Ровно 40 лет назад, 5 сентября 1977 года, в космос запустили аппарат «Вояджер 1» . Хотя «Вояджер 1» запустили позже его побратима «Вояджера 2», он обогнал его и первым в истории вылетел за пределы Солнечной системы.

В годовщину запуска «Вояджера 1» мы рассказываем удивительные факты про него.

«Вояджер 1» все еще летит

Умер Леонид Брежнев, а «Вояджер 1» летел. Распался СССР, а «Вояджер 1» летел. Пришел и ушел Борис Ельцин, пришел Владимир Путин, а «Вояджер 1» все еще летит. При том что основная миссия космического аппарата должна была продлиться всего пять лет — предполагалось, что он пролетит рядом с Юпитером, Сатурном и его спутником Титаном, и потом перестанет передавать сигналы на Землю.

«Вояджер 1» пролетел расстояние, которое не укладывается в голове

Сейчас он находится на расстоянии около 20 миллиардов километров от Земли. Это как почти три миллиона раз слетать в Нью-Йорк из Москвы. «Вояджер 1» летит со скоростью около 60 тысяч километров в час, то есть то же расстояние до Нью-Йорка он бы преодолел за восемь минут.

«Вояджер 1» стал первым аппаратом, покинувшим Солнечную систему

В августе 2012 года космический аппарат вышел в межзвездную среду. Приборы космического аппарата фиксировали, что Солнце по мере отдаления воздействовало на него все слабее и наблюдали рост воздействия частиц межзвездного происхождения. Где сейчас находится аппарат, можно посмотреть в отдельном приложении NASA.

Радиосигнал до аппарата идет 19 часов

Ученые продолжают поддерживать связь с «Вояджером 1». Сигнал до космического аппарата сейчас идет 19 часов 20 минут и 51 секунду, и это время постоянно увеличивается. «Вояджер 1» передает информацию с тех приборов, которые все еще включены: магнитометра и детекторов заряженных частиц и космических лучей.

Другие приборы, в том числе камеры, отключены либо из-за выхода из строя, либо для экономии энергии.

«Вояджер 1» сфотографировал Землю с рекордного расстояния

В феврале 1990 года «Вояджер 1» передал на Землю одни из последних фотографий. Наибольшую известность получила та, которую стали называть «Бледное голубое пятнышко». На этом снимке Земля сфотографирована с расстояния в шесть миллиардов километров камерой, при помощи которой можно с 800 метров разглядеть заголовок в газете.

Земля — это маленькая точка на коричневой полосе.

На борту «Вояджера 1» — послание инопланетянам

К корпусу «Вояджера» прикреплена позолоченная пластинка, на которой записано послание для инопланетных существ. В частности, на ней есть приветствие на 50 языках. Кроме того, там записана классическая музыка, музыка разных народов мира, звуки природы.

Также для инопланетян на пластинку в аналоговой форме записали фотографии людей, Земли из космоса, самолета, автомобилей, нот и так далее.

Когда-нибудь «Вояджер 1» долетит до звезд

По расчетам ученых, через 40 тысяч лет он пролетит на относительно небольшом расстоянии от звезды AC+79 3888 в созвездии Жирафа. «Относительно» — это в космических масштабах. В действительности, Вояджер 1" пролетит в более чем в одном световом годе от этой звезды.

История миссии

«Вояджер » («Voyager») – проект по изучению дальних планет в Солнечной системе, осуществленный с помощью двух аппаратов, запущенных в 1977 году.

Аппараты «Вояджер-1 » и «Вояджер-2» были построены в Лаборатории реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory), эта миссия стала одним из самых успешных межпланетных исследований в последней четверти XX века, ведь спутники «Вояджер» впервые сделали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» стал первым космическим аппаратом, достигшим Урана и Нептуна. Землю отделяют от планет-гигантов расстояния, которые слишком велики для средств наблюдения Земли, поэтому полученные от Вояджеров данные и сейчас имеют большую научную ценность.

Планы миссии впервые появились в конце 1960-х годов, и поначалу планировалось изучить только Юпитер и Сатурн. Но благодаря удачному расположению планет-гигантов, выстроившихся в сравнительно узком секторе Солнечной системы (создав так называемый «парад планет»), стало возможно использовать гравитационные манёвры для достижения всех планет внешней Солнечной системы, за исключением Плутона, хотя официально исследование Урана и Нептуна так и не было предусмотрено программой миссии. После того, как успешного выполнения аппаратом «Вояджер-1» программы исследований Сатурна и его спутника Титана, было окончательно решено направить «Вояджер-2» к Урану и Нептуну, для этого пришлось скорректировать траекторию его полета, пожертвовав близким пролетом около Титана.

Научное оснащение аппарата

Каждый аппарат миссии «Вояджер» оснащен:

• Телевизионными камерами с чёткостью 800 строк, с использованием специальных видиконов с памятью. Для считывания одного кадра требуется 48 секунд.
• широкоугольной камерой (с полем около 3 градусов), фокусным расстоянием 200 мм;
• узкоугольной камерой (0,4 градуса), фокусным расстоянием 500 мм;
• Спектрометрами:
• Инфракрасным, с диапазоном от 4 до 50 мкм;
• Ультрафиолетовым, с диапазоном от 50 до 170 нм;
• Фотополяриметром;
• Плазменным комплексом:
• детектором плазмы;
• детектором заряженных частиц низких энергий;
• детектором космических лучей;
• магнитометрами высокой и низкой чувствительности;
• приёмником плазменных волн.

Энергооснащение аппарата

В аппаратах, работающих во внешней Солнечной системе, нельзя использовать солнечные батареи, так как на таком расстоянии поток солнечного излучения очень мал. Исключением стала , но следует понимать, что она была запущена в 2011 году и технологии фотоэлементов очень сильно продвинулись вперед.

Питание аппараты проекта «Вояджер» получают от трех радиоизотопных термоэлектрических генераторов, в качестве топлива в них применяется плутоний-238. В начале миссии их мощность составляла 470 Ватт при напряжении 30 Вольт постоянного тока. Плутоний-238 обладает периодом полураспада примерно 87,74 года, в результате генератор, работающий на этом изотопе теряет 0,78 % своей мощности за год. В 2006 году, спустя 29 лет с момента запуска, выходная мощность такого генератора должна равняться 373 Вт, то есть примерно 79,5 % от начальной. Также постепенно теряет эффективность биметаллическая термопара, конвертирующая выделяемое РИТЭГом тепло в электричество, что также приводит к уменьшению мощности.

Мощность РИТЭГов «Вояджера-1» и «Вояджера-2» по данным от 11 августа 2006 года уменьшилась до 290 Вт и 291 Вт. Это составляет около 60 % этого показателя при запуске, полученные данные лучше предполетных предсказаний.

Технические проблемы «Вояджера-2» и их решение

В связи с тем, что полет «Вояджера-2» продлился гораздо дольше, чем было предусмотрено, после пролета Юпитера перед учеными миссии встало множество технических проблем.

Наиболее значимые и успешно решенные проблемы «Вояджера-2»:

• выход из строя автоматической подстройки частоты гетеродина. Без автоматической подстройки приёмник может принимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляет менее 1/1000 нормального её значения. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышают её в 30 раз. Оставался единственный выход из положения - каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземный передатчик так, чтобы после всех сдвигов сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это и было сделано - компьютер теперь включен в контур передатчика.
• выход из строя одной из ячеек оперативной памяти бортовой ЭВМ - программу удалось переписать и загрузить так, что этот бит перестал влиять на неё;
• на определённом участке полёта применявшаяся система кодирования управляющего сигнала уже переставала отвечать требованиям достаточной помехозащищённости из-за ухудшения отношения сигнал/шум. В бортовую ЭВМ была загружена новая программа, осуществлявшая кодирование гораздо более защищённым 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 несколько раз в противоположные стороны позволили, в конце концов, разблокировать платформу;
• падение мощности питающих изотопных элементов потребовало составления сложных циклограмм работы бортового оборудования, часть которого начали время от времени отключать, чтобы предоставить другой части достаточно электроэнергии;
• незапланированное вначале удаление аппаратов от Земли потребовало многократной модернизации наземного приёмо-передающего комплекса, чтобы принимать слабеющий сигнал.

