«Маринер-2» ( Mariner-Venus 1962 ), американский космический зонд, направлявшийся к Венере , был первым автоматическим космическим зондом , успешно сообщившим о столкновении с планетой. Первый успешный космический корабль в программе NASA Mariner , он представлял собой упрощенную версию космического корабля Block I программы Ranger и точную копию Mariner 1 . Миссии космических кораблей «Маринер-1» и «Маринер-2» иногда называют миссиями «Маринер-Р». Первоначальные планы предусматривали запуск зондов на «Атлас-Кентавр» , но серьезные проблемы в разработке этого аппарата вынудили переключиться на гораздо меньшую вторую ступень Agena B. Таким образом, конструкция машин Mariner R была значительно упрощена. На борту было гораздо меньше приборов, чем на советских станциях «Венера» того периода (например, без телекамеры), поскольку «Атлас-Агена Б» имел лишь вдвое меньшую грузоподъемность, чем советский ускоритель 8К78 . Космический корабль «Маринер-2» был запущен с мыса Канаверал 27 августа 1962 года и 14 декабря 1962 года пролетел на расстоянии 34 773 километров (21 607 миль) от Венеры .
Зонд Mariner представлял собой шестиугольную шину диаметром 100 см (39,4 дюйма), к которой были прикреплены солнечные панели , приборные штанги и антенны . Научными приборами на борту космического корабля «Маринер» были: два радиометра (по одному для микроволновой и инфракрасной частей спектра ) , микрометеоритный датчик, датчик солнечной плазмы , датчик заряженных частиц и магнитометр . Эти инструменты были разработаны для измерения распределения температуры на поверхности Венеры и проведения основных измерений атмосферы Венеры .
Основная задача заключалась в приеме сообщений от космического корабля в окрестностях Венеры и проведении радиометрических измерений температуры планеты. Вторая цель заключалась в измерении межпланетного магнитного поля и среды заряженных частиц. [5] [6]
По пути к Венере «Маринер-2» измерил солнечный ветер — постоянный поток заряженных частиц, исходящих от Солнца , подтвердив измерения, сделанные «Луной-1» в 1959 году. Он также измерил межпланетную пыль , которой оказалось меньше, чем предполагалось. Кроме того, «Маринер-2» обнаружил заряженные частицы высокой энергии, исходящие от Солнца, в том числе несколько коротких солнечных вспышек , а также космические лучи из-за пределов Солнечной системы . Пролетая мимо Венеры 14 декабря 1962 года, «Маринер-2» сканировал планету с помощью пары радиометров и обнаружил, что на Венере прохладные облака и чрезвычайно горячая поверхность.
С началом Холодной войны две тогдашние сверхдержавы , Соединенные Штаты и Советский Союз , инициировали амбициозные космические программы с целью продемонстрировать военное, технологическое и политическое превосходство. [7] Советы запустили « Спутник-1» , первый спутник на околоземной орбите, 4 октября 1957 года. Американцы последовали этому примеру, выпустив « Эксплорер-1» 1 февраля 1958 года, и к этому моменту Советы уже запустили первое орбитальное животное — лайку . Спутник 2 . Когда орбита Земли была достигнута, основное внимание было обращено на то, чтобы первым добраться до Луны. Программа спутников «Пионер» состояла из трех неудачных попыток выхода на Луну 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]
Когда Луна была достигнута, сверхдержавы обратили свой взор 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 перемещения от одной планеты к другой по переходной орбите Гомана требуется минимум топлива . Эти возможности отмечают лучшее время для запуска исследовательского космического корабля, требующего наименьшего количества топлива для полета. [10]
