Космический аппарат «пионер 10»

 

С началом космической эры человечество поставило задачу освоения сверхдальнего космоса. И не последнее место в этой задаче играл поиск внеземных цивилизаций. Многие космические миссии сопровождались передачей сведений о нас, землянах, и нашей планете.

К самым первым интереснейшим полетам в дальний космос можно отнести полет космических аппаратов (КА) «Пионер-10» и «Пионер-11». В те, теперь уже далекие, 70-е годы XX века никакого компьютера на борту не предусматривалось. В принципе, бортовые ЭВМ к моменту создания аппарата «Пионер-10» уже существовали, но они были еще слишком велики и тяжелы. Отсутствие компьютера автоматически означало необходимость передавать с Земли большое количество команд, и в основном в реальном времени. Если, конечно, считать таковым 45 минут «туда» и 45 — «обратно» при радиообмене с Юпитером.

Радиосистема КА включала помимо трех антенн два передатчика. По командной радиолинии со скоростью 1 бит/с (!) можно было передать 222 разные команды, из них 149 — для управления системами КА и 73 — для управления научной аппаратурой. Два декодера и блок распределения команд определяли достоверность каждой команды и ее адресата. Так как команда состояла из 22 бит, на ее прием на борту требовалось 22 секунды. Поэтому аппарат имел и программную память — на пять команд (!), которые могли быть выполнены друг за другом с заданными временными интервалами. Вот с такими средствами НАСА отправлялось штурмовать Юпитер…

Чтобы обеспечить заданную продолжительность работы КА — 21 месяц, разработчики максимально упростили борт за счет усложнения наземной части. Главные компоненты задублировали, остальные ставили на борт только при наличии опыта использования в космосе. Из 150 предложений, полученных в конце 1960-х годов, в 1970 году для установки на КА были выбраны такие научные инструменты: гелиевый векторный магнитометр, анализатор плазмы, прибор для регистрации заряженных частиц, 4 датчика, телескоп космических лучей, гейгеровский телескоп, детектор электронов и протонов радиационных поясов, детектор метеороидных частиц, 4 телескопа, детектор астероидных и метеороидных частиц, датчики пыли, УФ-фотометр, ИК-радиометр; видовой фотополяриметр.

Запуск КА «Пионер-10» состоялся 2 марта 1972 года. 25 мая станция вышла за орбиту Марса и 16 июля пересекла условную границу пояса астероидов в 1,8 ае от Солнца. Вероятность его успешного прохождения оценивалась в 90 %. Никаких попутных съемок не планировали, чтобы не добавлять ненужного риска, а потому «Пионер-10» прошел от ближайшего известного астероида в 8,8 млн км.

Первой на пути встретилась безымянная планетка диаметром 1 км — это произошло уже 2 августа. Вторым был довольно крупный (24 км) астероид Нике — станция миновала его 2 декабря.

15 февраля 1973 года на расстоянии 3,7 ае от Солнца «Пионер-10» вышел из пояса астероидов неповрежденным. Увеличение концентрации астероидных частиц было замечено лишь однажды — в течение недели на отметке 2,7 ае от Солнца, а в среднем их количество оказалось намного меньше ожидаемого: если за март — июнь 1972 года в датчики КА попала 41 пылевая частица, то за июнь — октябрь — 42. «Пионер-10» доказал, что пояс астероидов практической опасности не представляет.

6 ноября с расстояния 25 млн км начались опытные съемки Юпитера, а 8 ноября станция пересекла орбиту Синопе, самого далекого спутника планеты. Начался 60-суточный период пролета, за время которого на борт было передано около 16000 команд.

Чтобы обезопасить аппарат от выполнения случайных команд, вызванных радиацией вблизи Юпитера, на борт раз в несколько минут отправлялась «лечебная» посылка. Кроме того, специальная командная последовательность немедленно восстанавливала работу фотополяриметра в случае сбоя. Такие сбои начались на расстоянии в 9 радиусов планеты и произошли 10 раз. Были потеряны несколько близких планов Юпитера и единственный запланированный кадр Ио. Не будь этого сбоя, вулканы Ио могли быть обнаружены на семь лет раньше!

В гравитационном поле Юпитера станция получила скорость, достаточную для ухода из Солнечной си с-темы. В результате в феврале 1976 года «Пионер-10» пересек орбиту Сатурна, 11 июля 1979-го — орбиту Урана и 13 июня 1983-го — орбиту Нептуна в 30,28 ае от Солнца, все еще имея скорость 13,66 км/с.

