Министерствообразования и науки Украины
НациональныйУниверситет им. Т. Г. Шевченко
Физическийфакультет, кафедра астрономии
Реферат
Тема:
Дальше– только звёзды (ополёте «Вояджера-2»)
Подготовил: студент V курса
Группа 114 АФ
Коломиец В. П.
Киев2010
План
Вступление
1. «Большой тур» и Вояджер
2. Домашнее хозяйствоаппарата
3. Как «Вояджер-2»был потерян, но ненадолго
4. Продлённая миссияВояджера-2: Уран и Нептун
5. Впереди миллионылет полёта
6. Посланиенеизвестному адресату
Приложения
Литература
Вступление
Вавгусте 1989 г. сближением «Вояджера-2» с Нептуном завершиласьпланетная часть миссии «Вояджер». Еще один таинственный мир изсемейства газожидких планет предстал на телевизионных экранах.
Проект «Вояджер»по продолжительности и продуктивности — 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».Четыре раза поток научных данных возрастал до пределов, которые аппарат еще способенбыл передать на Землю.
Расстояниядо планет-гигантов так огромны, что даже современные средства наземнойастрономии оказываются бессильными перед этой беспредельной далью. Нокосмический аппарат «Вояджер-2» через 12 лет полета сумел достичьНептуна, удаленного от Земли в 30 раз дальше, чем Солнце.
Автоматыисследуют Солнечную систему. Их полеты напоминают путешествия в начале историигеографических открытий, когда человек впервые поверил в свою способностьпреодолевать безмерную, казалось бы, ширь земных океанов. Прошли века. И пустьтеперь, как писал И. Ефремов, беззаботные молодые люди за штурваломсверхзвукового самолета «преодолевают эти расстояния за время,недостаточное для совершения обряда утреннего омовения», но величиеподвига мореплавателей прошлого не меркнет до сих пор. Вероятно и наши, нестоль уже далекие потомки шутя будут преодолевать расстояние до орбиты Нептуна,откуда даже радиосигнал «Вояджера-2» шел более четырех часов.Вероятно, они будут знать задворки Солнечной системы не хуже отдаленных уголковЗемли. И все же последняя четверть XX века навсегда останется одной из самых ярких эпох осознания человекомустройства и природы Солнечной системы и своего в ней места.
Конечно,было бы наивно думать, что полет двух «Вояджеров» позволилсколько-нибудь глубоко разобраться в процессах, происходящих в недрах газожидких гигантов. Это еще впереди. Ноуверенно сделаны первые шаги, и теперь в руках ученых вместо шатких гипотез (аиногда и просто домыслов) оказались твердые факты. Развитие науки все ускоряется. Вряд ли кто-либо из учителейастрономов-планетчиков моего поколения мог предположить, что их студентамвыпадет не только увидеть обратную сторону Луны и работающих на Лунекосмонавтов, но и поверхность спутников самых далеких планет. С моментаоткрытия в 1846 г. Нептун не завершил еще и одного оборота вокруг Солнца. В1949 г. известный исследователь планет Г. Койпер открыл спутник НептунаНереиду. В 1989 г. его бывший студент К. Саган участвовал в исследованиях Нереидыс борта «Вояджера-2». В этой статьекоротко рассказывается об истории проекта «Вояджер», о самихаппаратах и некоторых их приключениях. Научным итогам миссии посвящаются другиестатьи, поэтому основные научные результаты, полученные в исследованияхЮпитера, Сатурна, Урана и их спутников, вынесены в приложение.
1.«Большой тур» и Вояджер
«Вояджер-2»был запущен к Юпитеру с космодрома космического центра им. Кеннеди 20 августа1977 г. ракетой «Титан ЗЕ-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 4месяца раньше «Вояджера-2», который сблизился с Юпитером 9 июля тогоже года.
Аппараты«Вояджер-1» и «Вояджер-2» были созданы в лабораторииреактивного движения (JPL)НАСА. Интересна предыстория их разработки. Идея проекта «Большой тур»впервые появилась в конце 60-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемыхаппаратов к Луне и аппаратов «Пионер» к Юпитеру. Работы по проекту «Большойтур» 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 этасумма утверждена не была.