Первая такая возможность космической гонки появилась в конце 1957 года, еще до того, как какая-либо сверхдержава имела технологию, позволяющую ею воспользоваться. Вторая возможность, появившаяся примерно в июне 1959 года, находилась на грани технологической осуществимости, и Лаборатория космических технологий (STL), являющаяся подрядчиком ВВС США , намеревалась ею воспользоваться. План, составленный в январе 1959 года, предусматривал два космических корабля, созданных на основе первых зондов «Пионер», один из которых должен был быть запущен с помощью ракеты «Тор-Эйбл» , другой — с помощью еще не опробованной ракеты «Атлас-Эйбл» . [11] STL не смогла завершить зондирование до июня, [12] и окно запуска было пропущено. Зонд «Тор-Эйбл» был перепрофилирован в исследователь дальнего космоса «Пионер-5» , который был запущен 11 марта 1960 года и предназначен для поддержания связи с Землей на расстоянии до 20 000 000 миль (32 000 000 км) на пути к орбите Венеры. [13] (Концепция зонда Atlas Able была перепрофилирована как неудачные зонды Pioneer Atlas Moon.) [14] В начале 1961 года американские миссии не отправлялись. Советский Союз запустил «Венеру-1» 12 февраля 1961 года и 19–20 мая стал первым зондом, пролетевшим мимо Венеры; однако 26 февраля вещание прекратилось. [15]
В июле 1960 года НАСА заключило контракт с Лабораторией реактивного движения ( JPL ) на разработку «Маринера А», космического корабля массой 1250 фунтов (570 кг), который будет запускаться с использованием еще не разработанного Атласа-Кентавра . К августу 1961 года стало ясно, что «Кентавр» не будет готов вовремя. Лаборатория реактивного движения предложила НАСА, чтобы миссия могла быть выполнена с помощью более легкого космического корабля, использующего менее мощный, но работоспособный Атлас-Агена . Был предложен гибрид лунного исследователя Mariner A и Block 1 Ranger компании JPL, который уже находится в стадии разработки. НАСА приняло это предложение, и Лаборатория реактивного движения начала 11-месячную аварийную программу по разработке «Маринера R» (названного так потому, что он был производной от Рейнджера). Mariner 1 станет первым запущенным Mariner R, за ним последует Mariner 2. [16]
Было построено три космических корабля Mariner R: два для запуска и один для испытаний, который также должен был использоваться в качестве запасного. [9] : 174 Помимо своих научных возможностей, «Маринер» также должен был передавать данные обратно на Землю с расстояния более 26 000 000 миль (42 000 000 км) и выдерживать солнечное излучение, вдвое более интенсивное, чем то, которое встречается на околоземной орбите. [9] : 176
Все три космических корабля Mariner R, включая Mariner 2, весили в пределах 3 фунтов (1,4 кг) от расчетного веса в 447 фунтов (203 кг), из которых 406 фунтов (184 кг) приходилось на неэкспериментальные системы: системы маневрирования. , топливо и средства связи для приема команд и передачи данных. После полного развертывания в космосе с двумя выдвинутыми «крыльями» солнечных панелей Mariner R имел высоту 12 футов (3,7 м) и ширину 16,5 футов (5,0 м). Основной корпус корабля имел шестиугольную форму с шестью отдельными корпусами электронного и электромеханического оборудования:
В хвостовой части корабля был установлен монотопливный (безводный гидразин ) ракетный двигатель 225 Н [17] для корректировки курса. Система стабилизации из десяти реактивных сопел, питаемая газообразным азотом и управляемая бортовыми гироскопами, датчиками Солнца и Земли, позволяла Маринеру правильно ориентироваться для приема и передачи данных на Землю. [9] : 175
Основная параболическая антенна с высоким коэффициентом усиления также была установлена на нижней части Маринера и направлена на Землю. Всенаправленная антенна на вершине космического корабля время от времени транслировала, что космический корабль катится или кувыркается с неправильной ориентации, чтобы поддерживать контакт с Землей; в случае несфокусированной антенны ее сигнал будет намного слабее первичного. Маринер также установил на каждом крыле небольшие антенны для приема команд с наземных станций. [9] : 175–176.
