Проект «Венера-Д» задуман как продолжение исследований Венеры, начатых советскими аппаратами «Венера» и «Вега» в 1960–1980 гг. В результате десяти успешных посадок и работ на поверхности планеты продолжительностью до двух часов, были получены уникальные научные результаты.

Исследования Венеры советскими космическими аппаратами

(перечислены только успешные миссии с датой запуска и основным результатом)

• Венера-1. 12.02.1961. Первый пролет мимо Венеры. Из-за потери связи научная программа не выполнена
• Зонд-1. 02.04.1964. Пролет. Сбор научной информации
• Венера-2. 12.11.1965. Пролет. Сбор научной информации
  Венера-3. 16.11.1965. Достижение Венеры. Сбор научной информации
• Венера-4. 12.06.1967. Атмосферные исследования и попытка достижения поверхности. Аппарат раздавлен на высоте около 28 км
• Венера-5. 05.01.1969. Спуск в атмосфере, определение её химического состава. Раздавлен на высоте около 18 км
  Венера-6. 10.01.1969. Спуск в атмосфере, определение её химического состава. Раздавлен на высоте около 18 км
• Венера-7. 17.08.1970. Первая мягкая посадка на поверхность планеты. Сбор научной информации
• Венера-8. 27.03.1072. Мягкая посадка. Пробы грунта
• Венера-9. 08.06.1975. Мягкая посадка модуля и искусственный спутник Венеры. Первые чёрно-белые фотографии поверхности
  Венера-10. 14.06.1975. Мягкая посадка модуля и искусственный спутник Венеры. Чёрно-белые фотографии поверхности
• Венера-11. 09.09.1978. Мягкая посадка модуля. Пролет аппарата
  Венера-12. 14.09.1978. Мягкая посадка модуля. Пролет аппарата
• Венера-13. 30.10.1981. Мягкая посадка модуля. Первая запись звука на поверхности и первая передача цветного панорамного изображения
  Венера-14. 04.11.1981. Мягкая посадка модуля. Передача цветного панорамного изображения
• Венера-15. 02.06.1983. Искусственный спутник Венеры. Радиолокация
  Венера-16. 07.06.1983. Искусственный спутник Венеры. Радиолокация
• Вега-1. 15.12.1984. Мягкая посадка модуля. Исследование атмосферы зондом-аэростатом. Пролет аппарата к комете Галлея
  Вега-2. 21.12.1984. Мягкая посадка модуля. Исследование атмосферы зондом-аэростатом. Пролет аппарата к комете Галлея

С помощью советских космических аппаратов было установлено следующее:

• Давление у поверхности планеты составляет около 90 атмосфер, а температура поверхности достигает около 470 градусов Цельсия.
• Основная составляющая атмосферы — углекислый газ (96,5%). Другие компоненты: азот (3%), диоксид серы (0,015%). Содержание воды в атмосфере почти не меняется с высотой от поверхности до облачного слоя и равно 30 ppm (30 молекул на миллион), что на два-три порядка меньше земных значений.
• Главной особенностью циркуляции атмосферы является т.н. «суперротация», т.е. вращение атмосферы как единого целого в 50 раз быстрее скорости вращения самой планеты.
• Венера покрыта толстым слоем облаков (50–70 км), состоящих из сернокислотного аэрозоля. На верхней границе облачного слоя суперротация достигает максимальных значений около 100 м/с.
• Небольшая часть потока солнечного излучения, проникающего на планету сквозь облака, разогревает поверхность до огромных значений вследствие парникового эффекта.
• Венера не имеет собственного магнитного поля, и солнечный ветер взаимодействует непосредственно с ионосферой.
• Орбитальная радиолокация и фотографии поверхности показали, что на Венере преобладают равнины с разнообразной морфологией, сочетающей ударные кратеры, молодые вулканические формации, следы лавовых потоков. Имеются горные районы высотой примерно до 10 км.
• Возраст поверхности оценивается в 300–500 миллионов лет.
• По составу венерианские породы близки к земным базальтам.

Успешная советская программа исследований Венеры и её научные результаты привели к тому, что Венеру стали называть «русской планетой» во всём мире.

При этом стало понятно, что на существующем в то время уровне развития приборостроения уже достигнут некоторый предел исследовательских возможностей, и необходимо двигаться в сторону усовершенствования технологий, в частности, добиться увеличения времени жизни аппарата на поверхности. Поэтому буква «Д» в названии нового проекта означало включение в состав миссии долгоживущего посадочного модуля.

