Дальний путь «Voyager».


Когда в конце 1960-х гг. в США была принята программа исследования дальнего космоса с помощью космических зондов серии “Voyager” их создатели и представить не могли, что срок службы этих аппаратов в несколько раз превысит установленный.

Конструкция “Voyager” несколько отличалась от зондов, посылаемых к Луне, Венере и Марсу. Первоначальными планами предусматривалось только исследование Юпитера и Сатурна, но даже на таком удалении солнечные батареи оказывались неэффективными. Поэтому в качестве источника энергии был выбран радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG), которых на каждом корабли установили по три штуки.

Топливом в них служит Плутоний-238 (в отличие от Плутония-239, используемого в ядерном оружии) и их мощность в момент старта космического аппарата составляла примерно 470 Ватт при 30 вольтах постоянного тока. Период полураспада Плутония-238 примерно 87.74 года, и генераторы, использующие Pu-238, теряют 0.78% своей мощности в год.

В 2006 году, через 29 лет после запуска, такие генераторы должны иметь мощность только 373Ватт, около 79.5% от исходной. Однако, биметаллическая термопара, которая конвертирует тепло в электричество, также теряет эффективность, и реальная мощность будет еще ниже. Несмотря на то, что к 11 августа 2006 года мощность генераторов снизилась до 290 и 291 Ватт соответственно эти показатели оказались лучше, чем предполётные расчеты. Тем не менее, с падением мощности приходится сокращать энергопотребление космического аппарата, что ограничивает его функциональность.

VOYAGER 2, ABOARD TITAN/CENTAUR-7, LIFTED OFF ON AUGUST 20, 1977. A MISSION TO THE OUTER PLANET.На обоих “Voyager”, которые являются практически идентичными кораблями, установлено многочисленное приборное оборудование (включая фото и телекамеры) и параболическая антенна дальней связи. К борту каждого корабля прикреплена алюминиевая коробку с позолоченный видеодиском. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, её материков, различные ландшафты, сцены из жизни животных и человека, их анатомическое строение и биохимическая структура, включая молекулу ДНК.

В двоичном коде сделаны необходимые разъяснения и указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. В качестве «мерной линейки» указана сверхтонкая структура молекулы водорода (1420 МГц).

Кроме изображений, на диске записаны и звуки: шёпот матери и плач ребёнка, голоса птиц и зверей, шум ветра и дождя, грохот вулканов и землетрясений, шуршание песка и океанский прибой.

Человеческая речь представлена на диске короткими приветствиями на 58 языках народов мира. По-русски сказано: «Здравствуйте, приветствую вас!». Особую главу послания составляют достижения мировой музыкальной культуры. На диске записаны произведения Баха, Моцарта, Бетховена, джазовые композиции Луи Армстронга, Чака Берри и народная музыка многих стран.

Кроме того, диск содержит обращение президента США Джимми Картера, которое в переводе звучит примерно так:

voyager disk

“Этот аппарат создан в США, стране с населением 240 млн. человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество все ещё разделено на отдельные нации и государства, но страны быстро идут к единой земной цивилизации.
Мы направляем в космос это послание. Оно, вероятно, выживет в течение миллиарда лет нашего будущего, когда наша цивилизация изменится и полностью изменит лик Земли… Если какая-либо цивилизация перехватит „Вояджер“ и сможет понять смысл этого диска — вот наше послание:
Это — подарок от маленького далёкого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, наша музыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить и в вашем. Мы надеемся, настанет день, когда будут решены проблемы, перед которыми мы стоим сегодня, и мы присоединимся к галактической цивилизации. Эти записи представляют наши надежды, нашу решимость и нашу добрую волю в этой Вселенной, огромной и внушающей благоговение.”

Учитывая выше изложенные факты с трудом верится, что основной задачей “вояджеров” было только изучение планет-гигантов, поскольку уже в 1970-е годы было известно, что они являются газообразными и жизнь на них (в привычной для нас, земной форме, невозможна). Вероятнее всего программа была рассчитана на более долгий срок и всё зависело от того, долетят ли зонды хотя бы до Юпитера.

