В.Перминов, Н.Морозов специально
для «Новостей космонавтики»

Рисунок С.Птицына

   Полетом станции «Венера-8» закончился первый этап исследования Венеры, позволивший получить данные о химическом составе атмосферы планеты, определить уровень освещенности и основные породообразующие элементы ее грунта, установить, что давление у поверхности составляет около 10 МПа (100 атм) при температуре до 500°С. Возможности аппаратов первого поколения были исчерпаны, и для продолжения исследований нужно было разработать новую станцию.
   Как предусматривали основные положения по принципам построения марсианских и венерианских станций второго поколения, утвержденные Г.Н.Бабакиным*, для последних были использованы (с незначительными доработками) орбитальный аппарат (ОА) и корректирующе-тормозная двигательная установка станций «Марс-2», -3, проводивших исследование Марса в 1971 г. (НК №10, 2000, с.65, №3, 2001, с.72). Спускаемый аппарат (СА) разрабатывался вновь с учетом данных по параметрам атмосферы Венеры, полученных в последних полетах.
   К 1975 г. в НПО им. С.А.Лавочкина закончились разработка и наземная отработка первых венерианских станций второго поколения. Две из них – «Венера-9» и -10 с обширной программой исследований готовились к запуску в очередное астрономическое «окно» в июне 1975 г. Программа их полета, которая была полностью выполнена, не предусматривала изучения сейсмической активности Венеры и исследования ее коры – экспериментов, имеющих важнейшее значение для понимания природы планеты. По просьбе ученых, авторы решили изучить возможность их проведения в последующих полетах.

   Метод исследований земной коры с помощью искусственно создаваемых сейсмических волн разработан давно. На некотором удалении от сейсмографа подрывается заряд; возникающие при его взрыве сейсмоволны распространяются вглубь планеты. Преломляясь и отражаясь от различных слоев земной коры, они возвращаются к поверхности и регистрируются сейсмографом. Чем дальше находится заряд от сейсмографа, тем больше должна быть мощность взрыва и более глубокие слои земной коры могут быть исследованы.
   На Земле проблемы выбора мощности заряда и удаления его от сейсмографа не возникают. На Венере нужно защитить заряд от нагрева не только при снижении СА, но и в течение 10–15 минут после посадки при температуре 500°С в ожидании затухания сейсмического «звона», вызванного ударом аппарата о поверхность при посадке. При этом увеличиваются масса и размеры теплоизоляции заряда; его отбрасывание на необходимую дальность от СА в плотной атмосфере Венеры превращается в проблему. В то же время при малой массе и мощности заряда возможно исследование только локальных участков Венеры.
   Проблема могла быть решена путем доставки вторым СА (при использовании для этого станции первого поколения) ядерного заряда и подрыва его на большом удалении от первого СА, что позволило бы получить сведения о глубинных слоях коры Венеры. Но этот вариант не мог быть реализован, так как международными соглашениями запрещается выводить в космос ядерные заряды.
   Для исследования сейсмической активности Венеры нужно было создать СА, способный длительное время (по мнению ученых, не менее месяца) функционировать на раскаленной поверхности в ожидании «венеротрясений». Следовательно, нужно было создать теплоизоляцию, обеспечивающую температуру газа в гермокорпусе не выше 50°С (предельная температура для существовавшей аппаратуры) при тридцатидневном функционировании аппарата на поверхности Венеры. СА станций «Венера-9», -10 функционировали на поверхности Венеры около 50 мин.
   Для снижения тепловых потоков от атмосферы Венеры решили выполнить гермокорпус СА в виде сосуда Дьюара, обеспечив минимальные тепловые связи между внутренней и наружной оболочкой. За решение проблемы взялись наши конструкторы и теплофизики (В.Турчанинов, Ю.Акулов, Б.Яковлев, А.Киммель и др.), а также команда экспериментаторов под руководством Ю.Крестова. Задача была непростой, так как при торможении в атмосфере Венеры аппарат испытывает перегрузки до 350 ед., и при массе приборного отсека с аппаратурой в 500 кг конструктивные связи между внутренней и внешней оболочкой должны выдерживать нагрузку до 175 тонн. Для минимизации поперечного сечения связей и, следовательно, тепловых потоков было решено внутреннюю оболочку подвесить к наружной на тонких титановых стержнях, работающих на растяжение. Но и при этом решении тепловые потоки к внутреннему отсеку оставались недопустимо высокими. Пришлось заняться решением проблем, с которыми изобретатель сосуда Д.Дьюар не встречался: ухудшение при высокой температуре вакуума в межсферическом объеме за счет испарения металла с внутренней стенки наружной оболочки, наличие мощных лучистых тепловых потоков, для которых вакуум не является преградой, увеличение с повышением температуры скорости движения оставшихся в вакуумном пространстве молекул и т.п.
