Проект «Вояджер» по продолжительности и продуктивности – один из самых выдающихся экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Четыре планеты-гиганта: Юпитер, Сатурн, Урани Нептун, прошли перед объективами телевизионных камер и другой научной аппаратуры «Вояджера-2». Четыре раза поток научных данных возрастал до пределов, которые аппарат еще способен был передать на Землю. Расстояния до планет-гигантов так огромны, что даже современные средства наземной астрономии оказываются бессильными перед этой беспредельной далью. Но космический аппарат «Вояджер-2» через 12 лет полета сумел достичь Нептуна, удаленного от Земли в 30 раз дальше, чем Солнце.
…
«Большой тур» и Вояджер. «Вояджер-2» был запущен к Юпитеру с космодрома космического центра им. Кеннеди 20 августа 1977 г. ракетой «Титан 3Е-Центавр» со стартовой массой около 700 т. «Вояджер-1» последовал за ним 5 сентября 1977 г., но для него была выбрана более короткая (и менее экономичная) трасса. Планеты Юпитер он достиг 5 марта 1979 г., на 4 месяца раньше «Вояджера-2», который сблизился с Юпитером 9 июля того же года. Аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» были созданы в лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА. Интересна предыстория их разработки. Идея проекта «Большой тур» впервые появилась в конце 60-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемых аппаратов к Луне и аппаратов «Пионер» к Юпитеру. Работы по проекту «Большой тур» НАСА начала в 1969 г. Уже на 1972 г. Конгресс США, как ожидалось, должен был выделить 30 млн. долларов для работ по этому проекту. Однако эта сумма утверждена не была.
Рисунок 16 – Схема полётов «Вояджеров»
Идея проекта заключалась в последовательном облете каждым из намечавшихся аппаратов нескольких планет. На рубеже 70-х и 80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы («парад планет»). Последний раз такое «собрание» проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра делало возможным перелет аппарата от одной планеты к другой за относительно короткое время. Без такого маневра полет, например, к Нептуну, продолжался бы на 20 лет дольше, а изменение направления полета потребовало бы немыслимого расхода горючего.
Суть маневра заключается в том, что при движении аппарата в гравитационном поле воздействующее на него притяжение планеты несколько изменяет его траекторию. Необходимая для этого энергия заимствуется у планеты и, по закону сохранения, добавляется к кинетической энергии аппарата. Впервые астрономы поняли физику этого явления еще в XIX в., наблюдая, как сильно изменяются орбиты комет под действием массивного Юпитера. В 1889 г., ровно сто лет назад, французский ученый Франсуа Тиссеран проанализировал проблему и создал соответствующий математический аппарат, позволяющий рассчитать орбиты кометы до и после возмущения. В эпоху планетных исследований гравитационный маневр много раз использовался для управления движением аппарата.
Так, аппарат «Маринер-10» был выведен на орбиту сближения с Меркурием после гравитационного маневра у Венеры; прямой вывод аппарата на такую орбиту невозможен. В последнее время этот метод настолько разработан, что его используют даже для разгона аппарата. Самый яркий пример – аппарат «Галилей», который был запущен в США в октябре 1989 г. для исследований Юпитера. Однако после запуска аппарат был направлен не к Юпитеру, а к Венере. После маневра в ее поле тяготения в декабре 1990 г. он вернется к Земле для следующего маневра. Но и это еще не все. В октябре 1991 г. он сблизится с астероидом Гаспра (названным в честь поселка Гаспра вблизи Симеизской обсерватории в Крыму), а затем… снова вернется к Земле (декабрь 1992 г.). Лишь после этого аппарат «Галилей» ляжет на трассу полета к Юпитеру, которого достигнет через 3 года. В проекте «Большой тур» гравитационный маневр играл определяющую роль: изменение направления полета аппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалось очень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат проходит слишком далеко от планеты, излом его траектории оказывается слишком малым, а если очень близко – аппарат может даже развернуться на 180°. Поэтому в проекте Вояджер выбор расстояния в сближении с планетой относился к самым ответственным операциям.
