Los mayores avances en el estudio de Venus se lograron mediante el uso de naves espaciales robóticas. La primera nave espacial en llegar a la vecindad de otro planeta y devolver datos fue la US Mariner 2 en su sobrevuelo de Venus en 1962. Desde entonces, Venus ha sido el objetivo de más de 20 misiones de naves espaciales.
Las primeras misiones exitosas de Venus llevadas a cabo por los Estados Unidos involucraron a Mariner 2, Mariner 5 (1967) y Mariner 10 (1974). Cada nave espacial realizó un único sobrevuelo cercano, proporcionando datos científicos mejorados sucesivamente de acuerdo con los avances simultáneos en la tecnología de naves espaciales e instrumentos. Después de visitar Venus, el Mariner 10 realizó una exitosa serie de vuelos de Mercurio. En 1978, los Estados Unidos lanzaron la misión Pioneer Venus, que comprende dos naves espaciales complementarias. El Orbitador entró en órbita alrededor del planeta, mientras que el Multiprobe lanzó cuatro sondas de entrada, una sonda grande y tres más pequeñas, que se dirigieron a puntos ampliamente separados en la atmósfera venusiana para recopilar datos sobre la estructura y composición atmosférica. Las tres pequeñas sondas se llamaban Sonda Norte, que entraba en la atmósfera a unos 60 ° N de latitud; la sonda Nocturna, que entraba en el lado nocturno; y la sonda diurna, que entraba en el lado diurno y en realidad sobrevivía durante una hora después del impacto. El Orbitador llevaba 17 instrumentos científicos, la mayoría de ellos enfocados en el estudio de la atmósfera del planeta, la ionosfera y la interacción con el viento solar. Su altímetro de radar proporcionó el primer mapa de alta calidad de la topografía de la superficie de Venus. Pioneer Venus Orbiter fue una de las naves espaciales planetarias de más larga vida, que devolvió datos durante más de 14 años.
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Venus fue también un objetivo importante del programa de exploración planetaria de la Unión Soviética durante los años 1960, 70 y 80, que logró varios éxitos espectaculares. Después de una secuencia temprana de misiones fallidas, en 1967 los científicos soviéticos lanzaron Venera 4, que comprendía una nave espacial de sobrevuelo, así como una sonda que entró en la atmósfera del planeta. Los aspectos más destacados de las misiones posteriores incluyeron el primer aterrizaje suave exitoso en otro planeta (Venera 7 en 1970), las primeras imágenes devueltas desde la superficie de otro planeta (aterrizadores Venera 9 y 10 en 1975), y la primera nave espacial colocada en órbita alrededor de Venus (orbitadores Venera 9 y 10).
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En términos de los avances que proporcionaron en la comprensión global de Venus, las misiones soviéticas más importantes fueron las Veneras 15 y 16 en 1983. Los orbitadores gemelos transportaron los primeros sistemas de radar volados a otro planeta que fueron capaces de producir imágenes de alta calidad de la superficie. Produjeron un mapa del cuarto norte de Venus con una resolución de 1-2 km (0.6–1.2 millas), y muchos tipos de características geológicas que ahora se sabe que existen en el planeta fueron descubiertos o observados por primera vez en detalle en los datos de Venera 15 y 16. A finales del año siguiente, la Unión Soviética lanzó dos naves espaciales más a Venus, Vegas 1 y 2. Estos transportaron aterrizajes de estilo Venera y arrojaron dos globos en la atmósfera venusiana, cada uno de los cuales sobrevivió durante aproximadamente dos días y transmitió datos desde sus altitudes de flotación en la capa de nubes medias. La propia nave espacial Vega continuó más allá de Venus para realizar vuelos exitosos del Cometa Halley en 1986.
En 1990, en su camino a Júpiter, la nave espacial estadounidense Galileo voló junto a Venus. Entre sus observaciones más notables se encontraban imágenes en longitudes de onda del infrarrojo cercano que observaban las profundidades de la atmósfera y mostraban la opacidad altamente variable de la cubierta de nubes principal.
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La misión más ambiciosa hasta la fecha a Venus, la nave espacial estadounidense Magallanes, fue lanzada en 1989 y al año siguiente entró en órbita alrededor del planeta, donde realizó observaciones hasta finales de 1994. Magallanes llevaba un sistema de radar capaz de producir imágenes con una resolución superior a 100 metros (330 pies). Debido a que la órbita era casi polar, la nave espacial fue capaz de ver esencialmente todas las latitudes del planeta. En cada órbita, el sistema de radar obtenía una franja de imágenes de unos 20 km (12 millas) de ancho y, por lo general, de más de 16.000 km (casi 10.000 millas) de largo, que se extendía casi de polo a polo. Las tiras de imágenes se ensamblaron en mosaicos, y finalmente se produjeron imágenes de radar de alta calidad de aproximadamente el 98 por ciento del planeta. Magallanes también llevaba un sistema de altímetro de radar que medía la topografía de la superficie del planeta, así como algunas propiedades de sus materiales superficiales. Después de que se completaran los objetivos principales del radar de la misión, la órbita de la nave espacial se modificó ligeramente para que pasara repetidamente a través de los bordes superiores de la atmósfera venusiana. El arrastre resultante en la nave espacial eliminó gradualmente la energía de su órbita, convirtiendo una órbita inicialmente elíptica en una baja y circular. Este procedimiento, conocido como aerofreno, se ha utilizado desde entonces en otras misiones planetarias para conservar grandes cantidades de combustible al reducir el uso de propulsores para la remodelación orbital. Desde su nueva órbita circular, la nave espacial Magallanes pudo hacer el primer mapa detallado del campo gravitacional de Venus.
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La nave espacial Cassini-Huygens de los Estados Unidos voló por Venus dos veces, en 1998 y 1999, en camino a su objetivo principal, Saturno. Durante sus breves pasajes cerca de Venus, Cassini no pudo corroborar los signos de la existencia de rayos en la atmósfera del planeta que habían sido observados por naves espaciales anteriores. Esto sugirió a algunos científicos que los rayos en Venus son raros o diferentes de los rayos que ocurren en la Tierra.
El Venus Express de la Agencia Espacial Europea, lanzado en 2005, entró en órbita alrededor de Venus al año siguiente, convirtiéndose en la primera nave espacial europea en visitar el planeta. Venus Express llevaba una cámara, un espectrómetro de imágenes de luz visible e infrarroja y otros instrumentos para estudiar el campo magnético de Venus, el entorno de plasma, la atmósfera y la superficie para una misión planificada de más de dos años venusianos. Entre sus primeros logros estuvo el regreso de las primeras imágenes de estructuras de nubes sobre el polo sur del planeta. La misión finalizó en enero de 2015.
La misión japonesa Akatsuki fue lanzada en mayo de 2010 y planeó entrar en la órbita de Venus en diciembre. Sin embargo, la inserción orbital falló, por lo que la sonda orbitó el Sol hasta que hizo otro intento exitoso de rodear a Venus en diciembre de 2015. Akatsuki fue la primera misión exitosa de Japón a otro planeta. Llevaba cinco cámaras, tres de las cuales tomaban imágenes en infrarrojo, una en ultravioleta y una en luz visible, para estudiar diferentes profundidades en la atmósfera de Venus.
La NASA ha estudiado un concepto de misión llamado Concepto Operacional de Venus de Gran Altitud (HAVOC), diseñado para conducir a un programa para la exploración a largo plazo de Venus. La misión usaría dirigibles tripulados para explorar la atmósfera de Venus a una altitud de 50 km, donde la presión y la temperatura son como las de la Tierra.Steven W. Squyres