книги из ГПНТБ / Кузьмин, А. Д. Физика планеты Венера

100 Гл. IV. СТРУКТУРА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

фотосопротивлениями. Для повышения чувствительности и устранения случайных или дрейфовых эффектов приме­ нялась мостовая схема, построенная таким образом, что изменение окраски рабочего реактива определялось по отношению к эталонному, помещенному в соседний гер­ метичный отсек прибора. Схема газоанализатора показана на рис. 33.

Для измерения давления и температуры атмосферы Венеры использовались наиболее простые и надежные

Рис. 33. Схема газоаналитической ячейки для определения содержания в ат­ мосфере ГШз колориметрическим методом. 1 — вход исследуемой атмосферы;

2 — измерительная камера; 3 — калиброванная емкость; 4 — блок электрон­ ный (БЭ); S — фотосопротивления; в — фильтр [1541.

методы измерения теплофизических параметров плотного газа при помощи манометров мембранного (анероидного) типа и термометров сопротивления [1, 3, 4, 6]. Общий вид приборов этого типа показан на рис. 34. Принцип действия манометрического датчика (рис. 35, а) основан на свойстве упругой деформации чувствительного элемента под дей-

ствием внешнего давления, преобразуемого посредством передаточно-множительного механизма и потенциометра

вэлектрическое напряжение. Датчиками температуры служили термометры сопротивления (рис. 35, б), которые включались в балансные мостовые схемы. Принцип их действия основан на зависимости омического сопротивле­ ния чувствительного элемента от изменения температуры среды. В качестве чувствительного элемента датчиков использовалась платиновая проволока. Манометры и тер­ мометры испытывались в широком интервале изменения температуры и давления окружающего газа. Погрешность

вопределении температуры и давления, оцениваемая как среднеквадратическая ошибка измерений ат(р>, не пре­ вышала 1,5 4 -2% от диапазона измерения. На отдельных участках измерений она возрастала за счет дискретности опроса телеметрическим коммутатором.

На станциях «Венера-4—6» проводились также изме­ рения плотности атмосферы Венеры. Для измерения плот­ ности па «Венере-4» Михпевич и Соколовым использовался

ионизационный плотномер [1111, а па «Венере-5 и 6» — Авдуевским и др. плотномер камертонного типа [4, 189]. Ионизационный плотномер представлял собой иониза­ ционную камеру цилиндрической формы, внутренняя поверхность которой покрыта Р-активировапттым строн­ цием-90. Вдоль оси цилиндра натянута проволочка. Ка­ мера свободно сообщалась с окружающим пространством. Принцип действия плотномера основывался на измерении величины тока вследствие ионизации газа во внутреннем объеме цилиндра. Ток, создаваемый за счет поддержания постоянной разности потенциалов между стенкой цилиндра и проволочкой, пропорционален плотности газа внутри цилиндра, и следовательно, в атмосфере. Принцип дей­ ствия камертонного плотномера основан на изменении амплитуды колебаний камертона со специальным возбуж­ дением, в зависимости от плотности среды. Пластины вилки камертона толщпной 0,0 мм и шириной 12 мм былif выпол­ нены из стали. Добротность камертона составляла - 300. Катушкой возбуждения поддерживалсярежим автоколе­ баний при частоте / — 160 гц от генератора с электронной обратной связью, при стабильности частоты не хуже 1 гц. Постоянство уровня эпергии на катушке возбуждения обеспечивалось электронной схемой амплитудного огра­

ничения. Величина изменения декремента затухания в диапазоне измерений составляла около 30. Электрический сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, а значит и плотности среды, снимался с измерительной катушки, укрепленной на одной из пластин вилки камертона.