/>Идея проекта заключалась в последовательномоблете каждым из намечавшихся аппаратов нескольких планет. На рубеже 70-х и80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узкомсекторе Солнечной системы («парад планет»). Последний раз такое «собрание»проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра делало возможнымперелет аппарата от одной планеты к другой за относительно короткое время. Безтакого маневра полет, например, к Нептуну, продолжался бы на 20 лет дольше, аизменение направления полета потребовало бы немыслимого расхода горючего. Сутьманевра заключается в том, что при движении аппарата в гравитационном поле воздействующеена него притяжение планеты несколько изменяет его траекторию. Необходимая дляэтого энергия заимствуется у планеты и, по закону сохранения, добавляется ккинетической энергии аппарата. Впервые астрономы поняли физику этого явленияеще в XIX в., наблюдая, как сильно изменяютсяорбиты комет под действием массивного Юпитера. В 1989 г., ровно сто лет назад,французский ученый Франсуа Тиссеран проанализировал проблему и создалсоответствующий математический аппарат, позволяющий рассчитать орбиты кометы дои после возмущения. В эпоху планетных исследований гравитационный маневр многораз использовался для управления движением аппарата. Так, аппарат «Маринер-10»был выведен на орбиту сближения с Меркурием после гравитационного маневра уВенеры; прямой вывод аппарата на такую орбиту невозможен. В последнее время этотметод настолько разработан, что его используют даже для разгона аппарата. Самыйяркий пример — аппарат «Галилей», который был запущен в США в октябре1989 г. для исследований Юпитера. Однако после запуска аппарат был направлен нек Юпитеру, а к Венере. После маневра в ее поле тяготения в декабре 1990 г. онвернется к Земле для следующего маневра. Но и это еще не все. В октябре 1991 г.он сблизится с астероидом Гаспри (названным в честь поселка Гаспра вблизи Симеизскойобсерватории 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 полетааппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалосьочень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат проходитслишком далеко от планеты, излом его траектории оказывается слишком малым, аесли очень близко — аппарат может даже развернуться на 180°. Поэтому в проектеВояджер выбор расстояния в сближении с планетой относился к самым ответственнымоперациям.
Вероятно,в будущем гравитационный маневр будет использоваться и в звездной навигации. Стаким предложением недавно выступил молодой советский ученый Владимир Сурдин.Интересно, что идея этого маневра приходила в голову многим людям, даже далекимот науки. В 1939 г. его описал писатель фантаст Лестердель Рей.
Такимобразом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но идает 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 посещенияпяти внешних планет миссия «Большой тур» потребует несколькихаппаратов: два в 1976—1977 гг. должны были быть направлены последовательно кЮпитеру, Сатурну и затем — к Плутону (рис. 2). Кстати, выбор времени сближенияс Плутоном был критичным как никакой другой: орбита Плутона значительнонаклонена к эклиптике, а полет с выходом из плоскости эклиптики представляетзадачу сложную и дорогостоящую. Два других аппарата в 1979 г. намечалосьпослать к Юпитеру, Урану и Нептуну. Рассматривался даже вариант с пятьюаппаратами.
Однакобюджетные ограничения вскоре заставили изменить, а затем и существенно урезатьпроект. Лунная экспедиция «Аполлон» обошлась слишком дорого, и проект«Маринер — Юпитер — Сатурн-77», в дальнейшем переименованный в «Вояджер»,оказался намного скромнее «Большого тура». Стоимость проектасоставила 250 млн долларов, или 1/3 намечавшейся стоимости «Большого тура».(На сегодня все расходы по проекту, в которые входят ракеты запуска, весьназемный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном,составили 865 млн долларов.) Новый вариант уже не предусматривал ни такихсложных и многочисленных аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона.
/>
«Вояджер»представляет собой довольно крупное сооружение (рис. 3). Это — высокоавтономныйробот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетнымидвигателями, компьютерами, системой радиосвязи, управления и научными приборамидля исследования внешних планет. Масса аппарата составляет 815 кг.
Ограничениезадач позволило значительно снизить требования к надежности компонентов истоимости не только бортового, но и наземного оборудования. В самом деле, длярадиосвязи на фантастические расстояния (орбита Нептуна — 30 а. е., или 4,5млрд км от Земли) требовалось создать сеть гигантских радиотелескопов, каждыйиз которых представляет очень дорогое сооружение. (Фактически, такая сеть быласоздана, но намного позднее.) Уже к моменту сближения «Вояджера-2» сУраном радиотелескопы с диаметром поворотной антенны 64 м для приема сигналовиз дальнего космоса были установлены в США, в Испании и в Австралии.
/>
Оставимпока вопрос о том, как «Вояджеру-2» удалось все-таки исследовать Урани Нептун и обратимся к рис. 4, 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 плотнуюатмосферу и представляющим особый научный интерес, аппарат прошел сравнительнонизко над южным полюсом Сатурна и круто изменил свою траекторию. Сближение сТитаном 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 (рис. 4).Как известно, планетных тел здесь нет.
«Вояджер-2»достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 г. и провел исследованияпланеты и ее многочисленных спутников. После гравитационного маневра вплоскости эклиптики он был направлен к Урану. Сближение с Ураном произошло 24января 1986 г. Снова исследования планет и спутников, снова маневр. 24 августа1989 г. аппарат достиг «последней остановки» — Нептуна. ПодобноТитану у Сатурна, спутник Нептуна Тритон давно привлекает вниманиеисследователей. Последний маневр «Вояджера-2» позволил исследоватьТритон (который, как выяснилось, того стоил). Теперь «Вояджер-2» тожеуходит из Солнечной системы (но в направлении, другом, чем «Вояджер-1»).
Несколькослов о научном оснащении аппаратов. Научный комплекс «Вояджеров»позволил (в принципе) одновременно проводить 11 научных экспериментов.
