Mariner 2 ( Mariner-Venus 1962 ), американский космический зонд к Венере , был первым автоматическим космическим зондом, успешно совершившим доклад о встрече с планетой. Первый успешный космический аппарат в программе NASA Mariner , это была упрощенная версия космического аппарата Block I программы Ranger и точная копия Mariner 1. Миссии космических аппаратов Mariner 1 и 2 иногда называют миссиями Mariner R. Первоначальные планы предусматривали запуск зондов на Atlas-Centaur , но серьезные проблемы с разработкой этого аппарата заставили перейти на гораздо меньшую вторую ступень Agena B. Таким образом, конструкция аппаратов Mariner R была значительно упрощена. Было установлено гораздо меньше приборов, чем на советских зондах Venera того периода — например, отказались от телекамеры — поскольку Atlas-Agena B имела только половину грузоподъемности, чем советский ускоритель 8K78 . Космический корабль «Маринер-2» был запущен с мыса Канаверал 27 августа 1962 года и пролетел на расстоянии 34 773 километров (21 607 миль) от Венеры 14 декабря 1962 года. [4]
Зонд Mariner состоял из шестиугольной шины диаметром 100 см (39,4 дюйма), к которой были прикреплены солнечные панели , инструментальные штанги и антенны . Научные приборы на борту космического корабля Mariner были: два радиометра ( по одному для микроволновой и инфракрасной частей спектра ), датчик микрометеоритов , датчик солнечной плазмы , датчик заряженных частиц и магнитометр . Эти приборы были разработаны для измерения распределения температуры на поверхности Венеры и проведения основных измерений атмосферы Венеры .
Основная задача состояла в том, чтобы получить сообщения от космического корабля в районе Венеры и выполнить радиометрические измерения температуры планеты. Вторая цель состояла в том, чтобы измерить межпланетное магнитное поле и среду заряженных частиц. [5] [6]
На пути к Венере Mariner 2 измерил солнечный ветер , постоянный поток заряженных частиц, вытекающих из Солнца , подтвердив измерения Луны 1 в 1959 году. Он также измерил межпланетную пыль , которая оказалась более редкой, чем предполагалось. Кроме того, Mariner 2 обнаружил высокоэнергетические заряженные частицы, исходящие от Солнца, включая несколько кратковременных солнечных вспышек , а также космические лучи из-за пределов Солнечной системы . Пролетая мимо Венеры 14 декабря 1962 года, Mariner 2 сканировал планету с помощью своей пары радиометров, обнаружив, что на Венере есть холодные облака и чрезвычайно горячая поверхность.
С началом Холодной войны , две тогдашние сверхдержавы , Соединенные Штаты и Советский Союз , инициировали амбициозные космические программы с намерением продемонстрировать военное, технологическое и политическое превосходство. [7] Советы запустили Спутник 1 , первый спутник на околоземной орбите, 4 октября 1957 года. Американцы последовали их примеру с Explorer 1 1 февраля 1958 года, к этому моменту Советы уже запустили первое орбитальное животное, Лайку в Спутнике 2. После того, как орбита Земли была достигнута, внимание переключилось на то, чтобы стать первыми на Луне. Программа спутников Pioneer состояла из трех неудачных лунных попыток в 1958 году. В начале 1959 года советская Луна 1 стала первым зондом, пролетевшим мимо Луны, за ней последовала Луна 2 , первый искусственный объект, столкнувшийся с Луной. [8]
С достижением Луны сверхдержавы обратили свои взоры на планеты. Будучи ближайшей к Земле планетой, Венера представляла собой привлекательную цель для межпланетных космических полетов. [9] : 172 Каждые 19 месяцев Венера и Земля достигают относительных положений на своих орбитах вокруг Солнца, так что для путешествия с одной планеты на другую по переходной орбите Хохмана требуется минимум топлива . Эти возможности знаменуют собой лучшее время для запуска исследовательских космических аппаратов, требующих минимум топлива для совершения путешествия. [10]