   После длительных поисков за счет неординарных решений удалось довести время функционирования СА на поверхности Венеры до 5 суток (рис.1). Для уменьшения лучистых тепловых потоков и скорости движения оставшихся молекул воздуха, межсферическое пространство решили заполнить аэрогелем – маленькими блестящими тонкостенными вакуумированными стеклянными шариками. Тепловые потоки, проникающие через эту преграду, встречали термопоглотители – аккумуляторы тепла из тригидрата азотнокислого лития, покрывающие внутреннюю поверхность внутренней сферы. При повышении температуры выше 300°С это вещество изменяет агрегатное состояние, переходя из твердой фазы в жидкую, с поглощением большого количества тепла.
   В дальнейшем КБ Г.Н.Бабакина привлекло к исследованиям тепловых проблем НИИ тепловых процессов Минобщемаша и НПО «Энергия» Минсредмаша, имеющие большой опыт в этой области, с целью доведения времени существования СА на поверхности Венеры до 30 суток, как этого требовали ученые.
Примерно в то же время стало известно, что Минским институтом радиоэлектроники разработаны микросхемы, способные функционировать при температуре до 250°С. Они использовались в приборах для изучения геологического строения территорий при опорном бурении глубоких скважин, температура в которых достигала сотен градусов по Цельсию. Эти сведения подтолкнули разработчиков к идее создания станции с аппаратурой, выдерживающей температуру 500°С. Они понимали, что, кроме создания «высокотемпературных» микросхем, необходимо решить много других проблем, что разработка такой станции является чрезвычайно сложной научно-технической проблемой, но ее создание позволило бы получить важные научные данные о природе Венеры и открыть новые горизонты в развитии техники в интересах решения прикладных задач.
   Идея создания такой станции понравилась директору Института космических исследований АН СССР академику Р.З.Сагдееву. Он подключил сотрудников ИКИ к разработке научной программы станции, исследованию возможности создания научных приборов, способных длительное время работать при температуре 500°С и давлении 10 МПа. Стали искать институты для участия в решении этих сложных проблем. Проектом заинтересовался президент АН УССР академик Б.Е.Патон, он привлек институты Украинской академии наук к решению проблем. 
   В течение нескольких месяцев сотрудники НПО им. С.А.Лавочкина и ИКИ обсуждали с руководством институтов и предприятий возможности разработки элементов, приборов и оборудования, необходимых для создания высокотемпературной станции. Нужно отметить, что несмотря на сложность проблем идея создания такой станции встречала положительный отклик руководства институтов и предприятий, которые без указаний вышестоящих организаций проводили работы по оценке возможности создания уникального оборудования. На основании этих проработок в 1976–1977 гг. НПО им. С.А.Лавочкина и ИКИ были разработаны и утверждены «Основные принципы построения автоматической станции для длительных исследований на поверхности Венеры».
   Долговременная венерианская станция (ДЖВС, рис.2) должна была иметь два отсека. Верхний (герметичный) предполагалось укомплектовать обычной аппаратурой. Его теплоизоляция должна была обеспечить внутри отсека температуру не выше 50°С в течение двух часов. За это время планировалось исследовать и передать на Землю информацию об условиях в районе посадки станции: температура и давление атмосферы, направление и скорость ветра, плотность грунта и его химический состав, уровни радиации и шумов, уровни освещенности и панорама места посадки аппарата. Через два часа отсек обесточивался, а научные приборы, рассчитанные на работу при температуре 500°С и давлении 10 МПа, кроме телефотометров и приборов по исследованию грунта, функционирование которых прекращалось, подключались к аппаратуре, установленной в нижнем отсеке. Нижний отсек планировалось укомплектовать аппаратурой, в т.ч. высокочувствительными сейсмографами, способной длительное время, около года, функционировать при 500°С и давлении в отсеке 0.1...0.3 МПа.