На рис.2 показано научное оснащение аппаратов. Это установленные на поворотнойплатформе «широкоугольная» (поле около 3°) и «узкоугольная»(0,4°) телевизионные камеры с объективами, фокусные расстояния которых 200 и500 мм соответственно. Камеры имеют высокую четкость (800 строк); в нихиспользуются специальные видиконы с памятью. Считывание одного кадра требует 48 с. (Теперь в таких камерах ставятПЗС-матрицы.) При 8-разрядном кодировании один кадр содержит 5,12 Мбитинформации. С Сатурна «Вояджер-2» передавал 1 кадр за каждые 3минуты.
Наплатформе установлены также спектрометры, инфракрасный и ультрафиолетовый, ифотополяриметр. Инфракрасный прибор (спектроинтерферометр), рассчитанный надиапазон от 4 до 50 мкм предназначен для исследования химического состава иструктуры атмосфер планет-гигантов и Тритона. Ультрафиолетовый спектрометрдиапазона 50— 170 нм регистрирует, главным образом, излучение атомов сотносительно высокими энергиями. Фотополяриметр (который работал только на «Вояджере-2»)передавал информацию о физических свойствах аэрозолей атмосфер и поверхностиспутников.
/>
Вплазменном комплексе были детектор плазмы, детектор заряженных частиц низкихэнергий, детектор космических лучей. На борту имелись также магнитометрывысокой и низкой чувствительности и приемник плазменных волн. Кроме того, «бесплатнымприложением» к научному комплексу была радиосистема аппарата. Безкаких-либо специальных приборов, по характеру изменения радиосигнала призаходах аппарата за планету, определяются основные параметры атмосферынебесного тела.
Вприложениях I, II и IIIсуммированы основные итоги исследований Юпитера, Сатурна и Урана.
Такимобразом, двойная планета Плутон — это единственный из миров Солнечной системы,который пока не дождался земных гостей (и. по-видимому, уже не дождется до XXI в.). Заметим, что из-за большогоэксцентриситета орбиты Плутона до конца XX в. он будет находиться ближе к Солнцу, чем Нептун. Как видноиз схемы рис. 4, Плутон сейчас недостижим для обоих «Вояджеров».
2.Домашнее хозяйство аппарата
Почтивсе основные сведения о планетах-гигантах и их спутниках были либо получены,либо существенно обновлены в полетах «Вояджеров». Для этихисследований аппараты были оснащены достаточно эффективным набором научныхинструментов. Но наряду с научными инструментами, важную роль играли системысамого аппарата. Так, развитие космической технологии позволило решить одну из наиболее важныхпроблем — энергообеспечение аппарата. Чтобы подчеркнуть эту особенность, одиниз первых вариантов проекта даже имел специальное название — TOPS — «термоэлектрический аппаратдля внешних планет». Радиоизотопные термоэлектрические генераторыустанавливались и раньше как на советских, так и на американских космическихаппаратах, но для Вояджеров они имели особое значение. Если для спутников «малогокаботажа», предназначенных для исследования Меркурия, Венеры, Земли иМарса вполне достаточно фотоэлектрических (солнечных) батарей, то для далекихпланет, где низка плотность солнечной радиации, нужны другие источники энергии.На «Вояджерах» установлены три радиоизотопных термоэлектробатареи сэффективностью около 5 %, нагреваемые тепловыделяющими элементами из окисиплутония. Общая мощность такой батареи вначале составляла почти полкиловаттаэлектроэнергии, однако по мере распада плутония мощность падала (как тепловая,так и электрическая). Это сказывалось уже в период сближения с Ураном (когдамощность упала до 400 Вт) и создавало ограничения в выполнении научнойпрограммы; например, нельзя было проводить все эксперименты одновременно.
Естественно,не только энергетика определяет возможности аппарата. Множество систем, которыеназывают «служебными» (а чаще — просто «домашним хозяйством»),позволяют аппарату вести самоконтроль, управлять своим положением, рассчитыватьсвои 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 ихфункции входит контроль состояния научных приборов и управление ими, сбор иредактирование научной информации перед радиопередачей ее на Землю, контроль иуправление положением аппарата и многие другие задачи. Главным достоинствомуправляющего комплекса «Вояджера», как выяснилось в многолетнемполете, оказалась необычайно гибкая программа, которая не только допускаларадикальные изменения в исследовательских планах или в принципах обработкипоступающей научной информации, но позволяла также обойти неизбежно возникающиево время длительного путешествия неисправности то в в одном, то в другом измногочисленных узлов аппарата, включая даже сами компьютеры. Кстати, в бортовойвычислительной машине «Вояджера-1» отказала одна из систем памяти, новыполнению научных задач это не помешало.