…
Таким образом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но и дает выигрыш в энергии. Однако чтобы реализовать «Большой тур», требовалось особое расположение планет, примерно такое, как было в 80-х годах, иначе вся миссия растянулась бы непомерно. Предполагалось, что для посещения пяти внешних планет миссия «Большой тур» потребует нескольких аппаратов: два в 1976-1977 гг. должны были быть направлены последовательно к Юпитеру, Сатурну и затем – к Плутону. Кстати, выбор времени сближения с Плутоном был критичным как никакой другой: орбита Плутона значительно наклонена к эклиптике, а полет с выходом из плоскости эклиптики представляет задачу сложную и дорогостоящую. Два других аппарата в 1979 г. намечалось послать к Юпитеру, Урану и Нептуну. Рассматривался даже вариант с пятью аппаратами.
Однако бюджетные ограничения вскоре заставили изменить, а затем и существенно урезать проект. Лунная экспедиция «Аполлон» обошлась слишком дорого, и проект «Маринер – Юпитер – Сатурн – 77», в дальнейшем переименованный в «Вояджер», оказался намного скромнее «Большого тура». Стоимость проекта составила 250 млн. долларов, или 1/3 намечавшейся стоимости «Большого тура». (На сегодня все расходы по проекту, в которые входят ракеты запуска, весь наземный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном, составили 865 млн. долларов.) Новый вариант уже не предусматривал ни таких сложных и многочисленных аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона. «Вояджер» представляет собой довольно крупное сооружение. Это высокоавтономный робот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системой радиосвязи, управления и научными приборами для исследования внешних планет. Масса аппарата составляет 815 кг.
Ограничение задач позволило значительно снизить требования к надежности компонентов и стоимости не только бортового, но и наземного оборудования. В самом деле, для радиосвязи на фантастические расстояния (орбита Нептуна – 30 а. е., или 4,5 млрд. км от Земли) требовалось создать сеть гигантских радиотелескопов, каждый из которых представляет очень дорогое сооружение. (Фактически, такая сеть была создана, но намного позднее.) Уже к моменту сближения «Вояджера-2» с Ураном радиотелескопы с диаметром поворотной антенны 64 м для приема сигналов из дальнего космоса были установлены в США, в Испании и в Австралии.
Оставим пока вопрос о том, как «Вояджеру-2» удалось все-таки исследовать Уран и Нептун, и обратимся к рисунку, на котором представлена схема полета Вояджеров. Через полтора года после Юпитера, 12 ноября 1980 г. «Вояджер-1» достиг Сатурна. Чтобы сблизиться с его спутником Титаном, имеющим плотную атмосферу и представляющим особый научный интерес, аппарат прошел сравнительно низко над южным полюсом Сатурна и круто изменил свою траекторию. Сближение с Титаном произошло, как намечалось, но это был конец планетной миссии «Вояджера-1». Аппарат стал все выше подниматься над плоскостью эклиптики. На 1990 г. он ушел «вверх» уже на 19,4 а. е., или почти на 3 млрд. км. Как известно, планетных тел здесь нет.
«Вояджер-2» достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 г. и провел исследования планеты и ее многочисленных спутников. После гравитационного маневра в плоскости эклиптики он был направлен к Урану. Сближение с Ураном произошло 24 января 1986 г. Снова исследования планет и спутников, снова маневр. 24 августа 1989 г. аппарат достиг «последней остановки» – Нептуна. Подобно Титану у Сатурна, спутник Нептуна Тритон давно привлекает внимание исследователей. Последний маневр «Вояджера-2» позволил исследовать Тритон (который, как выяснилось, того стоил). Теперь «Вояджер-2» тоже уходит из Солнечной системы (но в направлении, другом, чем «Вояджер-1»). Несколько слов о научном оснащении аппаратов. Научный комплекс «Вояджеров» позволил (в принципе) одновременно проводить 11 научных экспериментов.
