2020-е годы станут в летописи космических исследований периодом активного изучения Венеры. Сразу несколько космических агентств готовят проекты аппаратов, которые полетят к этой планете. Но их задача явно не будет легкой. Ведь до сих пор рекорд продолжительности работы спускаемого аппарата на поверхности Венеры составляет всего 127 минут.
При посадке на Марс огромные проблемы вызывает его разреженная атмосфера: космический аппарат очень трудно затормозить и всегда есть риск, что в момент соприкосновения с грунтом его скорость будет очень велика и аппарат разобьется (как неоднократно случалось). Поэтому участники проектов по исследованию Марса каждый раз, когда совершается посадка, переживают «семь секунд ужаса», ожидая, какая судьба ждет подготовленный ими аппарат. Атмосфера Венеры напротив весьма плотная. Торможение аппарата в ней будет весьма эффективным. Но от этого не легче.
Давление этой атмосферы оказывается огромным. Когда к полету готовили советский аппарат «Венера-4» (1967), предполагалось, что давление на Венере достигает 10 атмосфер. На всякий случай спускаемый аппарат изготовили с двойным запасом прочности, он выдерживал давление в 20 атмосфер. Но, как позднее выяснилось, что у поверхности планеты давление составляет 92 атмосферы. «Венера-4» была раздавлена, когда находилась в 28 километрах над поверхностью Венеры. Имевшие схожую конструкцию «Венера-5» и «Венера-6» (1969) успели опуститься на несколько километров ниже, благодаря тому, что конструкторы уменьшили площадь их парашютов. Лишь в 1970 году посадку совершила «Венера-7». При ее создании предполагалось, что давление у поверхности Венеры достигает 100 атмосфер (делали с запасом, поэтому «Венера-7» должна была выдержать 180 атмосфер). Корпус спускаемого аппарата был не из алюминиево-магниевого сплава, как у предыдущих моделей, а из титана. Изменения были внесены в парашютную систему, амортизаторы и другие части аппарата. В результате «Венера-7» успешно села на поверхность Венеры и после этого еще передавала оттуда данные в течение 20 минут – это был первый в истории случай работы аппарата после посадки на Венеру.
Тогда была измерена и температура атмосферы Венеры, равная у поверхности планеты 475 ° C (по позже полученным данным «Венеры-13» – 464 °C). То есть она выше, чем, например, температуры плавления свинца (327 °C), олова (232 °C) или цинка (420 °C). При таких температуре и давлении диоксид углерода (а он составляет 96,5 % венерианской атмосферы) становится уже не газом, а так называемой сверхкритической жидкостью, то есть имеет плотность характерную для жидкости, но низкую вязкость. Севший на Венеру космический аппарат фактически оказывается в полужидком-полугазообразном горячем океане из углекислого газа.
График зависимости температуры атмосферы от высоты на Венере
Давление и температура – не единственные опасные факторы при посадке на Венеру. Необычно быстрые ветры в верхних слоях атмосферы опережают скорость вращения планеты. Согласно исследованию 2013 года, их средняя скорость составляет около 400 километров в час, причем год от года они ускоряются. К тому же в атмосфере присутствуют химически агрессивные компоненты, ведь облака Венеры состоят преимущественно из капель серной кислоты.
В 1975 году «Венера-9» находилась на связи 53 минуты и успела передать изображение с поверхности Венеры. «Венера-10» в том же году – 65 минут, «Венера-11» (1978) – 95 минут, «Венера-12» (1978) – 110 минут, «Венера-13» (1981) – 127 минут, «Венера-14» (1981) – 57 минут. НАСА в ноябре 1978 года высадило на Венеру четыре спускаемых модуля аппарата «Пионер-Венера-2»: один большой и три маленьких. После посадки работу продолжил только один из малых модулей – «День», спускавшийся на освещенную сторону планеты. Он продержался 68 минут (зонд «Ночь» оставался на связи три секунды, остальные прекратили передавать информацию в момент касания поверхности). В 1985 году спускаемый аппарат «Веги-2» работал на поверхности Венеры 56 минут.