Правильноеположение аппарата в пространстве определяет возможность радиосвязи с Землей,так как большая параболическая чаша его антенны диаметром 3,65 м жесткоскреплена с аппаратом (см. рис. 3). Во время радиосвязи она должна быть точнонацелена на Землю. Компьютеры «узнают» положение аппарата с помощьюдатчиков Солнца и звезд, которые также используются для навигации. Но этогонедостаточно. Необходимо знать положение аппарата на небесной сфере.Разумеется, увидеть аппарат с Земли невозможно, но вместо этого можноиспользовать телевизионные снимки, получаемые с самого аппарата передсближением с небесным телом. На них планета и ее спутники видны на фоне звезд сизвестными координатами. После обработки телевизионных изображений положениеаппарата удается определить с очень высокой точностью. Например, у Уранапогрешность такого определения составляла 20—25 км. Этот метод называетсяоптической навигацией. Очень высокую точность дает радионавигация. Для этогометодами радиоинтерферометрии по регистрации сигнала радиопередатчка аппаратаопределяется его положение на небе относительно «маяков Вселенной»—квазаров.
Аппаратможет, при необходимости, изменить свое положение. Для этого он оснащен малымиракетными двигателями (двигателями малой тяги, или верньерными двигателями).Двигатели работают на гидразине, который хранится в топливном баке (см. рис.3). Небольшое, контролируемое компьютером количество жидкого гидразинапоступает на катализатор, который превращает его в газ, выбрасываемый из сопладвигателя. Реактивная тяга поворачивает аппарат. Топливо используется также втех случаях, когда необходима коррекция траектории аппарата. В целом, гидразинрасходовался так экономно, что после встречи с Ураном в топливном бакеоставалось еще около половины запаса (62 кг).
Интересноназвать 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 поддействием падающего на аппарат солнечного излучения и его собственноготеплового излучения. Наконец, это механические воздействия собственныхустройств аппарата (поворотной платформы). При сближении с Ураном и Нептуномприходилось исключать даже такие ничтожные воздействия, которые вызываловключение бортового магнитофона. С Земли удается с весьма высокой точностьюнайти скорость аппарата. Лучевая скорость (проекция скорости на линиювизирования) определяется по эффекту Доплера с точностью до 2 см/с при скоростиаппарата около 16 км/с. Чувствительность метода так высока, что, например,задолго до сближения с планетой ученые поняли, что принятую массу Урана, заложеннуюв расчеты, необходимо увеличить на 0,3 %, чтобы привести расчеты в соответствиес наблюдаемыми доплеровскими приращениями.
Вверхней части рис. 3, на решетчатой ферме показана поворотная платформа. На нейнаходятся оптические приборы, включая обе телевизионные камеры. Платформапозволяет направлять приборы в сторону исследуемой планеты, не поворачивая самаппарат. Она прекрасно работала до сближения с Сатурном. Но в моментпересечения плоскости колец движение по одной из двух ее плоскостей — азимутальной— внезапно прекратилось. Аппарат в это время не был виден с Земли и находилсядалеко от кольца, поэтому было маловероятно, что платформу повредили частицыкольца. После выхода из-за планеты намечалась съемка южного полушария Сатурна,а также получение мозаичных, из множества отдельных снимков высокогоразрешения, изображений поверхности спутников Тефии и Энцелада. К сожалению,эту часть программы выполнить не удалось, а когда, после нескольких днейнапряженной работы специалистов, платформа стала понемногу реагировать нарадиокоманды, было уже поздно. Впрочем, потеря была относительно невелика, нопроблема 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?
Чтобыпонять, в чем неисправность, в JPLбыли срочно изготовлены 86 (!) макетов силового привода платформы, на которых ипровели всесторонние исследования. Выводы были обнадеживающие: причинойзаклинивания оказалась большая нагрузка, которая пришлась на платформу в работеу Сатурна, и неисправность можно устранить (хотя в дальнейшем с платформойследует обращаться поаккуратней). Предусмотрели и аварийную программу, но онатак и не понадобилась.
Захорошую работу надо хорошо платить. «Во-яджер-2» хорошо поработал вСолнечной системе. Его телевизионные камеры оказались лучше, чем у «Вояджера-1».Но и хлопот он доставил немало, начиная от старта. Перед запуском потребовалсяремонт бортовой подсистемы компьютера. После запуска включилась системаориентации. Вскоре выяснилось, что она работает, как любят говорить советскиеспециалисты, «нештатно». Имелись трудности со штангой, на которойнаходится платформа (см. рис. 3), — ее сначала не удавалось развернуть. Словом «Вояджер-2»оказался с характером. Постепенно его приводили в порядок, но самая большаянеприятность произошла на борту аппарата весной 1978 г., на первом этапе егопути.
3. Как «Вояджер-2»был потерян, но ненадолго
Связьаппарата с Землей ведется посредством двух радиопередатчиков с частотами 2295МГц (длина волны 13,1 см) и 8418 МГц (3,56 см). Каждый из них для надежностидублирован. Мощность каждого передатчика очень невелика, всего 23 Вт. Этопримерно равно мощности переносной автомобильной лампы. Вся эта мощность,благодаря большой антенне, собирается в остронаправленный радиолуч и посылаетсяна Землю. Мощность принимаемого здесь радиосигнала обратно пропорциональнаквадрату удаленности аппарата. С Нептуна сигнал был в 33 раза слабее, чем сЮпитера. 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 1,22λ/D. (Образуемое таким лучом пятно на уровне орбиты Земли превышает 50 млн. км длясантиметрового передатчика.) Поэтому легко видеть, что мощность принимаемогосигнала будет обратно пропорциональна квадрату длины волны передатчика. Ноздесь возникает другая трудность: чтобы радиолуч не ушел с Земли, системаориентации аппарата должна поддерживать направление на Землю с точностью внесколько угловых минут. Есть сложности и на Земле: сантиметровое излучениесильно поглощается дождем (и меньше — облаками).