• Снимок Земли, сделанный космическим аппаратом «Вояджер-1» в 1990 году с расстояния в 6 млрд км (40 а. е.) от Земли

• В какой точке искать «Вояджер-1»

• Вояджер-1

• Диона, один из спутников Сатурна. Снимок сделан аппапартом «Вояджер - 1» 1 ноября 1980 года

• Положение аппаратов программы «Вояджер» в 2009 году

• Спутник Сатурна Рея. Снимок сделан аппапартом «Вояджер - 1» 12 ноября 1980 года

Послание Вояджера

К борту каждого «Вояджера» прикрепили круглую алюминиевую коробку, положив туда позолоченный видеодиск. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, её континентов, различные ландшафты, сцены из жизни животных и человека, их анатомическое строение и биохимическая структура, включая молекулу ДНК. Вместе с пластинкой в футляр упакованы фонографическая капсула и игла для воспроизведения записи. На футляре выгравирована схема, изображающая установку иглы на поверхности записи, скорость проигрывания и способ преобразования видеосигналов в изображение.

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 55 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, народная музыка многих стран.

На диске записано также обращение Картера, который в 1977 году был президентом США. Вольный перевод обращения звучит так:

«Этот аппарат создан в США, стране с населением 240 млн. человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество всё 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».

В 2015 году НАСА приняло решение выложить в интернет все звуки с золотой пластинки для зондов «Вояджеров». Ознакомиться с ними может любой желающий на сайте НАСА.

Аппараты покидают Солнечную систему

После встречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперь его полёт проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. «Вояджер-1» поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°). Аппараты навсегда покидают пределы Солнечной системы.

Технические возможности аппаратов таковы: энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы по минимальной программе примерно до 2025 года. Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с большого расстояния Солнце становится всё более тусклым. Тогда направленный радиолуч отклонится от Земли, и приём сигналов аппарата станет невозможным. Это может произойти около 2030 года.

Теперь из научных исследований программы Вояджер на первом месте - изучение переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой. «Вояджер-1» пересёк гелиосферную ударную волну (англ. termination shock) в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца. Информация, поступающая с «Вояджера-2», привела к новому открытию: хотя аппарат на тот момент ещё не достиг данной границы, но получаемые от него данные показали, что она асимметрична - её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная (вероятное объяснение - влияние межзвёздного магнитного поля). «Вояджер-2» пересёк гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84,6 а. е. Ожидается, что аппараты пересекут гелиопаузу примерно через 10 лет после пересечения гелиосферной ударной волны.

Космический аппарат «Вояджер-2», запущенный 20 августа 1977 года, пересёк в августе 2007 года границу Солнечной системы (точнее, гелиосферы). 10 декабря 2007 года NASA сообщило о результатах анализа данных, присланных «Вояджером».

На определённом расстоянии скорость солнечного ветра резко падает и перестаёт быть сверхзвуковой. Область (практически поверхность), в которой это происходит, называется границей ударной волны (termination shock или termination shockwave). Это и есть граница, которую пересекли «Вояджеры». Можно считать её границей внутренней гелиосферы. По некоторым определениям, гелиосфера здесь и кончается.

«Вояджер-2» подтвердил, что гелиосфера - не идеальный шар, она сплющена: её южная граница находится ближе к Солнцу, чем северная. Кроме того, аппарат сделал ещё одно неожиданное наблюдение: торможение солнечного ветра за счёт противодействия межзвёздного газа должно было бы приводить к резкому повышению температуры и плотности плазмы ветра. Действительно, на границе ударной волны температура была выше, чем во внутренней гелиосфере, но всё равно в 10 раз меньше, чем ожидалось. Чем вызвано расхождение и куда уходит энергия, неизвестно.

«С этими двигателями, которые все еще функционируют после 37 лет простоя, мы сможем продлить срок службы космического корабля «Вояджер-1» на два-три года», - заявила Сюзанна Додд, руководитель проекта «Вояджер» в Лаборатории реактивного движения NASA. Двигатели планируется использовать для корректировки ориентации аппарата, с тем чтобы его антенны были направлены на Землю. Сигнал к космическому аппарату шел 19 часов 35 минут.

Команда на запуск двигателей была дана во вторник, 28 ноября. О ее успешном выполнении ученые узнали на следующий день, когда получили ответ со станции. Для того чтобы выполнить эту процедуру, ученые изучили документацию на программное обеспечение аппарата, которое было написано на устаревшем к этому времени языке программирования.

МОСКВА, 20 авг - РИА Новости, Ольга Добровидова. Космический аппарат "Вояджер-2", который сейчас находится у границ Солнечной системы, отмечает 33-летие запуска - 20 августа 1977 года зонд начал свой путь к планетам-гигантам, Юпитеру и Сатурну, и одно из самых значительных путешествий в истории космических исследований.

Несмотря на почтенный для космического аппарата возраст и 13,8 миллиарда километров, отделяющих его от "родины", "Вояджер-2" не только передает на Землю научную информацию, но и периодически оказывается ньюсмейкером. Правда, поводы для этого вполне соответствуют образу "пенсионера": 22 апреля у зонда начались проблемы с передачей научной информации , из-за сбоя ученые не могли расшифровать данные.

Диагностика показала, что источником проблем стал сбой в одной из ячеек памяти бортового компьютера: значение в ячейке изменилось с нуля на единицу. Команда инженеров проекта отправила на аппарат команды перезагрузки 19 мая, и после подтверждения нормальной работы бортового компьютера "Вояджер-2" переключили в обычный режим.

Летом зонды-"близнецы", составляющие проект "Вояджер", прошли своеобразный рубеж "на подступах" к юбилеям запуска - 12 тысяч дней полета. "Вояджер-1", отставший от "брата" на две недели, отметит свое 33-летие 5 сентября.

Руководители проектной команды "Вояджеров" рассказали РИА Новости, чем "думают" и "дышат" аппараты, какие еще открытия могут ждать их впереди и будет ли НАСА высылать "погоню" за космическими долгожителями, которые сейчас являются самыми далекими от Земли действующими искусственными объектами.

Межпланетный вояж

Изначально Лаборатория реактивного движения (JPL) НАСА, управляющая проектом, планировала, что "Вояджеры" изучат Юпитер и Сатурн вместе с крупными спутниками этих планет. Исходя из такой программы, космические аппараты были рассчитаны на пять лет работы. Однако, как и в случае марсоходов "Спирит" и "Оппортьюнити" и множества других космических зондов, "Вояджеры" превзошли самые смелые ожидания создателей.

Вся миссия 1977 года была построена вокруг редкой расстановки Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, случающейся примерно раз в 175 лет. Положение планет позволило бы с минимальными затратами энергии и времени изучить их все. Однако создание такого аппарата сочли слишком дорогостоящим проектом, и "Вояджеры" нацелились лишь на Юпитер и Сатурн, говорится в исторической справке JPL.