Другое направление, связанное с проектом «Венера-Д», — изучение атмосферы планеты с помощью аэростатов. Аэростаты «Вега-1, -2» (1985 г.) в течение 48 часов работали в облачном слое Венеры. Развитием этого направления является включение в проект долгоживущих аэростатов со временем жизни около месяца. Прямые измерения в атмосфере и на поверхности с помощью посадочного модуля и аэростатов не производились последние 40 лет, они являются приоритетными для «Венеры-Д».

Изучение Венеры с орбиты её искусственного спутника начались в 1975 г. аппаратами «Венера-9, -10» и продолжалось на аппаратах «Венера-11, -12, -13, - 14, -15, -16» (СССР), «Пионер-Венера» и «Магеллан» (NASA), «Венера-Экспресс» (ESA) и «Акацуки» (JAXA). Последний продолжает работать на орбите вокруг Венеры с 2015 г. по настоящее время.

Главные вопросы, вокруг которых выстраивается изучение планеты:

1. Как, когда и почему разошлись эволюционные пути планет-сестёр?
   Хотя Венера и Земля получили одинаковый набор элементов из протопланетного диска, но сегодня условия на Земле вполне комфортны для существования жизни, а то время как Венера превратилась в «горячий ад». Когда парниковый эффект на Венере перешел в неконтролируемую фазу? Когда и как исчезла вода, был ли океан на ранних этапах, и была ли жизнь в этом океане?
   В первые миллиарды лет своего существования при более низкой светимости Солнца Венера, в отличие от Земли, находилась в зоне обитаемости, и могла быть первой планетой в Солнечной системе, на которой зародилась жизнь.
   Чтобы ответить на эти вопросы, надо понять, как формировалась планета и что за процессы впоследствии модифицировали атмосферу и привели ее к современному газовому и изотопному составу, сильно отличающемуся от земного. Не указывает ли нестабильность земного климата в настоящее время на то, что наш климат меняется в направлении венерианского?
2. Какие процессы сформировали и продолжают формировать поверхность Венеры?
   Для этого необходимы исследования химии и минералогии планетной коры, процессов, которые формировали и видоизменяли ее с течением времени, внутреннего строения и динамики, вулканизма и тектоники, а также текущих процессов взаимодействия поверхности с атмосферой.
3. Что Венера может рассказать нам о будущем земного климата?
   Чтобы найти ответ на этот вопрос, надо понять, под действием каких факторов может меняться климат планеты. Может ли продолжающийся выброс техногенных парниковых газов в атмосферу Земли привести к глобальным климатическим последствиям?
   Необходимо детально изучить, как работает парниковый эффект на Венере, понять, существовал ли океан на Венере и когда он исчез, ушла ли вода в космос, или частично продолжает находиться в минералах поверхности, и как атмосфера взаимодействует с твердым телом планеты. Необходимо детально изучить, как работает парниковый эффект на Венере, понять, существовала ли океан на Венере и когда он исчез, ушла ли вода в космос или частично находится в минералах поверхности, как взаимодействует атмосфера с твердым телом планеты.

Особенности Венеры в сравнении с Землей

Обе планеты имеют близкий размер, массу и плотность, а, следовательно, и состав. Об общем образовании планет говорит и сходное содержание стабильных элементов, например, азота. Две «планеты-сестры» получают приблизительно одинаковое количество тепла от Солнца (Венера ближе к Солнцу, но ее облака отражают около 80% поступающей солнечной энергии). До космической эры считалось, что и условия на поверхности Венеры должны быть подобны земным.

Обе планеты получили одинаковый набор элементов из протопланетного диска, включая летучие вещества, и в первые миллиарды лет существования при более низкой светимости молодого Солнца Венера находилась в зоне обитаемости. Светимость Солнца со временем возрастала, и поэтому возрастала температура поверхности, что могло привести к испарению океана, если он существовал. Оказавшиеся в атмосфере пары воды, являющиеся парниковым газом, могли вызвать рост температуры. Вулканические извержения выносили в атмосферу другой парниковый газ — углекислый. В какой-то момент парниковый эффект пришел в так называемую неконтролируемую форму, в результате чего температура на Венере поднялась до современных значений. С течением времени вода исчезла из атмосферы благодаря фотодиссоциации на водород и кислород с последующей диссипацией. Частично вода может оставаться связанной в минералах поверхности.