Контроль температуры был пассивным, с использованием изолированных компонентов с высокой отражающей способностью; и активный, с жалюзи для защиты корпуса бортового компьютера. На момент постройки первых «Моряков» не существовало испытательной камеры для имитации солнечной среды вблизи Венеры, поэтому эффективность этих методов охлаждения нельзя было проверить до начала боевой миссии. [9] : 176
На момент запуска проекта «Маринер» некоторые характеристики Венеры были точно известны. Его непрозрачная атмосфера не позволяла изучать землю с помощью телескопов . Неизвестно, была ли вода под облаками, хотя над ними было обнаружено небольшое количество водяного пара . Скорость вращения планеты была неопределенной, хотя ученые Лаборатории реактивного движения с помощью радиолокационных наблюдений пришли к выводу, что Венера вращается очень медленно по сравнению с Землей, что выдвинуло давнюю [18] (но позже опровергнутую [19] ) гипотезу о том, что планета была приливно-приливно заблокирована относительно Земли. к Солнцу (как Луна по отношению к Земле). [20] В атмосфере Венеры не было обнаружено кислорода, что позволяет предположить, что жизнь в том виде, в каком она существовала на Земле, не присутствовала. Было установлено, что атмосфера Венеры содержит как минимум в 500 раз больше углекислого газа , чем атмосфера Земли. Эти сравнительно высокие уровни предполагали, что планета может подвергаться безудержному парниковому эффекту с температурой поверхности до 600 К (327 ° C; 620 ° F), но это еще не было окончательно установлено. [16] : 7–8
Космический корабль «Маринер» сможет проверить эту гипотезу, измерив температуру Венеры крупным планом; [21] в то же время космический корабль мог определить, существует ли значительная разница между ночной и дневной температурами. [16] : 331 Бортовой магнитометр и набор детекторов заряженных частиц могли бы определить, обладает ли Венера заметным магнитным полем и аналогом земных поясов Ван Аллена . [21]
Поскольку космический корабль «Маринер» проведет большую часть своего путешествия к Венере в межпланетном пространстве, миссия также предоставила возможность долгосрочного измерения солнечного ветра из заряженных частиц и картирования изменений в магнитосфере Солнца . Концентрацию космической пыли за пределами Земли также можно было бы исследовать. [9] : 176
Из-за ограниченной вместимости Atlas Agena для научных экспериментов можно было выделить только 18 килограммов (40 фунтов) космического корабля. [16] : 195
Магнитометр был прикреплен к вершине мачты под всенаправленной антенной . Детекторы частиц были установлены посередине мачты вместе с детектором космических лучей. Детектор космической пыли и спектрометр солнечной плазмы были прикреплены к верхним краям основания космического корабля. Микроволновой радиометр, инфракрасный радиометр и эталонные рупоры радиометра были жестко прикреплены к параболической антенне радиометра диаметром 48 сантиметров (19 дюймов), установленной у нижней части мачты. В режимах полета и сближения работали все приборы, за исключением радиометров, которые использовались только в непосредственной близости от Венеры.
