Nghiên cứu bề mặt và khí quyển
Tàu quỹ đạo Pioneer Venus Orbiter.
Các kĩ sư Liên Xô tiếp tục tham vọng đổ bộ thành công lên bề mặt với Venera 7 và thu được dữ liệu từ bề mặt. Con tàu được lắp ráp với mô đun kiên cố có khả năng chịu được áp suất tới 180 bar. Mô đun này được làm lạnh trước khi con tàu Venera 7 đi vào khí quyển và nó được trang bị dù cánh buồm cho phép thời gian rơi dự kiến của tàu là 35 phút. Trong khi đi vào khí quyển ngày 15 tháng 12 năm 1970, các kĩ sư tin rằng dù này đã bị rách một phần, và con tàu đã va chạm mạnh xuống bề mặt, tuy không bị phá hủy hoàn toàn. Nó vẫn gửi được tín hiệu yếu về Trái Đất và tồn tại trong khoảng 23 phút, và đây là lần đầu tiên tín hiệu vô tuyến nhận được từ bề mặt một hành tinh khác.[SUP][107][/SUP]
Chương trình Venera tiếp tục với phi vụ Venera 8 khi nó gửi được dữ liệu từ thời điểm chạm đất trong khoảng 50 phút, sau khi đi vào khí quyển ngày 22 tháng 7 năm 1972. Venera 9, đi vào khí quyển ngày 22 tháng 10 năm 1975, và ba ngày sau 25 tháng 10 tàu Venera 10, gửi những hình ảnh đầu tiên về quang cảnh Sao Kim. Hai vị trí đổ bộ có địa hình khác nhau xung quanh hai tàu: Venera 9 rơi xuống một sườn dốc 20 độ với những tảng đá đường kính 30–40 cm nằm rải rác xung quanh; Venera 10 rơi trên phiến đá phẳng kiểu bazan bao quanh bởi đất đá bị phong hóa.[SUP][111][/SUP]
Trong thời gian này, Hoa Kỳ đã gửi tàu Mariner 10 có quỹ đạo bay qua Sao Kim nhằm lợi dụng hỗ trợ hấp dẫn để đến Sao Thủy. Ngày 5 tháng 2 năm 1974, Mariner 10 đi qua hành tinh ở khoảng cách 5790 km, và gửi về trung tâm điều khiển hơn 4.000 bức ảnh. Các bức ảnh với chất lượng tốt nhất từ trước đó, cho thấy hành tinh hiện lên không có gì nổi bật dưới ánh sáng khả kiến, nhưng qua bước sóng tử ngoại các nhà khoa học có thể nhận ra các đám mây mà chưa từng được quan sát từ các đài quan trắc trên Trái Đất.[SUP][112][/SUP]
Dự án Pioneer Venus bao gồm hai phi vụ riêng.[SUP][113][/SUP] Tàu quỹ đạo Pioneer Venus Orbiter đi vào quỹ đạo elip quanh Sao Kim ngày 4 tháng 12 năm 1978, và tồn tại ở đó trong 13 năm, nó nghiên cứu khí quyển và chụp ảnh bề mặt bằng sóng ra đa. Tàu Pioneer Venus Multiprobe thả ra tổng cộng 4 thiết bị thăm dò đi xuống khí quyển Sao Kim ngày 9 tháng 12 năm 1978, và chúng đã gửi dữ liệu về thành phần, sức gió và thông lượng nhiệt trong khí quyển hành tinh.[SUP][114][/SUP]
Vị trí đổ bộ của Venera 13.
