"Вега": аэростаты в небе Венеры

11 и 15 июня 1985 г., автоматические межпланетные станции (АМС) «Вега» доставили на Венеру спускаемые аппараты (СА) с аэростатными зондами (АЗ) и направились к комете Галлея. Путь к проекту «Вега» был долгим, сложным и запутанным, как детективная история.

    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 (~0.5–18 атм).

Аэростаты в небе над Венерой

АМС "ВЕГА"

    Опираясь на полученные данные, автор разработал и в октябре 1968 г. представил на обсуждение предложения о создании аппарата для комплексных исследований облачного слоя и поверхности Венеры, выводимого на межпланетную траекторию новой мощной РН «Протон» с разгонным блоком Д (Перминов В.Г. Предложения по схеме полета и составу научной аппаратуры автоматической станции для исследования планеты Венера (объект В-70). 1968.). Предлагалось доставить на Венеру СА массой 3000 кг, который в процессе снижения на парашюте в атмосфере должен был разделиться на три составляющие:
    1) аэростатный зонд с массой гондолы 5 кг для исследования облачного слоя при давлении 0.05 МПа;
    2) аэростатную станцию с массой гондолы 400 кг для исследования облачного слоя, при давлении 1.0 МПа, с использованием масс-спектрометра и газового хроматографа с передачей научной информации с аэростатной станции непосредственно на Землю;
    3) посадочный аппарат массой 600 кг для исследования нижней атмосферы и поверхности Венеры.

Общий вид АМС «Вега»

АМС "ВЕГА"

    Доставка СА такой массы обеспечивалась за счет предложенной автором оригинальной пролетно-посадочной схемы полета, предусматривающей разделение КА при подлете к планете на СА и траекторный блок, с переводом последнего на пролетную траекторию для исследования планеты. Посадочный аппарат, рассчитанный на давление атмосферы 15.0 МПа, должен был опуститься на дневной стороне для получения панорамы места посадки, измерения скорости ветра и исследования характеристик грунта Венеры.
    Предложения рассматривались на расширенном совещании с участием ведущих специалистов НПО имени С.А.Лавочкина, ИКИ АН СССР и смежных предприятий. Обсуждение было бурным. Участники совещания сомневались в возможности реализации проектных характеристик. Особенно негативную оценку получило предложение о разработке посадочного аппарата на давление 15.0 МПа вместо заданных техническим заданием АН СССР 2.0 МПа, на которые были разработаны аппараты очередных венерианских станций для полета в 1969 г.

Спускаемый и пролетный (на заднем плане) аппараты проекта «Вега»

АМС "ВЕГА"

    Даже главный конструктор Г.Н.Бабакин, умеющий создавать аппараты на грани возможного, под влиянием этих высказываний не решился одобрить предложения. Независимо от нас американская фирма Martin Marietta приступила к разработке аэростатного зонда для исследования облачного слоя Венеры. В 1969 г. на авиационно-космической выставке в Ле-Бурже был представлен макет зонда с массой гондолы 4.5 кг. По словам стендиста, зонд должен был провести исследование облачного слоя Венеры в 1975 г. на уровне давления 0.05 МПа! К сожалению, в дальнейшем разработка этого зонда была прекращена по неизвестным причинам.

Конструкция спускаемого аппарата «Вега»

АМС "ВЕГА"

    С течением времени в НПО имени С.А.Лавочкина стали реализовываться предложения автора:
    - СА станции «Венера-7» был разработан на давление 15.0 МПа, что обеспечило достижение поверхности Венеры;
    - СА станции «Венера-8» совершил посадку на дневную сторону планеты, замерил уровень освещенности и определил физические характеристики грунта Венеры;
    - АМС «Венера-9» и -10, использовавшие пролетнопосадочную схему полета, доставили на Венеру СА массой 1560 кг каждый, которые осуществили посадку на дневную сторону планеты, провели обширные исследования и передали на Землю уникальные панорамы поверхности. Были проведены исследования атмосферы и с помощью масс-спектрометра и газового хроматографа.
    Мы рассматривали вопросы создания венерианских аэростатов совместно с Долгопрудненским КБ автоматики – разработчиком аэростатных систем. Но развернуть работы не смогли, так как к каждому астрономическому «окну», которые для Венеры повторяются через 19 месяцев, нужно было разработать и подготовить к полету новую венерианскую станцию, параллельно выполняя огромный объем работ по созданию межпланетных станций для исследования Марса.