Спускаемый аппарат «Венеры-13» – обладатель рекорда по продолжительности работы на поверхности Венеры
Первым проектом по исследованию Венеры в 2020-х годах может стать аппарат, который готовит Индийская организация космических исследований. Его рассчитывают запустить уже в 2023 году. Но это будет орбитальный модуль, посадку на поверхность программа не предусматривает. Аппарат получит название «Шукраян-1» от санскритского названия Венеры. Подробности проекта не разглашаются, поэтому про «Шукраян-1» известны лишь самые общие данные. Ожидается, что его полезная нагрузка составит около ста килограммов, а расстояние до Венеры в самой близкой к ней точке его обиты – примерно 500 километров. Установленные на нем приборы будут исследовать поверхность Венеры, состав и динамику атмосферы, а также взаимодействие атмосферы с солнечной радиацией и солнечным ветром. Возможно, совместно с учеными из Франции индийцы подготовят аэростатный зонд, который будет выпущен с «Шукраян-1» и спустится в атмосферу Венеры до высоты в 55 километров.
В США сейчас готовят несколько проектов аппаратов, которые, при получении поддержки НАСА, могут отправиться к Венере. В частности VERITAS представляет собой, по замыслу его разработчиков, орбитальный модуль, снабженный радаром высокого разрешения для исследования поверхности Венеры. Другой проект – DAVINCI – предусматривает запуск атмосферного зонда. В конечном итоге DAVINCI после 63 минут полета достигнет поверхности Венеры, но его работа к тому моменту уже должна быть выполнена. В 2017 году проекты DAVINCI и VERITAS дошли до финала «программы Дискавери» (Discovery Program), но НАСА предпочло им два проекта по исследованию астероидов. Однако разработчики венерианских проектов сохраняют надежду на их реализацию. В частности проект VERITAS под новым названием Venus Origins Explorer (VOX) сейчас продолжают разрабатывать в Лаборатории реактивного движения НАСА, работу курирует планетолог Сюзанна Смрекар (Suzanne Smrekar), наиболее известная как заместитель главного исследователя в проекте Mars InSight. И DAVINCI, и VOX примет участи в очередном отборочном туре «программы Дискавери», результаты которого станут известны 1 июля этого года. В случае успеха какой-то из этих аппаратов может отправиться к Венере в середине 2020-х годов.
Модуль VERITAS в представлении художника
Спуск зонда DAVINCI
Также ученые НАСА сейчас работают над проектом LLISSE (Long-Lived In-Situ Solar System Explorer). Этот аппарат должен представлять собой небольшой зонд размером, как пишут обозреватели, «с тостер» и массой около десяти килограммов, который опустится на поверхность Венеры. При разработке его начинки использованы последние достижения высокотемпературной электроники, поэтому приборы будут способны функционировать при температуре до 500 °C. Несмотря на свои небольшие размеры, LLISSE сможет регистрировать температуру, давление, скорость и направления ветра, количество солнечной энергии на поверхности и определять некоторые химические вещества в атмосфере. Предполагается, что он проработает не менее 60 земных суток (примерно половина солнечных суток на Венере). Создатели уже проверили отдельные компоненты будущего аппарата в специальной симуляционной камере –14-тонном резервуаре из нержавеющей стали, где поддерживаются температура, давление и химический состав атмосферы, как на поверхности Венеры.
Другой проект Venus Landsailing Rover предусматривает не только посадку аппарата на поверхность Венеры, но и его перемещения там. Роботизированный аппарат под названием Zephyr должен будет в течении 50 дней двигаться по песчаным равнинам Венеры под действием силы ветра и передавать собранную информацию орбитальному модулю. Для этого он будет снабжен парусом, точнее – подвижным вертикальным крылом, высотой 5,44 метра, длиной 3,10 метра и площадью 12 квадратных метров. Масса ровера составит 265 килограммов, включая 23 килограмма полезной научной нагрузки.