вояджер

Время для запуска “вояджеров” было выбрано очень удачно, так как ко времени прибытия космических аппаратов к пленетам-гигантам они располагались бы в сравнительно узком секторе и с помощью гравитационных маневров (когда для замедления\ускорения используется гравитационное поле планеты) можно было провести их облёт с минимальными энергозатратами и максимальной скоростью.

Старт “Voyager-1” был проведён 5 сентября 1977 года – на 16 дней позже, чем “Voyager-2” (старт 20 августа). В качестве носителя использовалась ракета Titan-3E Centaur. Для него была выбрана более короткая (и менее экономичная) трасса. Планеты Юпитер он достиг 5 марта 1979 г., на 4 месяца раньше “Voyager -2″, который сблизился с Юпитером 9 июли того же года.

voyager jupiter

Переданные снимки позволили выдвинуть гипотезу о существовании жидкого океана под поверхностью Европы. Обследование самого крупного спутника в Солнечной системе – Ганимеда – показало, что он покрыт корой “грязного” льда, а его поверхность значительно старше поверхности Европы. После обследования спутников аппарат пролетел мимо Юпитера.
Очередь Сатурна настала 21 августа 1981 года, когда “Voyager-2” пролетел от него на расстоянии всего 101.000 километров, близко от спутников Тефия и Энцелад.

Первый из них (Тефия) является ближайшим спутником Саутрна. Он имеет диаметр чуть больше 1050 км и состоит преимущественно из льда. Яркой особенность этого небесного тела является гигантский каньон Итака (Ithaca) шириной 100 км и глубиной 3-5 км. Он тянется на 2000 км или 3/4 окружности Тефии. Атмосферы на планете нет.

Энцелад почти в 4 раза меньше Тефии – его диаметр всего 504 км, но этот спутник имеет атмосферу, состоящую из пыли, водорода и пара. Поверхность спутника целиком покрыта практически гладким льдом и отражает 90% солнечных лучей. Несмотря на это Энцелад предрасположен к вулканической активности и периодически, на полюсах, происходит выброс воды в виде гейзеров.

voyager saturnКогда стало ясно, что успех миссии очевиден, было принято решение отправить “Voyager-2” к Урану и Нептуну, благо мощности его энергоустановки ещё хватало с запасом. Для этого пришлось слегка изменить его траекторию, отказавшись от близкого пролёта около Титана. Однако всего за шесть дней до сближения с Ураном выяснилось, что все изображения, переданные с обновленным кодом, искажены сеткой черных и белых линий. Специалисты бросились искать ошибку. Одна группа, не доверяя компьютеру, обработала вручную все пикселы.

Эта проблема была не единственной. В течении долгого путешествия зонд преследовали и другие неисправности, наиболее существенными из которых были:

  • Выход из строя компенсатора частоты сигнала радиопередатчика. Это устройство должно было подстраивать частоту несущей радиопередатчика в связи с тем, что она у двигающего со скоростью порядка 11,5 км в секунду аппарата испытывает значительное смещение Доплера. Проблема была решена созданием в максимально сжатые сроки земного аналога этого устройства, но уже для наземного приёмного комплекса, работающего до сих пор, без которого связь с аппаратом была бы невозможна.
  • Выход из строя одной из ячеек оперативной памяти бортовой ЭВМ — программу удалось переписать и загрузить так, что этот бит перестал влиять на программу.
  • На определенном участке полёта применявшаяся система кодирования управляющего сигнала уже переставала отвечать требованиям достаточной помехозащищённости из-за ухудшения соотношения сигнал/шум. В бортовую ЭВМ была загружена новая программа, осуществлявшая кодирование гораздо более защищенным кодом (был применён двойной код Рида-Соломона).
  • При пролёте плоскости колец Сатурна бортовая поворотная платформа с телекамерами была заклинена, вероятно, частицей этих колец. Осторожные попытки поворота её туда-сюда позволили, в конце концов, разблокировать платформу.
  • Падение мощности питающих изотопных элементов потребовало составления сложных циклограмм работы бортового оборудования — часть которого начали временами отключать, чтобы предоставить другой части достаточно электроэнергии.
  • Незапланированное вначале удаление аппаратов от Земли потребовало многократной модернизации наземного приёмо-передающего комплекса, чтобы принимать слабеющий сигнал.

voyager mimasУрана зонд достиг 24 января 1986 года, пройдя от него на расстоянии 107.000 километров. “Voyager-2” передал на Землю тысячи снимков Урана, его спутников и колец. Благодаря этим фотографиям, учёные обнаружили два новых кольца и исследовали девять уже известных. Помимо этого, были обнаружены 10 новых спутников Урана. Однако, более ценными оказались снимки одной из самой отделенных планет Солнечной системы – Нептуна, и её спутника Тритона. 24 августа 1989 года зонд пролетел на расстоянии 48.000 км от Нептуна.