В дополнение к этим научным приборам «Маринер-2» имел систему обработки данных (DCS) и блок научной коммутации мощности (SPS). DCS представляла собой полупроводниковую электронную систему, предназначенную для сбора информации от научных инструментов на борту космического корабля. Он имел четыре основные функции: аналого-цифровое преобразование, цифро-цифровое преобразование, выбор времени и синхронизацию калибровки приборов, а также сбор данных о планетах. Блок SPS был разработан для выполнения следующих трех функций: управления подачей переменного тока в соответствующие части научной подсистемы, подачи питания на радиометры и отключения питания от крейсерских экспериментов во время периодов калибровки радиометра, а также управления скорость и направление сканирования радиометра. DCS отправляла сигналы блоку SPS для выполнения двух последних функций. [16]
Ни на одном из космических кораблей Mariner R не было камеры для визуальных фотографий. Из-за ограниченного пространства для полезной нагрузки ученые проекта считали камеру ненужной роскошью, неспособной дать 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 могут также отвечать на вопросы, которые мы были слишком глупы, чтобы даже задать их». [30]
.jpg/1280px-Woomera_1964_0(1).jpg)
Окно запуска «Маринера», ограниченное как орбитальным соотношением Земли и Венеры, так и ограничениями «Атлас Аджена», было определено в 51-дневный период с 22 июля по 10 сентября. [9] : 174 План полета «Маринера» было таково, что два действующих космических корабля должны были быть запущены к Венере в течение 30-дневного периода в этом окне, выбрав несколько разные пути, так что они оба прибыли на целевую планету с разницей в девять дней друг от друга, между 8 и 16 декабря . 31] Только стартовый комплекс № 12 на мысе Канаверал был доступен для запуска ракет «Атлас-Агена», а подготовка «Атлас-Агена» к запуску заняла 24 дня. Это означало, что при графике с двумя запусками запас на ошибку составлял всего 27 дней. [9] : 174
Каждый «Маринер» будет запущен на парковочную орбиту , после чего перезапускаемая «Агена» выстрелит во второй раз, отправив «Маринера» на путь к Венере (ошибки в траектории будут исправлены включением бортовых двигателей «Маринера» на середине курса). [16] : 66–67 Радиолокационное слежение в реальном времени за космическим кораблем «Маринер», когда он находился на орбите стоянки , и после его отбытия. Атлантический ракетный полигон обеспечит радиолокационное слежение в реальном времени со станциями в Вознесении и Претории , а Паломарская обсерватория обеспечит оптическое слежение. . Поддержка дальнего космоса обеспечивалась тремя станциями слежения и связи в Голдстоуне, Калифорния , Вумере, Австралия , и Йоханнесбурге, Южная Африка , каждая из которых была разделена на земном шаре примерно на 120° для обеспечения непрерывного покрытия. [16] : 231–233.
22 июля 1962 года двухступенчатая ракета «Атлас-Агена» с «Маринером-1» во время запуска отклонилась от курса из-за дефектного сигнала с «Атласа» и ошибки в программных уравнениях наземного компьютера наведения; космический корабль был уничтожен офицером безопасности полигона .
Через два дня после этого запуска «Маринер-2» и его ускоритель (автомобиль «Атлас 179D») были доставлены на LC-12. Подготовка Атласа к запуску оказалась затруднительной, и возникло множество серьезных проблем с автопилотом, включая полную замену сервоусилителя после повреждения его компонентов из-за короткого замыкания транзисторов. [32]
27 августа в 1:53 по восточному стандартному времени «Маринер-2» был запущен со стартового комплекса № 12 станции ВВС на мысе Канаверал в 06:53:14 UTC. [16] : 97 [32] Ошибка в программном обеспечении ракеты, приведшая к гибели «Маринера-1», не была выявлена на момент запуска. [33] В случае, если ошибка не вызвала проблем с запуском, поскольку она находилась в разделе кода, который использовался только тогда, когда передача данных с земли была прервана, и во время запуска Mariner 2 таких прерываний не было. [ 33]
Полет протекал нормально до момента отключения разгонного двигателя Agena, после чего нониусный двигатель Фау-2 потерял управление по тангажу и рысканию. Нониус начал раскачиваться и ударяться о упоры, что привело к быстрому крену ракеты-носителя, которое едва не поставило под угрозу целостность штабеля. На Т+189 секунде качка прекратилась, и запуск продолжился без происшествий. В результате крена «Атласа» наземное управление потеряло блокировку ускорителя и предотвратило отправку резервных команд для противодействия крену. Инцидент был связан с ослабленным электрическим соединением в преобразователе нониусной обратной связи, который был возвращен на место под действием центробежной силы крена, что также по счастливому стечению обстоятельств оставило Атлас всего на несколько градусов от того места, где он стартовал, и в пределах досягаемости. горизонтального датчика Agena. В результате этого эпизода компания GD/A внедрила усовершенствованные процедуры изготовления жгутов проводов и процедуры проверки.
