Венера-4

Дата старта: 12 июня 1967 года 5 часов 39 минут 45,319 секунды МСК
Ракета-носитель: "Молния-М" с разгонным блоком ВЛ
Масса КА: 1106 кг
Масса спускаемого аппарата: 377 кг

Назначение
Космический аппарат "Венера-4" был предназначен для доставки в атмосферу Венеры спускаемого аппарата.

Космический аппарат

Автоматическая станция "Венера-4" была создана на базе автоматических станций 3МВ, разработанных в ОКБ-1 под руководством С.П. Королева.

Станции 3МВ предназначались для исследования Марса и Венеры как с пролетной траектории, так и с помощью посадочного аппарата, доставляемого на поверхность планеты. Они прошли летные испытания с 11 ноября 1963 года по 23 ноября 1965 года. В ходе 9 пусков были отработаны бортовые системы, однако ни одной из станций по тем или иным причинам не удалось исследовать Венеру или Марс. Наибольший успех пришелся на долю автоматической станции "Зонд-3", запущенной 18 июля 1965 года для отработки бортовых систем, которая попутно произвела фотосъемку обратной стороны Луны.

Последние три автоматические станции этой серии были запущены в ноябре 1965 года в сторону Венеры. Одна из них осталась на околоземной орбите, а станции "Венера-2", в задачу которой входило фотографирование планеты Венера и исследование околопланетного пространства с пролетной траектории, и "Венера-3" со спускаемым аппаратом вышли на межпланетную траекторию. Впрочем, связь с ними прекратилась незадолго до подлета к Венере. Причиной этого стал перегрев бортовой аппаратуры.

В 1965 году все работы по созданию автоматических межпланетных и лунных станций были переданы из ОКБ-1 на Машиностроительный завод имени С.А. Лавочкина.

В связи с дефицитом времени (до очередного пускового "окна" 1967 года для полета к Венере оставалось чуть больше года) решено было ограничится созданием аппарата только для доставки спускаемого аппарата в атмосферу Венеры.

За основу при создании автоматических станций В-67 была взята станция "Венера-3", однако, по результатам ее полета в конструкцию были внесены некоторые изменения.

На орбитальном аппарате коренной переделке подверглась система терморегулирования (СТР) приборного отсека. Вместо газо-жидкостной специалистами КБ Машиностроительного завода имени С.А. Лавочкина была заново разработана более простая в производстве и надежная в эксплуатации газовая система терморегулирования. При этом радиатор-охладитель СТР был совмещен с центральной частью параболической остронаправленной антенны.

В связи с тем, что с момента старта "Венеры-3" Академия наук пересмотрела модель атмосферы Венеры и в техническом задании на аппарат привела более высокие расчетные значения температуры (425°С против 330-350°С для "Венеры-3") и давления (1-10 атмосфер против 1,5-5) у поверхности планеты, пришлось заново проектировать спускаемый аппарат. При этом задачи, поставленные перед межпланетной станцией "Венера-4", звучали как:

• проникновение в атмосферу Венеры до максимально возможной глубины, определяемой термостойкостью и прочностью СА;
• осуществление попытки посадки на поверхность планеты, если предельные температура и давление не будут достигнуты;
• передача телеметрической информации в процессе погружения в атмосферу и после посадки на Венеру.

Автоматическая станция "Венера-4" состояла из орбитального отсека с корректирующей двигательной установкой и спускаемого аппарата.

Орбитальный отсек представлял собой герметичный корпус цилиндрической формы в котором размещены приборы радиокомплекса, системы астроориентации и коррекции "Чайка-В", терморегулирования, аккумуляторные батареи и научная аппаратура.

Радиокомплекс дециметрового диапазона обеспечивал прием до 127 команд с Земли, проведение траекторных измерений и передачу на Землю телеметрической информации со скоростями 1, 4, 16 и 64 бита в секунду. Мощность передатчика ДМ-диапазона - 40 Ватт.

На "Венере-4" использовалась 6-разрядная телеметрия со скоростями опроса 1, 4, 16 и 64 бит/с, которая могла работать и в режиме непосредственной передачи, и в режиме записи с последующим воспроизведением. Для записи ТМ-информации в дежурном режиме в состав телеметрической системы входил магнитофон емкостью 150 тысяч бит.