Торовый контейнер аэростатного зонда

АМС "ВЕГА"

    В 1973 г. «Интеркосмос» АН СССР и космическое агентство Франции подписали соглашение о совместной разработке проекта «Венера» с целью исследования облачного слоя планеты. Французская сторона взяла на себя создание аэростатной системы и части научной аппаратуры, а советская отвечала за проект в целом, включая доставку аэростата в атмосферу Венеры и создание ее искусственного спутника для приема и ретрансляции на Землю информации с аэростатной станции. Директором проекта был назначен заместитель главного конструктора НПО – начальник проектного комплекса Р.С.Кремнев.
    В 1978 г. под руководством Р.С.Кремнева было разработано техническое предложение по проекту «Венера», предусматривавшее доставку в атмосферу планеты СА массой 2400 кг с целью развертывания аэростатной станции с массой гондолы 240 кг. Этот СА запускался первой РН «Протон» с блоком Д, а вторая ракета должна была доставить на орбиту искусственный спутник Венеры для приема информации с аэростатной станции и ретрансляции ее на Землю.

Конструкция гондолы аэростатного зонда

АМС "ВЕГА"

    Спутник и траекторный блок предлагалось строить на базе вновь разрабатываемого служебного модуля УМВЛ (Унифицированный Марс – Венера – Луна), который планировалось использовать в следующем десятилетии для полетов к этим небесным телам. С учетом дублирования необходимо было осуществить во 2-й половине декабря 1984 г. – 1-й половине января 1985 г. запуск четырех РН «Протон» с блоками Д. Для обеспечения изготовления и запуска четырех КА в короткий срок требовалась концентрация сил и средств не только НПО имени С.А.Лавочкина, но и всех предприятий, участвовавших в создании этой техники. Ни Р.С.Кремнев, ни тем более В.М.Ковтуненко, ранее разрабатывавший ИСЗ по программе «Интеркосмос» и незадолго до этого назначенный главным конструктором НПО имени С.А.Лавочкина, с проблемами подобного масштаба не встречались.
    Аналогичную ситуацию мы имели в 1973 г., когда была поставлена политическая задача – получить панорамы поверхности Марса до посадки американских «Викингов», и мы вынуждены были направить к Марсу четыре АМС. Но при решении политических задач, как известно, с затратами сил и средств не считаются. В этот раз наша служба была занята своими проектами и в проблемы проекта «Венера» не вникала. Положение изменилось летом 1979 г., когда В.М.Ковтуненко заявил, что за проект «Венера» должен отвечать В.Г.Перминов. На мои возражения, что по существующей практике за проект отвечает тот, кто руководит его разработкой, последовал лаконичный ответ: «Приказом министра Вы назначены главным конструктором по направлению, к которому относится проект “Венера”».

Гондола зонда в музее НПО им. С.А.Лавочкина

АМС "ВЕГА"

