История космических аппаратов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» началась 20 августа 1977 года с запуска «Вояджера-2». Воспользовавшись уникальным парадом планет-гигантов, происходящим раз в 175 лет, эти миссии совершили настоящую революцию в планетологии. Они превзошли все ожидания и сделали открытия, недоступные другим космическим аппаратам ни до, ни после. Среди их достижений — первое обнаружение молнии и вулканической активности за пределами Земли (на спутнике Юпитера Ио), открытие криовулканов, а также свидетельства существования подповерхностного океана на Европе. Аппараты обнаружили новые спутники у Сатурна, Урана и Нептуна, измерили рекордные параметры планет (скорость ветра, напряженность магнитного поля) и впервые достигли границ гелиосферы — защитного пузыря Солнца.
Конструкция и инженерные решения
На момент создания «Вояджеры» были вершиной инженерной мысли. Несмотря на то что сегодня их вычислительная мощность кажется смешной, они стали пионерами во многих технологиях. Впервые были массово применены меры защиты от радиации и электростатических разрядов, внедрена система автоматического управления и диагностики неисправностей. Аппараты первыми в космосе использовали коды Рида-Соломона для коррекции ошибок в передаче данных и технику объединения антенн в массивы для усиления сигнала. На создание двух станций ушло пять лет, труд около 150 инженеров и бюджет примерно в 200 миллионов долларов. Каждый аппарат состоит примерно из 65 000 деталей, а его бортовой компьютер содержит около 5 миллионов электронных компонентов.
Миссия «Вояджер» также стала драйвером развития наземной инфраструктуры. Сеть дальней космической связи NASA (Deep Space Network, DSN) была существенно модернизирована для работы с этими аппаратами. Эти усовершенствования затем использовались в countless последующих межпланетных миссиях, сделав «Вояджеры» в некотором смысле «крестными отцами» исследований внешней Солнечной системы.
Научные приборы, установленные на борту космического аппарата «Вояджер».
Система связи: мост на миллиарды километров
Ключевым элементом аппарата была остронаправленная антенна диаметром 3,66 метра, рассчитанная на работу в дальнем космосе. Она изготовлена из алюминиевого сердечника с покрытием из графита и эпоксидной смолы.
Связь осуществлялась в S- и X-диапазонах. Команды с Земли принимались на S-диапазон, а научные данные передавались назад на X-диапазоне с помощью ламп бегущей волны мощностью 9,4 Вт и 21,3 Вт. Изначально скорость передачи у Юпитера достигала 115,2 кбит/с, но по мере удаления аппаратов она падала. Для сближений с Ураном и Нептуном пришлось применять сжатие данных и дополнительные методы помехоустойчивого кодирования, чтобы компенсировать огромные расстояния и возросшее количество ошибок.
Энергия для вечного путешествия
Поскольку солнечные батареи на таком удалении от Солнца бесполезны, «Вояджеры» получили энергию от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). На каждом аппарате установлено три таких генератора, содержащих плутоний-238. На старте каждый РИТЭГ выдавал более 150 Вт электрической мощности (при тепловой мощности около 2,4 кВт).
Внешний вид радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ).
Схематическое устройство РИТЭГа.
Система ориентации и стабилизации
Для точного наведения антенны на Землю и научных приборов на цели использовалась система ориентации из 16 маломощных двигателей на гидразине (тяга каждого — всего 85 грамм). Ориентация в пространстве определялась с помощью трех высокоточных гироскопов, звездного и солнечного датчиков.
Остронаправленная антенна — «лицо» аппарата, всегда обращенное к Земле.
Бортовой компьютер: мощь эпохи
Вычислительная система «Вояджера» состояла из трех дублированных компьютеров, отвечавших за разные задачи: общее управление (CCS), формирование и передачу телеметрии (FDS) и управление ориентацией (AACS). Объем оперативной памяти составлял около 70 килобайт. Центральный процессор с тактовой частотой 250 кГц мог выполнять около 8000 операций в секунду. К моменту запуска память была практически полностью заполнена программным кодом, что создавало сложности при добавлении новых команд для исследований Урана и Нептуна.