Có thêm bốn phi vụ đổ bộ nữa diễn ra trong bốn năm tiếp theo, mà các tàu Venera 11 và Venera 12 phát hiện ra những cơn bão điện tích trong khí quyển;[SUP][115][/SUP] và Venera 13 và Venera 14, đổ bộ cách nhau bốn ngày 1 và 5 tháng 3 năm 1982, gửi về những bức ảnh màu đầu tiên về bề mặt hành tinh. Cả bốn phi vụ đều sử dụng dù bung để hãm tàu rơi trong khí quyển, nhưng sau đó thả chúng ra tại độ cao 50 km, nơi khí quyển có mật độ dày đặc hơn và cho phép các tàu chạm đất nhẹ nhàng dựa vào ma sát với không khí mà không cần sự hỗ trợ của dù. Cả Venera 13 và 14 đều thực hiện nhiệm vụ phân tích mẫu đất bằng phổ kế huỳnh quang tia X gắn trên tàu, cũng như đo tính nén của đất nơi chúng đổ bộ bằng một thiết bị va chạm.[SUP][115][/SUP] Venera 14 bị hỏng lắp chụp camera và thiết bị của nó không thể tiếp xúc với đất được.[SUP][115][/SUP] Chương trình Venera kết thúc vào tháng 10 năm 1983, khi Venera 15 và Venera 16 đi vào quỹ đạo quanh Sao Kim nhằm vẽ bản đồ địa hình hành tinh thông qua phương pháp tổng hợp tín hiệu ra đa.[SUP][116][/SUP]
Năm 1985, Liên Xô đã kết hợp nhiệm vụ thám hiểm Sao Kim với thăm dò sao chổi Halley, sao chổi đi vào vùng bên trong Hệ Mặt Trời năm đó. Trên đường đến sao chổi Halley, ngày 11 và 15 tháng 6 năm 1985, hai tàu không gian của chương trình Vega mỗi tàu đã thả một thiết bị thăm dò từng thiết kế trong chương trình Venera và giải phóng một robot bay trong khí quyển nhờ khí cầu. Robot khí cầu này hoạt động trên độ cao khoảng 53 km, nơi áp suất và nhiệt độ tương đương trên bề mặt Trái Đất. Hai robot đã hoạt động trong khoảng 46 giờ, và khám phá ra khí quyển Sao Kim hỗn loạn hơn rất nhiều so với trước đó từng nghĩ, với những luồng gió mạnh và những ô đối lưu khí quyển mạnh.[SUP][117][/SUP][SUP][118][/SUP]
Vẽ bản đồ bằng ra đa
Tàu Magellan vẽ bản đồ địa hình bề mặt Sao Kim bằng tín hiệu vô tuyến (màu giả)
Những nghiên cứu bằng tín hiệu ra đa từ Trái Đất đã cung cấp những hình ảnh cơ bản về bề mặt hành tinh này. Các tàu Pioneer Venus và Venera cũng đã gửi về những bức ảnh có độ phân giải cao hơn.
Tàu không gian Magellan của Hoa Kỳ phóng lên ngày 4 tháng 5 năm 1989, với mục đích thu được hình ảnh bề mặt Sao Kim bằng phương pháp ảnh ra đa.[SUP][27][/SUP] Con tàu đã gửi những bức ảnh phân giải cao trong suốt 4,5 năm hoạt động với lượng dữ liệu gửi về vượt qua tất cả các phi vụ thám hiểm hành tinh này trước đó. Magellan chụp được hơn 98% diện tích bề mặt bằng ra đa,[SUP][119][/SUP] và vẽ ra 95% bản đồ phân bố khối lượng trong hành tinh bằng cách đo tác dụng của trường hấp dẫn lên con tàu. Năm 1994, thời điểm kết thúc của phi vụ, các kĩ sư đã gửi Magellan rơi vào khí quyển Sao Kim nhằm đánh giá mật độ khí quyển hành tinh.[SUP][120][/SUP] Sao Kim cũng đã được chụp ảnh từ các tàu Galileo và Cassini trong thời gian chúng bay qua hành tinh để đến lần lượt Sao Mộc và Sao Thổ, nhưng tàu Magellan là phi vụ cuối cùng của thể kỷ nhằm để nghiên cứu riêng Sao Kim.[SUP][121][/SUP][SUP][122][/SUP]
Những phi vụ hiện tại và tương lai
Tàu không gian MESSENGER của NASA trên đường đến Sao Thủy đã hai lần thực hiện bay qua Sao Kim vào tháng 10 năm 2006 và tháng 6 năm 2007, nhằm giảm vận tốc trên quỹ đạo để nó có thể bị bắt bởi Sao Thủy khi đi vào quỹ đạo hành tinh này tháng 3 năm 2011. MESSENGER cũng đã thu thập và gửi về một số dữ liệu.[SUP][123][/SUP]