…
Если для спутников «малого каботажа», предназначенных для исследования Меркурия, Венеры, Земли и Марса вполне достаточно фотоэлектрических (солнечных) батарей, то для далеких планет, где низка плотность солнечной радиации, нужны другие источники энергии. На «Вояджерах» установлены три радиоизотопных термоэлектробатареи с эффективностью около 5 %, нагреваемые тепловыделяющими элементами из окиси плутония. Общая мощность такой батареи вначале составляла почти полкиловатта электроэнергии, однако по мере распада плутония мощность падала (как тепловая, так и электрическая). Это сказывалось уже в период сближения с Ураном (когда мощность упала до 400 Вт) и создавало ограничения в выполнении научной программы; например, нельзя было проводить все эксперименты одновременно.
Естественно, не только энергетика определяет возможности аппарата. Множество систем, которые называют «служебными» (а чаще-просто «домашним хозяйством»), позволяют аппарату вести самоконтроль, управлять своим положением, рассчитывать свои действия, посылать и принимать радиосообщения. «Мозг» Вояджера – это два компьютера, образующих так называемую «подсистему полетных данных». Компьютеры могут работать как в дублирующем, так и в независимом режиме. В их функции входит контроль состояния научных приборов и управление ими, сбор и редактирование научной информации перед радиопередачей ее на Землю, контроль и управление положением аппарата и многие другие задачи. Главным достоинством управляющего комплекса «Вояджера», как выяснилось в многолетнем полете, оказалась необычайно гибкая программа, которая не только допускала радикальные изменения в исследовательских планах или в принципах обработки поступающей научной информации, но позволяла также обойти неизбежно возникающие во время длительного путешествия неисправности то в одном, то в другом из многочисленных узлов аппарата, включая даже сами компьютеры. Кстати, в бортовой вычислительной машине «Вояджера-1» отказала одна из систем памяти, но выполнению научных задач это не помешало.
Правильное положение аппарата в пространстве определяет возможность радиосвязи с Землей, так как большая параболическая чаша его антенны диаметром 3,65 м. жестко скреплена с аппаратом. Во время радиосвязи она должна быть точно нацелена на Землю. Компьютеры «узнают» положение аппарата с помощью датчиков Солнца и звезд, которые также используются для навигации. Но этого недостаточно. Необходимо знать положение аппарата на небесной сфере. Разумеется, увидеть аппарат с Земли невозможно, но вместо этого можно использовать телевизионные снимки, получаемые с самого аппарата перед сближением с небесным телом. На них планета и ее спутники видны на фоне звезд с известными координатами. После обработки телевизионных изображений положение аппарата удается определить с очень высокой точностью. Например, у Урана погрешность такого определения составляла 20-25 км. Этот метод называется оптической навигацией. Очень высокую точность дает радионавигация. Для этого методами радиоинтерферометрии по регистрации сигнала радиопередатчика аппарата определяется его положение на небе относительно «маяков Вселенной» – квазаров.
Аппарат может, при необходимости, изменить свое положение. Для этого он оснащен малыми ракетными двигателями (двигателями малой тяги, или верньерными двигателями). Двигатели работают на гидразине, который хранится в топливном баке. Небольшое, контролируемое компьютером количество жидкого гидразина поступает на катализатор, который превращает его в газ, выбрасываемый из сопла двигателя. Реактивная тяга поворачивает аппарат. Топливо используется также в тех случаях, когда необходима коррекция траектории аппарата. В целом, гидразин расходовался так экономно, что после встречи с Ураном в топливном баке оставалось еще около половины запаса (62 кг). Интересно назвать главные причины, которые слегка нарушают параметры движения аппарата. Прежде всего, это гравитационные воздействия планет Солнечной системы на тело, находящееся в свободном полете. Затем – очень малые силы, которые возникают под действием падающего на аппарат солнечного излучения и его собственного теплового излучения. Наконец, это механические воздействия собственных устройств аппарата (поворотной платформы). При сближении с Ураном и Нептуном приходилось исключать даже такие ничтожные воздействия, которые вызывало включение бортового магнитофона. С Земли удается с весьма высокой точностью найти скорость аппарата. Лучевая скорость (проекция скорости на линию визирования) определяется по эффекту Доплера с точностью до 2 см/с при скорости аппарата около 16 км/с. Чувствительность метода так высока, что, например, задолго до сближения с планетой ученые поняли, что принятую массу Урана, заложенную в расчеты, необходимо увеличить на 0,3 %, чтобы привести расчеты в соответствие с наблюдаемыми доплеровскими приращениями.