Через пять минут после старта «Атлас» и «Агена-Маринер» разделились, после чего последовал первый ожог Аджены и второй ожог Аджены. Разделение Аджена-Маринер вывело космический корабль Маринер-2 в геоцентрическую гиперболу спасения через 26 минут 3 секунды после старта. Станция слежения НАСА NDIF в Йоханнесбурге, Южная Африка, обнаружила космический корабль примерно через 31 минуту после запуска. Расширение солнечной панели было завершено примерно через 44 минуты после запуска. Солнечная фиксация приобрела Солнце примерно 18 минут спустя. Антенна с высоким коэффициентом усиления была выдвинута до угла захвата 72°. Мощность солнечных панелей оказалась немного выше прогнозируемого значения.
Поскольку все подсистемы работали нормально, батарея была полностью заряжена, а солнечные панели обеспечивали достаточную мощность, 29 августа было принято решение начать круизные научные эксперименты. 3 сентября была начата последовательность захвата Земли, а через 29 минут была установлена синхронизация с Землей. [16] : 97–109.
Из-за того, что «Атлас-Агена» немного отклонил «Маринера» от курса, космическому кораблю потребовалась коррекция на середине курса, состоящая из последовательности разворота, за которой следовала последовательность разворотов по тангажу и, наконец, последовательность включения двигателя. Команды подготовки были отправлены на космический корабль в 21:30 по всемирному координированному времени 4 сентября. Начало последовательности маневра на полпути было отправлено в 22:49:42 по всемирному координированному времени, а последовательность разворота началась через час. Весь маневр занял примерно 34 минуты. В результате маневра на полпути датчики потеряли синхронизацию с Солнцем и Землей. В 00:27:00 UTC началось повторное обнаружение Солнца, а в 00:34 UTC Солнце было повторно получено. Повторный захват Земли начался в 02:07:29 UTC, а Земля была повторно получена в 02:34 UTC. [16] : 111–113.
8 сентября в 12:50 UTC у космического корабля возникла проблема с ориентацией . Он автоматически включил гироскопы, а круизные научные эксперименты автоматически отключились. Точная причина неизвестна, поскольку датчики ориентации вернулись в норму до того, как можно было получить данные телеметрических измерений, но это могла быть неисправность датчика Земли или столкновение с небольшим неопознанным объектом, из-за которого космический корабль временно потерял привязку к Солнцу. Похожий опыт произошел 29 сентября в 14:34 UTC. И снова все датчики вернулись в норму, прежде чем удалось определить, какая ось потеряла блокировку. К этому моменту индикация яркости датчика Земли практически упала 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 мощность одной солнечной панели (с прикрепленным солнечным парусом) резко ухудшилась. Диагноз был диагностирован как частичное короткое замыкание в панели. В качестве меры предосторожности приборы круизной науки были отключены. Через неделю панель возобновила нормальную работу, а приборы круизной науки снова включились. 15 ноября панель окончательно вышла из строя, но «Маринер-2» находился достаточно близко к Солнцу, чтобы одна панель могла обеспечивать достаточную мощность; таким образом, круизные научные эксперименты остались активными. [16] : 114
«Маринер-2» был первым космическим кораблем, успешно встретившим другую планету, [34] пройдя на расстоянии 34 773 километров (21 607 миль) от Венеры после 110 дней полета 14 декабря 1962 года. [4]
После встречи круизный режим возобновился. Перигелий космического корабля произошел 27 декабря на расстоянии 105 464 560 километров (65 532 640 миль). Последняя передача от «Маринера-2» была получена 3 января 1963 года в 07:00 по всемирному координированному времени, в результате чего общее время от запуска до завершения миссии «Маринера-2» составило 129 дней. [35] Пролетев Венеру, «Маринер-2» вышел на гелиоцентрическую орбиту . [36]
Данные, полученные во время полета, состояли из двух категорий, а именно. , данные отслеживания и данные телеметрии. [35] Одним из особенно примечательных данных, собранных во время новаторского пролета, была высокая температура атмосферы, [37] измеренная как 500 °C (773 K ; 932 °F ). [37] Также впервые были измерены различные свойства солнечного ветра . [37]
