60-80-х годах XX века Венера по праву считалась «советской планетой». Серия АМС «Венера» исследовала нашу ближайшую соседку с пролетной траектории и с орбиты, а также с помощью спускаемых аппаратов, собрала огромный массив данных и поставила ряд рекордов. Была исследована атмосфера Венеры, выполнено картографирование ее поверхности, взяты и исследованы пробы грунта, переданы цветные изображения и даже запись звука с поверхности.

Тем, кому интересно узнать подробности советской программы изучения Венеры, я всячески рекомендую книгу Павла Шубина «Венера: неукротимая планета».(1)

АМС «Венера-15». Фото: НПО им. Лавочкина

Последними советскими аппаратами, отправившимися непосредственно к Венере, были АМС «Венера-15» и «Венера-16», вышедшие на ее орбиту в октябре 1983 года и завершившие картографирование ее поверхности. В 1985 году мимо Венеры пролетели аппараты «Вега-1» и «Вега-2», доставившие к ней посадочные аппараты и аэростатные зонды и затем отправившиеся на встречу с кометой Галлея.

Сотрудник НПО им. Лавочкина рядом с посадочным аппаратом станции «Вега». Фото: НПО им. Лавочкина.

К сожалению, на этом фундаментальное исследование Венеры советскими АМС завершилось. Сложно сказать, какая из многочисленных причин стала основной. Скорее, все они сработали в комплексе: во-первых, был накоплен большой массив данных по Венере; во-вторых, для получения качественно новой информации необходимо было создать более точные приборы, методики анализа данных и материалы для конструкции спускаемых аппаратов, что на том уровне развития космической техники было затруднительно; в-третьих, огромную роль сыграло уменьшение финансирования «научного космоса».  Тем не менее, мысль о дальнейшем исследовании Венеры наши ученые не оставили.

Первые наработки. 2005-2015 годы

Эта история могла начаться значительно раньше, поскольку знаменитый советский и российский астроном, Василий Иванович Мороз, руководивший рядом научных экспериментов для советских исследовательских станций по изучению Венеры, неоднократно поднимал вопрос о создании новой миссии к этой планете. К сожалению, его предложения остались без ответа.

Уже после его смерти, в 2005 году, появились первые упоминания о проекте под названием «Венера-Д», где «Д» означало «долгоживущая». Принципиальным отличием этого проекта от предыдущих миссий должно было стать значительно увеличенное время работы спускаемого аппарата – до 30 суток. АМС должна была состоять из орбитального модуля, аэростатного зонда и посадочного аппарата. Причем на ранних стадиях разработки проект предполагался совместным – изготовление орбитального модуля на базе «Венеры-Экспресс» и атмосферного зонда должна была взять на себя Европа, а посадочный аппарат и средство выведения – Россия (НПО им. Лавочкина).  Также предполагалось, что аппарат будет оснащен небольшими зондами с исследовательской аппаратурой, сбрасываемыми в разных областях планеты. Также рассматривалось участие в миссии малого японского аэростата, который в отличие от европейского высотного, должен был работать в 35 км от поверхности.

«Венера-Экспресс» в представлении художника. Рисунок: ESA

В таком виде проект был включен в Федеральную космическую программу с 2006 по 2015 год. Начало научно-исследовательских работ планировалось на 2007 год, финансирование опытно-конструкторских работ по плану начиналось с 2010 года, а запуск станции — в период с 2016 по 2018 год. В качестве средства выведения рассматривалась ракета-носитель «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» с космодрома Куру во Французской Гвиане.(2)

Практически сразу же проект претерпел существенные изменения.  Уже в 2008 году замдиректора ИКИ РАН Олег Кораблев сообщил прессе, что сотрудничество с европейскими партнерами в том виде, в котором оно предполагалось изначально, не состоится, и проект «Венера-Д» рассматривается отныне как национальный. Кроме того, для посадочного аппарата речь шла уже не о 30 сутках работы, а о времени «более часа».(3)

По словам Людмилы Засовой, соруководителя совместной группы ИКИ и NASA (речь о которой еще впереди), связано это было с отсутствием возможности изготовления на российских предприятиях высокотемпературных элементов, которые были необходимы для создания долгоживущего зонда – даже таких, которые когда-то изготавливались в СССР. Были также предприняты попытки сконструировать станцию с использованием эффективной теплоизоляции, но ее оказалось недостаточно для поставленных перед аппаратом задач. Поэтому было принято решение пересмотреть концепцию посадочного аппарата и создавать его на основе старой проверенной базы посадочных аппаратов серии «Венера» с учетом имеющихся перспективных наработок по аппарату «Фобос-Грунт».