Ниже перечислены наиболее важные наблюдаемые отличия между планетами, которые возникли в процессе их формирования и эволюции.

• Массивная атмосфера Венеры имеет другой химический состав, температуру и плотность на тех же высотах по сравнению с земной атмосферой. Она состоит из 96,5% CO₂ и 3,5% N₂ и создает давление 92 атм у поверхности. Такая атмосфера обеспечивает мощный парниковый эффект, который нагревает поверхность до Т = 470°С. В настоящее время на Венере содержание воды на пять порядков ниже, чем на Земле. На Венере отсутствуют океаны, в которых течения переносят тепло и вращательный момент, как на Земле. Вода могла бы уменьшить содержание углекислого газа в атмосфере: растворить его или способствовать его отложению при наличии примитивной жизни, например, в панцирных живых организмах, как это имело место на Земле.
• Атмосфера Венеры до 100 км высоты находится в режиме суперротации: скорость вращения растет от поверхности, достигая на верхней границе облаков (70 км высоты) 100 м/с, что в 60 раз превышает скорость вращения поверхности. Энергию на поддержание суперротации (по современным представлениям) обеспечивает вещество — ультрафиолетовый поглотитель, который находится в верхнем облачном слое около 10 км толщиной.
• На Венере отсутствует собственное магнитное поле, лишь слабая магнитосфера, индуцированная солнечным ветром. Это предполагает, что внутреннее строение Венеры отличается от Земли, ядро которой обеспечивает поддержание ее магнитного поля.
• Венера не имеет сезонов, ее ось вращения практически перпендикулярна к плоскости орбиты (3° с перпендикуляром к плоскости орбиты).
• Венера имеет медленное осевое вращение, причем в направлении, противоположном обращению планеты вокруг Солнца. Период осевого вращения Венеры (звездные сутки) составляет 243 земных суток, так что венерианский год, который равен 224 земным суткам, оказывается короче звездных суток Венеры. Солнечные сутки на Венере (период, с которым происходит смена дня и ночи) короче звездных суток и равны 117 земным.
• Большая часть поверхности Венеры имеет сравнительно небольшой возраст. Поверхность была сформирована мощными вулканическими извержениями, происходившими в течение последних 500–700 млн лет, в результате которых около 80% площади планеты было залито вулканической лавой. Не залитыми остались только горные местности (тессеры), изучение которых представляет исключительный интерес с точки зрения исследования древних пород.
• У Венеры, в отличие от Земли, нет естественных спутников, которые могли бы повлиять на динамику планеты и ее эволюцию.

Вопрос о возможности возникновения жизни на таких планетах, как Венера, является одним из наиболее интригующих. В первые миллиарды лет своего существования при более низкой светимости Солнца Венера, в отличие от Земли, находилась в зоне обитаемости и могла быть первой планетой в Солнечной системе, на которой зародилась жизнь. Существование жизни в настоящее время возможно в облачном слое Венеры, расположенном на высоте 50–70 км над поверхностью. Несмотря на малую плотность (100 мг/м³), этот слой облаков играет огромную роль в динамике, парниковом эффекте, химии атмосферы.

Основным компонентом облаков на всех широтах является серная кислота (H₂SO₄) 75–80% концентрации. При этом капли серной кислоты, имея в своем составе 20–25% воды, могут вполне быть пригодными для существования микроорганизмов. В составе нижнего слоя облаков в результате прямых измерений были обнаружены хлор, сера и фосфор — элементы, необходимые для формирования клеток. Температура и давление в нижнем и среднем облачном слое не сильно отличаются от условий на поверхности Земли. Если вспомнить, что на Земле бактерии-экстремофилы живут от глубин в коре и мантии до верхней атмосферы, то гипотеза о существовании бактерий в облачном слое не кажется фантастической: бактерии могли приспособиться и к жизни в кислоте столь высокой концентрации в облачном слое Венеры.

Среди многих обнаруженных экзопланет выделяется обширная группа планет землеподобных размеров, которые можно отнести к венероподоподобным планетам, находящимся внутри или вблизи границ зоны обитания соответствующих звезд. Исследование Венеры и ее сравнение с такими планетами представляется чрезвычайно важным для лучшего понимания возможного происхождения жизни.

Ход проекта «Венера-Д»

Проект «Венера-Д» был включен в Федеральную космическую программу 2006–2015 гг.