Первая такая возможность космической гонки появилась в конце 1957 года, до того, как у обеих сверхдержав появились технологии, чтобы воспользоваться ими. Вторая возможность, около июня 1959 года, лежала на грани технологической осуществимости, и подрядчик ВВС США Лаборатория космических технологий (STL) намеревалась ею воспользоваться. План, составленный в январе 1959 года, включал два космических корабля, созданных на основе первых зондов Pioneer, один из которых должен был быть запущен с помощью ракеты Thor-Able , другой — с помощью еще не испытанной Atlas-Able . [11] STL не смогла завершить зонды до июня, [12] и окно запуска было упущено. Зонд Thor-Able был перепрофилирован в исследователь дальнего космоса Pioneer 5 , который был запущен 11 марта 1960 года и был разработан для поддержания связи с Землей на расстоянии до 20 000 000 миль (32 000 000 км) по мере его движения к орбите Венеры. [13] (Концепция зонда Atlas Able была перепрофилирована в неудачные лунные зонды Pioneer Atlas .) [14] В начале 1961 года не было отправлено ни одной американской миссии. Советский Союз запустил Венеру-1 12 февраля 1961 года, а 19–20 мая стал первым зондом, пролетевшим мимо Венеры; однако он прекратил передачу 26 февраля . [15]
Для возможности запуска летом 1962 года NASA заключило контракт с Jet Propulsion Laboratory (JPL) в июле 1960 года [9] : 172 для разработки «Mariner A», 1250-фунтового (570 кг) космического корабля, который должен был быть запущен с использованием еще не разработанного Atlas-Centaur . К августу 1961 года стало ясно, что Centaur не будет готов вовремя. JPL предложила NASA, что миссия может быть выполнена с помощью более легкого космического корабля, использующего менее мощный, но работоспособный Atlas-Agena . Был предложен гибрид Mariner A и лунного исследователя Block 1 Ranger JPL , который уже находился в разработке. NASA приняло предложение, и JPL начала 11-месячную ускоренную программу по разработке «Mariner R» (названного так потому, что он был производным от Ranger). Mariner 1 должен был стать первым запущенным Mariner R, за которым последовал Mariner 2. [16]
Было построено три космических корабля Mariner R: два для запуска и один для проведения испытаний, который также должен был использоваться в качестве запасного. [9] : 174 Помимо своих научных возможностей, Mariner также должен был передавать данные обратно на Землю с расстояния более 26 000 000 миль (42 000 000 км) и выдерживать солнечную радиацию, вдвое более интенсивную, чем та, которая встречается на околоземной орбите. [9] : 176
Все три космических аппарата Mariner R, включая Mariner 2, весили в пределах 3 фунтов (1,4 кг) от проектного веса 447 фунтов (203 кг), из которых 406 фунтов (184 кг) были отведены для неэкспериментальных систем: маневренных систем, топлива и коммуникационного оборудования для приема команд и передачи данных. После полного развертывания в космосе, с двумя выдвинутыми солнечными панелями «крылья», Mariner R имел высоту 12 футов (3,7 м) и ширину 16,5 футов (5,0 м). Основной корпус аппарата был шестиугольным с шестью отдельными корпусами электронного и электромеханического оборудования:
В задней части космического корабля был установлен ракетный двигатель на монотопливе (безводный гидразин ) 225 Н [17] для коррекции курса. Стабилизирующая система из десяти реактивных сопел, работающая на азотном газе и управляемая бортовыми гироскопами, солнечными датчиками и датчиками Земли, поддерживала Mariner в правильной ориентации для приема и передачи данных на Землю. [9] : 175
Основная параболическая антенна с высоким коэффициентом усиления также была установлена на нижней стороне Mariner и была направлена на Землю. Всенаправленная антенна наверху космического корабля время от времени передавала, что космический корабль катится или кувыркается из своей правильной ориентации, чтобы поддерживать связь с Землей; как несфокусированная антенна, ее сигнал был бы намного слабее, чем у основной. Mariner также установил небольшие антенны на каждом из крыльев, чтобы получать команды с наземных станций. [9] : 175–176
Контроль температуры был как пассивным, с использованием изолированных и высокоотражающих компонентов; так и активным, с использованием жалюзи для защиты корпуса, в котором находился бортовой компьютер. Во время постройки первых Mariners не существовало испытательной камеры для имитации солнечной среды около Венеры, поэтому эффективность этих методов охлаждения не могла быть проверена до начала реальной миссии. [9] : 176