Tàu Venus Express được thiết kế và chế tạo bởi ESA, phóng lên ngày 9 tháng 11 năm 2005 bằng tên lửa Soyuz-Fregat của Nga thông qua công ty sở hữu chung của Nga và ESA là "Starsem", nó đã đi vào quỹ đạo cực quanh Sao Kim ngày 11 tháng 4, 2006.[SUP][124][/SUP] Nhiệm vụ của con tàu là nghiên cứu chi tiết khí quyển cũng như các đám mây, bao gồm lập ra bản đồ môi trường plasma bao quanh và các đặc điểm bề mặt hành tinh, đặc biệt là nhiệt độ. Một trong những khám phá của Venus Express hai xoáy khí quyển khổng lồ tồn tại trong khí quyển ở cực nam Sao Kim.[SUP][124][/SUP]
Minh họa robot tự hành do NASA thiết kế.[SUP][125][/SUP]
Cơ quan nghiên cứu và phát triển hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã thiết kế và chế tạo một tàu quỹ đạo, Akatsuki (tên gọi cũ "Hành tinh-C"), phóng lên ngày 20 tháng 5 năm 2010, nhưng nó đã thất bại khi không đi vào quỹ đạo Sao Kim tháng 12 năm 2010. Hy vọng vẫn còn khi các kĩ sư đặt con tàu vào chế độ đóng băng và họ cố gắng thử đưa tàu vào quỹ đạo một lần nữa vào năm 2016. Nhiệm vụ nghiên cứu của nó bao gồm chụp ảnh bề mặt bằng một camera hồng ngoại và phát hiện ra tia sét trong khí quyển, cũng như phát hiện ra những núi lửa còn khả năng hoạt động.[SUP][126][/SUP]
Cơ quan ESA đang triển khai kế hoạch phóng một tàu quỹ đạo lên Sao Thủy năm 2014, tàu BepiColombo, và nó sẽ thực hiện hai lần bay qua Sao Kim trước khi đi vào quỹ đạo Sao Thủy năm 2020.[SUP][127][/SUP]
Trong Chương trình New Frontiers, NASA đề xuất một phi vụ đổ bộ "Venus In-Situ Explorer" nhằm nghiên cứu điều kiện bề mặt và khảo sát khoáng chất của regolith. Robot sẽ được trang bị một máy khoan lấy mẫu để nghiên cứu đất và những mẫu đá chưa bị phong hóa dưới điều kiện khắc nghiệt tại bề mặt hành tinh. Một phi vụ khác nhằm nghiên cứu bề mặt và khí quyển, "Surface and Atmosphere Geochemical Explorer" (SAGE), là một ứng cử viên trong New Frontiers năm 2009,[SUP][128][/SUP] nhưng nó đã không được lựa chọn để triển khai.
Vệ tinh Venera-D (tiếng Nga: Венера-Д) do cơ quan hàng không không gian Nga thiết kế có thể được phóng lên trong năm 2016, với nhiệm vụ nghiên cứu môi trường bao quanh Sao Kim cũng như thả một thiết bị đổ bộ, dựa trên thiết kế cũ của chương trình Venera, với mục tiêu tồn tại lâu trên bề mặt hành tinh. Những đề xuất nghiên cứu thăm dò Sao Kim khác bao gồm các robot tự hành, khí cầu, và máy bay trong khí quyển.[SUP][129][/SUP]
Ý tưởng về chuyến bay có người lái
Một phi vụ có người lái đến Sao Kim, sử dụng các con tàu và tên lửa có từ chương trình Apollo, đã được đề xuất cuối những năm 1960.[SUP][130][/SUP] Kế hoạch của chương trình là phóng tên lửa đưa người lên vào tháng 10 hoặc tháng 11 của năm 1973, và sử dụng tên lửa Saturn V để đưa ba phi hành gia đến Sao Kim trong khoảng thời gian 1 năm. Con tàu sẽ bay qua bề mặt Sao Kim ở khoảng cách 5.000 kilômét trong khoảng bốn tháng trước khi quay trở lại Trái Đất. Tuy nhiên ý tưởng đã bị hủy bỏ vì có quá nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật và tài chính.[SUP][130][/SUP]
Tàu quỹ đạo Pioneer Venus Orbiter.
