В эпической поэме Данте Алигьери «Божественная комедия» знаменитые слова «Оставь надежду, всяк сюда входящий» украшают ворота ада. Интересно, что то, как Данте представлял себе ад, вполне соответствует описанию условий на Венере. Со средней температурой 450 °C, атмосферным давлением в 92 раза больше земного и облаками сернокислотных дождей в придачу, Венера обладает самой враждебной средой в Солнечной системе. Неудивительно, что космические агентства, начиная с самого начала космической эры, с таким трудом исследуют атмосферу Венеры.
Несмотря на это, существует множество предложений по созданию космических аппаратов, способных продержаться в адских условиях Венеры достаточно долго, чтобы осуществить миссию по возвращению образцов грунта. Одно из таких предложений — «Возвращение образцов с поверхности Венеры» — поступило от аэрокосмического инженера и автора Джеффри Лэндиса и его коллег из Исследовательского центра НАСА имени Гленна. Предложенная ими концепция была выбрана для участия в программе NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) в этом году. Она представляет собой летательный аппарат на солнечных батареях, который будет производить топливо непосредственно из атмосферы Венеры и отправлять на поверхность ровер для возвращения образцов.
Концепцию исследования Венеры при помощи самолета на солнечных батареях Лэндис и его коллеги разрабатывали около двадцати лет. В своей первой работе, опубликованной в 2001 году, «Исследование Венеры самолетом с солнечными панелями», Лэндис указал, как самолет на солнечных батареях может безопасно исследовать Венеру выше облачного покрова — примерно на высоте 60 км над поверхностью. На этой высоте, утверждал он, интенсивность солнечного излучения «сравнима или превышает земную», а атмосферное давление делает полет более легким, чем на Марсе.
Он также отметил, что медленное вращение Венеры обеспечит самолету постоянное воздействие солнечного света и не потребует накопления энергии для ночных полетов. В опубликованной в 2003 году работе «Атмосферный полет на Венере: Концептуальный дизайн» Лэндис и его коллеги из NASA Glenn и Университета Иллинойса поделились спецификациями потенциального флота самолетов на солнечных батареях. Два года спустя, в 2005 году, последовала работа «Исследование атмосферы Венеры с помощью самолетов на солнечных панелях», в которой Лэндис и его коллеги агитировали за миссию по исследованию атмосферы Венеры на расстоянии 50-75 км от поверхности.
Этот регион — часть «средней атмосферы» Венеры, где температура колеблется от -100 °C до примерно 30-70 °C, и воздействие сернокислотных дождей на аппаратуру будет минимальным. Более того, благодаря медленному периоду вращения Венеры (243 дня), летательный аппарат на солнечных батареях, пролетающий над облачным покровом, будет постоянно получать дневной свет. Как сказал Лэндис в интервью Universe Today по электронной почте:
«Средняя часть атмосферы Венеры — едва ли не самая неизвестная область планеты, и простой полет самолета в этой области может привести к интересным научным открытиям. Преимущество самолетов в том, что они полностью контролируют полет; вы летите туда, куда хотите, а не туда, куда вас несёт ветер. Для возвращения образцов самолет дает нам возможность совершить контролируемую встречу с возвращаемой ракетой».
В последующей работе, опубликованной в 2004 году, «Роботизированное исследование поверхности и атмосферы Венеры», Лэндис представил архитектуру миссии, которая включала в себя как наземных роботов, так и летательный аппарат на солнечных батареях. В то время как роботы будут исследовать поверхность в течение 50 дней (полный срок службы), самолет будет исследовать атмосферу Венеры на высоте от 100 км до 60 км над поверхностью, то есть прямо над облачным покровом. С этого момента Лэндис и его коллеги из Центра Гленна НАСА начали рассматривать вопрос о том, как достижения в области материаловедения позволят осуществить полет на поверхность.
В 2008 году Лэндис и его команда представили свою концепцию группе НАСА по научно-техническому определению для Венеры. Концепт демонстрировал размах крыльев 9 метров и длину 7 метров, а его складная конструкция позволяла поместить его в ракету. Летательный аппарат раскладывался бы, достигнув Венеры, и имел бы множество преимуществ по сравнению с другими концепциями воздушного транспорта, такими как воздушные шары и дирижабли на солнечных батареях. После этого Лэндис и его команда провели несколько исследований, и со временем проект был усовершенствован.
Достаточно сказать, что за последние двадцать лет концепция претерпела значительные изменения и обязана своим существованием множеству различных источников. В своей последней версии, которая была выбрана для фазы I разработки NIAC, летательный аппарат опирается на ракетную технологию на основе окиси углерода и вырабатывает собственное топливо непосредственно из атмосферы Венеры. Как сказал Лэндис в интервью Universe Today, эта концепция по-прежнему соответствует первоначальной идее и может позволить осуществить первую миссию по возвращению образцов с Венеры:
«Первая моя работа, посвященная венерианским летательным аппаратам, была написана в 2001 году, когда мы еще надеялись, что будет интересно отпраздновать столетие «Райт Флаера» первым полетом на другую планету. Однако солнечные самолеты, которые мы рассматривали в прошлом, предназначались для полетов в верхних слоях атмосферы, а не в горячей приповерхностной атмосфере. Но высокотемпературная электроника уже разрабатывается в NASA Glenn и в других местах, и было разумно начать думать над реальной возможностью долететь до поверхности планеты и вернуться обратно».
«Отдельно мы рассматривали производство топлива на месте для других миссий, и я начал думать, где еще мы можем применить производство топлива на месте, и особенно, где оно может принести реальную пользу» — сказал Лэндис. «Возвращение образцов с Венеры стало результатом таких размышлений».
Самолет предполагается использовать в паре с наземным элементом, использующим преимущества недавно разработанных высокотемпературных систем. Учёные потратили годы на разработку концептов, которые могли бы работать в адских условиях Венеры. Это привело к появлению множества предложений, включающих в себя стимпанк-технологию, паруса или особые электронные системы, способные выдержать экстремальный жар и давление атмосферы Венеры. Кроме того, с помощью летательного аппарата можно будет брать образцы атмосферы, что, возможно, разрешит спор о том, может ли существовать жизнь в облаках Венеры.
«От получения образца грунта в первую очередь выиграет геология и минералогия, — говорит Лэндис. — Атмосферные образцы также будут иметь огромную научную ценность для астробиологии и станут хорошей базой для более сложной миссии по исследованию поверхности». Недавнее открытие фосфина в облаках Венеры делает идею облачного аппарата для забора образцов еще более захватывающей».
Получив финансирование первой фазы, Лэндис и его коллеги сосредоточились на воплощении концептуальной архитектуры миссии в детальные проекты. Как объяснил Лэндис, это будет поэтапная концепция операций (CONOPS), где все компоненты миссии будут объединены, чтобы создать массовый бюджет, получить твердые цифры и показать, что это осуществимо. Заглядывая в будущее, Лэндис и его коллеги надеются, что их предложение приведет к применению воздушных аппаратов и исследованиям, выходящим далеко за пределы Венеры и Марса:
«Я считаю, что следующим важным этапом в исследовании планет, пионером которого стал вертолет Mars Insight, будут полёты в атмосфере. Использование местных ресурсов, хотя об этом много говорят, еще не было использовали ни на одном теле Солнечной системы (кроме Земли). Соединив два этих направления, можно открыть путь для исследования многих иных планет».