Оба зонда добрались до Юпитера в 1979 году. "Вояджер-1" пролетел Сатурн в 1980 году, после чего траектория полета вывела его за пределы плоскости эклиптики, в которой движутся планеты Солнечной системы. Его "брат", пройдя Сатурн годом позже, оказался на пути к Урану. Выяснив, что аппарат сможет двигаться дальше с работающими инструментами, НАСА продлило миссию, и "Вояджер-2" оказался первым и пока единственным зондом, достигшим Урана и Нептуна.

После пролета Нептуна в 1989 году проект переименовали в "Межзвездную миссию Вояджер". Сейчас аппараты пересекли внутреннюю границу гелиосферы - так называемую границу ударной волны (termination shock). Впереди у "близнецов" гелиопауза, граница Солнечной системы, успешно пройдя эту "финишную ленточку", "Вояджеры" окажутся первыми зондами, работающими в межзвездной среде.

Анатомия героев

Сегодня у "Вояджеров", которых "снаряжали" для планов гораздо менее амбициозных, чем их нынешние достижения, отключена половина оборудования: работают лишь пять из десяти исходных инструментов. Зонды все еще могут изучать солнечный ветер, обнаруживать заряженные частицы низких энергий, измерять космическое излучение, напряженность и направление магнитного поля, а также "слушать" радиоволны. "Вояджер-1" при этом собирает и данные об ультрафиолетовом излучении, для чего ему пришлось "поступиться" наблюдениями за солнечным ветром.

Ограничивают размах ученых два фактора - источники энергии аппаратов и их электронная "начинка". Радиоизотопные источники питания "Вояджеров" работают на плутонии-238. При распаде плутония выделяется тепло, которое термоэлектрические элементы превращают в электричество. Постепенно мощность, генерируемая источниками питания, снижается, и инженерам приходится отключать второстепенные инструменты, экономя энергию для самых важных.

"Примерно в 2025 году энергии от источников питания будет хватать только на поддержку системы коммуникации, но не на научные инструменты", - сказал менеджер проекта "Вояджер" Эд Мэсси (Ed Massey).

Второе существенное ограничение - "мозги" аппаратов, запущенных в космос еще до создания первого персонального компьютера. Как пояснил Мэсси, на борту "Вояджеров" по шесть компьютеров, которые представляют три типа - компьютерную командную систему (Computer Command System), систему полетных данных (Flight Data System) и систему управления положением аппарата и соединениями (Attitude and Articulation Control System).

Общее количество "слов" - единиц данных определенной длины, которые перемещаются между процессором и хранилищем данных, на эти шесть компьютеров составляет около 32 тысяч.

"По моим подсчетам, на все шесть компьютеров (одного зонда) приходится всего около 557 килобайт - пустяки по сравнению с сегодняшними микропроцессорами. Мы, наверное, могли бы все нужные функции выполнять на одной современной плате, где еще осталось бы место для твердотельного накопителя и огромного количества программ контроля ошибок", - рассказал Мэсси.

Он добавил, что современные процессоры гораздо быстрее работающих на "Вояджерах", а сопоставимая система требовала бы меньшего количества энергии. С другой стороны, стали бы сложнее программы, но вместе с тем они были бы более гибкими и функциональными.

Большие достижения

Четыре планеты-гиганта, удаленные от Земли, астрономы изучали с помощью телескопов, поэтому "Вояджеры", подойдя к этим небесным телам "поближе", буквально засыпали ученых интересными фактами и измерениями стандартных характеристик планет и их спутников.

У Юпитера зонды обнаружили три новых спутника - Адрастею, Метиду и Фиву, а также бледное кольцо из пыли. Ганимед при ближайшем рассмотрении оказался самым большим спутником планеты в Солнечной системе, Ио - первым космическим объектом, на котором обнаружились активные вулканы, а Европа - покрытой 30-километровой коркой льда, под которой может оказаться океан глубиной в 50 километров.

"Вояджеры" нашли новые кольца у Сатурна, а также открыли существование спутников-"пастухов", которые, взаимодействуя с кольцами, удерживают их форму. Зонды также детально изучили атмосферу планеты, обнаружив в ней мощные ветры со скоростью до 1,8 тысячи километров в час. "Вояджер-1" обнаружил у спутника Сатурна, Мимаса, огромный кратер, след от столкновения с объектом, который едва не разрушил спутник и одновременно сделал его знаменитым - с кратером Мимас похож на "Звезду смерти", космический корабль из саги "Звездные войны". Именно "Вояджеры" во многом проложили дорогу зонду "Кассини", который сейчас изучает Сатурн и его спутники.

К Урану и Нептуну "Вояджер-2" уже направился в одиночестве. Зонд доказал существование у Урана магнитного поля, которое из-за необычного положения планеты, "лежащей на боку", имеет закрученный "хвост", а также обнаружил сразу десять спутников планеты. У Нептуна "Вояджер-2" также открыл шесть из восьми известных спутников и "поймал" самые мощные в Солнечной системе ветры - в районе Большого темного пятна планеты их скорость доходит до 2 тысяч километров в час.

"Наверное, самое важное открытие, сделанное "Вояджерами", - неожиданное и невероятное разнообразие небесных тел в Солнечной системе. Мы сделали много важных открытий, но если бы мне пришлось выбрать какое-то одно, я бы выделил открытие восьми активных вулканов на спутнике Юпитера, Ио. Хотя, обнаружив, что поверхность Европы выглядит как ледяная шапка на поверхности океана, мы также, возможно, сделали открытие, не менее важное для продолжающихся поисков внеземной жизни", - заключил научный руководитель проекта доктор Эд Стоун (Ed Stone).

Продолжив путь уже в рамках межзвездной миссии, "Вояджеры" не перестали удивлять ученых. В частности, когда границу ударной волны пересек второй зонд, выяснилось, что гелиосфера - пузырь, "надуваемый" Солнцем, - не идеально круглая, а сплющенная. Пройдя большую часть пояса Койпера - области Солнечной системы за орбитой Нептуна, "Вояджер-1" не встретился ни с одним объектом. Облако Оорта, гипотетический следующий "круг" небесных тел и источник комет, еще слишком далеко от зондов и пока останется неизведанным - к моменту его достижения с "Вояджерами" уже не будет связи.

В ближайших "планах" у зондов - гелиопауза, теоретическая граница, где солнечный ветер уже смешивается с межзвездным веществом. Если "Вояджеры" "донесут" до нее свои научные инструменты, исследователи смогут зафиксировать прохождение гелиопаузы по смене направления, интенсивности и скорости космического ветра - за границей Солнечной системы этот ветер создают уже взрывы массивных звезд.

Фотография на память

Среди бесчисленного множества снимков, сделанных зондами, особо стоит выделить знаменитый "Семейный портрет" (Family Portrait) - мозаику из 60 фотографий планет Солнечной системы, сделанных "Вояджером-1" в 1990 году. Идею сфотографировать "семейство" планет активно продвигал известный американский астроном Карл Саган (Carl Sagan), тогда работавший в группе обработки изображений миссии.

На снимке нет Меркурия и Марса - с расстояния примерно в 6 миллиардов километров, где 20 лет назад находился аппарат, их не увидеть в блеске Солнца - а также Плутона, слишком маленького и далекого для камеры "Вояджера-1". Сама Земля на снимке выглядит как едва различимая бледно-голубая точка. Под этим названием (Pale Blue Dot) фотография планеты, откуда стартовал "фотограф", стала не менее знаменитой, чем снимок с "Аполлона-17", так называемый "синий мраморный шарик" (Blue Marble).

Стоун и Мэсси пояснили, что после легендарных снимков камеры и направляющую их автоматику отключили в целях экономии энергии и объема памяти. Кроме того, JPL "распустила" часть проектной команды, занимавшейся обработкой фотографий с "Вояджеров", поэтому больше фотографий с дальних пределов мы не увидим.