Микроволновой 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 — возле терминатора, а третье — на светлой стороне. [24] [38] Сканирование с полосой шириной 19 мм выявило пиковые температуры 490 ± 11 К (216,9 ± 11,0 °C; 422,3 ± 19,8 °F) на темной стороне, 595 ± 12 К возле терминатора и 511 ± 12 К. 14 К на светлой стороне. [39] Был сделан вывод, что существенной разницы в температуре на Венере нет. [24] [38] Однако результаты предполагают потемнение конечностей , эффект, который представляет собой более низкие температуры вблизи края планетарного диска и более высокие температуры вблизи центра. [22] [23] [24] [38] [39] [40] Это было доказательством теории о том, что поверхность Венеры была чрезвычайно горячей, а атмосфера оптически плотной. [24] [38] [39]
Инфракрасный радиометр показал, что температуры излучения 8,4 мкм и 10,4 мкм согласуются с температурами излучения, полученными в результате наземных измерений. [26] Не было никакой систематической разницы между температурами, измеренными на светлой и темной стороне планеты, что также согласовывалось с земными измерениями. [26] Эффект затемнения конечностей, обнаруженный микроволновым радиометром, присутствовал и при измерениях обоими каналами инфракрасного радиометра. [26] [38] [40] Эффект лишь незначительно присутствовал в канале 10,4 мкм, но был более выражен в канале 8,4 мкм. [38] Канал 8,4 мкм также продемонстрировал небольшой фазовый эффект. Фазовый эффект показал, что при наличии парникового эффекта тепло эффективно переносилось со светлой стороны планеты на темную. [38] 8,4 мкм и 10,4 мкм показали равные температуры излучения, что указывает на то, что эффект затемнения конечностей, по-видимому, исходит от облачной структуры, а не от атмосферы. [26] Таким образом, если бы измеренные температуры на самом деле были температурами облаков, а не температурой поверхности, то эти облака должны были бы быть довольно толстыми. [25] [38] [40]
Магнитометр обнаружил постоянное межпланетное магнитное поле, варьирующееся от 2 γ до 10 γ ( нанотесла ), что согласуется с предыдущими наблюдениями «Пионера-5» в 1960 году. 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 вблизи Венеры не было обнаружено никаких тенденций выше 10 γ, а также не было замечено флуктуаций, подобных тем, которые появляются на границе магнитосферы Земли . Это означает, что «Маринер-2» не обнаружил заметного магнитного поля возле Венеры, хотя это не обязательно означало, что у Венеры его не было. [38] [41] Однако, если бы у Венеры было магнитное поле, то оно должно было бы быть как минимум меньше 1/10 магнитного поля Земли. [41] [42] В 1980 году орбитальный аппарат «Пионер Венеры» действительно показал, что Венера имеет небольшое слабое магнитное поле. [43]
Трубка Гейгера-Мюллера Антона типа 213 работала как ожидалось. [44] Средняя скорость составила 0,6 импульсов в секунду. Увеличение скорости счета было больше и чаще, чем у двух трубок большего размера, поскольку она была более чувствительна к частицам более низкой энергии. [16] Он обнаружил 7 небольших солнечных всплесков радиации в сентябре и октябре и 2 в ноябре и декабре. [45] Отсутствие обнаруживаемой магнитосферы также было подтверждено трубкой; он не обнаружил на Венере радиационного пояса, подобного земному. Скорость счета увеличилась бы на 10 4 , но никаких изменений не наблюдалось. [16] [46]
Было также показано, что в межпланетном пространстве потоки солнечного ветра непрерывны, [32] [47] , подтверждая предсказание Юджина Паркера , [48] и плотность космической пыли значительно ниже, чем в околоземном регионе. [49] Были сделаны уточненные оценки массы Венеры и значения астрономической единицы. Кроме того, исследования, которые позже были подтверждены наземными радарами и другими исследованиями, предположили, что Венера вращается очень медленно и в направлении, противоположном земному. [50]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )После «Маринера-2» «все согласились, что солнечный ветер существует», — сказал доктор Паркер.