Так должен будет выглядеть Zephyr
Возглавляет работу над проектом Джеффри Лэндис из Исследовательского центра НАСА имени Джона Гленна в Кливленде. Когда основное оборудование будет подготовлено и протестировано, Лэндис намеревается предложить свой проект в рамках программы Discovery, чтобы бороться за финансирование и запуск в 2039 году.
У Европейского космического агентства есть свой проект исследования Венеры. В 2018 году проект EnVision стал одним из пяти финалистов программы Cosmic Vision. Окончательный выбор среди них будет сделан в 2021 году, а старт назначен на 2032 год. Руководит проектом EnVision Ричард Гейл (Richard Ghail) из Лондонского университета Ройял-Холлуэй. Орбительный аппарат должен будет в течение четырех лет исследовать поверхность Венеры с высоты на 259 километров.
Главной исследовательской целью аппарата станут геологические и геохимические процессы на Венере, в которых участвуют ее недра, поверхность и нижние слои атмосферы. Его приборы будут способны отмечать неровности поверхности в сантиметровом масштабе, фиксируя малейшие изменения, связанные с вулканизмом, выветриванием и другими явлениями. А группа исследователей из Франции под руководством Каролины Дюмулен (Caroline Dumoulin) из Нантского университета разработала программу по изучению изменений в силе тяготения Венеры. Анализ гравитационного поля вместе с топографией даст ученым представление о структуре литосферы и позволит лучше понять геологическую эволюцию планеты.
В России свой проект готовят Роскосмос, Институт космических исследований и НПО имени Лавочкина. Их партнером выступает НАСА. Проект называется «Венера-Д», где буква «Д» означает «долгоживущая». Космический аппарат, включающий орбитальный и посадочный модули, должен изучать множество характеристик Венеры: «структуру, энергетический баланс и динамику нижней атмосферы, строение мезосферы, термические приливы, химсостав атмосферы, включая изотопы летучих, обилие инертных газов и изотопный состав, строение и химию облаков, природу УФ-поглотителя, химический и минералогический состав, включая радиоактивные изотопы, геологию поверхности, сейсмику и вулканизм, молнии, проблему воды и процессы диссипации атмосферных составляющих».
Посадочный модуль проживет сравнительно недолго (хотя для условий Венеры его можно назвать долгоживущим), всего два–три часа, однако в него войдет уже упоминавшийся аппарат LLISSE, который, напомним, должен проработать 60 суток. Возможно включение еще более долгоживущих сейсмических и погодных станций (Seismic and Atmospheric Exploration of Venus, время жизни до 120 суток), атмосферного зонда (время жизни до нескольких недель), вспомогательных спутников-ретрансляторов в в точках Лагранжа L1 (между Венерой и Солнцем) или L2 (между Венерой и Землей).
«Венера-Д» приближается к Венере
Орбитальный модуль «Венеры-Д»
Посадочный модуль «Венеры-Д» с закрепленным аппаратом LLISSE
Если обстоятельства позволят включить в проект «Венера-Д» атмосферный зонд, это откроет перспективу еще более интересных исследований. Дело в том, что, хотя Венера удивительно негостеприимная для жизни планета, в ее атмосфере есть довольно комфортная зона. В тропопаузе, на высоте от 50 до 60 километров, условия примерно как на Земле. Температура там изменяется в диапазоне от 20 °C до 37 °C, а давление соответствует земному на уровне моря. Если на Венере и может быть жизнь, то искать ее в первую очередь следует именно там. Возможно, организмы вроде бактерий могли уцелеть в этой комфортной зоне, когда на поверхности и в нижних слоях атмосферы Венеры условия стали непригодны для жизни. Некоторые оптимисты считают даже возможной колонизацию Венеры именно в тропопаузе, а не на поверхности.
В случае достаточного финансирования и успешного завершения работ запуск «Венеры-Д» может состояться между 2026 и 2031 годом.
