ПЕЧЬ
«ВЕНЕРА» И «ВЕГА»

Венера почти размером с Землю, с ускорением свободного падения 0,9 земного (8,87 м/с²). Но её атмосфера на 96,5% состоит из углекислого газа и настолько массивна, что давление у поверхности — 92 бара, в девяносто два раза больше земного, а плотность воздуха у грунта — около 65 кг на кубический метр, одна пятнадцатая плотности воды [1]. Углекислый газ так хорошо удерживает тепло, что средняя температура поверхности — 737 К (464 °C), днём и ночью, на полюсах и на экваторе [1]. Планета делает один оборот за 243 земных дня — в обратную сторону.

В 1960 году ничего из этого известно не было. Радиоастрономы измерили сильное микроволновое излучение, указывающее на горячую поверхность, но часть учёных считала, что тепло идёт из верхней атмосферы, а кто-то ещё представлял под облаками океаны или болота. Выяснить можно было только одним способом — войти туда. Советские аппараты строили, чтобы ответить на самые простые вопросы: насколько жарко, насколько плотно, из чего состоит, — и каждый неудачный отвечал на часть из них тем, как именно он погибал.

Поздние посадочные аппараты входили в атмосферу на скорости около 11 км/с, тормозили теплозащитным экраном и раскрывали парашюты высоко в облаках, примерно на 60 км. Затем происходило необычное: на высоте около 46–50 км они сбрасывали парашюты. Воздух ниже был настолько плотным, что хватало жёсткого кругового диска вокруг аппарата — аэродинамического тормоза. «Венера-11» падала последние 46 км 52 минуты 58 секунд и коснулась поверхности на скорости около 7,5 м/с — как при лёгком беге [4].

Опуститесь сквозь атмосферу ниже. Температура и давление — по Международной справочной атмосфере Венеры (VIRA), составленной по данным «Венер» и «Пионер-Венеры» [2][3]. Плотность следует из газового закона для углекислого газа, а скорость падения — из равновесия веса и сопротивления: аппарат замедляется по мере уплотнения воздуха. Аппарат описывает одно число — масса на единицу площади сопротивления; по умолчанию стоит значение, воспроизводящее 53-минутное падение «Венеры-11» и посадку на 7,5 м/с.

18 октября 1967 года «Венера-4» отделила капсулу массой 383 кг, которая вошла в атмосферу на скорости 11 км/с, выдержала торможение до 300 g и раскрыла парашют на 210 м/с [4]. 93 минуты она передавала температуру и давление, медленно опускаясь, — первые данные, полученные изнутри атмосферы другой планеты. Газоанализаторы нашли 90–95% углекислого газа, опрокинув представление об азотной, как у Земли, атмосфере [4].

Советские учёные сначала объявили, что она передавала до самой поверхности. Позднейший анализ показал, что она замолчала на высоте около 28 км, когда её разрушили жар и давление; её показания, до 262 °C, указывали на поверхность с температурой около 500 °C и давлением 75 атмосфер [4]. Конструкторы рассчитывали на гораздо более разреженную и холодную атмосферу. Ответ был в самой неудаче: каждую следующую «Венеру» строили так, чтобы выдержать раскалённую поверхность, давящую с силой глубинного океана.

После «Венеры-4» капсулу «Венеры-7» перепроектировали на 150–180 атмосфер и 540 °C; «Венеру-8», уже с лучшими данными, — на 105 атмосфер и 493 °C, сэкономив массу для приборов [4]. Сфера — лучшая форма для сопротивления давлению: каждый участок стенки несёт одинаковую нагрузку. Тонкая сфера радиуса R со стенкой толщины t под давлением p испытывает напряжение pR/2t, поэтому толщину, нужную для прочности, посчитать просто.

Но тонкая оболочка под внешним давлением разрушается задолго до того, как металл потечёт: она прощёлкивается внутрь — теряет устойчивость. Классическое критическое давление идеальной сферы растёт как квадрат t/R, а реальные сферы с крошечными вмятинами и неравномерной стенкой теряют устойчивость лишь при доле этого значения, часто от пятой до трети. Правила NASA для оболочек (SP-8032) закладывают этот «понижающий коэффициент» в любой расчёт [5]. Рассчитайте сферу ниже: при большинстве вариантов толщину стенки — и массу — определяет устойчивость, а не прочность.