    Так проблемы проекта «Венера» стали нашими. Для выхода из создавшегося положения нужно было найти такое решение, которое не противоречило бы букве международного соглашения и обеспечивало выполнение программы полета с высокой надежностью. В 1983 г. планировалось провести исследование Венеры по национальной программе на базе существующих конструкций венерианского модуля и СА с использованием пролетно-посадочной схемы полета. Эта схема позволяла доставить на Венеру СА с дополнительным грузом 100 кг, который мог быть использован для создания венерианского зонда, причем научная информация с него должна была передаваться непосредственно на Землю. Этот запуск можно было перенести на 1984 г. Таким образом, при изучении Венеры по национальной программе проводились бы исследования и по международному проекту, в рамках которого французская сторона разрабатывала аэростатную систему в соответствии с соглашением, но под меньшую массу гондолы. В.М.Ковтуненко это предложение не принял.
    Не желая нести ответственность за провал международного проекта, я вынужден был направить начальнику 3-го Главного управления Минобщемаша Ю.Н.Коптеву докладную записку с изложением проблемы и предлагаемого решения (Перминов В.Г. Письмо начальнику 3-го ГУ Минобщемаша Ю.Н.Коптеву с докладной запиской. 1979.). Вскоре записка вернулась с резолюцией: «Примите решение и доложите в ГУ». Ответственность за проект «Венера» с меня была снята, но для обеспечения работ по проекту «Венера» к Р.С.Кремневу была переведена группа ведущих конструкторов из моей службы.
    Директор ИКИ АН СССР академик Р.З.Сагдеев знал о моем предложении. У него родилась гениальная идея по его развитию: после завершения программы исследования Венеры использовать пролетный венерианский модуль для исследования кометы Галлея, которая появлялась в окрестностях Земли с периодом 76 лет. Для реализации этой идеи нужно было решить две задачи:
    1) убедить В.М. Ковтуненко согласиться с предлагаемой схемой исследования Венеры;
    2) договориться с французской стороной о разработке новой аэростатной системы для зонда и научной аппаратуры для исследования кометы.
    На очередном советско-французском совещании по проекту «Венера», которое проходило в октябре 1980 г. в г. Баку, Р.З.Сагдеев изложил свою идею. Французская сторона вначале не соглашалась с его предложением, но затем вняла тем доводам, что аэростаты на Венеру можно запускать каждые полтора года, а принять участие в исследовании кометы, пропустив ее грядущее появление, можно будет только во второй половине следующего века. Французы согласились с предложением о разработке научных приборов для исследования Венеры и кометы Галлея, но отказались от работ по аэростатной системе. Предложение Р.З.Сагдеева было поддержано В.М.Ковтуненко. Так бесславно закончился проект «Венера» и родился блестящий проект «Вега» (Венера–Галлей).
    Долгопрудненское КБ автоматики от разработки венерианского аэростата отказалось из-за обнаруженных в облачном слое Венеры капелек концентрированной серной кислоты. Создание аэростата и гондолы зонда взяло на себя НПО имени С.А.Лавочкина. Разработка аэростатного зонда велась под руководством начальника отдела НПО К.М.Пичхадзе при активном участии талантливого конструктора А.В.Тертерашвили. Разработка АЗ подразумевала создание автономной системы с минимальными связями со спускаемым аппаратом. Зонд устанавливался на СА без существенных доработок конструкции последнего, проверенной в предыдущих полетах.
    После нескольких попыток была найдена отличная компоновка: аэростатный зонд как единый агрегат разместили над тормозным щитком спускаемого аппарата. Доработки конструкции СА были минимальными: на верхней части сферической теплозащитной оболочки были установлены узлы для крепления АЗ, а на цилиндрической части парашютного отсека – стеклотекстолитовые направляющие, обеспечивающие безударный сход зонда. Основу конструкции АЗ составил силовой конус, центральной частью которого был тор с разъемом по плоскости. В торе размещались гондола с подвеской и оболочка аэростата. На верхней части силового конуса устанавливались системы: автоматики, наполнения аэростата с гелиевыми баллонами высокого давления и парашютный контейнер аэростата.

Схема спуска в атмосфере Венеры

АМС "ВЕГА"

    Гондола аэростата массой 6.7 кг состояла из трех частей: антенно-фидерного устройства, блока научной аппаратуры с радиокомплексом, блока источников питания, в нижней части которого размещался агрегат для крепления и сброса балласта. Эти части были соединены между собой гибкими связями. Блок научной аппаратуры включал в себя приборы для измерения: температуры, давления, вертикальных компонент скорости ветра, плотности облачного слоя, освещенности, а также прибор для фиксации световых вспышек. Предусматривался опрос научной информации каждые 75 сек с записью на запоминающее устройство и последующей передачей информации непосредственно на Землю через каждые 30 минут.
    Очень сложной оказалась проблема создания оболочки аэростата, способного длительное время функционировать в облачном слое Венеры, насыщенном капельками концентрированной серной кислоты. Промышленность выпускала фторлоновые и стеклонитроновые ткани, нейтральные к серной кислоте, но они, как все ткани, свободно пропускали воздух. Для гелия, с его высокой текучестью, которым заполнялась оболочка аэростата, требования по ее герметичности были очень высокие. В конце концов решение было найдено. Оболочку аэростата диаметром 3.4 м изготовили из фторлоновой ткани, сшитой из фрагментов, напоминающих по форме дольки апельсина. Для обеспечения герметичности ткань и стыки покрыли несколькими слоями специального лака.
    Конструкция самого СА подверглась небольшой доработке в связи с установкой дополнительных научных приборов: оптического анализатора аэрозолей, влагомера, индикатора фазовых переходов, гамма-спектрометра, масс-спектрометра и газового хроматографа Sigma З. Разместить последний на старом месте – в приборном отсеке СА – было невозможно из-за увеличения объема в связи со значительным улучшением характеристик. Прибор был установлен на посадочном кольце в специальном гермокорпусе.
    15 декабря 1984 г. РН «Протон» с модифицированным разгонным блоком вывела на межпланетную траекторию КА «Вега-1» массой 4920 кг. 9 июня 1985 г., за двое суток до встречи с планетой, от станции отделился СА, а сама АМС с помощью двигательной установки перешла на пролетную траекторию для приема информации со спускаемого аппарата. После завершения исследований Венеры под действием гравитационного поля планеты станция перешла на траекторию встречи с кометой Галлея.