По команде раскрытия основного парашюта происходи­ ло включение радиовысотомера, которым были оборудо­ ваны станции «Венера-4, 5, 0, 8». Измерение высоты на станциях «Венера-4, 5, 6» производилось по принципу частотной модуляции. В отличие от радиовысотомера «Венеры-4», единственное показание которого в момент раскрытия парашюта было не свободно от неоднозначно­ сти [3, 4], на станциях «Венера-5, 6» индикация моментов прохождения аппаратом ряда номинальных высот в преде­ лах от 50 до 10 км осуществлялась независимыми частот­ ными фильтрами. Метод определения высоты основывался на прямой зависимости от нее частоты биений между отра­ женным от поверхности планеты и излученным частотномодулированным сигналами. Этот метод давал возможность получить в соответствующем рабочем канале высотомера «огибающую» сигнала, форма которой зависит от формы амплитудно-частотной характеристики фильтра и формы огибающей спектра сигнала биений. «Огибающая» сигнала на выходе канала приемного устройства достигает мак­ симума при совмещении максимумов амплитудно-частотной характеристики фильтра и огибающей спектра сигнала биений. Этой характерной точкой определяется момент достижения номинальной для данного канала высоты над облучаемой поверхностью (при заданном коэффициен­ те отражения поверхности, исходя из данных радиолока­ ционных отражений). При этом разность между собствен­ ными частотами настройки фильтров приемника находи­ лась в пределах значений, соответствующих разности высот 8—10 км.

Радиовысотомер, установленный на станции «Вене­ ра-8», представлял собой по принципу работы прибор импульсного типа. Он использовался как для измерения высоты над поверхностью, так и для оценки диэлектриче­ ской проницаемости (плотности) грунта по величине уров­ ня отраженного сигнала.

Для определения скорости ветра в атмосфере, а на «Венере-7» и «Венере-8» — также для определения после­

довательных интервалов пути при спуске аппарата на па­ рашюте — использовались данные о доплеровском сдвиге частоты бортового радиопередатчика. Методика анализа этих данных рассмотрена Кержановичем и др. [66]. Точ­ ность и сама возможность определения скорости ветра по беззапросным доплеровским измерениям зависит от ста­ бильности частоты задающих генераторов, использовав­ шихся на СА в качестве эталона. Ошибка вносится при не­ точном определении номинала частоты или его непрогно­ зируемом уходе, который может быть воспринят как из­ менение скорости. Основным фактором, влияющим на стабильность частоты генераторов, является изменение внешней температуры. Если на трассе межпланетного пере­ лета задающие генераторы работают в сравнительно лег­ ких условиях при небольших колебаниях температуры внутри СА, то во время спуска, когда внешняя темпера­ тура достигает почти 750 °К, температура внутри СА постепенно нарастает. Для уменьшения температурного ухода в качестве задающих генераторов в СА использо­ вались термостатированные кварцевые генераторы, по­ мещенные в сосуд Дыоара. Однако и у таких генераторов температурный уход во время спуска может приводить к медленно меняющейся погрешности измерения скорости до 5—7 м/сек. Для дальнейшего уменьшения погрешности производились вычисления температурного ухода задаю­ щего генератора с использованием снятых на Земле характеристик и телеметрических измерений темпера­ туры внутри СА во время спуска. Остающаяся по­ грешность имеет плавный, медленно нарастающий харак­ тер и к концу спуска СА ие превышает 1—1,5 м/сек.

Систематическая погрешность измерения скорости оп­ ределяется точностью, с которой на основании калибро­ вок частоты в сеансах связи, проведенных на участке межпланетного перелета, может быть предсказана частота задающего генератора к моменту входа в атмосферу пла­ неты. Такое предсказание в свою очередь определяется индивидуальным ходом старения кварцевых резонаторов, количеством проведенных калибровок и временем от по­ следнего замера частоты до входа в атмосферу. Макси­ мальная систематическая погрешность, связанная с не­ точностью экстраполяции частоты задающего генератора на момент входа в атмосферу для станций «Венера-4, 5, 6»,

составила соответственно

+ 2 ,8 ; + 4.5; —2,5; -10,7;

Для «Венеры-7» и «Венеры-8», при использовании для целей привязки результатов измерений частоты после посадки на поверхность планеты, систематическая по­ грешность уменьшается до +1,5 м/сек. Точность изме­ рения пульсаций скорости, определяемая кратковремен­ ной нестабильностью частоты, для использовавшихся генераторов не превышала 0,3—0,5 м/сек. Наконец, изменение частоты вследствие рефракции радиоволн в ат­ мосфере Венеры, как показывают оценки, вносит поправку в величину скорости не более 0,3 м/сек на заключитель­ ной стадии спуска у поверхности планеты [377].

