Цивилизация
В 2029 году «Роскосмос» намерен направить к Венере автоматическую станцию «Венера-Д». Она будет состоять из орбитального и посадочного аппаратов для комплексного изучения атмосферы Венеры. В недавней статье ученые ИКИ РАН предложили при подлете к Венере совершить особый гравитационный маневр, подобный тому, что в прошлом использовали для изменения скорости миссии «Вояджер-1,2», «Маринер-10», Кассини и другие у разных планет.
— Людмила Вениаминовна, расскажите, какую проблему должен решить гравитационный маневр для посадки на Венеру?
— Предполагается, что «Венера-Д» будет запущена с космодрома «Восточный» в 2029 году. Ее траектория рассчитывается на определенную дату «в окне» старта. Станция сначала выводится на околоземную орбиту, потом на траекторию полета к Венере. В процессе полета производятся необходимые коррекции, и за несколько суток до выхода станции на орбиту вокруг Венеры от нее отделяется спускаемый аппарат, который по заранее рассчитанной траектории летит к Венере. Время перелета до Венеры занимает около полугода (стандартный алгоритм).
При этом достижима для посадки лишь достаточно узкая долготно-широтная полоса. Гравитационный маневр позволяет существенно расширить область возможной посадки.
Математические расчеты этого маневра выполнены по результатам исследования аспиранта Владислава Зубко под руководством ведущего научного сотрудника ИКИ РАН Натана Эйсмонта.
— Такие маневры нередко применяются в межпланетных перелетах, как он будет выполнен в вашем случае?
— Предлагаемый для проекта «Венеры-Д» гравитационный маневр имеет целью расширить зону возможной посадки аппарата. Эта оригинальная идея будет применяться впервые.
Изменение направления движения аппарата, приблизившегося к планете, под действием ее гравитационного поля может как увеличить, так и уменьшить скорость аппарата относительно Солнца — в зависимости от того, двигался ли он первоначально в ту же сторону, что и планета, или навстречу ей. В нашем случае траектория рассчитывалась так, чтобы аппарат, пройдя вблизи Венеры, уменьшил свою скорость относительно Солнца.
Такой маневр вокруг Венеры должен изменить траекторию полета станции, и она перейдет на синхронную, резонансную с Венерой орбиту вокруг Солнца, так что во второй раз подлетит к Венере уже через 224 суток, через венерианский год. Фактически мы совершаем один лишний оборот вокруг Солнца.
Этот маневр никогда не применялся, советские аппараты совершали посадку в основном в экваториальной области без гравитационных маневров.
Последний запуск к Венере с посадкой на поверхность был совершен почти 40 лет назад, это были советские станции «Вега-1 и -2».
Схема полета миссии с использованием гравитационного маневра
ИКИ РАН— Таким образом вы теряете почти год, но получаете возможность расширить область возможной посадки. Насколько вы увеличиваете эту площадь?
— Нам будет доступна практически вся Венера за исключением небольшого участка. При этом мы получаем возможность с большей точностью сесть в выбранный район.
— Решение об использовании маневра принято? Или это пока лишь опция?
— Скорее всего, полетим с маневром, сейчас эта опция рассматривается, как приоритетная.
— Какие области на Венере вам интересны для посадки?
— Места посадки пока окончательно не выбраны. Их выбирают с точки зрения научной значимости, с одной стороны, и безопасности посадки, с другой. Однако мы так мало знаем о нашей ближайшей соседке, что работа на любом участке поверхности с помощью современной научной аппаратуры даст много нового. С точки зрения научной значимости наиболее интересны гористые области, так называемые тессеры, но это и наиболее опасные для посадки районы.
Это складчатые области, при посадке на которые аппарат может погибнуть. Надо сказать, что «Венера-9» все же села на тессеру, уклон поверхности был около 150 — она села успешно и работала.
Раньше, когда запускались станции «Венера» — «Вега», о рельефе Венеры практически ничего не знали, тем не менее десять советских станций (с 1970 по 1985 гг.) успешно работали на поверхности Венеры. Выбор места посадки настолько важен с точки зрения науки, что у нас в ИКИ РАН состоялись два международных совещания по выбору места посадки, организованные Объединенной научной рабочей группой ИКИ/Роскосмос – НАСА (ОНРГ) по проекту «Венера-Д» в 2019 и 2021 годах.