Модуль системы полетных данных (FDS) — «мозг» для обработки научной информации.
Записывающее устройство: космический магнитофон
Для хранения данных перед их передачей на Землю использовался уникальный 8-дорожечный магнитофон с ременным приводом. Он записывал информацию на магнитную ленту длиной 328 метров. Его емкость составляла около 64 мегабайт — этого хватало, чтобы сохранить примерно 100 фотографий, сделанных телекамерами.
Цифровой магнитофон «Вояджера» — хранилище данных в глубоком космосе.
Научное оборудование: 11 глаз и ушей
На вращающейся платформе массой 103 кг было установлено 11 научных приборов общей массой 105 кг. В их числе:
- Две телевизионные камеры (широкоугольная и узкоугольная) для съемки планет и их спутников.
- Инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры для изучения атмосфер и температур.
- Оптический поляриметр.
- Детекторы плазмы, заряженных частиц низких энергий и космических лучей.
- Магнитометр для измерения магнитных полей.
- Приемник плазменных волн.
- Радиосистема для проведения экспериментов по радиопросвечиванию атмосфер.
Один из научных приборов — детектор заряженных частиц низкой энергии.
Золотые пластинки: послание внеземным цивилизациям
На каждом аппарате закреплена позолоченная медная пластинка с записью звуков и изображений Земли. Это послание потенциальным инопланетным цивилизациям включает музыку (Бетховен, Моцарт, народные мотивы), звуки природы, приветствия на 55 языках, фотографии людей, животных и пейзажей. На пластинке также указано местоположение Солнечной системы относительно 14 пульсаров и приведены инструкции по воспроизведению записи.
Лицевая и оборотная стороны «золотой пластинки» «Вояджера» с пояснениями.
Трудный старт и первые проблемы
Запуск осуществлялся самой мощной на тот момент американской ракетой Titan IIIE с разгонным блоком «Кентавр». Миссия едва не закончилась провалом в первые же дни. У «Вояджера-2» после отделения от ракеты-носителя отказала основная система ориентации, и аппарат начал беспорядочно вращаться. Резервная система смогла стабилизировать его лишь через 3,5 часа. Позже выяснилось, что одна из штанг с научными приборами раскрылась не до конца. «Вояджер-1» также столкнулся с проблемой: из-за утечки в ракете-носителе он недобрал расчетной скорости. К счастью, запаса топлива хватило, чтобы выйти на траекторию к Юпитеру, хотя и с меньшим запасом.
Один из первых снимков «Вояджера-1», на котором одновременно видны Земля и Луна (расстояние 11,66 млн км).
В 1978 году на «Вояджере-2» произошла серьезная поломка основного передатчика. Аппарат переключился на резервный, но тот тоже был поврежден. Связь удалось поддерживать лишь путем точнейшей подстройки частоты с учетом всех факторов, включая температуру приемника на борту.
Революция у Юпитера
Знаменитое Большое Красное Пятно Юпитера, сфотографированное «Вояджером-1».
В начале 1979 года «Вояджер-1» начал передавать снимки Юпитера, качество которых мгновенно превзошло все предыдущие наблюдения. Аппараты обнаружили активные вулканы на Ио, доказав, что геологическая активность возможна и за пределами Земли. Были открыты три новых спутника Юпитера и новое, тонкое кольцо. Снимки Европы показали удивительно гладкую ледяную поверхность, испещренную трещинами, что позже навело ученых на мысль о подледном океане.
Серия снимков Юпитера, сделанных «Вояджером-1» с января по март 1979 года.
Фотомозаика поверхности Ио, демонстрирующая его вулканическую активность.
Ледяная поверхность Европы, сфотографированная «Вояджером-2».
Загадки Сатурна и Титана
Сатурн, снятый «Вояджером-1» в октябре 1980 года.
В 1980-81 годах аппараты достигли Сатурна. Они обнаружили невероятно сложную структуру его колец, состоящих из тысяч отдельных «колечек». Спутник Мимас с гигантским кратером поразительно напоминал «Звезду Смерти» из «Звездных войн». Главной целью «Вояджера-1» был Титан. Пролет на высоте 6490 км показал, что этот спутник обладает плотной атмосферой, в которой, как предположили ученые, могут существовать озера из жидких углеводородов. После гравитационного маневра у Титана траектория «Вояджера-1» отклонилась от плоскости планет, и он отправился к границам Солнечной системы. «Вояджер-2» остался один, чтобы продолжить «Большое турне» к Урану и Нептуну.