Các kĩ sư Liên Xô tiếp tục tham vọng đổ bộ thành công lên bề mặt với Venera 7 và thu được dữ liệu từ bề mặt. Con tàu được lắp ráp với mô đun kiên cố có khả năng chịu được áp suất tới 180 bar. Mô đun này được làm lạnh trước khi con tàu Venera 7 đi vào khí quyển và nó được trang bị dù cánh buồm cho phép thời gian rơi dự kiến của tàu là 35 phút. Trong khi đi vào khí quyển ngày 15 tháng 12 năm 1970, các kĩ sư tin rằng dù này đã bị rách một phần, và con tàu đã va chạm mạnh xuống bề mặt, tuy không bị phá hủy hoàn toàn. Nó vẫn gửi được tín hiệu yếu về Trái Đất và tồn tại trong khoảng 23 phút, và đây là lần đầu tiên tín hiệu vô tuyến nhận được từ bề mặt một hành tinh khác.[SUP][107][/SUP]
Chương trình Venera tiếp tục với phi vụ Venera 8 khi nó gửi được dữ liệu từ thời điểm chạm đất trong khoảng 50 phút, sau khi đi vào khí quyển ngày 22 tháng 7 năm 1972. Venera 9, đi vào khí quyển ngày 22 tháng 10 năm 1975, và ba ngày sau 25 tháng 10 tàu Venera 10, gửi những hình ảnh đầu tiên về quang cảnh Sao Kim. Hai vị trí đổ bộ có địa hình khác nhau xung quanh hai tàu: Venera 9 rơi xuống một sườn dốc 20 độ với những tảng đá đường kính 30–40 cm nằm rải rác xung quanh; Venera 10 rơi trên phiến đá phẳng kiểu bazan bao quanh bởi đất đá bị phong hóa.[SUP][111][/SUP]
Trong thời gian này, Hoa Kỳ đã gửi tàu Mariner 10 có quỹ đạo bay qua Sao Kim nhằm lợi dụng hỗ trợ hấp dẫn để đến Sao Thủy. Ngày 5 tháng 2 năm 1974, Mariner 10 đi qua hành tinh ở khoảng cách 5790 km, và gửi về trung tâm điều khiển hơn 4.000 bức ảnh. Các bức ảnh với chất lượng tốt nhất từ trước đó, cho thấy hành tinh hiện lên không có gì nổi bật dưới ánh sáng khả kiến, nhưng qua bước sóng tử ngoại các nhà khoa học có thể nhận ra các đám mây mà chưa từng được quan sát từ các đài quan trắc trên Trái Đất.[SUP][112][/SUP]
Dự án Pioneer Venus bao gồm hai phi vụ riêng.[SUP][113][/SUP] Tàu quỹ đạo Pioneer Venus Orbiter đi vào quỹ đạo elip quanh Sao Kim ngày 4 tháng 12 năm 1978, và tồn tại ở đó trong 13 năm, nó nghiên cứu khí quyển và chụp ảnh bề mặt bằng sóng ra đa. Tàu Pioneer Venus Multiprobe thả ra tổng cộng 4 thiết bị thăm dò đi xuống khí quyển Sao Kim ngày 9 tháng 12 năm 1978, và chúng đã gửi dữ liệu về thành phần, sức gió và thông lượng nhiệt trong khí quyển hành tinh.[SUP][114][/SUP]
Vị trí đổ bộ của Venera 13.