"К тому же мы считаем, что там уже нечего фотографировать, особенно в слабо освещенной области, где сейчас находятся аппараты. Даже если бы мы сделали какой-то снимок, передача его на Землю стала бы проблемой, поскольку уже нет ни людей, ни оборудования", - добавил Мэсси.

Где-то там за горизонтом

"Час икс" для двух космических долгожителей, по словам Мэсси и Стоуна, наступит где-то в районе 2025 года, когда энергии перестанет хватать для научной работы. В этот момент "Вояджер-1" будет удален от Солнца примерно на 166 астрономических единиц (24,8 миллиарда километров), а "Вояджер-2" - на 138 астрономических единиц (20,6 миллиарда километров). Первый близнец направляется к созвездию Жирафа, а второй - к галактике Андромеды, которая, в свою очередь, сама движется к Млечному Пути. По оценкам ученых, проходя более 440 миллионов километров в год, "Вояджеры" доберутся до ближайших к Солнцу звезд за 1 миллион лет.

На случай, если аппараты обнаружат разумные существа, на борту "Вояджеров" для них есть "открытка" от землян: золоченый диск с записью звуков Земли, приветствий на 55 языках мира, музыки разных жанров, в том числе джаза, а также с текстом приветствий президента США Джимми Картера и генсека ООН Курта Вальдхайма. На пластине, закрывающей диск, выгравирована инструкция, как следует воспроизводить запись, карта расположения Солнечной системы относительно наиболее ярких пульсаров, а также схематическое изображение молекулы водорода.

Если по счастливому стечению обстоятельств аппараты в 2025 году еще будут работать, команде проекта наверняка придется принимать непростое решение.

"Не знаю, как это сделают в 2025 году, но я бы отключил все инструменты, когда уровень энергии подойдет к нижнему пределу, и оставил только систему коммуникации. Вероятно, мы могли бы провести инженерные тесты, полезные для будущих аппаратов, которые пройдут такие расстояния от Земли", - предположил Мэсси.

Отвечая на вопрос о том, планирует ли НАСА продолжать изучение внешних пределов Солнечной системы с помощью специальных миссий, которые отправятся туда "без остановок", представитель руководства агентства сообщил, что такие планы, если они появятся, будут изложены в очередном Обзоре приоритетных направлений работы (Decadal Survey). Такие обзоры готовит Национальный исследовательский совет (NRC), который задает цели на очередное десятилетие. В области астрофизики и астрономии, в частности, такими приоритетами стали поиск экзопланет и исследование темной энергии.

Пока на Земле воздерживаются от комментариев, в космосе уже движется к Плутону вероятный "наследник" идей "Вояджеров", зонд New Horizons. Его основная цель - Плутон и его спутники, Харон, Никта и Гидра. Ожидается, что аппарат подойдет к Плутону на минимальное расстояние в июле 2015 года.

После этого он может продолжить исследования объектов в поясе Койпера, а затем и последовать примеру "юбиляров". К слову, ностальгические снимки планет, которые зонд оставляет за собой, New Horizons уже делает: в июле команда проекта опубликовала фотографию Юпитера, намекнув на имеющиеся планы "Семейного портрета 25 лет спустя".

С участием аппаратов данной серии.

Всего было создано и отправлено в космос два аппарата серии «Вояджер»: «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Аппараты были созданы в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL) НАСА . Проект считается одним из самых успешных и результативных в истории межпланетных исследований - оба «Вояджера» впервые передали качественные снимки и , а «Вояджер-2» впервые достиг и . «Вояджеры» стали третьим и четвёртым космическими аппаратами, план полёта которых предусматривал вылет за пределы Солнечной системы (первыми двумя были «Пионер-10» и «Пионер-11»). Первым в истории аппаратом, достигшим границ Солнечной системы и вышедшим за её пределы, стал «Вояджер-1».

Аппараты серии «Вояджер» - это высокоавтономные роботы, оснащённые научными приборами для исследования внешних планет, а также собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи и управления. Общая масса каждого аппарата - около 721 кг.

Проект «Вояджер»

«Вояджер» - космический зонд.

Проект «Вояджер» - один из самых выдающихся экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Расстояния до планет-гигантов слишком велики для наземных средств наблюдения. Поэтому отправленные на «Вояджерами» фотоснимки и данные измерений до сих пор имеют большую научную ценность.

Идея проекта впервые появилась в конце 1960-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемых аппаратов к и аппаратов «Пионер» к Юпитеру.

Большое Красное пятно Юпитера. Фото сделано «Вояджером-1»

Первоначально планировалось исследовать только Юпитер и Сатурн. Однако благодаря тому, что все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы («парад планет»), было возможно использование гравитационных манёвров для облёта всех внешних планет, за исключением . Поэтому траектория полёта была рассчитана исходя из этой возможности, хотя официально изучение Урана и Нептуна не вошло в программу миссии (для гарантированного достижения этих планет потребовалось бы строительство более дорогих аппаратов с более высокими характеристиками по надёжности).

После того, как «Вояджер-1» успешно выполнил программу исследования Сатурна и его , было принято окончательное решение направить «Вояджер-2» к Урану и Нептуну. Для этого пришлось слегка изменить его траекторию, отказавшись от близкого пролёта около Титана.

Научное оснащение аппарата

Нептун. Фото сделано «Вояджером-2»

• Телевизионные камеры, чёткостью 800 строк, используются специальные видиконы с памятью. Считывание одного кадра требует 48 с.
  • широкоугольная (поле около 3°), фокусное расстояние 200 мм;
  • узкоугольная (0,4°), фокусное расстояние 500 мм;

• Спектрометры:
  • Инфракрасный, диапазон от 4 до 50 мкм;
  • Ультрафиолетовый, диапазон 50-170 нм;

• Фотополяриметр;

• Плазменный комплекс:
  • детектор плазмы;
  • детектор заряженных частиц низких энергий;
  • детектор космических лучей;
  • магнитометры высокой и низкой чувствительности;
  • приёмник плазменных волн.

Энергооснащение аппарата

Слоистая атмосфера Титана, спутника Сатурна

В отличие от космических аппаратов, исследующих внутренние планеты, «Вояджеры» не могли использовать , так как поток солнечного излучения, по мере удаления аппаратов от , становится слишком мал - например, вблизи орбиты Нептуна он примерно в 900 раз меньше, чем на орбите Земли.

Источником электроэнергии являются три . Топливом в них служит плутоний-238 (в отличие от плутония-239, используемого в ядерном оружии); их мощность в момент старта космического аппарата составляла примерно 470 ватт при напряжении 30 вольт постоянного тока. Период полураспада плутония-238 составляет примерно 87,74 года, и генераторы, использующие его, теряют 0,78 % своей мощности в год. В 2006 году, через 29 лет после запуска, такие генераторы должны иметь мощность только 373 Вт, то есть около 79,5 % от исходной. Кроме того, биметаллическая термопара, которая конвертирует тепло в электричество, также теряет эффективность, и реальная мощность будет ещё ниже. На 11 августа 2006 года мощность генераторов «Вояджера-1» и «Вояджера-2» снизилась до 290 Вт и 291 Вт, соответственно, то есть составила около 60 % от мощности на момент запуска. Эти показатели лучше, чем предполётные предсказания, основанные на консервативной теоретической модели деградации термопары. С падением мощности приходится сокращать энергопотребление космического аппарата, что ограничивает его функциональность.