Для радиосвязи использовались заново разработанные малонаправленные антенны. Передача информации со скоростью 64 бита в секунду осуществлялась через параболическую остронаправленную антенну (ОНА) диаметром ~2,3 метра. ОНА состояла из жесткой центральной части, в которую был встроен радиатор-охладитель, и раскрываемой в полете части, сделанной из металлической сетки в виде зонтика. По баллистическим условиям использование ОНА возможно было только после 45 суток полета.

В состав бортовой аппаратуры входило также программно-временное устройство, которое обеспечивало выдачу меток в бортовые системы в заданное время.
Система ориентации и коррекции "Чайка В" была предназначена для обеспечения постоянной солнечной ориентации на пассивных участках полета, наведения остронаправленной антенны на Землю в сеансах связи, построения трехосной ориентации перед проведением коррекции траектории для выставки двигателя КДУ в заданном направлении и стабилизации КА в ходе коррекции.

В качестве датчиков системы ориентации и коррекции использовались прибор грубой солнечной ориентации (точность постоянной солнечной ориентации +10°), солнечно-звездный астроблок, солнечно-земной прибор, обеспечивающий наведение ОНА на Землю с точностью ±40 угловых минут, датчик наличия Венеры и датчики угловых скоростей.

В начале сеанса коррекции с помощью астроблока строится трехосная ориентация (точность солнечно-звездной ориентации составляла +6 угловых минут), которая "перехватывается" гиростабилизированной платформой. Включение двигателя производится по метке ПВУ, а выключение - от интегратора по набору требуемой скорости коррекции.

В случае невозможности работы со звездным прибором проводится так называемая солнечная коррекция. При этом сопло маршевого двигателя направлено либо к Солнцу, либо в противоположном направлении.

В качестве исполнительных органов системы ориентации и коррекции использовались реактивные сопла, работающие на газообразном азоте. При работе КДУ стабилизация по тангажу и рысканию осуществлялась качанием камеры ЖРД.

Для обеспечения работы бортовой аппаратуры орбитального аппарата служила система энергопитания, которая была существенно переделана. В ее состав входили две панели солнечной батареи общей площадью 2,4 м2. В качестве буферной батареи основного отсека была применена кадмий-никелевая аккумуляторная батарея номинальной емкостью 84 ампер-часа.

Система терморегулирования обеспечивала циркуляцию газа в орбитальном отсеке с помощью вентилятора, а сброс тепла осуществлялся через радиатор-охладитель, встроенный в остронаправленную антенну. Регулирование температуры в заданных пределах обеспечивалось заслонкой, открывающей и закрывающей магистраль подачи воздуха на радиатор-охладитель.

На внешней стороне орбитального отсека установлены оптические датчики и исполнительные органы системы астроориентации, две раскрывающиеся панели солнечных батарей, малонаправленные и остронаправленная антенны радиокомплекса, штанга магнитометра и датчики научных приборов.

К хвостовой части гермоотсека крепился негерметичный отсек корректирующей двигательной установки с ЖРД тягой 200 кг, а также баллоны с компонентами топлива (четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин) и системой подачи, сопла газовых двигателей ориентации. В ходе перелета предполагалось проведение двух коррекций траектории.

Спускаемый аппарат

Основной полезной нагрузкой автоматической станцией "Венера-4" являлся спускаемый аппарат, который размещался в головной части космического аппарата и крепился к основному отсеку с помощью стяжных лент.

Он имел форму, близкую к шару диаметром 103 см. Конструктивно СА состоял из двух герметичных отсеков: приборного и парашютного. В самой нижней части СА установлен механический демпфер, уменьшающий колебания при его движении в атмосфере после отделения от орбитального отсека.

В парашютном отсеке была установлена двухкаскадная парашютная система, состоящая из тормозного парашюта с площадью купола 2,2 м² и основного парашюта с площадью купола 55 м². Для определения момента ввода и раскрытия парашюта использовались датчики перегрузок, бародатчики и временной механизм.