Спутник Сатурна Мимас, своим видом напомнивший ученым космическую станцию из фантастического фильма.
Поверхность Титана, скрытая плотной оранжевой дымкой его атмосферы.
К окраинам системы: Уран и Нептун
К моменту подлета «Вояджера-2» к Урану в 1986 году наземные антенны DSN были объединены в сеть для усиления приема слабого сигнала. Аппарат открыл 10 новых спутников Урана и два новых кольца. Самым удивительным открытием стало магнитное поле планеты, которое было смещено относительно ее центра и наклонено на 60 градусов к оси вращения — уникальный случай в Солнечной системе.
В 1989 году «Вояджер-2» достиг Нептуна, пройдя на рекордно близком расстоянии в 5000 км от его облаков. Он обнаружил «Большое темное пятно» — гигантский шторм, аналогичный пятну на Юпитере, и измерил самые быстрые в Солнечной системе ветры — до 2400 км/ч. Были открыты 6 новых спутников и подтверждено наличие неполных колец («арок») вокруг планеты.
«Бледно-голубая точка» и уход в вечность
14 февраля 1990 года, по настойчивой просьбе астронома Карла Сагана, «Вояджер-1», уже удалившийся на 6 миллиардов километров, развернулся и сделал легендарный снимок Земли — крошечной «бледно-голубой точки» в лучах Солнца. Этот образ стал философским символом хрупкости и единства человечества в безбрежном космосе. После этого камеры аппаратов были навсегда отключены для экономии энергии.
«Семейный портрет» Солнечной системы, сделанный «Вояджером-1».
Знаменитая «Бледно-голубая точка» — Земля с расстояния около 6 миллиардов километров.
В 1998 году «Вояджер-1» обогнал «Пионер-10», став самым далеким рукотворным объектом. В 2004 и 2007 годах соответственно «Вояджер-1» и «Вояджер-2» пересекли границу ударной волны солнечного ветра (гелиосферу) и вышли в межзвездное пространство, продолжая передавать уникальные данные о этой неизведанной среде.
Графики измерений космических лучей, подтвердившие выход «Вояджеров» в межзвездное пространство.
Текущее состояние и будущее
Аппараты уже в 8 раз превысили расчетный срок службы (5 лет). Их скорость относительно Солнца составляет около 17 и 16 км/с. Мощность РИТЭГов снизилась примерно вдвое, но ее пока хватает для работы нескольких ключевых научных приборов: магнитометров, детекторов космических лучей, плазмы и заряженных частиц.
Команда проекта «Вояджер» в 2014 году.
Инженеры ведут постоянную борьбу за энергоресурсы, последовательно отключая системы и нагреватели, чтобы продлить научную работу. Ожидается, что последние приборы замолкнут примерно к 2030 году. После этого аппараты, превратившись в безмолвные памятники человеческому гению, будут вечно дрейфовать в галактике. Через 40 000 лет «Вояджер-1» пройдет в 1,6 световых годах от звезды Глизе 445, а «Вояджер-2» — в 1,7 световых годах от звезды Росс 248.
В конце 2023 года «Вояджер-1» начал передавать некорректную телеметрию из-за сбоя в системе FDS. Инженеры NASA до сих пор пытаются дистанционно диагностировать и устранить неисправность, что является невероятно сложной задачей на таком расстоянии и при таких технологических ограничениях.
Миссия «Вояджер» — это не просто полет длиною в жизнь. Это путешествие длиною в эпоху, которое кардинально изменило наше понимание места человечества во Вселенной и продолжает приносить открытия даже спустя почти полвека после старта.
https://se7en.ws/voyadzhery-polyot-dlinnoyu-v-zhizn/
Эта статья изначально была написана для Хабра, но на данный момент там недоступна. Автор: Денис Нильков, 2017.
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Вояджеры — полёт длиною в жизнь.