Посадочный аппарат серии АМС «Венера». Фото: НПО им. Лавочкина

24 ноября 2009 года в НПО им. С.А.Лавочкина состоялся Совет главных конструкторов по проекту «Венера-Д», на котором рассматривалось формирование проектного облика космического аппарата. Результаты исследований были одобрены, и принято решение о начале проектно-конструкторских работ.  Также на этом совещании впервые была публично озвучена идея сменить носитель на более тяжелый (типа «Протон»  или «Ангара») с целью повышения научной отдачи проекта.(4)

Однако в 2010 году Роскосмос снова вернулся к идее международного сотрудничества. В своем интервью для «Интерфакса» директор ИКИ РАН академик Лев Зеленый робко упомянул: «В проекте планируется заметное участие наших французских партнеров, но они тоже пока не определились». Позднее в том же году участие французов в проекте «Венера-Д» подтвердил тогдашний руководитель Роскосмоса А.Н. Перминов.(5)

Концепция миссии «Венера-Д». Рисунок: НПО им. Лавочкина

На 2010 год архитектура АМС «Венера-Д» выглядела следующим образом:

1. Орбитальный блок (орбитер) –  будет продолжительное время работать на венерианской орбите и использоваться для передачи научных данных на Землю. Основная научая задача: изучение состава атмосферы Венеры и режимов циркуляции в ней.

2. Посадочный аппарат – изучение состава атмосферы и облаков Венеры, анализ грунта на поверхности планеты. Срок его работы упоминается просто как «короткий».

3. Два аэростата —  будут сброшены с посадочного аппарата при его снижении в атмосфере на высоте 55–60 и 45–50 километров от поверхности. Задача – исследовать состав венерианской атмосферы, измерять акустическую и электрическую активность в облаках планеты. Срок работы баллонов – до 8 дней.

4. Микрозонды (разработка МАИ, до 4 шт) – будут сброшены с аэростатов для зондирования венерианской атмосферы в различных точках.

5. К уже запланированной аппаратуре АМС «Венера-Д» по сообщениям академика Зеленого, планировалось добавить дрейфующий зонд – «ветролет», который в течение одного месяца будет функционировать на высоте 45–50 километров, а также итальянский радар.

Фотография Венеры в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, полученная камерами зонда «Акацуки». Фото: JAXA/ISAS/DARTS/Damia Bouic

Запуск по-прежнему намечался на 2016 год, выход на орбиту Венеры – в 2017, окончание миссии планировалось на 2019 год. (6)

Однако и эта концепция аппарата не была воплощена в жизнь. Стало понятно, что миссия не может состояться в обозримые сроки без международного сотрудничества. В 2013 году была создана объединенная рабочая группа Роскосмос/ИКИ – NASA (Joint Science Definition Team), задачей которой являлось определение научных целей изучения Венеры и проработка возможной миссии к Венере совместными усилиями учеными двух стран, но в 2014 ее работа была свернута по инициативе США в рамках антироссийских санкций. В 2015 году при составлении Федеральной космической программы на 2016 – 2025 годы, знаменитой резким снижением финансирования всех областей работы Роскосмоса, финансирование на «Венеру-Д» предусмотрено не было.(7)

2015-2018 год. Объединенная рабочая группа Роскосмос/ИКИ — НАСА

Несмотря на отсутствие финансирования по Федеральной программе, Объединенную рабочую группу после сложных переговоров удалось спасти, и она продолжила работу в 2015 году. Начиная с этого момента, каждый год они проводили по три встречи, на которых обсуждали архитектуру миссии и варианты совместного сотрудничества. В 2017 году был выпущен отчет о первом этапе работы Группы (Phase I). Представители NASA предложили варианты своего вклада в миссию, и ее концепция стала выглядеть следующим образом.

1. Базовая архитектура:

орбитальный аппарат (Роскосмос)

посадочный аппарат (Роскосмос), продолжительность работы – 2-3 часа.

2. Опциональные дополнения к основной нагрузке:

дроп-зонды (NASA) — малые станции на поверхности планеты, сделанные на основе высокотемпературной электроники, которые могут работать на поверхности Венеры несколько тысяч часов)

— управляемый надувной беспилотный летательный аппарат VAMP (NASA) в форме летающего крыла, разработанный компанией Northrop Grumman.