Установленные на автоматических станциях «Венера» приборы позволили осуществить комплекс прямых изме­ рений в атмосфере с крайне неопределенными значе­ ниями параметров и неизвестным характером их распре­ деления по высоте. Сложность задачи первых измерений обусловила в отдельных случаях их оценочный характер. Вместе с тем уже первые измерения дали возможность получить важнейшие сведения об основных физических характеристиках атмосферы Венеры и перейти к комплекс­ ной программе исследований. В последующих разделах этой главы мы проанализируем результаты проведенных к настоящему времени измерений термодинамических параметров нижней атмосферы (тропосферы) планеты на станциях «Венера». Мы рассмотрим также результаты измерений космического аппарата «Маринер-5», расши­ ряющие измеренную область в сторону больших высот (в стратосферу). На комплексе этих измерений, по суще­ ству, целиком основываются современные представления о структуре атмосферы планеты от поверхности до высоты приблизительно 90 км *).

*) К сожалению, к моменту завершения работы над рукописью авторам были неизвестны результаты экспериментов, проведенных при пролете около Венеры космического аппарата «Маринер-10» 5 февраля 1974 г. Поэтому они были вынуждены ограничиться крат­ ким упоминанием основных результатов в соответствующих разде­ лах текста книги либо в примечаниях при корректуре.

газа. Среднее содержание С02 составляет 97%. Резуль­ тата! измерений не исключают присутствия в атмосфере азота, верхний предел содержания которого (вместе с возможной примесыо инертных газов, не разделяемых, как уже отмечалось, в используемом методе газового ана­ лиза) ограничен пороговым значением <3,5% (и, вероятно, <2,0% ). Из определений содержания кислорода более надежны данные, полученные АМС «Венера-5 и 6». Они указывают на то, что его концентрация в атмосфере Вене­ ры незначительна, ниже порогового значения 0,1%.

Результаты измерения влажности атмосферы Венеры приводят к выводу, что в области высот от 46 до 54 км, отвечающих давлению 0,6—2,0 кг/см2, абсолютная влаж­ ность довольно высока, -— В - г - 11 мг!л. Это соответствует относительному объемному содержанию Р120 порядка 1 %, что близко (с точностью до 2—3 раз) к среднему относи­ тельному содержанию водяного пара в тропосфере Земли. Что касается более низких уровней в атмосфере Венеры, то показания газоанализаторов дают лишь пороговую оценку (больше 0,7 мг/л на 38 км и на 30 км), что не про­ тиворечит, вообще говоря, полученным значениям влаж ности. Если парциальное давление 1120 подчиняется баро­ метрической формуле, относительное содержание Н20 должно сохраняться приблизительно постоянным. Если же основным источником влаги являются облака, то в условиях перемешивания газа в тропосфере Венеры (ко­ торым отвечает, как будет видно из дальнейшего, измерен­ ный температурный профиль Т (h) с градиентом, близ­ ким к адиабатическому) можно предполагать уменьшение относительного содержания И20 по глубине. Труднее со­ гласовать с этими представлениями тенденцию к умень­ шению абсолютной влажности с глубиной, если принять указанную пороговую оценку в качестве возможного значения, которому в этом случае отвечало бы отношение смеси /н 2о — 0,007% вблизи.30 км, а среднее содержание водяного пара во всей области высот между 30 и 54 км оказывалось бы порядка 0,05% (подробнее см. § IV.5).

Измеренному станциями «Венера» объемному содер-

.жанию отдельных составляющих атмосферы соответствует значение среднего молекулярного веса

р — 0,97рсо2+ 0,02рк, + 0,01рн2о>

В первом эксперименте на «Венере-4» была измерена температура от 300 до 535 °К и давление от 0,6 до 7,2 кг/см2. На рис. 36 пунктиром показан участок экстраполяции

Въ00т Вт Wm 24т t,mH(Benepa-7)

Рис. 37. Температура и давление атмосферы в функции времени по измерениям АМС «Венера-7 и 8». Сплошные кривые — полиномиальная аппроксимация,

пунктир — доверительные интервалы, вертикальной чертой на кривой Т , В-7 указана максимально возможная ошибка измерений. Обозначения датчиков:

измеренной кривой давления до уровня в атмосфере, со­ ответствующего конечной измеренной температуре. Более полные измерения были осуществлены на станциях «Ве­ нера-5 и 6». Количество измеренных точек Р и Т на участке спуска каждой станции, соответствующем интер­ валу температур и давлений от 300 до 600 °К и от 0,7 до 27 кг/см2, составило 50—70; при этом измерительные диапазоны отдельных приборов перекрывались. Посколь­ ку точность измерений не одинакова в пределах шкалы прибора и погрешности датчиков с большим диапазоном