Рисунок 17 – Конструкция «Вояджеров»
В верхней части, на решетчатой ферме показана поворотная платформа. На ней находятся оптические приборы, включая обе телевизионные камеры. Платформа позволяет направлять приборы в сторону исследуемой планеты, не поворачивая сам аппарат. Она прекрасно работала до сближения с Сатурном. Но в момент пересечения плоскости колец движение по одной из двух ее плоскостей – азимутальной – внезапно прекратилось. Аппарат в это время не был виден с Земли и находился далеко от кольца, поэтому было маловероятно, что платформу повредили частицы кольца. После выхода из-за планеты намечалась съемка южного полушария Сатурна, а также получение мозаичных, из множества отдельных снимков высокого разрешения, изображений поверхности спутников Тефии и Энцелада. К сожалению, эту часть программы выполнить не удалось, а когда, после нескольких дней напряженной работы специалистов, платформа стала понемногу реагировать на радиокоманды, было уже поздно. Впрочем, потеря была относительно невелика, но проблема не на шутку встревожила ученых: уже тогда было ясно, что полет к Урану – дело решенное. Пусть с какой-то долей риска, но аппарат его выдержит. Но что делать, если платформа не будет исправлена?
Чтобы понять, в чем неисправность, в JPL были срочно изготовлены 86 (!) макетов силового привода платформы, на которых и провели всесторонние исследования. Выводы были обнадеживающие: причиной заклинивания оказалась большая нагрузка, которая пришлась на платформу в работе у Сатурна, и неисправность можно устранить (хотя в дальнейшем с платформой следует обращаться поаккуратней). Предусмотрели и аварийную программу, но она так и не понадобилась. За хорошую работу надо хорошо платить. «Вояджер-2» хорошо поработал в Солнечной системе. Его телевизионные камеры оказались лучше, чем у «Вояджера-1». Но и хлопот он доставил немало, начиная от старта. Перед запуском потребовался ремонт бортовой подсистемы компьютера. После запуска включилась система ориентации. Вскоре выяснилось, что она работает, как любят говорить советские специалисты, «нештатно». Имелись трудности со штангой, на которой находится платформа, - ее сначала не удавалось развернуть. Словом «Вояджер-2» оказался с характером. Постепенно его приводили в порядок, но самая большая неприятность произошла на борту аппарата весной 1978 г., на первом этапе его пути. Как «Вояджер-2» был потерян, но ненадолго. Связь аппарата с Землей ведется посредством двух радиопередатчиков с частотами 2295 МГц (длина волны 13,1 см.) ч 8418 МГц (3,56 см.). Каждый из них для надежности дублирован. Мощность каждого передатчика очень невелика, всего 23 Вт.