Презентация концепции VAMP от Northrop Grumman

Предполагалось, что он отделится от орбитального аппарата еще на орбите, надуется, а затем будет дрейфовать в атмосфере, включая двигатели и поднимаясь на высоту 70 километров на дневной стороне, где Солнце сможет заряжать его солнечные батареи, и опускаясь ночью на высоту, где он сможет дрейфовать за счет архимедовой силы. (8) (9)(10) К моему глубокому сожалению, на данный момент VAMP исключен из проекта, но Northrop Grumman не забросила этот концепт, и, возможно, в дальнейшем попробует доработать его и включить в программу NASA New Horizons.

дрейфующие атмосферные зонды различной конструкции для работы на высоте 50-55 км в атмосфере Венеры

малый субспутник массой до 120 кг (11)(12)

Рельеф Венеры. Кратер Jeanne, снимок сделан станцией «Магеллан». Фото: NASA/JPL

5-7 октября 2017 года в ИКИ РАН Объединенная группа провела совещание по моделированию Венеры (Venus Modeling Workshop), посвященное необходимости улучшения существующих моделей атмосферы и внутренней структуры Венеры, выбору мест посадки, а также различным экспериментам планируемой миссии «Венера-Д». Сборник материалов доступен на сайте проекта.

Также была более точно определена дата старта. Запуск был запланирован при помощи тяжелой ракеты-носителя «Ангара-5» с разгонным блоком «Бриз-М» или водородным «КВТК» с космодрома Восточный в 2026 году. Оптимальной датой запуска назвали 9 июня, но окно будет открыто с 30 мая по 20 июня. Если что-то пойдет не по плану, то запуск может быть произведен в 2027 или 2029 году.(13)

Основным камнем преткновения оставалась проблема финансирования, поскольку из Федеральной Космической программы миссия по-прежнему была исключена. К счастью, в 2017 году был найден вариант с финансированием с помощью Федерального агентства научных организаций (ФАНО). По плану, оно должно было выделить средства на разработку эскизного проекта в течение 1,5 лет с момента принятия решения. (14) Это позволило продолжить работу над миссией, однако надо отметить, что финансирование со стороны ФАНО – не панацея: согласно внутренним правилам, оно может финансировать только научные институты, в том числе ИКИ РАН.

2019 год. Текущее состояние

Заметное оживление вокруг «Венеры-Д» наметилось в марте 2019 года и продолжалось всю весну. Что же изменилось с 2017 года?

— Проект вышел в финальную стадию предэскизного проектирования, за которым должно последовать конкретное техническое предложение. Как говорится, «а теперь со всем этим мы попытаемся взлететь» 🙂

— Объединенная группа сформулировала научные задачи и определила комплекс научных приборов для изучения Венеры.

— Определена основная архитектура миссии, рассматриваются варианты дополнительных аппаратов.(15)

Молния в атмосфере Венеры в представлении художника. Рисунок: ESA

— Опубликован отчет второго этапа работы Объединенной группы под названием «Венера-Д»: Расширяя горизонты наших представлений о климате и геологии планеты земного типа с помощью всестороннего изучения Венеры» (16)(17)

— По-прежнему самой насущной задачей является финансирование. Представители Группы приложили все усилия, чтобы поднять эту тему в СМИ и получить финансирование от Роскосмоса, без которого проект дальше не продвинется. Со своей стороны, американцы обещают финансирование со стороны Национальной академии наук США. Общая стоимость миссии по разным оценкам колеблется от 800 миллионов до 1 миллиарда долларов США.  Срок разработки составит от 5 до 10 лет в зависимости от объема финансирования.

Посадочный аппарат на поверхности Венеры в представлении художника. Рисунок Depositphotos / Petersim

— В качестве одной из первостепенных задач рассматривается восстановление работоспособности камеры в НПО им. Лавочкина, которая использовалась для тестирования аппаратов серий «Венера» и «Вега». Технически это осуществимо, заявляют специалисты, и она позволила бы тестировать посадочный аппарат в сборе при температуре более 500 градусов и давлении более 100 атмосфер. Для тестирования также будет использована камера GEER в Исследовательском Центре им. Гленна (NASA John H. Glenn Research Center). Она позволяет тестировать приборы в венерианских условиях, имитируя не только температуру и давление, но и газовый состав атмосферы. Что особенно важно, она позволяет ставить эксперименты по поглощению газов в этих условиях — это поможет лучше интерпретировать результаты тестирования.