Тессеры нас интересуют с точки зрения прошлого планеты. Поверхность Венеры обновилась в последние 700 млн лет в результате мощных вулканических извержений. Лавой была залита большая часть поверхности (80%). В гористых областях, не залитых лавой, вероятно, можно обнаружить древние породы. Изучение их состава, наличие минералов, образовавшихся в присутствии воды, могут свидетельствовать о том, что на Венере возможно, в прошлом, в первые миллиарды лет ее существования был океан, в котором могла возникнуть жизнь, поскольку при формировании Венера получила воду, которая содержалась в протопланетном материале.
Венера ближе, чем Земля, находится к Солнцу, светимость молодого Солнца росла, вода испарялась, уходила в атмосферу, создавая парниковый эффект, молекулы воды распадались на атомы водорода и кислорода и в конечном счете покидали планету, а при повышении температуры в атмосферу выделялся углекислый газа и сернистые соединения, усиливая парниковый эффект, за счет которого поверхность нагревается на 500 градусов.
— На какой ракете полетит миссия?
— Планируется запуск с помощью ракеты «Ангара-А5»
— У вас в статье фигурируют два года запуска: 2029 и 2031. Почему?
— Существуют определенные «окна» во времени, когда полет к Венере может быть произведен с минимальным количеством затраченной энергии, а значит, с возможностью увеличить полезную нагрузку. Таким образом, по расчетам НПО Лавочкина при запуске в 2029 году на отлетную траекторию к Венере можно вывести 4,8 тонны, в 2031 году уже больше пяти, поэтому изучаются обе даты запуска.
— Недавно в НПО Лавочкина начали проектирование станции, есть ли ясность с финансированием?
— Проект находится на этапе «Технического предложения», или этап «А» по классификации NASA. На этот (бумажный) этап деньги выделены. Проект хорошо был проработан ОНРГ. Мы используем материалы отчетов группы. В состав комплекса, разработанного ОНРГ, входил аэростатный зонд, предлагавшийся NASA. Сейчас НПО Лавочкина создает аэростатный зонд взамен американского. Советские аэростатные зонды станций «Вега-1» и «Вега-2» работали в облачном слое Венеры в 1985 году. Они были первыми и до сих пор остаются единственными аэростатами, плававшими в атмосфере Венеры. Спускаемый аппарат, внутри которого находятся и посадочный аппарат, и аэростат, входит в атмосферу, далее они разделяются. С помощью парашютов и посадочного устройства аппарат садится на поверхность, а аэростатный зонд в атмосфере выводится на свою высоту плавания.
— Какие на нем будут приборы?
— Это сейчас только обсуждается, но в общих чертах – это метеокомплекс, измеряющий температуру, давление, ветер. Должен быть разработан прибор для регистрации аэрозольных частицы Будет стоять лазерный спектрометр с высоким спектральным разрешением для измерения концентрации серосодержащих газов. Будет газовый хроматограф для измерения состава атмосферы и облаков на высоте плавания. Планируется эксперимент по обнаружению молний. Ночью в области спектра с длиной волны 1 микрометр видна поверхность, наблюдения позволят выявлять признаки термальной, а может быть, и вулканической активности.
Аэростат будет плавать на высоте примерно 55 км. Здесь условия близки к земным, температура от -50 до +50. Предполагается также, что он сможет изменять высоту плавания.
Недостижимые области на Венере при запуске в 2029 году без маневра и с маневром
ИКИ РАН— Какие приборы будут на посадочном аппарате?
— Во-первых, там будут приборы для измерения химического состава атмосферы и облаков, они будут работать на спуске и после посадки в течение примерно двух часов. Будут приборы, измеряющие минералогический состав поверхности, элементный состав, изотопы, включая радиоактивные радиогенные изотопы. Знать их относительное содержание важно для понимания эволюции поверхности. Будут измеряться, естественно, освещенность поверхности и аэрозольные компоненты атмосферы. Будет включен телевизионный комплекс.
Планируется осуществить забор грунта, бурение будет проходить на глубину несколько сантиметров (ранее подобный эксперимент проводился на советских аппаратах). Это очень сложный процесс — бурить твердый грунт при давлении 100 атмосфер при температуре почти в 500 °С . Надо собрать образцы после бурения, доставить их внутрь гермоотсека, распределить эти образцы между несколькими приборами для анализа.
— Какие из планируемых задач не решались на советских «Венерах»?
— Целый ряд задач. О некоторых я уже упомянула – например, гораздо более подробный анализ грунта. Советские аппараты «Венера-9, -10, -13, -14» впервые получили снимки, которые позволили увидеть поверхность, постоянно покрытую двадцатикилометровым слоем облаков без разрывов. На посадочном аппарате «Венеры-Д» предполагается установить телевизионный комплекс, включающий посадочные, панорамные и даже камеры-микроскопы. На посадочном аппарате будут установлены самые современные научные приборы, возможности и точность которых отличаются на порядки от использовавшихся на «Венерах».