Сразу за обритой этой планеты находится “пояс Койпера” – область скопления астероидов, подобная поясу между Марсом и Юпитером, но больше него в 20 раз по протяжённости и в 20-200 раз по массе. Исследования в этом районе решили не проводить, направив туда в январе 2006 года космический зонд “New Horizons”, который достигнет Плутона в 2015 году.
Небольшие надежды были также связаны с обнаружением 10-й планеты Солнечной системы, гипотетическое существование которой было предсказано ещё в середине 20-го века.

Подтверждение о её существовании было получено в 2003 году сотрудниками Гавайской обсерватории, которые дали этой планете обозначение 2003UB313. Диаметр планеты составляет примерно 3 тысячи км. Она сложена в основном из горных пород и льда. Астрономы полагают, что в какой-то момент истории планеты гравитационное воздействие Нептуна выбросило ее на повернутую на 44 градуса к плоскости эклиптики орбиту. В настоящее время планета находится на расстоянии 97 астрономических единиц от Солнца – сейчас ей присвоено неофициальное название Ксена (Xena).

По состоянию на 30 августа 2007 года “Voyager-2” находился вблизи так называемой границы ударной волны, которая определяется как внешний рубеж Солнечной системы, а “Voyager-1” преодолел его в декабре 2004 года. Сейчас он движется по гиперболической траектории и уже достиг третьей космической скорости, что гарантирует, что он не вернётся в Солнечную систему под действием гравитационного притяжения Солнца.

Эта граница находится примерно в 95-95 астрономических единицах от Солнца – здесь солнечный ветер солнечный ветер тормозится, становится более плотным, тёплым и турбулентным. Ещё приблизительно через 40 а. е. солнечный ветер сталкивается с межзвёздным веществом и окончательно останавливается. Эта граница, отделяющая межзвёздную среду от вещества Солнечной системы, называется гелиопаузой. По форме она похожа на пузырь, вытянутый в противоположную движению Солнца сторону. Область пространства, ограниченная гелиопаузой, называется гелиосферой.

Ксена и ПлутонСогласно данным переданных с “вояджеров” гелиопауза с южной стороны оказалась ближе, чем с северной (73 и 85 астрономических единицы соответственно). Точные причины этого пока неизвестны; согласно первым предположениям, асимметричность гелиопаузы может быть вызвана действием сверхслабых магнитных полей в межзвёздном пространстве Галактики. По другую сторону гелиопаузы, на расстоянии порядка 230 а. е. от Солнца, вдоль головной ударной волны происходит торможение с космических скоростей налетающего на Солнечную систему межзвёздного вещества.

Несмотря на столь удачную долговременную миссию дальнейшая судьба космических зондов незавидна. Предположительно работа реакторов “вояджеров” будет продолжаться до 2015 года, а в 2025-2030 гг. с ними будет потеряна связь. После прекращения работы силовой установки скорость зондов будет постепенно снижаться. Текущая же скорость “Voyager-1” составляет 17 км/с (благодаря гравитационным маневрам), “Voyager-2” летит несколько медленнее – 13 км\с.

Далее путь “Voyager-2” будет примерно таким:

  • 8571 г. – “Voyager-2” будет в 4 световых годах от Звезды Барнарда.
  • 20319 г. – “Voyager-2”пройдёт на расстоянии 3,5 световых года от звезды Проксима Центавра.
  • 296036 г. – “Voyager-2” подойдёт к Сириусу на расстояние 4,3 световых года.

Все эти события могут вполне случиться, если зонд не встретиться с каким-нибудь “шальным” метеоритом или его не подберет корабль другой цивилизации.

Источники:
NSSDC NASA public domain image
nix.nasa.gov – Launch of Titan III-Centaur, Voyager 2