Những nỗ lực ban đầu

Phi vụ tàu không gian robot đầu tiên gửi đến Sao Kim và cũng là hành tinh đầu tiên một tàu của con người đến thăm dò, bắt đầu vào ngày 12 tháng 2 năm 1961, với tàu Venera 1 được phóng lên. Con tàu phóng lên thành công trong chương trình Venera theo quỹ đạo trực tiếp nhưng đã mất liên lạc với mặt đất khoảng bảy ngày sau khi phóng, khi con tàu ở cách Trái Đất 2 triệu km. Các nhà khoa học Nga dự tính nó đi qua Sao Kim ở khoảng cách 100.000 km vào trung tuần tháng 5 năm 1961.[104]

Chương trình thám hiểm Sao Kim của Hoa Kỳ cũng khởi đầu bằng thất bại của tàu Mariner một trong lúc phóng. Tàu Mariner 2 thành công hơn khi nó tồn tại được 109 ngày sau khi phóng lên quỹ đạo và ngày 14 tháng 12 năm 1962 nó trở thành phi vụ thám hiểm hành tinh đầu tiên thành công, khi tiếp cận đến Sao Kim ở khoảng cách 34.833 km. Các thiết bị đo bức xạ vi ba và hồng ngoại cho thấy trong khí các đám mây trên cao của khí quyển Sao Kim rất lạnh thì nhiệt độ bề mặt dưới hành tinh rất nóng ít nhất 425 °C, xác nhận những kết quả quan sát trước đó trên Trái Đất[105] và cuối cùng kết thúc mọi hi vọng của nhiều người về tồn tại một sự sống trên hành tinh này. Tàu Mariner 2 cũng gửi về các số liệu khối lượng hành tinh và đơn vị hành tinh, nhưng nó đã không phát hiện thấy bất kỳ sự tồn tại nào của từ trường hành tinh hay vành đai bức xạ.[106]

Rơi vào khí quyển

Tàu Venera 3 của Liên Xô đổ bộ xuống Sao Kim ngày 1 tháng 3 năm 1966. Nó là thiết bị nhân tạo đầu tiên đi vào khí quyển và va chạm xuống bề mặt hành tinh khác, mặc dù hệ thống liên lạc của nó đã bị hỏng và người ta không nhận được một dữ liệu gì của nó gửi về.[107] Ngày 18 tháng 10 năm 1967, Venera 4 đã đi vào khí quyển thành công và thực hiện một số thí nghiệm khoa học. Venera 4 cho thấy tại vị trí nó đi vào khí quyển nhiệt độ đo được cao hơn giá trị mà tàu Mariner 2 trước đo gửi về và Venera 4 đo được 500 °C, bầu khí quyển hành tinh chứa 90 đến 95% cacbon điôxít. Khí quyển Sao Kim dày hơn đáng kể so với giá trị mà những kĩ sư thiết kế Venera 4 sử dụng để tính toán, và nó rơi xuống chậm hơn với dù bung hay lượng điện trong pin tích trữ hết sớm hơn trước khi nó có thể rơi chạm mặt đất. Sau khi gửi dữ liệu trong 93 phút hành trình, giá trị áp suất cuối cùng mà Venera 4 đo được bằng 18 bar tại độ cao 24,96 km so với bề mặt.[107]

Đúng 1 ngày sau, 19 tháng 10 năm 1967, Mariner 5 bay qua hành tinh ở khoảng cách 4000 km bên trên các đám mây. Tàu Mariner 5 ban được chế tạo để phóng lên Sao Hỏa-cùng Mariner 4, nhưng khi phi vụ này thành công, những người đứng đầu NASA quyết định sử dụng nó nhằm thám hiểm Sao Kim. Với những thiết bị nhạy hơn tàu Mariner 2, dặc biệt là thiết bị khảo sát sự che khuất tín hiệu vô tuyến, đã gửi dữ liệu về thành phần, áp suất và mật độ khí quyển Sao Kim.[108] Dữ liệu từ sự hợp tác giữa Venera 4 – Mariner 5 đã được phân tích bởi một đội các nhà khoa học Liên Xô và Hoa Kỳ trong những năm sau đó,[109] và thể hiện sự hợp tác nghiên cứu khoa học đa quốc gia trong những năm đầu của kỷ nguyên vũ trụ.[110]

Rút kinh nghiệm từ tàu Venera 4, Liên Xô đã phóng hai tàu giống nhau Venera 5 và Venera 6 cách nhau năm ngày trong tháng 1 năm 1969; chúng đi vào khí quyển sao Kim các ngày 16 và 17 tháng 5 trong cùng năm. Lớp bảo vệ tàu và thiết bị khoa học đã được gia cường để tăng khả năng chịu áp suất lên tới 25 bar và hai tàu được trang bị dù nhỏ hơn cho phép chúng rơi nhanh hơn. Do ngày nay chúng ta ước tính khí quyển Sao Kim có áp suất bề mặt từ 75 đến 100 bar, cho nên hai tàu đã không còn hoạt động khi tiếp đất. Sau khi gửi về 50 phút dữ liệu khí quyển, cả hai đã bị bẹp nát ở độ cao xấp xỉ 20 km trước khi kịp chạm đất ở phía mặt tối của Sao Kim.[107]

Nghiên cứu bề mặt và khí quyển

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.[107]

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.[111]

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.[112]

Dự án Pioneer Venus bao gồm hai phi vụ riêng.[113] 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.[114]

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;[115] 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.[115] Venera 14 bị hỏng lắp chụp camera và thiết bị của nó không thể tiếp xúc với đất được.[115] 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.[116]

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.[117][118]

Vẽ bản đồ bằng ra đa

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.[27] 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,[119] 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.[120] 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.[121][122]

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.[123]

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 năm 2006.[124] 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.[124]

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.[126]

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.[127]

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,[128] 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.[129]

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.[130] 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.[130]

Thời gian các phi vụ thám hiểm

Dưới đây là danh sách các phi vụ tàu không gian tới thám hiểm trực tiếp hoặc là thực hiện bay qua Sao Kim.[131] Sao Kim cũng được chụp bởi Hubble, và những kính thiên văn khác cũng đã thu thập dữ liệu về hành tinh qua các dải bước sóng khác nhau.