За следующие 20 лет аппарат ушел еще на 50 ае, продолжая измерения космических лучей и солнечного ветра в той области, что сейчас известна как пояс Койпера. Гелиопаузы — предела безраздельного влияния Солнца и подлинной границы Солнечной системы — он так и не достиг.

31 марта 1997 года научная программа миссии была официально прекращена, однако сеансы связи было разрешено продолжать «для тренировки персонала проекта Lunar Prospector». В сентябре 1999 года вновь объявили о прекращении проекта, и вновь сеансы были возобновлены «для отработки перспективных концепций связи на сверхдальних расстояниях».

Однако теперь связь прекращена окончательно не в силу административного решения, а из-за потери технической возможности. Станция уходит из Солнечной системы в общем направлении на Альдебаран, но для того чтобы пройти 68 световых лет до этой звезды, ей потребуется более 2 млн лет. На борту она несет позолоченную пластину размером 152 х 228 мм, на которой простыми рисунками рассказано о том, как выглядят люди и где находится планета, запустившая этот аппарат.

Идея этого послания принадлежала известному популяризатору ракетной техники Эрику Бургессу, Ричарду Хоагланду (который потом нашел «Сфинкса» на Марсе) и Дону Бейну. Карл Саган вместе с Фрэнком Дрейком набросали идею «картинки», а супруга Сагана Линда ее нарисовала.

Телеметрические данные, поступающие с «Пионера-10», «Пионера-11» и «Галилео», а также данные наземной сети для наблюдения далекого космоса (Deep Space Network — DSN), принадлежащей Лаборатории реактивного движения НАСА (Пасадена, США), позволили коллективу американских специалистов установить наличие аномального ускорения в движении этих космических аппаратов. Помимо обычного ускорения, вызванного притяжением Солнца и спадающего обратно пропорционально квадрату расстояния от него, в движении аппаратов выявляется слабое добавочное ускорение, постоянное по величине и направленное в сторону Солнца.

Уже в 1980 году, когда «Пионер-10» находился на расстоянии 20 ае от Солнца, было отмечено систематическое несовпадение значений измеряемого ускорения аппарата и рассчитываемого по притяжению к Солнцу. Самой большой неожиданностью оказалось постоянство добавочного ускорения: по мере удаления «Пионера-10». Как показали детальные расчеты, аномальное добавочное ускорение не может быть вызвано ни гравитационным воздействием пояса Койпера, ни галактическим притяжением, равно как и рядом других негравитационных факторов: утечкой газа из аппарата, давлением солнечного света или ветра и пр. Все они влияют на ускорение по крайней мере на два-три порядка меньше.

Анализ движения «Галилео» дает близкое значение добавочного аномального ускорения, однако для этого аппарата вклад в ускорение из-за давления солнечного света примерно такой же величины, а кроме того, велика неопределенность, связанная с частыми маневрами «Галилео».

Итак, путешествие за пределы Солнечной системы поможет сделать новые открытия, касающиеся природы гравитации, вакуума и взаимодействия небесных тел. Космическая навигация будущего начинается в нашем времени.

 

ГРАНДИОЗНОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

 

Проект «Вояджер» — один из самых выдающихся экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Четыре планеты-гиганта — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — прошли перед объективами телевизионных камер и другой научной аппаратуры «Вояджера-2».

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, находящегося в 30 раз дальше от Земли, чем Солнце. Автоматы исследовали Солнечную систему. Их полеты напоминают путешествия, положившие начало эпохе географических открытий, когда человек впервые поверил в свою способность преодолевать безмерную, казалось бы, ширь земных океанов.

«Вояджер-2» был запущен к Юпитеру с космодрома Космического центра им. Кеннеди 20 августа 1977 года ракетой «Титан ЗЕ-Центавр» со стартовой массой около 700 т. «Вояджер-1» последовал за ним 5 сентября 1977 года, но для него была выбрана более короткая (и менее экономичная) трасса. Планеты Юпитер он достиг 5 марта 1979 года, 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 КА «Пионер» к Юпитеру.

Работы по проекту «Большой тур» НАСА начало в 1969 году. Уже на 1972 год Конгресс США, как ожидалось, должен был выделить 30 млн долларов для работ по данному проекту. Однако эта сумма утверждена не была.