См. схему вверху (1)

АМС "ВЕГА"

См. схему вверху (2)

АМС "ВЕГА"

    11 июня 1985 г. СА со второй космической скоростью вошел в атмосферу Венеры. Перегрузка стала стремительно увеличиваться. Одновременно с ростом перегрузки возрастала частота и амплитуда колебаний относительно поперечных осей. Наконец был достигнут максимум продольной перегрузки, вес каждой детали СА увеличился в 400 раз! Затем перегрузка и колебания начали уменьшаться. При снижении перегрузки до 2 единиц автоматика выдала команду на ввод парашюта увода верхней полусферы и запуск программно-временных устройств (ПВУ) спускаемого аппарата и аэростатного зонда. На высоте около 65 км по команде ПВУ спускаемого аппарата был введен вытяжной парашют, а пирозаряд мгновенно отрезал верхнюю часть теплозащитной оболочки диаметром 2.4 м, которая вместе с АЗ под действием вытяжного парашюта отошла от спускаемого аппарата и попутно ввела тормозной парашют аэростатного зонда. С этого момента события на СА и аэростатном зонде стали проходить по разным сценариям.
    По команде ПВУ пирозаряд разрезал по окружности цилиндрическую проставку СА, которая соединяла аппарат с нижней полусферой. Полусфера отделилась от СА, разбились стеклянные заглушки заборников масс-спектрометра и газового хроматографа, обеспечив поступление в эти точные приборы незагрязненной атмосферы Венеры, включились научные приборы для исследования атмосферы. Началась передача научной информации на станцию «Вега» с ретрансляцией ее в темпе приема на Землю. На высоте около 47 км тормозной парашют отделился – и СА стал снижаться на тормозном щитке. 11 июня 1985 г. в 06:02:54 аппарат совершил посадку на ночной стороне Венеры с координатами 7.2°с.ш. и 177.8° долготы. По программе после этого по сигналу с восьми ударных датчиков должен был включиться сеанс исследования на поверхности, включая бурение, забор образцов и транспортировку внутрь СА для анализа химического состава венерианского грунта.
    Но случилось непредвиденное: сеанс включился на участке снижения на высоте около 3 км. Восемь ударных датчиков не могли одновременно самопроизвольно сработать. Следовательно, должна была быть какая-то внешняя причина: например, мощная вертикальная атмосферная струя или выброс камня из жерла венерианского вулкана, которые привели к срабатыванию всех ударных датчиков. Ученые наши гипотезы отвергли, и эта загадка осталась неразгаданной до сих пор. Аппарат функционировал на поверхности Венеры 56 мин, выполнив всю программу научных исследований, кроме забора грунта и его анализа. После увода верхней полусферы началась и реализация программы АЗ. По сигналу ПВУ аэростатного зонда подорвались пироболты – и АЗ отделился от верхней полусферы СА, попутно раскрыв парашют ввода аэростата. Торовый отсек по сигналу ПВУ разделился по плоскости. Под тяжестью нижней части тора оболочка аэростата вытравилась из верхней части, сработал пироклапан наполнения аэростата гелием. На высоте около 53 км аэростат наполнился, парашют с системой наполнения оболочки отделился. Под действием веса нижней части тора, которая выполняла роль балласта, аэростат продолжал снижение. При давлении 0.09 МПа нижняя часть тора отделилась, и аэростатный зонд, общая масса которого составляла 21 кг, вышел на высоту дрейфа: высота 50 км, давление 0.05 МПа, температура атмосферы 30°С.

Расположение научных приборов на посадочном аппарате

АМС "ВЕГА"

    Аэростат функционировал в атмосфере Венеры 46 час 30 мин. Научная информация принималась советскими радиотелескопами большой площади, расположенными в Уссурийске и в Евпатории. Дрейф АЗ сопровождала сеть радиотелескопов всей Земли, измеряя его координаты и скорость движения в атмосфере Венеры по сигналам радиопередатчика.
    21 декабря 1984 г., через 6 дней после старта станции «Вега-1», была запущена АМС «Вега-2», полностью аналогичная своей предшественнице. Спускаемый аппарат станции «Вега-2», совершивший посадку на ночной стороне поверхности Венера 15 июня 1984 г. в точке с координатами 6.45°ю.ш. и 181.08° долготы, полностью выполнил программу полета, включая забор образцов грунта и проведение его химического анализа на борту. СА станции «Вега-2» передавал информацию на Землю в течение 57 мин. Аэростатный зонд также выполнил программу полета. Информация с него поступала на Землю в течение 46 час 30 мин. Как и у первого аэростата, передача информации прекратилась из-за истощения бортового источника электропитания. Несомненно, создание первых и единственных на сегодня венерианских аэростатов, как и уникальных СА, явилось крупнейшим научно-техническим достижением советской науки и техники.