На момент начала проекта Mariner некоторые характеристики Венеры были точно известны. Ее непрозрачная атмосфера не позволяла проводить телескопическое исследование земли. Было неизвестно, есть ли вода под облаками, хотя небольшое количество водяного пара над ними было обнаружено. Скорость вращения планеты была неопределенной, хотя ученые JPL с помощью радиолокационных наблюдений пришли к выводу , что Венера вращается очень медленно по сравнению с Землей, что подтверждает давнюю [18] (но позже опровергнутую [19] ) гипотезу о том, что планета приливно заблокирована относительно Солнца (как Луна относительно Земли). [20] В атмосфере Венеры не было обнаружено кислорода, что говорит об отсутствии жизни в том виде, в каком она существовала на Земле. Было установлено, что атмосфера Венеры содержит по крайней мере в 500 раз больше углекислого газа , чем земная. Эти сравнительно высокие уровни предполагают, что планета может быть подвержена неконтролируемому парниковому эффекту с температурой поверхности до 600 К (327 °C; 620 °F), но это еще не было окончательно определено. [16] : 7–8
Космический аппарат «Маринер» мог бы проверить эту гипотезу, измерив температуру Венеры крупным планом; [21] в то же время космический аппарат мог бы определить, существует ли значительная разница между ночной и дневной температурой. [16] : 331 Бортовой магнитометр и набор детекторов заряженных частиц могли бы определить, обладает ли Венера заметным магнитным полем и аналогом поясов Ван Аллена на Земле . [21]
Поскольку космический аппарат Mariner проведет большую часть своего путешествия к Венере в межпланетном пространстве, миссия также предоставит возможность для долгосрочного измерения солнечного ветра заряженных частиц и картирования изменений в магнитосфере Солнца . Также можно будет исследовать концентрацию космической пыли за пределами окрестностей Земли. [9] : 176
Из-за ограниченной вместимости Atlas Agena, только 18 килограммов (40 фунтов) космического корабля могли быть выделены для научных экспериментов. [16] : 195
Магнитометр был прикреплен к вершине мачты под всенаправленной антенной . Детекторы частиц были установлены на полпути вверх по мачте вместе с детектором космических лучей. Детектор космической пыли и спектрометр солнечной плазмы были прикреплены к верхним краям основания космического корабля. Микроволновый радиометр, инфракрасный радиометр и опорные рупоры радиометра были жестко закреплены на параболической радиометрической антенне диаметром 48 сантиметров (19 дюймов), установленной у основания мачты. Все приборы работали в режимах круиза и встречи, за исключением радиометров, которые использовались только в непосредственной близости от Венеры.
В дополнение к этим научным приборам, Mariner 2 имел систему обработки данных (DCS) и блок переключения научного питания (SPS). DCS была твердотельной электронной системой, разработанной для сбора информации с научных приборов на борту космического корабля. Она имела четыре основные функции: аналого-цифровое преобразование, цифро-цифровое преобразование, выборку и калибровку приборов по времени и планетарное получение. Блок SPS был разработан для выполнения следующих трех функций: управление подачей питания переменного тока на соответствующие части научной подсистемы, подача питания на радиометры и отключение питания от экспериментов по крейсерскому полету во время периодов калибровки радиометров, а также управление скоростью и направлением сканирований радиометров. DCS отправляла сигналы в блок SPS для выполнения последних двух функций. [16]
Ни на одном из космических аппаратов Mariner R не было камеры для визуальных фотографий. Поскольку полезное пространство было в дефиците, ученые проекта посчитали камеру ненужной роскошью, неспособной возвращать полезные научные результаты. Карл Саган , один из ученых Mariner R, безуспешно боролся за их включение, отмечая, что не только могут быть разрывы в облачном слое Венеры, но и «что камеры также могут ответить на вопросы, которые мы были слишком глупы даже для того, чтобы задать». [30]
.jpg/1280px-Woomera_1964_0(1).jpg)