Любые космические исследования требуют достаточно больших сумм. Это заставляет человечество искать пути объединения для реализации больших программ. При высоком уровне развития разума цивилизация приходит к пониманию идеи единства. Космос объединяет человечество. И если мы не одиноки во Вселенной, то дальнейшее продвижение в области космических исследований наверняка приведет к контакту между цивилизациями.

Но вернемся к проекту «Большой тур». Идея проекта заключалась в последовательном облете каждым из аппаратов нескольких планет. На рубеже 1970—80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы. Такое расположение называется парадом планет. 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 веке, наблюдая, как сильно изменяются орбиты комет под действием массивного Юпитера. В 1989 году 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 будущем гравитационный маневр станет обычным приемом звездной навигации. Показательно, что описал этот маневр в 1939 году писатель-фантаст Лестер дель Рей.

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 года для исследований Юпитера. Однако после запуска аппарат был направлен не к Юпитеру, а к Венере. После маневра в ее поле тяготения в декабре 1990 года он вернулся к Земле для следующего маневра. Но и это еще не все. В октябре 1991 года он сблизился с астероидом Гаспра (названным в честь поселка Гаспра вблизи Симеизской обсерватории в Крыму), а затем… снова вернулся к Земле (декабрь 1992). Лишь после этого аппарат «Галилей» вышел на трассу полета к Юпитеру, которого достиг через 3 года.

В проекте «Большой тур» гравитационный маневр играл определяющую роль, поскольку изменение направления полета аппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалось очень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат пройдет слишком далеко от планеты, излом его траектории окажется слишком малым, а если очень близко — аппарат может даже развернуться на 180°. Таким образом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но и дает выигрыш в энергии.

Для реализации «Большого тура» требовалось особое расположение планет, примерно такое, как в 80-е годы, иначе вся миссия растянулась бы непомерно. Предполагалось, что для посещения пяти внешних планет миссия «Большой тур» потребует нескольких аппаратов: два в 1976–1977 годах 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 году 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». Все расходы по проекту, учитывающие ракеты запуска, весь наземный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном, составили 865 млн долларов. Новый вариант уже не предусматривал ни такого количества аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона.

«Вояджер» представляет собой довольно крупное сооружение. Это высокоавтономный робот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи и управления, научными приборами для исследования внешних планет. Масса аппарата — 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 — 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, Испании и Австралии.

Через полтора года после Юпитера, 12 ноября 1980 года, «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 и намечалось, но это был конец планетной миссии «Вояджера-1». Аппарат стал все выше подниматься над плоскостью эклиптики. На 1990 год он ушел «вверх» уже почти на 3 млрд км. Как известно, планетных тел здесь нет.

«Вояджер-2» достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 года, 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 года. Снова исследования планет и спутников, снова маневр.

24 августа 1989 года аппарат достиг «последней остановки» — Нептуна. Подобно спутнику Сатурна Титану спутник Нептуна Тритон давно привлекал внимание исследователей. Последний маневр «Вояджера-2» позволил исследовать Тритон.

Теперь «Вояджер-2» уходит из Солнечной системы, но не в том направлении, в котором идет «Вояджер-1». К осени 2006 года «Вояджер-1» улетел от Солнца на расстояние в 100 ае. Таким образом, двойная карликовая планета Плутон — это единственный из миров Солнечной системы, который пока не дождался земных гостей (и по-видимому, уже не дождется до середины XXI века). Заметим, что из-за большого эксцентриситета орбиты Плутон до конца XX века находился ближе к Солнцу, чем Нептун.

 

ЛЕГКО ЛИ БЫТЬ МАШИНОЙ?

 

В некоторых источниках рассматривается возможность существования машинной цивилизации. Попробуем представить те сложности, которые возникнут при создании роботов. Разумеется, многие проблемы в этой области уже известны. Но если речь идет о самоуправляемой организации машин, то стоит помнить, что некий координатор действий должен обеспечивать согласованную работу отдельных структур.

В процессе освоения космического пространства человечество получает знания о сложных системах управления. И хотя мы только в самом начале космического пути, но проводимые эксперименты действительно вызывают восхищение талантом конструкторов. Естественно, не только энергетика определяет возможности аппарата. Множество систем позволяют аппарату вести самоконтроль, управлять своим положением, рассчитывать свои действия, посылать и принимать радиосообщения.