Сферический посадочный аппарат «Венеры-7» массой 490 кг вошёл в атмосферу 15 декабря 1970 года на скорости 11,5 км/с и раскрыл парашют на 60 км. Спуск был тряским; возможно, парашют порвался и сложился, и аппарат ударился о грунт на скорости 17 м/с в 05:34:10 UT на ночной стороне [4]. Сигнал, казалось, оборвался в момент удара, и полёт сначала сочли почти удачей.

Но наземные станции продолжали записывать то, что звучало как шум. Обработка на ЭВМ нашла в нём 22 минуты 58 секунд очень слабых данных — первую передачу, когда-либо принятую с поверхности другой планеты. Аппарат, вероятно, завалился на бок, отвернув антенну от Земли. Он сообщил 475 ± 20 °C и 90 ± 15 атмосфер [4] — первое прямое измерение на поверхности Венеры.

«Венера-8» села 22 июля 1972 года на освещённой стороне — первая дневная посадка — и проработала 50 минут 11 секунд. Её фотометр решил важный для следующих миссий вопрос: часть солнечного света до грунта доходит, видимость — около километра. Она же измерила естественную радиоактивность грунта (калий, уран, торий) [4]. Позже «Венера-11» установила, что до поверхности доходит лишь 3–6% солнечного света [4].

«Венера-9» открыла новое поколение, впятеро тяжелее: посадочный аппарат 660 кг в спускаемой сфере диаметром 2,4 м, выведенный ракетой «Протон» [4]. 22 октября 1975 года он спустился на парашютах примерно до 50 км, затем падал на своём дисковом аэротормозе, коснулся поверхности на скорости около 7 м/с на сминаемом амортизирующем кольце и за 53 минуты передал первый снимок, сделанный на поверхности другой планеты: плоские угловатые камни, снятые камерой на высоте 90 см [4]. Её близнец «Венера-10» проработала 65 минут.

Ни один аппарат не мог долго сдерживать Венеру. Перед входом в атмосферу их охлаждали перелётные модули; на поверхности тепло просачивалось сквозь изоляцию к электронике, пока что-нибудь не отказывало. Каждая минута покупалась массой: более толстая изоляция, теплопоглощающие материалы внутри, более прочный корпус. На диаграмме — сколько каждый аппарат передавал с поверхности и, если источник это указывает, на сколько он был рассчитан [4].

Рекорд принадлежит «Венере-13»: рассчитанная на 32 минуты, она села 1 марта 1982 года и передавала 127 минут при 462 °C и 88,7 атмосферы [4]. Она прислала первые цветные снимки Венеры — оранжево-бурые угловатые камни и рыхлый грунт — и пробурила грунт, оказавшийся похожим на богатый калием земной базальт. Её близнец «Венера-14» проработала 57 минут. С «Веги-2» в 1985 году на поверхность Венеры не садился ни один аппарат.

Близнецы «Вега» (от «Венера» и «Галлей») были международной миссией: советские аппараты с приборами из восьми других европейских стран и одним из США [4]. В июне 1985 года каждый сбросил посадочный аппарат, а во время спуска на высоте 61 км — гелиевый аэростат с системой массой 20,8 кг, приборами и радиопередатчиком [4][6]. Аэростаты плыли около 54 км, посреди облачного слоя, и прошли примерно 30% пути вокруг планеты [6].

Каждый аэростат проработал 46,5 часа, пока не сели батареи; за ними следили 20 радиотелескопов на Земле, измерявших их дрейф, а значит, и ветры Венеры [4][6]. Они попадали в нисходящие потоки до 3,5 м/с, опускавшие их на 2,5 км ниже равновесной высоты [7]. Затем оба перелётных модуля с помощью гравитации Венеры отправились к комете Галлея, пролетели её в марте 1986 года на скорости 77–79 км/с («Вега-2» — на расстоянии 8030 км) и сняли её ядро [4]. Рассчитайте размер аэростата ниже.