Окно запуска для Mariner, ограниченное как орбитальными отношениями Земли и Венеры, так и ограничениями Atlas Agena, было определено на 51-дневный период с 22 июля по 10 сентября. [9] : 174 План полета Mariner был таким, что два действующих космических корабля будут запущены к Венере в течение 30-дневного периода в пределах этого окна, следуя немного отличающимися траекториями, так что они оба прибудут на целевую планету в течение девяти дней друг от друга, между 8 и 16 декабря. [31] Только стартовый комплекс Cape Canaveral 12 был доступен для запуска ракет Atlas-Agena, и потребовалось 24 дня, чтобы подготовить Atlas-Agena к запуску. Это означало, что для графика из двух запусков был только 27-дневный запас погрешности. [9] : 174
Каждый Mariner будет запущен на парковочную орбиту , после чего перезапускаемая Agena запустится во второй раз, отправив Mariner на его путь к Венере (ошибки в траектории будут исправлены включением бортовых двигателей Mariner в середине пути). [16] : 66–67 Радиолокационное слежение в реальном времени за космическим аппаратом Mariner, пока он находится на парковочной орбите , и после его отбытия Атлантический ракетный полигон будет обеспечивать радиолокационное слежение в реальном времени со станциями в Вознесении и Претории , в то время как Паломарская обсерватория будет обеспечивать оптическое слежение. Поддержка дальнего космоса обеспечивалась тремя станциями слежения и связи в Голдстоуне, Калифорния , Вумере, Австралия , и Йоханнесбурге, Южная Африка , каждая из которых разделена на земном шаре примерно на 120° для непрерывного покрытия. [16] : 231–233
22 июля 1962 года двухступенчатая ракета Atlas-Agena с космическим аппаратом Mariner 1 отклонилась от курса во время запуска из-за неисправного сигнала с Atlas и ошибки в уравнениях программы наземного компьютера управления; космический аппарат был уничтожен офицером по безопасности на полигоне .
Через два дня после этого запуска Mariner 2 и его ускоритель (Atlas Vehicle 179D) были вывезены на LC-12. Подготовка Atlas к запуску оказалась проблематичной, и возникло несколько серьезных проблем с автопилотом, включая полную замену сервоусилителя после того, как он получил повреждение компонентов из-за короткого замыкания транзисторов. [32]
В 1:53 утра по восточному времени 27 августа Mariner 2 был запущен с пускового комплекса 12 на базе ВВС на мысе Канаверал в 06:53:14 UTC. [16] : 97 [32] Ошибка в программном обеспечении ракеты, которая привела к потере Mariner 1, не была обнаружена на момент запуска. [33] В данном случае ошибка не вызвала проблем с запуском, поскольку она находилась в разделе кода, который использовался только при прерывании передачи данных с Земли, а во время запуска Mariner 2 таких прерываний не было. [33]
Полет продолжался нормально до момента отключения двигателя ускорителя Agena, после чего двигатель V-2 потерял управление по тангажу и рысканью. Верньер начал колебаться и ударяться о свои упоры, что привело к быстрому крену ракеты-носителя, который был близок к угрозе целостности стека. В момент времени T+189 вращение прекратилось, и запуск продолжился без происшествий. Вращение Atlas привело к тому, что наземное управление потеряло захват ускорителя и не позволило отправить какие-либо резервные команды для противодействия крену. Инцидент был отслежен до ослабленного электрического соединения в датчике обратной связи верньера, который был возвращен на место центробежной силой крена, что также по счастливому совпадению оставило Atlas всего в нескольких градусах от того места, где он стартовал, и в пределах диапазона горизонтального датчика Agena. В результате этого эпизода GD/A внедрила улучшенное изготовление жгутов проводов и процедуры проверки.
Через пять минут после старта Atlas и Agena-Mariner разделились, после чего последовал первый запуск Agena и второй запуск Agena. Разделение Agena-Mariner вывело космический корабль Mariner 2 в геоцентрическую гиперболу ухода через 26 минут 3 секунды после старта. Станция слежения NASA NDIF в Йоханнесбурге, Южная Африка, обнаружила космический корабль примерно через 31 минуту после запуска. Расширение солнечных панелей было завершено примерно через 44 минуты после запуска. Солнечный замок захватил Солнце примерно через 18 минут. Антенна с высоким коэффициентом усиления была выдвинута до угла захвата 72°. Выход солнечных панелей был немного выше прогнозируемого значения.