   С помощью ДЖВС планировалось провести качественно новые научные исследования: сейсмической активности планеты как тектонического, так и вулканического происхождения, ее внутреннего строения, изменений метеорологической обстановки на поверхности, изменений уровней освещенности в видимой (0.3...0.7 мкм) и инфракрасной (0.75...50 мкм) областях спектра, а также изменений уровня радиоактивного излучения и шумов.
   Питание научной аппаратуры и бортовых систем нижнего отсека должно было обеспечиваться радиоизотопным термоэлектрическим генератором мощностью около 30 Вт. Информация на Землю должна была передаваться непосредственно и с использованием в качестве ретранслятора ОА. Предусматривалось в течение 1977–1980 гг. провести НИР по элементам, материалам и оборудованию ДЖВС и, при положительных результатах, приступить к разработке проекта. 
   Полученные результаты вселяли уверенность в возможности реализации проекта: Мытищинское ОКБ кабельной промышленности Минэлектротехники и Институт материаловедения АН УССР разработали термостойкие провода; Казанское объединение «Элекон» изготовило опытный образец термостойкого герметичного электроразъема с титановым корпусом, который по техническому заданию должен был ввариваться в гермокорпус станции и обеспечивать ее герметичность. Институт физики твердых тел АН СССР на основе кристалла алмаза создал опытный образец детектора радиоактивного излучения, способный работать при температуре 500°С, группа ученых Института физики Земли АН СССР совместно с Союзным НИИ приборостроения Минсредмаша, опираясь на сделанное научное открытие, вели работы по созданию опытных образцов высокочувствительных термостойких сейсмодатчиков. ВНИИРТИ Минсредмаша, завершив исследования, сообщил о возможности изготовления радиоизотопного термоэлектрического генератора на полупроводниковых материалах кремний-германий с температурой рабочего спая 900...1000°С с энергомассовой характеристикой 3 кг/Вт, а также о возможности улучшения этой характеристики до 2 кг/Вт при использовании разработанной в его Сухумском филиале новой технологии изготовления материалов, для которой необходимо было изготовить вольфрамовые фильеры.
   Фильеры были изготовлены в НПО им. С.А.Лавочкина и отправлены в г.Сухуми; Минский институт радиоэлектроники изготовил опытные образцы микросхем, которые были использованы в макете приемника. Макет несколько месяцев работал в термокамере ИКИ АН СССР, в которой постоянно поддерживалась температура 500°С.
   НИИТП Минобщемаша и НПО «Энергия» Минсредмаша закончили исследования по способам уменьшения тепловых потоков и направили в НПО им. С.А.Лавочкина отчеты с перечнем мероприятий, выполнение которых позволяло увеличить время активного существования станции с обычной аппаратурой на поверхности Венеры до 30 суток. Однако приступить к этапу анализа проведенных работ и выбору варианта для дальнейших разработок КБ не смогло из-за большой загрузки по другим проектам.
   В дополнение к работам по созданию станций для картографирования поверхности Венеры, скрытой от наблюдения сплошным облачным покровом, которые должны были стартовать в июне 1983 г., появился огромный объем сложных проблемных работ по уникальному международному проекту «Вега» для исследования Венеры и кометы Галлея, появляющейся в окрестности Земли один раз в 76 лет, со стартом станций в декабре 1984 г.
   Коллективы, занимающиеся разработкой ДЖВС, были перенацелены на другие работы, и вернуть их через несколько лет к прежним разработкам было невозможно. Положение усложнялось наметившимся в конце восьмидесятых годов снижением финансирования по космическим проектам.
   Некоторые разработки по ДЖВС были использованы в других проектах. В объединении «Машиноаппарат» был создан уникальный электродвигатель для буровой установки, которая бурила даже базальт на поверхности Венеры при температуре 500°С и давлении 10 МПа. Термостойкие провода нашли применение в авиационной промышленности, разработки по термостойким микросхемам и методам снижения лучистых тепловых потоков были использованы в проекте КА для исследования Солнца, который должен был пролетать на расстоянии 10 радиусов от его поверхности. Главным результатом этих работ было развитие высоких технологий в различных областях науки и техники.
   Создание долговременных венерианских станций в будущем неизбежно, поскольку эти исследования позволяют понять не только природу Венеры, но и процессы зарождения и развития Солнечной системы, включая нашу родную планету по имени Земля.