Радиосистема«Вояджеров» передавала поток информации со скоростью 115,2 кбит/с сЮпитера и 45 кбит/с с Сатурна. Ниже мы остановимся на некоторых ухищренияхинженеров, позволивших «обмануть природу» и передавать по этомуканалу с Нептуна в 3—4 раза больше информации, чем намечалось вначале. Носначала об одной истории, которая показывает, что несущественных компонентов наборту космического аппарата не бывает.
Далеконе самые сложные устройства на борту «Вояджеров» — командныеприемники. Они принимают и декодируют (расшифровывают) поступающие с Землирадиокоманды. По существу, это «уши» аппарата. Приемников два, основнойи резервный. Впрочем, если бы инженеры JPL заранее знали, что ожидает «Вояджер-2» вполете, они, наверное, поставили бы и четыре. Все началось с того, что послеочередного сеанса радиосвязи операторы забыли послать на борт специальнуюкоманду, предназначенную для самого приемника. Через длинную цепьпричинно-следственных связей это привело к выходу приемника из строя.Неожиданно обнаружилось, что и переход на резервный приемник не даетрезультата. Аппарат оглох. На решение проблемы были брошены лучшие специалисты— ведь дело шло к фактической потере аппарата. И вот, после длинной серииэкспериментов удалось установить, что аппарат все-таки что-то слышит, но слышитодну-единственную «ноту». На все остальные частоты, посылаемыеназемным передатчиком, он не реагирует, в том числе и на те, на которые онрассчитан. Удалось выяснить, что у резервного командного приемника из-заповреждения конденсатора не работает автоматическая подстройка частотыгетеродина — несложный, но очень важный электронный узел. Дело в том, чточастота сигнала,принимаемого аппаратом с Земли, постоянно меняется из-за доплеровских сдвигов,достигающих очень больших значений. Без автоматической подстройки приемник можетпринимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляетменее 1/1000 нормального ее значения. Даже доплеровские сдвиги от суточноговращения Земли превышают ее в 30 раз. Оставался единственный выход из положения— каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраиватьназемный передатчик так, чтобы, после всех сдвигов, сигнал как раз попадал вполосу пропускания приемника. Это и было сделано — компьютер теперь включен в контурпередатчика. И так — все 12 лет полета. Продолжительность ежедневной связи саппаратом составляет от 8 до 16 ч, а в сближениях связь идет круглосуточно. Кстати,сигналы на аппарат обычно посылает 400-киловаттный передатчик в Голдстоуне сего 64-метровой (теперь 70-метровой) антенной. Специалисты JPL рассказывают, что время от времениаппарат теряет сигнал и снова «глохнет» на несколько дней. Но естьлюди, которые каким-то «шестым чувством» угадывают, на какую частотуушел приемник. Положение осложняется тем, что кроме доплеровских сдвигов нанастройку приемника сильно влияет температура аппарата, которую приходитсяконтролировать очень тщательно: от ее изменения на четверть градуса настройка уходитна 100 Гц. Есть и другие факторы, старение деталей, например. И все-таки ни односближение не было потеряно! Впрочем, в памяти бортового компьютера находитсяеще одна «аварийная» программа, которая предписывает аппарату думатьсамому, если такое случится. В сближении с Нептуном на консультации с Землей временине оставалось: время распространения радиосигнала «туда и обратно»составляло 8,2 ч.
4. Продлённаямиссия Вояджера-2: Уран и Нептун
В 1981г. было принято решение дополнить миссию Вояджера-2 сближением с Ураном, а в1986 —с Нептуном. Эти сближения были включены в программу полета и аппаратстали готовить к новым, более сложным задачам.
Вкакой-то мере это был риск, так как вероятность его надежной работы на последующие5 лет в 1981 г. оценивалась в 60—70 %. С другой стороны, эксплуатационныехарактеристики аппарата, как ни странно, улучшились. За прошедшие после запускагоды вошли в строй новые 34-метровые антенны, а огромные 64-метровые чаши вСША, Испании и Австралии наращены до 70 м. В результате при той же надежностирадиолинии скорость передачи данных с Нептуна удалось увеличить с 4,6 до 30кбит/с (для повышения надежности использовалась скорость 21,6 кбит/с).Фактический выигрыш был намного больше. Со времени запуска существеннопродвинулась прикладная математика, что позволило усовершенствовать технику «сжатияданных» на борту аппарата, для чего понадобилось полностьюперепрограммировать бортовой компьютер с помощью радиокоманд. Кстати, этотпроцесс не всегда проходил гладко. Чем планета дальше, тем больше о ней хотятузнать ученые. Объем информации входит в противоречие с ее достоверностью. Нонадежность данных можно увеличить только увеличивая избыточность информации. УЮпитера и Сатурна информация перед радиопередачей на Землю кодировалась исжималась так, что исходный ее объем почти не увеличивался. Но в сближении сУраном и Нептуном ученые перешли на более мощное кодирование Рида — Соломона,которое позволяет сжать информацию в несколько раз, но несет в себе некоторыйриск.
