4 октября 1957 года советский человек сделал первый и наиболее важный шаг на пути преодоления земного тяготения — на околоземную орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли. Началась эра космических исследований Вселенной, предсказанная основателем школы реактивного движения — великим русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским.
Ученые получили в свои руки новый инструмент, с помощью которого они смогли проводить исследования непосредственно в космическом пространстве.
В результате огромной творческой работы советских ученых, конструкторов, инженеров, рабочих и техников была создана многоступенчатая ракета, последняя ступень которой развивала вторую космическую скорость — 11,2 километра в секунду. Достижение второй космической скорости открыло возможность межпланетных полетов по заранее заданным траекториям. Это позволило начать с 1959 года с помощью автоматических станций систематическое изучение межпланетного пространства, Луны и Венеры.
Для исследования Венеры необходимо было решить целый комплекс сложнейших проблем.
Нужно было, во-первых, используя законы небесной механики, обеспечить такую траекторию полета, такой режим полета станции, когда она, преодолев силу земного притяжения и двигаясь под воздействием силы притяжения Солнца, могла бы в заданной точке космического пространства встретиться с Венерой. Взаимное расположение Земли и Венеры в пространстве непрерывно изменяется из-за различия их периодов обращения вокруг Солнца, однако любая из конфигураций повторяется через 584 суток, при этом, как уже было сказано выше, в момент нижнего соединения (Венера находится между Солнцем и Землей) расстояние от Земли до Венеры наименьшее, а в верхнем соединении (Земля и Венера располагаются по разные стороны от Солнца) расстояние Земля — Венера наибольшее. Это оказывает существенное влияние на выбор траекторий полета.
Во-вторых, выбранной траектории полета должна соответствовать возможно меньшая скорость движения станции в конце активного участка полета — это позволит при имеющихся мощностях двигателей ракеты-носителя направить в космический полет станции с наибольшим полезным грузом.
В-третьих, время полета должно быть наименьшим, так как по мере увеличения продолжительности полета возрастет опасность столкновения станции с микрометеорами и вероятность выхода из строя элементов аппаратуры станции под воздействием факторов космической среды.
В-четвертых, должны быть строго выдержаны начальные значения параметров межпланетной траектории, так как ошибки в скорости на несколько метров в секунду или в ориентации станции на несколько градусов сделают свидание с Венерой невозможным.
В-пятых, для обеспечения надежной радиосвязи во время встречи станции с Венерой желательно, чтобы Венера была возможно ближе к Земле.
В-шестых, выбранная траектория должна обеспечить возможно меньшую скорость входа в атмосферу Венеры, так как при этом уменьшаются перегрузки и величина нагрева, воздействующие на спускаемый аппарат, что позволяет уменьшить вес конструкции спускаемого аппарата и его теплозащиты.
Поскольку нельзя выбрать траекторию, удовлетворяющую всем этим требованиям, задача состоит в выборе наиболее выгодной межпланетной траектории.
 Схема взаимного положения Венеры и Земли при прямом полете на Венеру |
Попробуем выбрать траекторию, отвечающую полету к Венере по кратчайшему пути.
Такой полет может быть осуществлен, если станция будет «падать» на Солнце по прямой линии, т. е. когда в момент встречи со станцией Венера находится в нижнем соединении.
При такой траектории время перелета будет продолжаться около 25 суток и пройденный путь будет равен немногим более 42 миллионов километров.
Чтобы станция «падала» на Солнце, скорость ее движения по орбите относительно Солнца после старта должна равняться нулю. Для этого требуется сообщить станции скорость 29,76 километра в секунду (гелиоцентрическая скорость Земли) и направить ее в сторону, противоположную движению Земли по орбите вокруг Солнца. Кроме того, необходимо еще преодолеть силу земного притяжения. Как показывают расчеты, скорость станции для обеспечения «падения» на Солнце должна равняться 31,8 километра в секунду. Такие скорости на современном этапе развития техники создать нельзя. Таким образом, покинуть солнечную систему оказывается проще, чем «упасть» на Солнце.
Есть еще один существенный недостаток, связанный с перелетом на Венеру по кратчайшему пути, — в момент встречи с планетой мы не сможем передать с борта станции никакой информации. Радиоизлучения Солнца «забьют» все сигналы станции, так как при этом Венера будет находиться в нижнем соединении.
Рассмотрим теперь вторую, выгодную в энергетическом отношении, траекторию перелета.
Эта траектория касательна как к начальной, так и к конечной круговым орбитам (Земли и Венеры), и для полета по ней требуются сравнительно небольшие затраты топлива. Однако полет по такой траектории имеет и свои отрицательные стороны.
 Схема полета на Венеру по романовской орбите (с наименьшим расходом топлива) |
Прежде всего — это сложность вывода станции на траекторию полета. Дело в том, что на границе сферы действия Земли, там, где силы притяжения Земли и Солнца уравниваются (сфера эта имеет радиус 900 тысяч километров, а центром ее является Земля), скорость станции должна составлять 2,5 километра в секунду и должна быть направлена строго в сторону, противоположную движению Земли. Причем траектория эта требует столь точной реализации, что ошибка в скорости при выводе станции на один метр в секунду приведет к тому, что станция пролетит мимо Венеры на расстоянии 70 тысяч километров.
Допустим, станция была выведена на расчетную траекторию. Тогда лететь ей до цели придется пять месяцев и расстояние между Землей и Венерой в момент встречи станции с Венерой будет около 90 миллионов километров.
Таким образом, выбрав путь к Венере с наименьшим расходом топлива, мы тем самым усложняем вывод станции на траекторию полета, удлиняем время полета и расстояние между Землей и Венерой в момент встречи.