Технические проблемы «Вояджера-2» и их решение

Полёт «Вояджера-2» продлился гораздо дольше, чем было запланировано. В связи с этим после пролёта Юпитера учёным, сопровождавшим миссию, пришлось решить огромное количество технических проблем. Заложенные изначально правильные подходы к конструированию аппаратов позволили это сделать. К наиболее значимым и успешно решённым проблемам можно отнести:

• выход из строя автоматической подстройки частоты гетеродина. Без автоматической подстройки приёмник может принимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляет менее 1/1000 нормального её значения. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышают её в 30 раз. Оставался единственный выход из положения - каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземный передатчик так, чтобы после всех сдвигов сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это и было сделано - компьютер теперь включен в контур передатчика.
• выход из строя одной из ячеек оперативной памяти бортовой ЭВМ - программу удалось переписать и загрузить так, что этот бит перестал влиять на неё;
• на определённом участке полёта применявшаяся система кодирования управляющего сигнала уже переставала отвечать требованиям достаточной помехозащищённости из-за ухудшения отношения сигнал/шум. В бортовую ЭВМ была загружена новая программа, осуществлявшая кодирование гораздо более защищённым кодом (был применён двойной код Рида - Соломона).
• при пролёте плоскости бортовая поворотная платформа с телекамерами была заклинена, вероятно, частицей этих колец. Осторожные попытки поворота её несколько раз в противоположные стороны позволили, в конце концов, разблокировать платформу;
• падение мощности питающих изотопных элементов потребовало составления сложных циклограмм работы бортового оборудования, часть которого начали время от времени отключать, чтобы предоставить другой части достаточно электроэнергии;
• незапланированное вначале удаление аппаратов от Земли потребовало многократной модернизации наземного приёмо-передающего комплекса, чтобы принимать слабеющий сигнал.

Послание внеземным цивилизациям

Образец золотой пластинки, прикреплённой к аппаратам.

К борту каждого «Вояджера» прикрепили круглую алюминиевую коробку, положив туда позолоченный видеодиск. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, её континентов, 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 . 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 55 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, народная музыка многих стран.

На диске записано также обращение Картера, который в 1977 году был президентом США. Вольный перевод обращения звучит так:

Этот аппарат создан в США, стране с населением 240 млн человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество всё 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 , огромной и внушающей благоговение.

В 2015 году НАСА приняло решение выложить в интернет все звуки с золотой пластинки для зондов «Вояджеров». Ознакомиться с ними может любой желающий на сайте НАСА.

Аппараты покидают солнечную систему

Иллюстрация выхода космических аппаратов за пределы Солнечной системы.

После встречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперь его полёт проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. «Вояджер-1» поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°). Аппараты навсегда покидают пределы Солнечной системы.

Технические возможности аппаратов таковы: энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы по минимальной программе примерно до 2025 года. Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с большого расстояния Солнце становится всё более тусклым. Тогда направленный радиолуч отклонится от Земли, и приём сигналов аппарата станет невозможным. Это может произойти около 2030 года.

Теперь из научных исследований «Вояджеров» на первом месте - изучение переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой. «Вояджер-1» пересёк гелиосферную ударную волну (termination shock ) в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца. Информация, поступающая с «Вояджера-2», привела к новому открытию: хотя аппарат на тот момент ещё не достиг данной границы, но получаемые от него данные показали, что она асимметрична - её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная (вероятное объяснение - влияние межзвёздного магнитного поля). «Вояджер-2» пересёк гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84,7 а. е. Ожидается, что аппараты пересекут гелиопаузу примерно через 10 лет после пересечения гелиосферной ударной волны.

Космический аппарат «Вояджер-2», запущенный 20 августа 1977 года, пересёк в августе 2007 года границу Солнечной системы (точнее, гелиосферы). 10 декабря 2007 года NASA сообщило о результатах анализа данных, присланных «Вояджером».

На определённом расстоянии скорость солнечного ветра резко падает и перестаёт быть сверхзвуковой. Область (практически поверхность), в которой это происходит, называется границей ударной волны (termination shock или termination shockwave). Это и есть граница, которую пересекли «Вояджеры». Можно считать её границей внутренней гелиосферы. По некоторым определениям, гелиосфера здесь и кончается.

«Вояджер-2» подтвердил, что гелиосфера - не идеальный шар, она сплющена: её южная граница находится ближе к Солнцу, чем северная. Кроме того, аппарат сделал ещё одно неожиданное наблюдение: торможение солнечного ветра за счёт противодействия межзвёздного газа должно было бы приводить к резкому повышению температуры и плотности плазмы ветра. Действительно, на границе ударной волны температура была выше, чем во внутренней гелиосфере, но всё равно в 10 раз меньше, чем ожидалось. Чем вызвано расхождение и куда уходит энергия, неизвестно.

Учёные надеются, что связь с «Вояджерами» удастся поддерживать и после того, как они пересекут гелиопаузу.



Вступление

Уважаемые посетители! В августе 2004 года исполнилось 15 лет с того момента, когда аппарат "Вояджер-2" сблизился с Нептуном, и на этом завершилось большое путешествие аппарата по большим планетам Солнечной системы. "Вояджер-2" за 12 лет посетил 4 планеты-гиганта. Как проходил полет "Вояджера-2" по Солнечной системе, какие трудности ему пришлось преодолеть и что ожидает аппарат в будущем, рассказывается в статье знаменитого ученого-планетолога Л. В. Ксанфомалити.

Дальше - только звезды (о полете "Вояджера-2") Часть 2

В августе 1989 г. сближением "Вояджера-2" с Нептуном завершилась планетная часть миссии "Вояджер". Еще один таинственный мир из семейства планет-гигантов 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 способен был передать на Землю. Расстояния до планет-гигантов так огромны, что даже современные средства наземной астрономии оказываются бессильными перед этой беспредельной далью. Но космический аппарат "Вояджер-2" через 12 лет полета сумел достичь Нептуна, удаленного от Земли в 30 раз дальше, чем Солнце.

Автоматы исследуют Солнечную систему. Их полеты напоминают путешествия в начале истории географических открытий, когда человек впервые поверил в свою способность преодолевать безмерную, казалось бы, ширь земных океанов. Прошли века. И пусть теперь, как писал И. Ефремов, беззаботные молодые люди за штурвалом сверхзвукового самолета "преодолевают эти расстояния за время, недостаточное для совершения обряда утреннего омовения", но величие подвига мореплавателей прошлого не меркнет до сих пор. Вероятно, и наши, не столь 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 уголков Земли. И все же последняя четверть XX века навсегда останется одной из самых ярких эпох осознания человеком устройства и природы Солнечной системы и своего в ней места.

Конечно, было бы наивно думать, что полет двух "Вояджеров" позволил сколько-нибудь глубоко разобраться в процессах, происходящих в недрах газожидких гигантов. Это еще впереди. Но уверенно сделаны первые шаги, и теперь в руках ученых вместо шатких гипотез (а иногда и просто домыслов) оказались твердые факты.

Развитие науки все ускоряется. Вряд ли кто-либо из учителей астрономов-планетчиков моего поколения мог предположить, что их студентам выпадет не только увидеть обратную сторону Луны и работающих на Луне космонавтов, но и поверхность спутников самых далеких планет. С момента открытия в 1846 г. Нептун не завершил еще и одного оборота вокруг Солнца. В 1949 .г. известный исследователь планет Г. Койпер открыл спутник Нептуна Нереиду. В 1989 г. его бывший студент К. Саган участвовал в исследованиях Нереиды с борта "Вояджера-2".

В этой статье коротко рассказывается об истории проекта "Вояджер", о самих аппаратах и некоторых их приключениях. Научным итогам миссии посвящаются другие статьи, поэтому основные научные результаты, полученные в исследованиях Юпитера, Сатурна, Урана и их спутников, вынесены в приложение (без комментариев). Исследованиям Нептуна намечено посвятить отдельную статью.