Поскольку все подсистемы работали нормально, аккумулятор был полностью заряжен, а солнечные панели обеспечивали достаточную мощность, 29 августа было принято решение о запуске научных экспериментов на борту. 3 сентября была начата последовательность захвата Земли, и захват Земли был установлен 29 минут спустя. [16] : 97–109
Из-за того, что Atlas-Agena немного сбил Mariner с курса, космическому кораблю потребовалась коррекция в середине курса, состоящая из последовательности крена-поворота, за которой последовала последовательность тангажа-поворота и, наконец, последовательность включения двигателя. Команды подготовки были отправлены на космический корабль в 21:30 UTC 4 сентября. Начало последовательности маневра в середине курса было отправлено в 22:49:42 UTC, а последовательность крена-поворота началась через час. Весь маневр занял приблизительно 34 минуты. В результате маневра в середине курса датчики потеряли связь с Солнцем и Землей. В 00:27:00 UTC началось повторное обнаружение Солнца, а в 00:34 UTC Солнце было повторно обнаружено. Повторное обнаружение Земли началось в 02:07:29 UTC, а Земля была повторно обнаружена в 02:34 UTC. [16] : 111–113
8 сентября в 12:50 UTC у космического корабля возникла проблема с управлением ориентацией . Он автоматически включил гироскопы, а научные эксперименты на борту были автоматически выключены. Точная причина неизвестна, поскольку датчики ориентации вернулись в нормальное состояние до того, как удалось провести телеметрические измерения, но это могла быть неисправность датчика Земли или столкновение с небольшим неопознанным объектом, из-за которого космический корабль временно потерял фиксацию Солнца. Похожий опыт произошел 29 сентября в 14:34 UTC. Опять же, все датчики вернулись в нормальное состояние до того, как удалось определить, какая ось потеряла фиксацию. К этой дате показания яркости датчика Земли по существу упали до нуля. Однако на этот раз данные телеметрии показали, что измерение яркости Земли увеличилось до номинального значения для этой точки траектории. [16] : 113–114
31 октября выходная мощность одной солнечной панели (с прикрепленным солнечным парусом) резко ухудшилась. Это было диагностировано как частичное короткое замыкание в панели. В качестве меры предосторожности были отключены приборы для научных исследований на борту. Неделю спустя панель возобновила нормальную работу, и приборы для научных исследований на борту были снова включены. Панель окончательно вышла из строя 15 ноября, но Mariner 2 находился достаточно близко к Солнцу, чтобы одна панель могла обеспечивать достаточное питание; таким образом, эксперименты для научных исследований на борту были оставлены активными. [16] : 114
«Маринер-2» был первым космическим аппаратом, успешно встретившимся с другой планетой [3], пролетев на расстоянии 34 773 километров (21 607 миль) от Венеры после 110 дней полета 14 декабря 1962 года. [4]
После встречи режим крейсерского полета возобновился. Перигелий космического корабля произошел 27 декабря на расстоянии 105 464 560 километров (65 532 640 миль). Последняя передача от Mariner 2 была получена 3 января 1963 года в 07:00 UTC, таким образом, общее время от запуска до завершения миссии Mariner 2 составило 129 дней. [34] После прохождения Венеры Mariner 2 вышел на гелиоцентрическую орбиту . [2]
Данные, полученные во время полета, состояли из двух категорий — а именно , данные слежения и данные телеметрии. [34] Одним из особенно примечательных фрагментов данных, собранных во время пионерского пролета, была высокая температура атмосферы, [35] измеренная как 500 °C (773 K ; 932 °F ). [35] Различные свойства солнечного ветра также были измерены впервые. [35]