Запуск планируется ракетой «Ангара А-5» с разгонным блоком КВТК или ДМ-03 с космодрома Восточный. Дата старта ожидаемо сдвинулась – при самых лучших раскладах разработчики считают возможным подготовить проект к запуску не ранее 2027 года. Последующие окна для запуска откроются в январе 2028, ноябре 2029 и июне 2031 года.(18)

Текущая архитектура и научные задачи миссии

На данный момент определена базовая архитектура миссии и состав возможных дополнительных аппаратов (сколько из них и в каком составе войдут в состав АМС, будет определено позднее). Максимальная масса полезной нагрузки (а значит, и состав приборов и дополнительных аппаратов) будет зависеть в том числе от выбранного разгонного блока (КВТК или ДМ-03) и года запуска. Один и тот же разгонный блок может вывести к Венере разную массу в зависимости от выбранного стартового окна, поскольку траектория выведения, а значит, и требуемый объем топлива, будут отличаться.

Даты запуска и максимальная полезная нагрузка для каждого рассматриваемого стартового окна:

Вот что представляет собой проект «Венеры-Д» на текущий момент:

1. Орбитальный аппарат (Роскосмос, НПО им. Лавочкина)

Схема: НПО им. Лавочкина

Будет находиться на околополярной 24-часовой орбите с наклонением 90°±5° и рассчитан примерно на 3 года службы.

Задачи: исследование динамики, природы суперротации атмосферы Венеры, изучение вертикального строения и состава атмосферы и облаков, распределения и природы неизвестного поглотителя ультрафиолетового излучения, излучательной способности поверхности на ночной стороне. С орбиты также предполагается исследовать электрические явления в верхней атмосфере и взаимодействие венерианской атмосферы с солнечным ветром. Также орбитер может работать в качестве детектора вулканической активности. (19)(20)

2. Посадочный аппарат (Роскосмос, НПО им. Лавочкина)

Схема: НПО им. Лавочкина

Время работы 2-3 часа. Задачи: изучение состава грунта на глубине до нескольких сантиметров, процессов взаимодействия вещества поверхности с атмосферой и самой атмосферы: её состава, структуры и аэрозолей; фотосъемка поверхности во время спуска и панорамы окружающей местности после посадки. Кроме этого, аппарат сможет принести нам новые знания о происхождении и эволюции Венеры благодаря эксперименту по изучению распределения изотопов благородных газов в сравнении с Землей и Марсом. (21)(22)

3. Долгоживущая станция LLISSE (Long-Lived In-Situ Solar System Explorer), NASA

Один из вариантов дизайна LLISSE с ветряком. Фото: John Wrbanek, NASA GRC

Включена в состав посадочного аппарата. Ее вес будет не более 10 кг, а максимальный размер – около 20 см. Время работы — 60 суток или более. Окончательный дизайн LLISSE пока не определен, рассматриваются два варианта: с питанием от батарей или от ветрогенератора. Задачи: регулярные измерения температуры, давления, скорости и направления ветра, химического состава атмосферы в течение 60 суток (включая одно прохождение терминатора) с периодом 8 часов.(23)(24)

Дополнительные (возможные) миссии:

1. Атмосферный зонд с переменной высотой плавания AP (NASA) будет собирать данные об атмосфере и облачном слое Венеры на высоте от 50 до 60 км в течение длительного времени (нескольких недель). Будет собирать информацию об аэрозольном и газовом составе атмосферы, цикле образования облаков, отслеживать скорость и направление ветра, а также следить за процессами в атмосфере, недоступными орбитальному модулю.(25)

Аэростатный зонд АМС «Вега». Фото: НПО им. Лавочкина

2. Два субспутника в точках Лагранжа L1 и L2 системы Солнце-Венера (Роскосмос).

Задача: исследование влияния солнечного ветра на атмосферу Венеры и отслеживание процессов в ионосфере, отслеживание изменения прозрачности верхнего облачного слоя.  Исследования будут проводиться в системе орбитер-субспутники, что позволит получить сравнительные данные с трех аппаратов и значительно повысить точность измерений. Дополнительный плюс размещения субспутников в точках Лагранжа состоит в увеличении угла обзора всей системы до почти половины планеты, что значительно улучшит связь с посадочным аппаратом и потенциальными малыми посадочными станциями. Сложность этих субспутников состоит в том, что способ доставки их в точки Лагранжа и система связи с орбитером ранее не были испытаны.(26)

3. Малые посадочные станции SAEVe (Seismic and Atmospheric Exploration of Venus)(NASA), две или более.