Проект разрабатывался в рамках НИР ЦНИИМаш под руководством ИКИ РАН с участием АО «НПО Лавочкина» и институтов Российской академии наук: Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского, Института прикладной математики им. М. В. Келдыша, Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта, Фрязинского филиала Института редиотехники и электроники им. В. А. Котельникова. В этот период было выпущено несколько отчетов.

В настоящее время проект прорабатывается в рамках раздела перспективных работ по созданию космических комплексов для исследований планет ФКП-2016–2025.

***

В 2013 году была создана Объединенная научная рабочая группа Роскосмос/ИКИ – НАСА по проекту «Венера-Д» (ОНРГ, Joint Science Definition Team, JSDT). Она начала работу в 2015 г. Группа включала представителей Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос» и Национальной администрации по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), АО «НПО Лавочкина», ряда научных организаций России и США.

Целью работы группы являлась проработка миссии к Венере на основе проекта «Венера-Д» с возможным участием NASA, анализ научных задач и комплекса научных приборов, которые нужны для их решения, архитектуры и сценария миссии, выяснение тех «пробелов», которые NASA может «закрыть» своими приборами и дополнительными экспериментами миссии.

В результате работы ОНРГ выпустила несколько отчётов, определяющих научные задачи и архитектуру возможной миссии, а также рекомендации по необходимым лабораторным измерениям, включая с возможным использованием камеры GEER (NASA Glenn Extreme Environment Rig), в которой воспроизводятся условия в атмосфере и на поверхности Венеры.

В 2021 г. группа прекратила работу.

Отчеты Объединенной научной рабочей группы Роскосмос/ИКИ – НАСА по проекту «Венера-Д»:

• Venera-D: Expanding our Horizon of Terrestrial Planet Climate and Geology through the Comprehensive Exploration of Venus. 21.03.2019. Отчёт по второму этапу работы Объединенной научной группы по проекту «Венера-Д» (.pdf)
• Venera-D: Expanding Our Horizon of Terrestrial Planet Climate and Geology Through the Comprehensive Exploration of Venus. 13.03.2017. Отчёт по первому этапу работы Объединенной научной группы по проекту «Венера-Д» (.pdf)

В рамках работы ОНРГ были организованы три семинара, посвященных научным аспектам проекта. Отчёты семинаров доступны по ссылкам:

• Венера-Д. Исследование обитаемости облаков 30 ноября – 3 декабря 2021 | Venera-D: Venus Cloud Habitability System Workshop, November 30 – December 3, 2021 (.pdf, английский)
  В рамках семинара ИКИ РАН совместно с Лунным и планетным институтом NASA (Lunar and Planetary Institute, LPI NASA) была организована экспертная группа (Multi Agency Venus Exploration Panel) A Decade of Venus Exploration – A Multi-Agency Perspective. Цель работы группы — обсуждение руководителями миссий возможных путей синергии между миссиями для получения максимального научного выхода
• Венера-Д. Выбор места посадки и вопросы обитаемости 2–5 октября 2019 | Venera-D Landing Sites Selection and Cloud Layer Habitability Workshop Report, IKI, Moscow, Russia, October 2–5, 2019 (.pdf, английский)
• Венера-Д: Совещание по моделированию Венеры 5–7 октября 2017 | VENERA-D: Venus Modeling Workshop, October 5–7 2017. Сборник материалов под ред. академика Зелёного Л.М.; составители: Засова Л.В., Горинов Д.А. — М.: ИКИ РАН, 2018. 191 с.

***

В настоящее время проект «Венера-Д» разрабатывается как национальная миссия.

В 2023 г. был завершен этап технического предложения, проведен выбор приборов комплекса научной нагрузки в соответствии с научными задачами проекта. В 2024 г. ожидается переход к этапу эскизного проектирования.

Предполагаемый состав космического аппарата «Венера-Д»

1. Орбитальный аппарат
2. Спускаемый аппарат
   • Посадочный модуль
   • Большой аэростатный модуль
   • Малый аэростатный модуль

Состав комплекса научной аппаратуры на космическом аппарате «Венера-Д»