Рассмотрим теперь один из промежуточных вариантов. Этому варианту соответствуют траектории, по которым в настоящее время совершаются полеты автоматических межпланетных станций к Венере.
При движении по таким траекториям время перелета станции длится от 3 до 4 месяцев, а расстояние в момент встречи между Землей и Венерой составляет примерно 70 миллионов километров. Солнце при этом не мешает радиосвязи.
Есть, правда, неудобство — это точная дата старта, которую безапелляционно диктуют нам астрономические часы.
Перелет можно совершать тогда, когда Земля в момент отлета станции опережает Венеру в угловом движении вокруг Солнца примерно на 45°.
Первый выход на межпланетную трассу к Венере был предпринят 12 февраля 1961 года, когда с борта тяжелого спутника Земли в направлении планеты стартовала советская автоматическая станция «Венера-1» весом 643,5 килограмма.
 Оптимальная траектория полета автоматической межпланетной станции к Венере |  Автоматическая межпланетная станция «Венера-3» |
Основными задачами запуска этой станции являлись: проверка методов вывода космического объекта на межпланетную трассу, проверка сверхдальней радиосвязи и управления космической станцией, уточнение масштаба Солнечной системы и проведение ряда физических исследований в космосе.
Связь со станцией «Венера-1» поддерживалась до 27 февраля 1961 года, когда расстояние от Земли до станции составляло 23 миллиона километров. В то время это было рекордом дальней космической связи.
Первая попытка американских ученых запустить в июле 1962 года к Венере космический аппарат «Маринер-1» оказалась неудачной. Сразу после старта из-за неполадок в системе управления ракета отклонилась от намеченного курса и была подорвана.
В августе 1962 года к Венере стартовал американский космический аппарат «Маринер-2».
 Схема полета станции «Венера-2» |
Полет «Маринера-2» был успешным. 14 декабря 1962 года аппарат прошел мимо Венеры на расстоянии около 35 тысяч километров и принес первые данные о планете. Приборы, установленные в аппарате, сообщили, что Венера не имеет магнитного поля и поясов радиации. Соответствовало ли это действительности, было неизвестно. Требовалась проверка полученных данных.
Наступил ноябрь 1965 года. В путь к таинственной планете отправились сразу две автоматические станции — «Венера-2» и «Венера-3».
Станция «Венера-2» была запущена 12 ноября 1965 года, станция «Венера-3» — 16 ноября 1965 года.
Каждая из станций состояла из двух герметических отсеков — орбитального и специального. Специальным отсеком «Венеры-3» являлся спускаемый аппарат, выполненный в виде шара диаметром 900 миллиметров.
В спускаемый аппарат был помещен вымпел — металлический глобус Земли с выгравированными на нем контурами материков. Внутри глобуса находилась медаль с гербом нашей Родины.
Измерение параметров траектории полета станций и прогнозирование их движения осуществлялись специальным бортовым и наземным комплексами радиоизмерительных средств и вычислительными центрами.
В результате траекторных измерений, выполненных после вывода станции «Венера-2» на межпланетную орбиту, было установлено, что траектория полета станции близка к расчетной, и поэтому не было необходимости проводить коррекцию. 27 февраля автоматическая станция «Венера-2» прошла на расстоянии 24 тысяч километров от поверхности планеты.
Коррекция траектории полета станции «Венера-3» была проведена 26 декабря, когда станция находилась на расстоянии около 13 миллионов километров от Земли.
Обработка траекторных измерений, проведенных за период с момента коррекции до 15 февраля 1966 года включительно, показала, что действительная траектория станции «Венера-3» мало отличается от заданной траектории попадания в планету.
1 марта 1966 года автоматическая межпланетная станция «Венера-3» достигла Венеры и доставила на ее поверхность первый вымпел. Так была проложена первая межпланетная трасса и была доказана возможность достижения планет Солнечной системы.
За время полета со станцией «Венера-3» было проведено 63 сеанса связи, со станцией «Венера-2» — 26 сеансов.
Эксперименты, выполненные с помощью автоматических станций «Венера-2» и «Венера-3», позволили решить ряд важных задач межпланетных полетов и получить научные данные о космическом и околопланетном пространстве в год спокойного Солнца. Большой и разнообразный материал траекторных измерений представил собой большую ценность для изучения проблем сверхдальней связи и межпланетных перелетов.
 Схема сближения станции «Венера-3» с планетой Венера |  Траектории полета советских автоматических межпланетных станций к Венере: 1 — старт «Венеры-2» 12 февраля 1965 года; 2 — старт «Венеры-3» 16 февраля 1965 года; 3 — полет «Венеры-3» 1 марте 1966 года; 4 — старт «Венеры-4» 12 июня 1967 года; 5 — прилет «Венеры-4» 18 октября 1967 года; 6 — старт «Венеры-5» 5 января 1969 года; 7 — старт «Венеры-6» 12 января 1969 года; 8 — прилет «Венеры-5» 16 мая 1969 года; 9 — прилет «Венеры-6» 17 мая 1969 года |
При полете «Венеры-2» и «Венеры-3» исследовались физические условия в межпланетном пространстве: магнитные поля, космические лучи, потоки заряженных частиц малых энергий, потоки солнечной плазмы и их энергетические спектры, космические радиоизлучения и микрометеоры.
В частности, полет «Венеры-2» и «Венеры-3» показал, что условия работы межпланетных станций в непосредственной близости от планеты Венера еще слабо изучены — при приближении к планете наблюдался рост температуры, превышающий расчетные значения, радиосвязь со станциями нарушилась. Эти же явления наблюдались и на космическом аппарате «Маринер-2».