— Некоторое время назад много шума наделала история с обнаружением в атмосфере фосфина, якобы свидетельствующего о наличии жизни. Миссия изучит эту проблему?
— На орбитальном аппарате будет спектрометр с высоким разрешением, который попытается обнаружить линии фосфина. Будут также эксперименты, которые позволят обнаружить фосфор на аэростате и посадочном аппарате, присутствие фосфора ранее было найдено в среднем облачном слое советскими посадочными аппаратами наряду с хлором, азотом, углеродом, серой.
— Поговорим про выход из миссии американцев. Буква «Д» в названии обозначала «долгоживущая» благодаря американской долгоживущей станции LLISSE на борту. Она могла бы работать на поверхности долго, так как у американцев есть высокотемпературная электроника, способная работать при 500 градусах. У нас такой электроники нет, и поэтому аппарат сможет жить на поверхности, как и советские «Венеры», лишь пару часов?
— Про букву «Д» не совсем верно. Миссия еще раньше была включена в Федеральную космическую программу (2006–2015 гг.) как «Венера-Д», где буква «Д» уже обозначала «долгоживущая». Миссия должна была содержать долгоживущую станцию, рассчитанную на работу на поверхности в течение 30 суток. В Советском Союзе после успешных посадок «Венер» в 80-х годах разрабатывалась идея долгоживущей станции, но она не была осуществлена. После включения в ФКП 2006-2015 проекта «Венеры-Д» предпринимались попытки разработать конструкцию такой станции, но оказалось, что сложность разработки и стоимость по сравнению с возможным научным выходом не в пользу последнего.
Был сделан вывод, что без использования высокотемпературной электроники, способной работать в агрессивной среде на поверхности Венеры, научную долгоживущую станцию делать нецелесообразно. Известно, однако, что NASA имеет высокотемпературную электронику. В результате работы ОНРГ по проекту «Венера-Д» в 2016 г. в Центре им. Гленна NASA приступили к разработке долгоживущей станции, которую вы упоминаете: — LLISSE (Long Lived In-situ Soar System Explorer) для проекта «Венера-Д». В 2020 г. модель станции испытывалась в течение 60 дней на испытательной установке для экстремальных условий GEER, в Центре Гленна, в которой можно имитировать венерианские условия: температуру, давление, состав атмосферы.
Конечно, мы очень сожалеем, что совместная с NASA миссия не получилась, научные задачи, определенные в результате работы ОНРГ будут решаться другими средствами. Отметим, что в качестве своего вклада в проект NASA рассматривало аэростат и долгоживущие станции. В настоящее время буква «Д» — «долгоживущая» — может быть отнесена к аэростату НПО Лавочкина (время работы до 3 месяцев) и орбитальному аппарату (до 10 лет).
При царящих на поверхности Венеры температурах и давлении могут работать долго только отдельные сравнительно простые приборы, выполненные на основе высокотемпературной электроники. Это приборы (простые, но очень важные) для измерения температуры, давления, ветра, освещенности, химического состава атмосферы вблизи поверхности, сейсмики.
Сложные современные научные приборы установлены на посадочном аппарате. Они не могут работать в агрессивной среде на поверхности Венеры, поэтому размещены в герметичном отсеке (типа сосуда Дьюара), чтобы изолировать их от высокой температуры и давления внешней среды. За два часа работы на поверхности будет получена важная информация, которая позволит лучше понять нашу ближайшую соседку, которая до сих пор для нас terra incognita.
— Электронно-компонентная база, которую планируется использовать, отечественная?
— Я не специалист. Ранее был расчет на использование отдельных импортных элементов. Сейчас это может стать проблемой.
— Может ли Китай поставить свои приборы на определенном этапе?
— Пока сказать трудно. Конкретных предложений до сих пор не поступало.
— Прорабатывается ли идея возврата грунта с Венеры на последующих миссиях?
— НПО Лавочкина прорабатывает эту тему, потому что такая задача действительно была поставлена руководством «Роскосмоса». Она стоит в долгосрочных планах, и не только у России, но и у других агентств. Для этого предполагается использовать систему аэростатов, которая постепенно поднимает капсулу с образцами с поверхности с последующим перехватом ее космическим аппаратом. Но пока до выполнения этой задачи еще далеко. Когда это будет возможным — сейчас сложно сказать, даже по самым оптимистичным прогнозам, не раньше середины 30-х годов.