Микроволновый радиометр сделал три сканирования Венеры за 35 минут 14 декабря 1962 года, начиная с 18:59 UTC. [24] Первое сканирование было сделано на темной стороне, второе было около терминатора, а третье было расположено на светлой стороне. [24] [36] Сканирования с 19-миллиметровым диапазоном показали пиковые температуры 490 ± 11 К (216,9 ± 11,0 °C; 422,3 ± 19,8 °F) на темной стороне, 595 ± 12 К около терминатора и 511 ± 14 К на светлой стороне. [37] Был сделан вывод, что нет существенной разницы в температуре по всей Венере. [24] [36] Однако результаты указывают на потемнение к краю , эффект, который представляет собой более низкие температуры вблизи края планетарного диска и более высокие температуры вблизи центра. [22] [23] [24] [36] [37] [38] Это было доказательством теории о том, что поверхность Венеры была чрезвычайно горячей, а атмосфера оптически плотной. [24] [36] [37]
Инфракрасный радиометр показал, что температуры излучения 8,4 мкм и 10,4 мкм согласуются с температурами излучения, полученными из наземных измерений. [26] Не было никакой систематической разницы между температурами, измеренными на светлой и темной стороне планеты, что также согласуется с наземными измерениями. [26] Эффект потемнения каемки, обнаруженный микроволновым радиометром, также присутствовал в измерениях по обоим каналам инфракрасного радиометра. [26] [36] [38] Эффект был лишь слегка представлен в канале 10,4 мкм, но был более выражен в канале 8,4 мкм. [36] Канал 8,4 мкм также показал небольшой фазовый эффект. Фазовый эффект указывал на то, что если бы существовал парниковый эффект, тепло эффективно переносилось бы со светлой стороны на темную сторону планеты. [36] 8,4 мкм и 10,4 мкм показали одинаковые температуры излучения, что указывает на то, что эффект потемнения к краю, по-видимому, исходит от структуры облаков, а не от атмосферы. [26] Таким образом, если измеренные температуры на самом деле были температурами облаков, а не температурами поверхности, то эти облака должны были быть довольно толстыми. [25] [36] [38]
Магнитометр обнаружил постоянное межпланетное магнитное поле, варьирующееся от 2 γ до 10 γ ( нанотесла ), что согласуется с предыдущими наблюдениями Pioneer 5 с 1960 года. Это также означает, что межпланетное пространство редко бывает пустым или свободным от поля. [27] Магнитометр мог обнаружить изменения около 4 γ по любой из осей, но никаких тенденций выше 10 γ не было обнаружено вблизи Венеры, и не было замечено флуктуаций, подобных тем, которые появляются на конце магнитосферы Земли . Это означает, что Mariner 2 не обнаружил обнаруживаемого магнитного поля вблизи Венеры, хотя это не обязательно означало, что у Венеры его нет. [36] [39] Однако, если бы у Венеры было магнитное поле, то оно должно было бы быть по крайней мере меньше 1/10 магнитного поля Земли. [39] [40] В 1980 году Pioneer 12 действительно показал, что у Венеры есть небольшое слабое магнитное поле. [41]
Трубка Гейгера-Мюллера типа Anton 213 показала ожидаемые результаты. [42] Средняя скорость составила 0,6 счета в секунду. Увеличение скорости счета было больше и чаще, чем у двух больших трубок, поскольку она была более чувствительна к частицам с более низкой энергией. [16] Она обнаружила семь небольших всплесков солнечной радиации в сентябре и октябре и 2 в ноябре и декабре. [43] Отсутствие обнаруживаемой магнитосферы также было подтверждено трубкой; она не обнаружила радиационного пояса на Венере, подобного поясу Земли. Скорость счета увеличилась бы на 10 4 , но никаких изменений не было измерено. [16] [44]
Также было показано, что в межпланетном пространстве солнечный ветер течет непрерывно, [32] [45] подтверждая предсказание Юджина Паркера , [46] а плотность космической пыли намного ниже, чем в околоземной области. [47] Были сделаны улучшенные оценки массы Венеры и значения астрономической единицы. Кроме того, исследования, которые позже были подтверждены наземными радарами и другими исследованиями, показали, что Венера вращается очень медленно и в направлении, противоположном направлению вращения Земли. [48]