В этом же отсеке были размещены антенны передатчика дециметрового диапазона и радиовысотомера, система отделения крышки, система раскрытия и отцепки парашюта. Раскрытие антенн производилось при раскрытии основного парашюта. Радиовысотомер "Высота" предназначен для выдачи отметок пяти фиксированных высот: 26; 14; 9; 4,5 и 2 км над поверхностью планеты и привязки к ним данных о температуре, плотности, давлении и химическом составе атмосферы.

В приборном отсеке были размещены приборы служебных бортовых систем, включая радиокомплекс дециметрового диапазона, телеметрическую систему, блоки электроавтоматики и системы терморегулирования. Для питания служебных и научных приборов в спускаемом аппарате была установлена химическая батарея емкостью 28 ампер-часов, которая на трассе перелета подпитывалась малым током от отдельной секции солнечной батареи для предотвращения саморазряда. Ресурс батареи был рассчитан примерно на 100 минут непрерывной работы.

В радиокомплексе спускаемого аппарата использовался тот же передатчик, что и на орбитальном отсеке. Передача телеметрической и научной информации осуществлялась непосредственно со спускаемого аппарата на Землю. Но, учитывая дальность до Венеры, а также то, что передача научной информации велась через малонаправленную антенну, скорость передачи информации составляла всего лишь 1 бит в секунду. В случае выхода из строя одного из передатчиков специальное устройство должно было автоматически подключить резервный комплект.
Для повышения жесткости СА внутри приборного отсека было создано давление газа 2 атмосферы.

Снаружи спускаемый аппарат был покрыт теплозащитой с применением сублимирующих материалов. По сравнению с "Венерой-3" теплозащита была значительно усилена. Для предотвращения разогрева аппарата в процессе спуска между внешней теплозащитой и корпусом была расположена многослойная теплоизоляция из стеклотекстолитовых сот с прослойками из асботекстолита.

Перед стартом спускаемый аппарат прошел стерилизацию с целью предотвращения заноса на Венеру микроорганизмов земного происхождения.
Общая масса автоматической станции "Венера-4" составила 1106 кг. Поскольку она по массе значительно превышала массу "Венеры-3" (960 кг), для ее запуска вместо ракеты 8К78 ("Молния") была применена модернизированная ракета-носитель 8К78М ("Молния-М") с разгонным блоком ВЛ.

Состав научной аппаратуры орбитального аппарата

• СГ 59М - трехкомпонентный магнитометр на штанге длиной 3,5 метра для измерения величины и направления магнитного поля в межпланетном пространстве и вблизи Венеры;
• прибор КС-18-2М для изучения потоков космических частиц;
• прибор ЛА-2 для определения распределения кислорода и водорода в атмосфере планеты.

Состав научной аппаратуры спускаемого аппарата

• датчики давления типа МДДА для измерения давления атмосферы в диапазоне от 100 до 5200 мм рт. ст. (0,13-6,8 атм);
• газоанализаторы Г-8 для определения химического состава атмосферы;
• приборы ТПВ для определения плотности и температуры атмосферы по высоте.

Схема полета

Автоматическая станция вместе с разгонным блоком выводятся ракетой-носителем "Молния-М" на промежуточную опорную орбиту искусственного спутника Земли, откуда с помощью одного включения двигателя блока ВЛ аппарат переводится на трассу полета к Венере, причем, на попадающую траекторию. В случае ошибок выведения проводится одна-две коррекции тракетории.

За 2 часа до подлета к планете по временной уставке от ПВУ включается последний припланетный сеанс связи с построением трехосной ориентации и наведением остронаправленной антенны на Землю.
Непосредственно при входе в атмосферу производится разделение орбитального и спускаемого аппаратов.

Орбитальный отсек после разделения продолжает передавать телеметрическую информацию вплоть до полного своего разрушения.

Спускаемый аппарат при входе в атмосферу за счет аэродинамического торможения снижает свою скорость с 11,2 км/с до 210-240 м/с, при этом перегрузки достигают 300g. При достижении значения перегрузки равное 40 единицам запускается временной механизм, который после снижения скорости, но не позже, чем через 32 секунды, вводит в действие парашютную систему. Ввод в действие парашютной системы может также осуществляться при уменьшении перегрузки до значения <2g или при значении атмосферного давления >0,4 атмосферы по сигналу с барометрического датчика.

Сначала сбрасывается крышка спускаемого аппарата, и раскрывается тормозной парашют.