"Большой тур" и Вояджер. "Вояджер-2" был запущен к Юпитеру с космодрома космического центра им. Кеннеди 20 августа 1977 г. ракетой "Титан 3Е-Центавр" со стартовой массой около 700 т. "Вояджер-1" последовал за ним 5 сентября 1977 г., но для него была выбрана более короткая (и менее экономичная) трасса. Планеты Юпитер он достиг 5 марта 1979 г., на 4 месяца раньше "Вояджера-2", который сблизился с Юпитером 9 июля того же года. Аппараты "Вояджер-1" и "Вояджер-2" были созданы в лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА. Интересна предыстория их разработки. Идея проекта "Большой тур" впервые появилась в конце 60-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемых аппаратов к Луне и аппаратов "Пионер" к Юпитеру. Работы по проекту "Большой тур" НАСА начала в 1969 г. Уже на 1972 г. Конгресс США, как ожидалось, должен был выделить 30 млн. долларов для работ по этому проекту. Однако эта сумма утверждена не была.

Идея проекта заключалась в последовательном облете каждым из намечавшихся аппаратов нескольких планет. На рубеже 70-х и 80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы ("парад планет"). Последний раз такое "собрание" проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра делало возможным перелет аппарата от одной планеты к другой за относительно короткое время. Без такого маневра полет, например, к Нептуну, продолжался бы на 20 лет дольше, а изменение направления полета потребовало бы немыслимого расхода горючего.

Суть маневра заключается в том, что при движении аппарата в гравитационном поле воздействующее на него притяжение планеты несколько изменяет его траекторию. Необходимая для этого энергия заимствуется у планеты и, по закону сохранения, добавляется к кинетической энергии аппарата. Впервые астрономы поняли физику этого явления еще в XIX в., наблюдая, как сильно изменяются орбиты комет под действием массивного Юпитера. В 1989 г., ровно сто лет назад, французский ученый Франсуа Тиссеран проанализировал проблему и создал соответствующий математический аппарат, позволяющий рассчитать орбиты кометы до и после возмущения. В эпоху планетных исследований гравитационный маневр много раз использовался для управления движением аппарата.

Так, аппарат "Маринер-10" был выведен на орбиту сближения с Меркурием после гравитационного маневра у Венеры; прямой вывод аппарата на такую орбиту невозможен. В последнее время этот метод настолько разработан, что его используют даже для разгона аппарата. Самый яркий пример - аппарат "Галилей", который был запущен в США в октябре 1989 г. для исследований Юпитера. Однако после запуска аппарат был направлен не к Юпитеру, а к Венере. После маневра в ее поле тяготения в декабре 1990 г. он вернется к Земле для следующего маневра. Но и это еще не все. В октябре 1991 г. он сблизится с астероидом Гаспра (названным в честь поселка Гаспра вблизи Симеизской обсерватории в Крыму), а затем... снова вернется к Земле (декабрь 1992 г.). Лишь после этого аппарат "Галилей" ляжет на трассу полета к Юпитеру, которого достигнет через 3 года. В проекте "Большой тур" гравитационный маневр играл определяющую роль: изменение направления полета аппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалось очень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат проходит слишком далеко от планеты, излом его траектории оказывается слишком малым, а если очень близко - аппарат может даже развернуться на 180°. Поэтому в проекте Вояджер выбор расстояния в сближении с планетой относился к самым ответственным операциям.

Вероятно, в будущем гравитационный маневр будет использоваться и в звездной навигации. С таким предложением недавно выступил молодой советский ученый Владимир Сурдин. Интересно, что идея этого маневра приходила в голову многим людям, даже далеким от науки. В 1939 г. его описал писатель фантаст Лестер дель Рей.

Таким образом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но и дает выигрыш в энергии. Однако чтобы реализовать "Большой тур", требовалось особое расположение планет, примерно такое, как было в 80-х годах, иначе вся миссия растянулась бы непомерно. Предполагалось, что для посещения пяти внешних планет миссия "Большой тур" потребует нескольких аппаратов: два в 1976-1977 гг. должны были быть направлены последовательно к Юпитеру, Сатурну и затем - к Плутону. Кстати, выбор времени сближения с Плутоном был критичным как никакой другой: орбита Плутона значительно наклонена к эклиптике, а полет с выходом из плоскости эклиптики представляет задачу сложную и дорогостоящую. Два других аппарата в 1979 г. намечалось послать к Юпитеру, Урану и Нептуну. Рассматривался даже вариант с пятью аппаратами.

Однако бюджетные ограничения вскоре заставили изменить, а затем и существенно урезать проект. Лунная экспедиция "Аполлон" обошлась слишком дорого, и проект "Маринер - Юпитер - Сатурн - 77", в дальнейшем переименованный в "Вояджер", оказался намного скромнее "Большого тура". Стоимость проекта составила 250 млн. долларов, или 1/3 намечавшейся стоимости "Большого тура". (На сегодня все расходы по проекту, в которые входят ракеты запуска, весь наземный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном, составили 865 млн. долларов.) Новый вариант уже не предусматривал ни таких сложных и многочисленных аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона. "Вояджер" представляет собой довольно крупное сооружение. Это-высокоавтономный робот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системой радиосвязи, управления и научными приборами для исследования внешних планет. Масса аппарата составляет 815 кг.

Ограничение задач позволило значительно снизить требования к надежности компонентов и стоимости не только бортового, но и наземного оборудования. В самом деле, для радиосвязи на фантастические расстояния (орбита Нептуна - 30 а. е., или 4,5 млрд. км от Земли) требовалось создать сеть гигантских радиотелескопов, каждый из которых представляет очень дорогое сооружение. (Фактически, такая сеть была создана, но намного позднее.) Уже к моменту сближения "Вояджера-2" с Ураном радиотелескопы с диаметром поворотной антенны 64 м для приема сигналов из дальнего космоса были установлены в США, в Испании и в Австралии.

Оставим пока вопрос о том, как "Вояджеру-2" удалось все-таки исследовать Уран и Нептун, и обратимся к рисунку, на котором представлена схема полета Вояджеров. Через полтора года после Юпитера, 12 ноября 1980 г. "Вояджер-1" достиг Сатурна. Чтобы сблизиться с его спутником Титаном, имеющим плотную атмосферу и представляющим особый научный интерес, аппарат прошел сравнительно низко над южным полюсом Сатурна и круто изменил свою траекторию. Сближение с Титаном произошло, как намечалось, но это был конец планетной миссии "Вояджера-1". Аппарат стал все выше подниматься над плоскостью эклиптики. На 1990 г. он ушел "вверх" уже на 19,4 а. е., или почти на 3 млрд. км. Как известно, планетных тел здесь нет.

"Вояджер-2" достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 г. и провел исследования планеты и ее многочисленных спутников. После гравитационного маневра в плоскости эклиптики он был направлен к Урану. Сближение с Ураном произошло 24 января 1986 г. Снова исследования планет и спутников, снова маневр. 24 августа 1989 г. аппарат достиг "последней остановки" - Нептуна. Подобно Титану у Сатурна, спутник Нептуна Тритон давно привлекает внимание исследователей. Последний маневр "Вояджера-2" позволил исследовать Тритон (который, как выяснилось, того стоил). Теперь "Вояджер-2" тоже уходит из Солнечной системы (но в направлении, другом, чем "Вояджер-1"). Несколько слов о научном оснащении аппаратов. Научный комплекс "Вояджеров" позволил (в принципе) одновременно проводить 11 научных экспериментов.