Научные эксперименты на орбитальном аппарате

• СВЕТ — Комплекс из двух приборов: Фурье-спектрометра и 5-канального радиометра для мониторинга трехмерной термической структуры атмосферы на дневной и ночной стороне на высотах 0-100 км, динамики, термических приливов и теплового баланса; состава и структуры облаков, вертикальных профилей газов, образующих облака, SO₂ и H₂O на высоте 55-75 км; серной кислоты и серных соединений под облаками
• ВОЛНА — Картирующий ультрафиолетовый надирный и лимбовый спектрометр для исследования ультрафиолетового поглотителя, картирования оксида и диоксида серы, озона и других веществ; изучения структуры и состава верхней мезосферы, свечения оксида азота, угарного газа, кислорода
• ВИКА — Инфракрасный спектрометр для исследования состава атмосферы (углекислый газ, вода, тяжелая вода, угарный газ, соляная кислота, плавиковая кислота, сероуглерод, фосфин), вертикальной термической структуры атмосферы и облаков, свечения кислорода
• ИВОЛГА — Гетеродинный инфракрасный спектрометр сверхвысокого разрешения для изучения надоблачной динамики, структуры мезосферы и термосферы на высотах 80-180 км
• ВМК-ВД — Четыре соосных мониторинговых камеры (0.365-1 мкм) для изучения динамики и строения верхнего и среднего облачного слоя, распределения УФ-поглотителя на дневной стороне, излучения поверхности на 1 мкм на ночной стороне
• СОНЭТ-В — Фотометр для детектирования и мониторинга электрической активности в облачном слое
• ПЛАЗМА-В — Спектрометры ионов, электронов и нейтральных частиц для исследования состава и интенсивности потока убегающих ионов; захвата ионов солнечным ветром; взаимодействия солнечного ветра и ионосферы Венеры; передачы момента и энергии ионосфере от солнечного ветра; потоков межпланетных ионов
• Эксперимент по радиопросвечиванию атмосферы Венеры с использованием сигнала X-диапазона с Земли и бортового приемопередатчика дли изучения термической структуры и динамики тропосферы и мезосферы на высотах 35-95 км, термического строения термосферы

Научные эксперименты на посадочном модуле

На спуске

• МТК-В — Метеокомплекс для измерения вертикальных профилей основных параметров атмосферы на высотах 70-0 км
• ВХМ — Хромато-масс-спектрометр для измерения вертикальных профилей состава атмосферы, летучих соединений и благородных газов, состава аэрозоля на высотах 70-0 км
• ИСКРА-В — Перестраиваемый многоканальный лазер-инфракрасный спектрометр с разрешением 10^-3 см^-1 для измерения вертикальных профилей основных атмосферных составляющих (серная кислота, угарный газ, углекислый газ, сероуглерод, вода, фосфин) и изотопов (углерода, кислорода, серы, водорода/дейтерия)
• НЕФАС — Нефелометр для изучения структуры облачного аэрозоля

На поверхности

• ТВС-ВД — Комплекс камер: посадочная (1), микроскопическая (1) и панорамные (5) для характеризации поверхности в районе посадки
• РДРФС — Рентгеновский дифракционный и флюоресцентный спектрометр для исследования элементного и минералогического состава поверхности, детектирования воды, связанной в веществе коры
• ЛМС — Лазерный масс-спектрометр для исследования элементного и изотопного состава поверхности, изучения локальных геологических процессов, взаимодействия поверхности и атмосферы
• МИМОС II — Мессбауэровский масс-спектрометр для анализа минералогического состава поверхности, фаз железа
• АГНЕССА — Активный гамма- и нейтронный спектрометр для регистрации радиоизотопов калия, урана, тория, исследования элементного состава поверхности до глубины 0.5 м (алюминий, магний, железо, кислород, натрий, кремний, углерод)

Научные эксперименты на аэростатных модулях

«Большой» аэростатный модуль

Высота дрейфа 56 км, масса КНА 15 кг

• МЕТЕО-А3 — Метеокомплекс, включающий ультрафиолетовый спектрометр и инфракрасную камеру, для исследования динамики атмосферы, термической структуры, вариаций атмосферных параметров
• АЛС — Перестраиваемый многоканальный лазерный ИК-спектрометр для изучения основных атмосферных составляющих (O₂, CO, CO₂, OCS, H₂O] и их изотопов (C, O, S, D/H)
• ПХМС — Хромато-масс-спектрометр для исследования состава атмосферы, летучих соединений и благородных газов, состава аэрозоля

«Малый» аэростатный модуль

Высота дрейфа 54 км, масса КНА 4 кг

• МЕТЕО-А3 — Метеокомплекс для исследования динамики атмосферы, термической структуры, вариаций атмосферных параметров
• НЕЛИДА — Нефелометр — счетчик частиц для исследования структуры облачного аэрозоля
• ГРОЗА — Радиочастотный и инфразвуковой детектор для изучения электрической и сейсмической активности