Это примерно равно мощности переносной автомобильной лампы. Вся эта мощность, благодаря большой антенне, собирается в остронаправленный радиолуч и посылается на Землю. Мощность принимаемого здесь радиосигнала обратно пропорциональна квадрату удаленности аппарата. С Нептуна сигнал был в 33 раза слабее, чем с Юпитера. С другой стороны, при одной и той же антенне с диаметром D сигнал зависит от длины волны, так как ширина радиолуча, посылаемого на Землю, составляет 1,22?/0. (Образуемое таким лучом пятно на уровне орбиты Земли превышает 50 млн. км. Для сантиметрового передатчика.) Поэтому легко видеть, что мощность принимаемого сигнала будет обратно пропорциональна квадрату длины волны передатчика. Но здесь возникает другая трудность: чтобы радиолуч не ушел с Земли, система ориентации аппарата должна поддерживать направление на Землю с точностью в несколько угловых минут. Есть сложности и на Земле: сантиметровое излучение сильно поглощается дождем (и меньше – облаками).
Радиосистема "Вояджеров" передавала поток информации со скоростью 115,2 кбит/с с Юпитера и 45 кбит/с с Сатурна. Ниже мы остановимся на некоторых ухищрениях инженеров, позволивших "обмануть природу" и передавать по этому каналу с Нептуна в 3-4 раза больше информации, чем намечалось вначале. Но сначала об одной истории, которая показывает, что несущественных компонентов на борту космического аппарата не бывает. Далеко не самые сложные устройства на борту "Вояджеров" - командные приемники. Они принимают и декодируют (расшифровывают) поступающие с Земли радиокоманды. По существу, это "уши" аппарата. Приемников два, основной и резервный. Впрочем, если бы инженеры JPL заранее знали, что ожидает "Вояджер-2" в полете, они, наверное, поставили бы и четыре. Все началось с того, что после очередного сеанса радиосвязи операторы забыли послать на борт специальную команду, предназначенную для самого приемника. Через длинную цепь причинно-следственных связей это привело к выходу приемника из строя. Неожиданно обнаружилось, что и переход на резервный приемник не дает результата. Аппарат оглох. На решение проблемы были брошены лучшие специалисты - ведь дело шло к фактической потере аппарата.
И вот, после длинной серии экспериментов удалось установить, что аппарат все-таки что-то слышит, но слышит одну-единственную "ноту". На все остальные частоты, посылаемые наземным передатчиком, он не реагирует, в том числе и на те, на которые он рассчитан. Удалось выяснить, что у резервного командного приемника из-за повреждения конденсатора не работает автоматическая подстройка частоты гетеродина - несложный, но очень важный электронный узел. Дело в том, что частота сигнала, принимаемого аппаратом с Земли, постоянно меняется из-за доплеровских сдвигов, достигающих очень больших значений. Без автоматической подстройки приемник может принимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляет менее 1/1000 нормального ее значения. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышают ее в 30 раз. Оставался единственный выход из положения - каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземный передатчик так, чтобы, после всех сдвигов, сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это и было сделано - компьютер теперь включен в контур передатчика. И так- все 12 лет полета. Продолжительность ежедневной связи с аппаратом составляет от 8 до 16 ч, а в сближениях связь идет круглосуточно. Кстати, сигналы на аппарат обычно посылает 400-киловаттный передатчик в Голдстоуне с его 64-метровой (теперь 70-метровой) антенной. Специалисты JPL рассказывают, что время от времени аппарат теряет сигнал и снова "глохнет" на несколько дней. Но есть люди, которые каким-то "шестым чувством" угадывают, на какую частоту ушел приемник. Положение осложняется тем, что кроме доплеровских сдвигов на настройку приемника сильно влияет температура аппарата, которую приходится контролировать очень тщательно: от ее изменения на четверть градуса настройка уходит на 100 Гц. Есть и другие факторы, старение деталей, например. И все-таки ни одно сближение не было потеряно! Впрочем, в памяти бортового компьютера находится еще одна "аварийная" программа, которая предписывает аппарату думать самому, если такое случится. В сближении с Нептуном на консультации с Землей времени не оставалось: время распространения радиосигнала "туда и обратно" составляло 8,2 ч.
Послесловие: Вояджеры достигли Юпитера за 1,5-2 года, тогда как запущенный через 10 лет после Вояджеров Галилео летел 6 лет.