На рисунке слева показано научное оснащение аппаратов. Это установленные на поворотной платформе "широкоугольная" (поле около 3°) и "узкоугольная" (0,4°) телевизионные камеры с объективами, фокусные расстояния которых 200 и 500 мм соответственно. Камеры имеют высокую четкость (800 строк); в них используются специальные видиконы с памятью. Считывание одного кадра требует 48 с. (Теперь в таких камерах ставят ПЗС-матрицы.) При 8-разрядном кодировании один кадр содержит 5,12 Мбит информации. С Сатурна "Вояджер-2" передавал 1 кадр за каждые 3 минуты.

На платформе установлены также спектрометры, инфракрасный и ультрафиолетовый, и фотополяриметр. Инфракрасный прибор (спектроинтерферометр), рассчитанный на диапазон от 4 до 50 мкм предназначен для исследования химического состава и структуры атмосфер планет-гигантов и Тритона. Ультрафиолетовый спектрометр диапазона 50-170 нм регистрирует, главным образом, излучение атомов с относительно высокими энергиями. Фотополяриметр (который работал только на "Вояджере-2") передавал информацию о физических свойствах аэрозолей атмосфер и поверхности спутников. В плазменном комплексе были детектор плазмы, детектор заряженных частиц низких энергий, детектор космических лучей. На борту имелись также магнитометры высокой и низкой чувствительности и приемник плазменных волн. Кроме того, "бесплатным приложением" к научному комплексу была радиосистема аппарата. Без каких-либо специальных приборов, по характеру изменения радиосигнала при заходах аппарата за планету, определяются основные параметры атмосферы небесного тела.

В приложениях I, II и III суммированы основные итоги исследований Юпитера, Сатурна и Урана. Таким образом, 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 большого эксцентриситета орбиты Плутона до конца XX в, он будет находиться ближе к Солнцу, чем Нептун. Как видно из схемы, Плутон сейчас недостижим для обоих "Вояджеров".

Домашнее хозяйство аппарата. Почти все основные сведения о планетах-гигантах и их спутниках были либо получены, либо существенно обновлены в полетах "Вояджеров". Для этих исследований аппараты были оснащены достаточно эффективным набором научных инструментов. Но наряду с научными инструментами, важную роль играли системы самого аппарата. Так, развитие космической технологии позволило решить одну из наиболее важных проблем - энергообеспечение аппарата. Чтобы подчеркнуть эту особенность, один из первых вариантов проекта даже имел специальное название - ТОРS - "термоэлектрический аппарат для внешних планет". Радиоизотопные термоэлектрические генераторы устанавливались и раньше как на советских, так и на американских космических аппаратах, но для Вояджеров они имели особое значение.

Если для спутников "малого каботажа", предназначенных для исследования Меркурия, Венеры, Земли и Марса вполне достаточно фотоэлектрических (солнечных) батарей, то для далеких планет, где низка плотность солнечной радиации, нужны другие источники энергии. На "Вояджерах" установлены три радиоизотопных термоэлектробатареи с эффективностью около 5 %, нагреваемые тепловыделяющими элементами из окиси плутония. Общая мощность такой батареи вначале составляла почти полкиловатта электроэнергии, однако по мере распада плутония мощность падала (как тепловая, так и электрическая). Это сказывалось уже в период сближения с Ураном (когда мощность упала до 400 Вт) и создавало ограничения в выполнении научной программы; например, нельзя было проводить все эксперименты одновременно.

Естественно, не только энергетика определяет возможности аппарата. Множество систем, которые называют "служебными" (а чаще-просто "домашним хозяйством"), позволяют аппарату вести самоконтроль, управлять своим положением, рассчитывать свои действия, посылать и принимать радиосообщения. "Мозг" Вояджера - это два компьютера, образующих так называемую "подсистему полетных данных". Компьютеры могут работать как в дублирующем, так и в независимом режиме. В их функции входит контроль состояния научных приборов и управление ими, сбор и редактирование научной информации перед радиопередачей ее на Землю, контроль и управление положением аппарата и многие другие задачи. Главным достоинством управляющего комплекса "Вояджера", как выяснилось в многолетнем полете, оказалась необычайно гибкая программа, которая не только допускала радикальные изменения в исследовательских планах или в принципах обработки поступающей научной информации, но позволяла также обойти неизбежно возникающие во время длительного путешествия неисправности то в в одном, то в другом из многочисленных узлов аппарата, включая даже сами компьютеры. Кстати, в бортовой вычислительной машине "Вояджера-1" отказала одна из систем памяти, но выполнению научных задач это не помешало.

Правильное положение аппарата в пространстве определяет возможность радиосвязи с Землей, так как большая параболическая чаша его антенны диаметром 3,65 м. жестко скреплена с аппаратом. Во время радиосвязи она должна быть точно нацелена на Землю. Компьютеры "узнают" положение аппарата с помощью датчиков Солнца и звезд, которые также используются для навигации. Но этого недостаточно. Необходимо знать положение аппарата на небесной сфере. Разумеется, увидеть аппарат с Земли невозможно, но вместо этого можно использовать телевизионные снимки, получаемые с самого аппарата перед сближением с небесным телом. На них планета и ее спутники видны на фоне звезд с известными координатами. После обработки телевизионных изображений положение аппарата удается определить с очень высокой точностью. Например, у Урана погрешность такого определения составляла 20-25 км. Этот метод называется оптической навигацией. Очень высокую точность дает радионавигация. Для этого методами радиоинтерферометрии по регистрации сигнала радиопередатчика аппарата определяется его положение на небе относительно "маяков Вселенной" - квазаров.

Аппарат может, при необходимости, изменить свое положение. Для этого он оснащен малыми ракетными двигателями (двигателями малой тяги, или верньерными двигателями). Двигатели работают на гидразине, который хранится в топливном баке. Небольшое, контролируемое компьютером количество жидкого гидразина поступает на катализатор, который превращает его в газ, выбрасываемый из сопла двигателя. Реактивная тяга поворачивает аппарат. Топливо используется также в тех случаях, когда необходима коррекция траектории аппарата. В целом, гидразин расходовался так экономно, что после встречи с Ураном в топливном баке оставалось еще около половины запаса (62 кг). Интересно назвать главные причины, которые слегка нарушают параметры движения аппарата. Прежде всего, это гравитационные воздействия планет Солнечной системы на тело, находящееся в свободном полете. Затем - очень малые силы, которые возникают под действием падающего на аппарат солнечного излучения и его собственного теплового излучения. Наконец, это механические воздействия собственных устройств аппарата (поворотной платформы). При сближении с Ураном и Нептуном приходилось исключать даже такие ничтожные воздействия, которые вызывало включение бортового магнитофона. С Земли удается с весьма высокой точностью найти скорость аппарата. Лучевая скорость (проекция скорости на линию визирования) определяется по эффекту Доплера с точностью до 2 см/с при скорости аппарата около 16 км/с. Чувствительность метода так высока, что, например, задолго до сближения с планетой ученые поняли, что принятую массу Урана, заложенную в расчеты, необходимо увеличить на 0,3 %, чтобы привести расчеты в соответствие с наблюдаемыми доплеровскими приращениями.

В верхней части, на решетчатой ферме показана поворотная платформа. На ней находятся оптические приборы, включая обе телевизионные камеры. Платформа позволяет направлять приборы в сторону исследуемой планеты, не поворачивая сам аппарат. Она прекрасно работала до сближения с Сатурном. Но в момент пересечения плоскости колец движение по одной из двух ее плоскостей - азимутальной - внезапно прекратилось. Аппарат в это время не был виден с Земли и находился далеко от кольца, поэтому было маловероятно, что платформу повредили частицы кольца. После выхода из-за планеты намечалась съемка южного полушария Сатурна, а также получение мозаичных, из множества отдельных снимков высокого разрешения, изображений поверхности спутников Тефии и Энцелада. К сожалению, эту часть программы выполнить.не удалось, а когда, после нескольких дней напряженной работы специалистов, платформа стала понемногу реагировать на радиокоманды, было уже поздно. Впрочем, потеря была относительно невелика, но проблема не на шутку встревожила ученых: уже тогда было ясно, что полет к Урану - дело решенное. Пусть с какой-то долей риска, но аппарат его выдержит. Но что делать, если платформа не будет исправлена?