Có thêm bốn phi vụ đổ bộ nữa diễn ra trong bốn năm tiếp theo, mà các tàu Venera 11 và Venera 12 phát hiện ra những cơn bão điện tích trong khí quyển;[SUP][115][/SUP] và Venera 13 và Venera 14, đổ bộ cách nhau bốn ngày 1 và 5 tháng 3 năm 1982, gửi về những bức ảnh màu đầu tiên về bề mặt hành tinh. Cả bốn phi vụ đều sử dụng dù bung để hãm tàu rơi trong khí quyển, nhưng sau đó thả chúng ra tại độ cao 50 km, nơi khí quyển có mật độ dày đặc hơn và cho phép các tàu chạm đất nhẹ nhàng dựa vào ma sát với không khí mà không cần sự hỗ trợ của dù. Cả Venera 13 và 14 đều thực hiện nhiệm vụ phân tích mẫu đất bằng phổ kế huỳnh quang tia X gắn trên tàu, cũng như đo tính nén của đất nơi chúng đổ bộ bằng một thiết bị va chạm.[SUP][115][/SUP] Venera 14 bị hỏng lắp chụp camera và thiết bị của nó không thể tiếp xúc với đất được.[SUP][115][/SUP] Chương trình Venera kết thúc vào tháng 10 năm 1983, khi Venera 15 và Venera 16 đi vào quỹ đạo quanh Sao Kim nhằm vẽ bản đồ địa hình hành tinh thông qua phương pháp tổng hợp tín hiệu ra đa.[SUP][116][/SUP]
Năm 1985, Liên Xô đã kết hợp nhiệm vụ thám hiểm Sao Kim với thăm dò sao chổi Halley, sao chổi đi vào vùng bên trong Hệ Mặt Trời năm đó. Trên đường đến sao chổi Halley, ngày 11 và 15 tháng 6 năm 1985, hai tàu không gian của chương trình Vega mỗi tàu đã thả một thiết bị thăm dò từng thiết kế trong chương trình Venera và giải phóng một robot bay trong khí quyển nhờ khí cầu. Robot khí cầu này hoạt động trên độ cao khoảng 53 km, nơi áp suất và nhiệt độ tương đương trên bề mặt Trái Đất. Hai robot đã hoạt động trong khoảng 46 giờ, và khám phá ra khí quyển Sao Kim hỗn loạn hơn rất nhiều so với trước đó từng nghĩ, với những luồng gió mạnh và những ô đối lưu khí quyển mạnh.[SUP][117][/SUP][SUP][118][/SUP]
Vẽ bản đồ bằng ra đa
Tàu Magellan vẽ bản đồ địa hình bề mặt Sao Kim bằng tín hiệu vô tuyến (màu giả)
Những nghiên cứu bằng tín hiệu ra đa từ Trái Đất đã cung cấp những hình ảnh cơ bản về bề mặt hành tinh này. Các tàu Pioneer Venus và Venera cũng đã gửi về những bức ảnh có độ phân giải cao hơn.
Tàu không gian Magellan của Hoa Kỳ phóng lên ngày 4 tháng 5 năm 1989, với mục đích thu được hình ảnh bề mặt Sao Kim bằng phương pháp ảnh ra đa.[SUP][27][/SUP] Con tàu đã gửi những bức ảnh phân giải cao trong suốt 4,5 năm hoạt động với lượng dữ liệu gửi về vượt qua tất cả các phi vụ thám hiểm hành tinh này trước đó. Magellan chụp được hơn 98% diện tích bề mặt bằng ra đa,[SUP][119][/SUP] và vẽ ra 95% bản đồ phân bố khối lượng trong hành tinh bằng cách đo tác dụng của trường hấp dẫn lên con tàu. Năm 1994, thời điểm kết thúc của phi vụ, các kĩ sư đã gửi Magellan rơi vào khí quyển Sao Kim nhằm đánh giá mật độ khí quyển hành tinh.[SUP][120][/SUP] Sao Kim cũng đã được chụp ảnh từ các tàu Galileo và Cassini trong thời gian chúng bay qua hành tinh để đến lần lượt Sao Mộc và Sao Thổ, nhưng tàu Magellan là phi vụ cuối cùng của thể kỷ nhằm để nghiên cứu riêng Sao Kim.[SUP][121][/SUP][SUP][122][/SUP]
Những phi vụ hiện tại và tương lai
Tàu không gian MESSENGER của NASA trên đường đến Sao Thủy đã hai lần thực hiện bay qua Sao Kim vào tháng 10 năm 2006 và tháng 6 năm 2007, nhằm giảm vận tốc trên quỹ đạo để nó có thể bị bắt bởi Sao Thủy khi đi vào quỹ đạo hành tinh này tháng 3 năm 2011. MESSENGER cũng đã thu thập và gửi về một số dữ liệu.[SUP][123][/SUP]