Оставалосьвсего 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 точкаизображения). Результат оказался тот же. Другая группа подготовила новоезадание аппарату: прочесть и передать на Землю все, что он записал в память.Прошло много часов, но наконец ответ был получен. Сравнение показало, что средимногих килобайт программы в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещенединицей. Запрос с Земли и ответ Вояджера-2 показали, что перевести эту ячейкув «нулевое» состояние не удается. Тогда программисты так переписалиэту часть программы, чтобы дефектный триггер не вызывал искажений. За четыредня до сближения программа была послана на борт. Телеметрическая информация стала поступать безискажений.
Интересно,что подготовленные для «Вояджера-2» решения после лабораторныхиспытаний опробовались на «Вояджере-1» и только потом включались впрограммы «Вояджера-2».
Оченьбольшие сложности вызывала телевизионная съемка Нептуна, а особенно его темныхспутников. Еще в сближении с Ураном инженеры сетовали на недостаточнуюосвещенность планеты и спутников. «Это все равно, что в сумеркифотографировать кусок угля на черном фоне», — сказал один из них. В самомделе, освещенность от Солнца на Уране в 370 раз ниже, чем на Земле. Но наНептуне она уже в 900 раз ниже! Единственная возможность получить нормальноеизображение — это, как знает каждый фотограф, увеличить длительностьэкспозиции. Для Нептуна она составляет 15 с и больше, а для темных спутников иколец — от 2 до 10 мин.
Ноувеличить экспозицию было не так-то просто. Скорость аппарата близка к 16 км/с,а относительно Нептуна и Тритона — еще больше. Так как аппарат прошел близко отних, 3900 км от облачного слоя над северным полюсом Нептуна и 39 000 км отТритона, длительная экспозиция неизбежно приводила бы к смазыванию изображения.Такой же результат дает работа двигателей системы ориентации, исправляющихнебольшие отклонения «Вояджера-2» от заданного положения. Импульсы отдвигателей слегка покачивают аппарат.
Какудалось специалистам преодолеть эти сложности? Прежде всего, была вдвоесокращена длительность импульсов включения верньерных двигателей системыориентации. Оказалось, что и таких укороченных импульсов для ориентациидостаточно, а покачивания аппарата значительно уменьшились. Во время экспозициивключение двигателей запрещено. Кроме того, включение и выключениелентопротяжного механизма запоминающего устройства (магнитофона) разрешаетсятолько вместе с включением верньерных двигателей. Все это привело к тому, чтово время накопления экспозиции телевизионными камерами дрейф положения осейаппарата стал в 10 раз медленнее движения часовой стрелки. В дальнейшем, помере приближения к Нептуну, этот дрейф удалось уменьшить еще в 2,5 раза (0,2 угл. мин/с). Для устранениясмазывания изображения камеры медленно поворачиваются за объектом съемки такчтобы компенсировать его относительное движение. Точность приводов платформыдля этого недостаточна поэтому ее выставляют в нужное положение и фиксируют, адалее за объектом съемки медленно поворачивается весь аппарат.
/>
Составленноеиз полученных таким образом кадров мозаичное изображение получается забавноискаженным. Пример – показанное на рис. 5 изображение />спутника Нептуна Миранды. Конечно, она имеет формусферы, а не яйца. Такие искажения легко устранить обработкой.
Благодарявсем принятым мерам, при сближении с Нептуном удалось избежать длительныхперерывов в передаче научных данных на Землю, как это было при сближении сУраном.
Такзакончилась планетная миссия «Вояджера-2». Как заключительный аккорд,аппарат передал изображение Тритона (рис. 6). Необычный вид поверхностиспутника, по-видимому, связан с обнаруженным на нем новым типом вулканизма (вероятно— водно-ледяного). И это при температуре 37 К (—236 °С)!