Мозг «Вояджера» — это два компьютера, образующие подсистему полетных данных. Главным достоинством управляющего комплекса «Вояджера», как выяснилось в многолетнем полете, оказалась необычайно гибкая программа, созданная учеными. Эта программа 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.

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 вычислений 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).

Представляют интерес 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 солнечного излучения и его собственного теплового излучения. И 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.

В верхней части аппарата на решетчатой ферме находилась поворотная платформа. Платформа позволяла направлять приборы, в том числе две видеокамеры, 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 Энце-лада. 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 стало 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 при 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.

«Вояджер-2» хорошо поработал в Солнечной системе. Его телевизионные камеры оказались лучше, чем у «Вояджера-1». Но и хлопот он доставил немало, начиная со старта. Перед запуском потребовался ремонт бортовой подсистемы компьютера. После запуска включилась система ориентации. Вскоре выяснилось, что она работает «нештатно». Были трудности и 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 года, на первом этапе его пути. «Вояджер-2» был потерян.

Связь аппарата с Землей велась посредством двух радиопередатчиков, каждый из которых для надежности дублировался. 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 радиосигнала обратно пропорциональна квадрату удаленности аппарата. С Нептуна сигнал был в 33 раза слабее, чем с Юпитера. Чтобы радиолуч не ушел с Земли, система ориентации аппарата должна была поддерживать направление на Землю с точностью до нескольких угловых минут. Есть сложности и на Земле: сантиметровое излучение сильно поглощается дождем (и меньше облаками).

В 1981 году было принято решение дополнить миссию «Вояджера-2» сближением с Ураном, а в 1986 — с Нептуном. Эти сближения были включены в программу полета, и аппарат стали готовить к новым, более сложным задачам. В какой-то мере это был риск, так как вероятность надежной работы КА на последующие 5 лет в 1981 году оценивалась в 60–70 %. С другой стороны, его эксплуатационные характеристики, как ни странно, улучшились.

За прошедшие после запуска годы вошли в строй новые 34-метровые антенны, а огромные 64-метровые чаши в США, Испании и Австралии наращены до 70 м. Со времени запуска существенно продвинулась прикладная математика и появилась возможность усовершенствовать технику сжатия данных на борту аппарата, для чего понадобилось полностью перепрограммировать бортовой компьютер с помощью радиокоманд. Кстати, этот процесс не всегда проходил гладко.

Чем планета дальше, тем больше о ней хотят узнать ученые. У Юпитера и Сатурна информация перед радиопередачей на Землю кодировалась и сжималась так, что исходный ее объем почти не увеличивался. Но при сближении с Ураном и Нептуном ученые перешли на более мощное кодирование Рида — Соломона, которое позволяет сжать информацию в несколько раз, но несет в себе некоторый риск потери точности.

Оставалось всего шесть дней до сближения с Ураном, когда 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 (пиксел — это один элемент, одна точка изображения). Результат оказался тот же. Другая группа подготовила новое задание аппарату: прочесть и передать на Землю все, что он записал в память. Прошло много часов, но наконец ответ был получен.

Сравнение показало, что среди многих килобайтов программы в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещен единицей. Ответ «Вояджера-2» на запрос с Земли показал, что перевести эту ячейку в нулевое состояние не удается. Тогда программисты так переписали эту часть программы, чтобы дефектный триггер не вызывал искажений. За четыре дня до сближения программа была послана на борт. Телеметрическая информация стала поступать без искажений.

Интересно, что подготовленные для «Вояджера-2» решения после лабораторных испытаний опробовались на «Вояджере-1» и только потом включались в программы «Вояджера-2».

Очень большие сложности вызывала телевизионная съемка Нептуна, особенно его темных спутников. Еще при сближении с Ураном инженеры сетовали на недостаточную освещенность планеты и спутников. Телевизионная съемка при низкой освещенности с быстро летящего аппарата приводит к искажениям реальной формы небесного тела. «Это все равно, что в сумерки фотографировать кусок угля на черном фоне», — сказал один из участников эксперимента.

В самом деле, освещенность от Солнца на Уране в 370 раз ниже, чем на Земле. Но на Нептуне она уже в 900 раз ниже! Единственная возможность получить нормальное изображение — это, как знает каждый фотограф, увеличить длительность экспозиции. Для Нептуна она составляет 15 секунд и больше, а для темных спутников и колец — от 2 до 10 минут. Но увеличить экспозицию было не так-то просто.