Будут способны прожить не менее 120 суток на поверхности Венеры. Они будут отделены за несколько суток до подлета к Венере, и таким образом, места их посадки будут разнесены на несколько сотен километров. Основной задачей для них станет изучение сейсмической активности Венеры и динамики тепловых потоков. Также SAEVe будут исследовать взаимодействие атмосферы с поверхностью планеты и свойства атмосферы в приповерхностном слое, морфологию горных пород, а также позволят оценить толщину коры в месте посадки.(27)

Звук с поверхности Венеры, записанный посадочным аппаратом АМС «Венера-14» в 1982 году.

Рассматривается участие других стран:  для орбитального аппарата Япония предлагает инфракрасную и ультрафиолетовую камеры (в данный момент подобные камеры работают на японском орбитере «Акацуки»), Италия — два картирующих спектрометра (один из которых, VIRTIS, работал на миссии «Венера-Экспресс»), Германия — камеру для наблюдения поверхности на ночной стороне Венеры в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, что важно для поиска возможной термальной и вулканической активности.(28)(29)

Предстоящие события

Следующим важным событием в истории «Венеры-Д» станет Совещание по выбору мест посадки и обитаемости облачного слоя Венеры (Venera-D Joint Science Definition Team Workshop: Potential Landing Sites and Cloud Layer Habitability), которое пройдет в октябре 2019 года. На нем будут рассматриваться два основных вопроса.

Карта Венеры, составленная по данным Magellan, Pioneer Venus Orbiter и «Венера 13/14». Фото: NASA / JPL / Caltech (McAuley)

Первым, как легко догадаться, будет выбор места посадки. Для него существует несколько основных критериев: оно должно быть удобно для посадки с точки зрения баллистики, должно отвечать задачам миссии с научной точки зрения и давать возможность для посадки нескольких дополнительных станций. Известно, что приоритет будет за точками посадки в высоких широтах северного полушария, в отличие от посадочных аппаратов серий «Венера» и «Вега», которые садились в экваториальных областях. Оптимальным типом рельефа в местности посадки, согласно отчету рабочей группы, являются региональные равнины, однако будут рассмотрены и другие варианты.

Вторым вопросом станет обсуждение способов обнаружения жизни в облачном слое Венеры. Исследователей будет волновать, по каким критериям можно судить о ее наличии и какими методами и приборами ее можно обнаружить. В первую очередь это будет касаться атмосферных зондов.

Суперротация атмосферы Венеры. Фото: JAXA / ESA / J. Peralta, JAXA / R. Hueso, UPV/EHU

«Венере-Д» предстоит долгий путь, прежде чем она воплотится в железе и отправится в свое путешествие к бывшей «советской планете». Еще многое в ее составе может измениться; может поменяться и средство, и место выведения. Но знаете, я верю, что однажды она полетит. Мне очень симпатичны эти ребята из России и США, которые уже 6 лет работают, выискивая любые средства в надежде, что однажды к Утренней Звезде отправится новая межпланетная станция.

@katlinegrey специально для Alpha Centauri

P.S. Что почитать по теме?

http://www.venera-d.cosmos.ru/— официальный сайт проекта

https://shubinpavel.ru/books/venera — книга Павла Шубина «Венера: неукротимая планета»

https://habr.com/ru/post/411373/— статья Максима Агаджанова о состоянии проекта на апрель 2018 года

https://nplus1.ru/material/2018/04/10/venus2035— статья Кристины Уласович для N+1

https://www.laspace.ru/press/news/digest/20190320_Zasova/?sphrase_id=5221 — большое интервью Людмилы Засовой, соруководителя Объединенной научной рабочей группы Роскосмос/ИКИ — НАСА

https://www.northropgrumman.com/Capabilities/VAMP/Pages/default.aspx — подробное описание концепта аппарата VAMP на сайте Northrop Grumman

https://www.lpi.usra.edu/vexag/meetings/archive/vexag_14/presentations/27-Kremic-Long-Lived%20Venus%20Station.pdf — презентация долгоживущей станции LLISSE

https://www.laspace.ru/press/news/projects/20190326_venera-d/?sphrase_id=5221 — отчет по второму этапу работы ОНРГ по проекту «Венера-Д» (ссылка на скачиваемый отчет в конце страницы)

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

28
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.