5. Впередимиллионы лет полета
Послевстречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперьего полет проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. А «Вояджер-1»поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°). Что ожидают ученые отдальнейшего их полета и что ожидает аппараты в будущем? Из научных исследований«Вояджеров» на первом месте — ожидаемое пересечение гелиопаузы(границы между межзвездной и солнечной плазмой). Как известно, солнечный ветеримеет скорость около 400 км/с. Где его динамический напор уравновешиваетсямежзвездным магнитным полем — пока никто не знает, но предполагается, чтогелиопауза будет пересечена около 2012 г. Плазменный комплекс останется работоспособнымдо 2015 г. Целый ряд приборов выключается навсегда, — это телевизионный испектрофотометрический комплексы, — кроме ультрафиолетового спектрометра,который будет применяться для исследования звезд и галактик. Будут продолженыплазменные исследования и исследования космических лучей. Сокращены и самипрограммы компьютеров. В их память закладываются фиксированные программы,которые для простоты будут вызываться просто по номеру. Администрация NASA намерена сократить штат наземнойслужбы Вояджера с 200 до 40 человек. Технические возможности аппарата таковы.Энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы аппаратапо минимальной программе примерно до 2025 г., когда мощность упадет до 240 Вт.Топливо не будет представлять проблемы, а коррекции траектории в межзвезднойфазе полета не предусмотрены. Полноценное управление аппаратом можно будетвести до 2000 г. и даже позже. Проблемой может стать возможная потеря Солнцасолнечным датчиком, так как с большого расстояния Солнце становится все болеетусклым. Тогда направленный радиолуч уйдет с Земли и аппарат умолкнет. Этоможет произойти около 2030 г. Если скорость передачи снизить до 43 бит/с, приемсигналов на Земле будет возможен до 2015 г. с антенной 34 м и не менее, чем до2030 г. с 70-метровой антенной. Инженеров беспокоит, что основная генераторнаялампа свой ресурс уже выработала, передатчик перешел на резервную. Замены длянее уже нет.
/>
Адальше… В 8571 г. аппарат будет на расстоянии 0,42 светового года от Солнца ив 4 световых годах от Звезды Барнарда. В 20319 г. он пройдет на минимальномрасстоянии, 3,5 световых года от звезды Проксима Центавра. В 296036 г. «Вояджер-2»подойдет к Сириусу на расстояние 4,3 световых года. Почти через миллион лет онуйдет от Солнца на расстояние 47,4 световых года...
6. Посланиенеизвестному адресату
Навидном месте на «Вояджере» размещен золоченый диск с записьювсевозможной информации о Земле. К диску приложена инструкция по применению (вкартинках) и читающая головка. В двоичном коде сделаны необходимые разъясненияи указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. Вкачестве «мерной линейки» указана сверхтонкая структура молекулыводорода (1420 МГц). Вероятность столкновения с чем-либо в межзвездной средеочень мала, поэтому предполагается, что аппарат сможет лететь в неповрежденномсостоянии миллиарды лет. И если какой-либо цивилизации доведется егоперехватить (что весьма сомнительно), они получат послание от нас нынешних. Надиске записаны 118 цветных изображений ландшафтов Земли (и нас самих), 90 минутзаписей музыкальных шедевров, наука, код ДНК и другие сведения. 3/4 дисказанимают звуки, в том числе звуки поцелуя и извержения вулкана. На дискезаписано также обращение к НИМ Д. Картера, который в 1977 г. был президентомСША. Он говорит о том, чтоаппарат создан в США, стране с населением 240 млн человек среди 4-миллиардногонаселения Земли. Человечество, говорит он, все еще разделено на отдельные нациии государства, но страны быстро идут к единой земной цивилизации. «Мынаправляем в космос это послание, — продолжает он. — Оно, вероятно, выживет втечение миллиарда лет нашего будущего, когда наша цивилизация изменится иполностью изменит лик Земли… Если какая-либо цивилизация перехватит „Вояджер“и сможет понять смысл этого диска, — вот наше послание. Это—подарок отмаленького далекого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, нашамузыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить и ввашем. Мы надеемся, настанет день, когда будут решены проблемы, перед которымимы стоим сегодня, и мы присоединимся к галактической цивилизации. Эти записипредставляют наши надежды, нашу решимость и нашу добрую волю в этой Вселенной,огромной и внушающей благоговение».
ПриложениеI
Главныенаучные результаты сближения «Вояджеров» с Юпитером
1.Детальные изображения Юпитера показывают сложную динамику атмосферы смощными зональным ч течениями, до 300 км/ч. Большое Красное пятно представляетодиночный долгоживущий вихрь сложного характера и антициклоническогонаправления с повышенным давлением. В атмосфере присутствуют сверхмолнии.
2.Состав атмосферы: гелий 11 % (объемных), или 20% массы, почти всеостальное водород. Это очень близко к составу Солнца и подобных ему звезд.Подтверждено присутствие метана, аммиака, водяного пара и некоторых сложных молекул.
3.Магнитосфера Юпитера, самая протяженная в Солнечной системе, в 10 разбольше диаметра Солнца. Она содержит в основном ионы водорода, но присутствуюттакже ионы кислорода и серы, выбрасываемые, по видимому, со спутника Ио. Наорбите последнего находится более плотный плазменный тор, излучающийультрафиолетовые и радиоэмиссии. Ио связан сильными электрическими токами сионосферой Юпитера. Магнитное поле планеты имеет сложный характер. Максимальнаянапряженность поля достигает 12—14 Э (у полюсов).
4.Юпитер излучает в космос намного больше энергии, чем получает от Солнца.Источник — реликтовое тепло. Его мощность близка к 1018 Вт.