Скорость аппарата близка к 16 км/с, а относительно Нептуна и Тритона — еще больше. Поскольку аппарат проходил близко от них — 3900 км от облачного слоя над Северным полюсом Нептуна и 39 000 км от Тритона, длительная экспозиция неизбежно привела бы к смазыванию изображения. Такой же результат дает работа двигателей системы ориентации, исправляющих небольшие отклонения «Вояджера-2» от заданного положения. Импульсы от двигателей слегка покачивают аппарат.

Как удалось специалистам преодолеть эти сложности? Прежде всего была вдвое сокращена длительность импульсов включения верньерных двигателей системы ориентации. Оказалось, что и таких укороченных импульсов для ориентации достаточно, а покачивания аппарата значительно уменьшились.

Во время экспозиции включение двигателей запрещено. Кроме того, включение и выключение лентопротяжного механизма запоминающего устройства (магнитофона) разрешается только вместе с включением верньерных двигателей. Все это привело к тому, что во время накопления экспозиции телевизионными камерами дрейф положения осей аппарата стал в 10 раз медленнее движения часовой стрелки. В дальнейшем, по мере приближения к Нептуну, этот дрейф удалось уменьшить еще в 2,5 раза.

Для устранения смазывания изображения камеры медленно поворачиваются за объектом съемки так, чтобы компенсировать его относительное движение. Точность приводов платформы для этого недостаточна, поэтому ее выставляют в нужное положение и фиксируют, а далее за объектом съемки медленно поворачивается весь аппарат. Составленное из полученных таким образом кадров мозаичное изображение получается забавно искаженным, как у спутника Нептуна Миранды. Конечно, она имеет форму сферы, а не яйца. Такие искажения легко устраняются.

Благодаря всем принятым мерам при сближении с Нептуном удалось избежать длительных перерывов в передаче научных данных на Землю, как это было при сближении с Ураном.

 

ДАЛЬШЕ — ТОЛЬКО ЗВЕЗДЫ

 

Как заключительный аккорд аппарат передал изображение Тритона. Необычный вид поверхности спутника, по-видимому, связан с обнаруженным на нем новым типом вулканизма (вероятно, водно-ледяного). И это при температуре 37 °К (-236 °C)!

Впереди — миллионы лет полета. После встречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперь его полет проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. А «Вояджер-1» поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°).

Чего ожидают ученые от дальнейшего их полета и что произойдет с самими аппаратами в будущем? Из научных исследований «Вояджеров» на первом месте — ожидаемое пересечение гелиопаузы (границы между межзвездной и солнечной плазмой). Как известно, солнечный ветер имеет скорость около 400 км/с. Где его динамический напор уравновешивается межзвездным магнитным полем, пока никто не знает, но предполагается, что гелиопауза будет пересечена примерно в 2012 году. Так закончилась ли миссия «Вояджера-2»?

Плазменный комплекс останется работоспособным до 2015 года. Целый ряд приборов — телевизионный и спектрофотометрический комплексы — выключится навсегда, кроме ультрафиолетового спектрометра, который будет применяться для исследования звезд и галактик. Будут продолжены плазменные исследования и исследования космических лучей.

Сокращены и сами программы компьютеров. В их память закладываются фиксированные программы, которые для простоты будут вызываться просто по номеру.

Энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы аппарата по минимальной программе примерно до 2025 года, когда мощность упадет до 240 Вт. Топливо не будет представлять проблемы, а коррекции траектории в межзвездной фазе полета не предусмотрены.

Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с увеличением расстояния Солнце становится все более тусклым. Тогда направленный радиолуч уйдет с Земли и аппарат умолкнет. Это может произойти к 2030 году. Если скорость передачи снизить до 43 бит/с, прием сигналов на Земле будет возможен до 2015 года с антенной 34 м и до 2030 года — с 70-метровой антенной. Инженеров беспокоит, что основная генераторная лампа свой ресурс уже выработала, передатчик перешел на резервную. Замены для нее уже нет. А дальше…

В 8571 году аппарат будет на расстоянии 0,42 светового года от Солнца и в 4 световых годах от звезды Барнарда. В 20319 году он пройдет на минимальном расстоянии — 3,5 светового года — от звезды Проксима Центавра. В 296036 году «Вояджер-2» подойдет к Сириусу на расстояние 4,3 светового года. Почти через миллион лет он уйдет от Солнца на расстояние 47,4 светового года…