Спустя 27 секунд или при достижении внешнего давления >0,7 атмосферы производится отцепка тормозного парашюта, и раскрывается основной парашют. Вместе с парашютом раскрываются антенны, включаются радиовысотомер, передатчик и научные приборы.

Выполнение программы полета

Автоматическая межпланетная станция "Венера-4" была запущена с космодрома Байконур 12 июня 1967 года ракетой-носителем "Молния-М".

Примечание: 17 июня 1967 года в 5 часов 36 минут 38 секунд был произведен запуск ракеты-носителя "Молния-М" со второй станцией В-67, которая по конструкции, составу бортовых систем и научной аппаратуре была аналогична станции "Венера-4", стартовавшей 12 июня. Первые три ступени ракеты-носителя отработали штатно, обеспечив выведение головного блока на опорную околоземную орбиту. Однако на межпланетную траекторию станция не вышла вследствие отказа разгонного блока ВЛ. Аппарат, получивший название "Космос-167", остался на околоземной орбите.

В ходе перелета 29 июля 1967 года на расстоянии 12 миллионов километров от Земли с помощью двигательной установки была проведена "солнечная" (с ориентацией только по Солнцу) коррекция траектории, позволившая ликвидировать ошибки выведения. Хотя программой полета было предусмотрено проведение двух коррекций, но вторая не понадобилась, поскольку первая была проведена с высокой точностью.

Спустя 128 суток после старта, 18 октября 1967 года, станция "Венера-4" сблизилась с планетой.

За 2 часа до подлета к Венере, когда до нее оставалось около 45000 км, по команде с Земли была построена трехосная ориентация по Солнцу и Земле с наведением ОНА на Землю.

При входе станции "Венера-4" в атмосферу со скоростью ~11 км/с по сигналу "Потеря Земли" с солнечно-земного прибора был отделен спускаемый аппарат. Какое-то время орбитальный аппарат еще передавал телеметрию и научную информацию, пока не разрушился.

Спускаемый аппарат при входе в атмосферу Венеры, который произошел на ночной стороне планеты в районе экватора в 1500 км от утреннего терминатора, испытал перегрузки в 300 единиц.

После аэродинамического торможения до скорости ~210 м/с была отстрелена верхняя крышка СА и последовательно введена парашютная система. Вместе с раскрытием основного парашюта раскрылись антенны радиовысотомера и передатчика, включились научные приборы, и началась передача научной информации со скоростью 1 бит в секунду, что соответствовало одному опросу в 48 секунд.

Сразу при включении радиовысотомер выдал метку соответствующую 26 километрам, что ввело всех в заблуждение. Этот факт дал повод некоторое время утверждать, что спускаемый аппарат станции "Венера-4" совершил посадку на поверхность планеты. На самом деле, по последующим оценкам, парашют раскрылся на высоте 61-65 км.

Давление и плотность измерялись вплоть до зашкаливания приборов, поскольку верхний предел манометра составлял 7,3 атмосферы. Только измерение температуры проводилось в течение всего спуска аппарата на парашюте в течение 93 минут до момента пропадания связи. За это время температура изменялась от 33 до 262°С. После пересчета показаний давления, плотности и температуры, было получено значение величины давления 17-20 атмосфер, соответствующее температуре 262°С. В свою очередь, такие параметры атмосферы соответствовали высоте ~28 км.
Программа полета станции "Венера-4" была выполнена полностью.

Результаты полета

Главным результатом полета станции "Венера-4" стало проведение первых прямых измерений температуры, плотности, давления и химического состава атмосферы Венеры.

Газоанализаторы показали преимущественное содержание в атмосфере Венеры углекислого газа (~90%) и совсем незначительное содержание кислорода и водяного пара.

Научные приборы орбитального аппарата станции "Венера-4" показали отсутствие у Венеры радиационных поясов, а магнитное поле планеты оказалось в 3000 раз слабее магнитного поля Земли. Кроме того, с помощью индикатора УФ-излучения Солнца была обнаружена водородная корона Венеры, содержащая примерно в 1000 раз меньше водорода, чем верхняя атмосфера Земли. Атомарный же кислород индикатором обнаружен не был.

Источник информации: НПО им. С.А. Лавочкина