5.Обнаружено слабое кольцо Юпитера. Подробно исследованы галилеевы спутники. Ио имеет более десяти действующих вулканов, поверхность планеты состоит,по-видимому, из серы и диоксида серы. Спутник Европа (рис. 7) покрыт мощнойледяной корой, под которой, возможно, существует глобальный океан. Ганимед,самый крупный спутник в Солнечной системе, имеет развитую тектонику, подобнуютектонике плит Земли. По диаметру он больше Меркурия.
/>
7. Переданы 33тысячи изображений Юпитера и его спутников.
ПриложениеII
Главныенаучные результаты сближения «Вояджеров» с Сатурном
1. Атмосферные детали подобны наблюдаемым на Юпитере. Онипредставляют чередующиеся темные пояса и светлые зоны. Скорость на экваторедостигает 1500 км/ч. Имеется «овал», подобный Большому Красному пятнуна Юпитере. Обнаружены быстрые течения «ленточного» вида.
2.Состав атмосферы: 6%(объемных) гелия, почти все остальное — водород. Предполагается, что «недостающая»половина гелия утонула в ядре планеты, как более тяжелая составляющая. На это жеуказывает более мощное, чем у Юпитера, собственноетепловое излучение Сатурна. В числе малых компонентов атмосферы: аммиак, метан,фосфин, этан, ацетилен, метилацетилен и пропан.
3.Период вращения, найденный по периодичности радиошумов, составляет 10 ч 39 мин15 с. Магнитное поле несколько сильнее земного. Ось диполя почти параллельнаоси вращения планеты. Имеются северные сияния, а также мощные эмиссии вультрафиолете (в более низких широтах).
4. Шесть колец, известных еще до полета «Вояджеров»состоят из бесчисленных индивидуальных «колечек» (рис. 8).Наблюдались споки — особые образования на кольцах. Кольца обладают сложной,меняющейся динамикой. Обнаружены «пастухи» кольца F и других колец.
5. Открыты восемь новых спутников. Ранее известные спутникиСатурна состоят, в основном, из льда.
6. Спутник Титан с плотной азотно-метановой атмосферой имеетдиаметр 5150 км. В его атмосфере (и, по видимому, на поверхности) присутствуютгидрокарбонаты. Давление у поверхности около 1,5 бар, температура около 100 К.
/>
ПриложениеIII
Главныенаучные результаты сближения «Вояджера-2» с Ураном
1. Облачный слой Урана содержит очень мало контрастных деталей. Динамикаатмосферы образует зональные течения, симметричные относительно оси вращенияпланеты. Температуры полярного и экваториальных районов почти одинаковы (56 К).Это указывает на превалирующую роль внутренних источников энергии. Скоростьзональных течений очень высока. На широте — 70° наблюдалось течение прямогонаправления (в сторону вращения планеты) со скоростью 700 км/ч. Вблизи экватораотмечены ветры обратного направления, со скоростью до 300 км/ч.
2. Период вращения планеты, найденный по пульсации радиоизлучения, корочеимевшихся оценок и составляет 17 час 14 мин 24 с.
3. Магнитное поле Урана наклонено на 60º по отношению к оси вращения(если считать его дипольным), причем ось диполя смещена от центра на 1/3радиуса планеты. Напряженность поля близка к земной, но полярность обратная.
4.Планета обладает протяженной магнитосферой с радиационными поясами, восновном из ионов водорода и электронов. Из-за сложного характера вращения магнитосферыполе в пространстве постоянно меняет направление (эффект «штопора»),вращаясь с периодом планеты.
5. Обнаружено интенсивное так называемое «электросвечение»атмосферы на дневной стороне планеты и радиоизлучение с ночной стороны.Плотность экзосферы достигает 100 см-3 на уровне самого внешнегокольца.
6. Состав атмосферы: 15 % (объемных) гелия (в 2,5 раза больше, чем наСатурне); примерно 2% метана ниже верхнего слоя облаков; остальное — водород.Облачный слой находится на уровне давления 1,2 бар.
7. Получены первые изображения узких колец Урана. Обнаружены 2 новых слабыхкольца. Внешнее кольцо (эпсилон) состоит из крупных кусков, размерами более 10см.
8. Обнаружено 10 новых спутников. Размеры наибольшего из них более 170 км.Из пяти ранее известных спутников самым светлым является Ариэль, самым темным —Умбриэль. Самые большие спутники — Титания (1580 км) и Оберон (1516 км), самыймаленький — Миранда (472 км). Плотности их указывают на большую долю каменныхпород, чем у спутников Сатурна. Геологическая история и тектоника спутниковразличаются весьма сильно. Миранда (см. рис. 5) представляет собой тело снаиболее сложной для понимания историей.
Литература
1. Отчёт NASA JPL о полёте «Вояджер-2», 1980 г (перевод нарусский язык).
2. Н. В.Ксанфомалити. Прыжок во вселенную. М., «Наука», 1981.
3. Астрономическийкалендарь на 1991 год. М., «Наука», 1990.