Tàu Venus Express được thiết kế và chế tạo bởi ESA, phóng lên ngày 9 tháng 11 năm 2005 bằng tên lửa Soyuz-Fregat của Nga thông qua công ty sở hữu chung của Nga và ESA là "Starsem", nó đã đi vào quỹ đạo cực quanh Sao Kim ngày 11 tháng 4, 2006.[SUP][124][/SUP] Nhiệm vụ của con tàu là nghiên cứu chi tiết khí quyển cũng như các đám mây, bao gồm lập ra bản đồ môi trường plasma bao quanh và các đặc điểm bề mặt hành tinh, đặc biệt là nhiệt độ. Một trong những khám phá của Venus Express hai xoáy khí quyển khổng lồ tồn tại trong khí quyển ở cực nam Sao Kim.[SUP][124][/SUP]
Minh họa robot tự hành do NASA thiết kế.[SUP][125][/SUP]
Cơ quan nghiên cứu và phát triển hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã thiết kế và chế tạo một tàu quỹ đạo, Akatsuki (tên gọi cũ "Hành tinh-C"), phóng lên ngày 20 tháng 5 năm 2010, nhưng nó đã thất bại khi không đi vào quỹ đạo Sao Kim tháng 12 năm 2010. Hy vọng vẫn còn khi các kĩ sư đặt con tàu vào chế độ đóng băng và họ cố gắng thử đưa tàu vào quỹ đạo một lần nữa vào năm 2016. Nhiệm vụ nghiên cứu của nó bao gồm chụp ảnh bề mặt bằng một camera hồng ngoại và phát hiện ra tia sét trong khí quyển, cũng như phát hiện ra những núi lửa còn khả năng hoạt động.[SUP][126][/SUP]
Cơ quan ESA đang triển khai kế hoạch phóng một tàu quỹ đạo lên Sao Thủy năm 2014, tàu BepiColombo, và nó sẽ thực hiện hai lần bay qua Sao Kim trước khi đi vào quỹ đạo Sao Thủy năm 2020.[SUP][127][/SUP]
Trong Chương trình New Frontiers, NASA đề xuất một phi vụ đổ bộ "Venus In-Situ Explorer" nhằm nghiên cứu điều kiện bề mặt và khảo sát khoáng chất của regolith. Robot sẽ được trang bị một máy khoan lấy mẫu để nghiên cứu đất và những mẫu đá chưa bị phong hóa dưới điều kiện khắc nghiệt tại bề mặt hành tinh. Một phi vụ khác nhằm nghiên cứu bề mặt và khí quyển, "Surface and Atmosphere Geochemical Explorer" (SAGE), là một ứng cử viên trong New Frontiers năm 2009,[SUP][128][/SUP] nhưng nó đã không được lựa chọn để triển khai.
Vệ tinh Venera-D (tiếng Nga: Венера-Д) do cơ quan hàng không không gian Nga thiết kế có thể được phóng lên trong năm 2016, với nhiệm vụ nghiên cứu môi trường bao quanh Sao Kim cũng như thả một thiết bị đổ bộ, dựa trên thiết kế cũ của chương trình Venera, với mục tiêu tồn tại lâu trên bề mặt hành tinh. Những đề xuất nghiên cứu thăm dò Sao Kim khác bao gồm các robot tự hành, khí cầu, và máy bay trong khí quyển.[SUP][129][/SUP]
Ý tưởng về chuyến bay có người lái
Một phi vụ có người lái đến Sao Kim, sử dụng các con tàu và tên lửa có từ chương trình Apollo, đã được đề xuất cuối những năm 1960.[SUP][130][/SUP] Kế hoạch của chương trình là phóng tên lửa đưa người lên vào tháng 10 hoặc tháng 11 của năm 1973, và sử dụng tên lửa Saturn V để đưa ba phi hành gia đến Sao Kim trong khoảng thời gian 1 năm. Con tàu sẽ bay qua bề mặt Sao Kim ở khoảng cách 5.000 kilômét trong khoảng bốn tháng trước khi quay trở lại Trái Đất. Tuy nhiên ý tưởng đã bị hủy bỏ vì có quá nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật và tài chính.[SUP][130][/SUP]