Чтобы понять, в чем неисправность, в JPL были срочно изготовлены 86 (!) макетов силового привода платформы, на которых и провели всесторонние исследования. Выводы были обнадеживающие: причиной заклинивания оказалась большая нагрузка, которая пришлась на платформу в работе у Сатурна, и неисправность можно устранить (хотя в дальнейшем с платформой следует обращаться поаккуратней). Предусмотрели и аварийную программу, но она так и не понадобилась. За хорошую работу надо хорошо платить. "Вояджер-2" хорошо поработал в Солнечной системе. Его телевизионные камеры оказались лучше, чем у "Вояджера-1". Но и хлопот он доставил немало, начиная от старта. Перед запуском потребовался ремонт бортовой подсистемы компьютера. После запуска включилась система ориентации. Вскоре выяснилось, что она работает, как любят говорить советские специалисты, "нештатно". Имелись трудности со штангой, на которой находится платформа, - ее сначала не удавалось развернуть. Словом "Вояджер-2" оказался с характером. Постепенно его приводили в порядок, но самая большая неприятность произошла на борту аппарата весной 1978 г., на первом этапе его пути. Как "Вояджер-2" был потерян, но ненадолго. Связь аппарата с Землей ведется посредством двух радиопередатчиков с частотами 2295 МГц (длина волны 13,1 см.) ч 8418 МГц (3,56 см.). Каждый из них для надежности дублирован. Мощность каждого передатчика очень невелика, всего 23 Вт.

Это примерно равно мощности переносной автомобильной лампы. Вся эта мощность, благодаря большой антенне, собирается в остронаправленный радиолуч и посылается на Землю. Мощность принимаемого здесь радиосигнала обратно пропорциональна квадрату удаленности аппарата. С Нептуна сигнал был в 33 раза слабее, чем с Юпитера. С другой стороны, при одной и "той же антенне с диаметром D сигнал зависит от длины волны, так как ширина радиолуча, посылаемого на Землю, составляет 1,22?/0. (Образуемое таким лучом пятно на уровне орбиты Земли превышает 50 млн. км. для сантиметрового передатчика.) Поэтому легко видеть, что мощность принимаемого сигнала будет обратно пропорциональна квадрату длины волны передатчика. Но здесь возникает другая трудность: чтобы радиолуч не ушел с Земли, система ориентации аппарата должна поддерживать направление на Землю с точностью в несколько угловых минут. Есть сложности и на Земле: сантиметровое излучение сильно поглощается дождем (и меньше - облаками).

Радиосистема "Вояджеров" передавала поток информации со скоростью 115,2 кбит/с с Юпитера и 45 кбит/с с Сатурна. Ниже мы остановимся на некоторых ухищрениях инженеров, позволивших "обмануть природу" и передавать по этому каналу с Нептуна в 3-4 раза больше информации, чем намечалось вначале. Но сначала об одной истории, которая показывает, что несущественных компонентов на борту космического аппарата не бывает. Далеко не самые сложные устройства на борту "Вояджеров" - командные приемники. Они принимают и декодируют (расшифровывают) поступающие с Земли радиокоманды. По существу, это "уши" аппарата. Приемников два, основной и резервный. Впрочем, если бы инженеры JPL заранее знали, что ожидает "Вояджер-2" в полете, они, наверное, поставили бы и четыре. Все началось с того, что после очередного сеанса радиосвязи операторы забыли послать на борт специальную команду, предназначенную для самого приемника. Через длинную цепь причинно-следственных связей это привело к выходу приемника из строя. Неожиданно обнаружилось, что и переход на резервный приемник не дает результата. Аппарат оглох. На решение проблемы были брошены лучшие специалисты - ведь дело шло к фактической потере аппарата.

И вот, после длинной серии экспериментов удалось установить, что аппарат все-таки что-то слышит, но слышит одну-единственную "ноту". На все остальные частоты, посылаемые наземным передатчиком, он не реагирует, в том числе и на те, на которые он рассчитан. Удалось выяснить, что у резервного командного приемника из-за повреждения конденсатора не работает автоматическая подстройка частоты гетеродина - несложный, но очень важный электронный узел. Дело в том, что частота сигнала, принимаемого аппаратом с Земли, постоянно меняется из-за доплеровских сдвигов, достигающих очень больших значений. Без автоматической подстройки приемник может принимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляет менее 1/1000 нормального ее значения. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышают ее в 30 раз. Оставался единственный выход из положения - каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземный передатчик так, чтобы, после всех сдвигов, сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это и было сделано - компьютер теперь включен в контур передатчика. И так- все 12 лет полета. Продолжительность ежедневной связи с аппаратом составляет от 8 до 16 ч, а в сближениях связь идет круглосуточно. Кстати, сигналы на аппарат обычно посылает 400-киловаттный передатчик в Голдстоуне с его 64-метровой (теперь 70-метровой) антенной. Специалисты JPL рассказывают, что время от времени аппарат теряет сигнал и снова "глохнет" на несколько дней. Но есть люди, которые каким-то "шестым чувством" угадывают, на какую частоту ушел приемник. Положение осложняется тем, что кроме доплеровских сдвигов на настройку приемника сильно влияет температура аппарата, которую приходится контролировать очень тщательно: от ее изменения на четверть градуса настройка уходит на 100 Гц. Есть и другие факторы, старение деталей, например. И все-таки ни одно сближение не было потеряно! Впрочем, в памяти бортового компьютера находится еще одна "аварийная" программа, которая предписывает аппарату думать самому, если такое случится. В сближении с Нептуном на консультации с Землей времени не оставалось: время распространения радиосигнала "туда и обратно" составляло 8,2 ч.

Продленная миссия Вояджера-2: Уран и Нептун . В 1981 г. 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 его надежной работы на последующие 5 лет в 1981 г. оценивалась в 60-70 %. С другой стороны, эксплуатационные характеристики аппарата, 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. В результате при той же надежности радиолинии скорость передачи данных с Нептуна удалось увеличить с 4,6 до 30 кбит/с (для повышения надежности использовалась скорость 21,6 кбит/с). Фактический выигрыш был намного больше. Со времени запуска существенно продвинулась прикладная математика, что позволило 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. Объем информации входит в противоречие с ее достоверностью. Но надежность данных можно увеличить только увеличивая избыточность информации. У Юпитера и Сатурна информация перед радиопередачей на Землю кодировалась и сжималась так, что исходный ее объем почти не увеличивался. Но в 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.

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 килобайт программы в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещен единицей. Запрос с Земли и ответ Вояджера-2 показали, 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, а особенно его темных спутников. Еще в сближении с Ураном инженеры сетовали на недостаточную освещенность планеты и спутников. Телевизионная съемка при низкой освещенности с быстро летящего аппарата приводят к кажущимся искажениям формы небесного тела. "Это все равно, что в сумерки фотографировать кусок угля на черном фоне", - сказал один из них. 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 с и больше, а для темных спутников и колец-от 2 до 10 мин.

Но увеличить 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 от них, 3900 км от облачного слоя над северным полюсом Нептуна и 39 000 км. от Тритона, длительная экспозиция неизбежно приводила 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 (0,2 угл. мин/с). 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 устранить обработкой. 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. Так закончилась планетная миссия "Вояджера-2" .