Оценка 1 Оценка 2 Оценка 3 Оценка 4 Оценка 5

Покинуть Солнечную систему и улететь к звездам очень сложно. Сначала, истратив немало топлива, надо взлететь над Землей в космос. При этом ваша скорость относительно Земли может оказаться нулевой, но если вы взлетели вовремя и в нужном направлении, то относительно Солнца вы будете лететь вместе с Землей, с ее орбитальной скоростью относительно Солнца 30 км/с.

Вовремя включив дополнительный двигатель и увеличив скорость еще на 17 км/с относительно Земли, относительно Солнца вы получите скорость 30 + 17 = 47 км/с, которая называется третьей космической. Она достаточна, чтобы безвозвратно покинуть Солнечную систему. Но топливо для рывка в 17 км/с доставлять на орбиту дорого, и ни один космический аппарат до сих пор не развивал третью космическую скорость и не покидал Солнечную систему таким способом. Самый быстрый аппарат «Новые горизонты» полетел к Плутону, включив дополнительный двигатель на орбите Земли, но развил скорость только в 16,3 км/с.

Более дешевый способ покинуть Солнечную систему - разогнаться за счет планет, сближаясь с ними, используя их как буксиры и постепенно наращивая скорость около каждой. Для этого нужна определенная. конфигурация планет - по спирали - чтобы, расставаясь с очередной планетой, лететь именно к следующей. Из-за медлительности самых далеких Урана и Нептуна такая конфигурация возникает редко, примерно раз в 170 лет. Последний раз Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун выстроились в спираль в 1970-е годы. Американские ученые воспользовались этим построением планет и отправили за пределы Солнечной системы космические аппараты: «Пионер-10» (Pioneer 10, стартовал 3 марта 1972 года), «Пионер-11» (Pioneer 11, стартовал 6 апреля 1973), «Вояджер-2» (Voyager 2, стартовал 20 августа 1977) и «Вояджер-1» (Voyager 1, стартовал 5 сентября 1977).

Все четыре аппарата к началу 2015 года удалились от Солнца на границу Солнечной системы. «Пионер-10» имеет скорость 12 км/с относительно Солнца и находится от него на расстоянии около 113 а. е. (астрономических единиц, средних расстояний от Солнца до Земли), что составляет приблизительно 17 млрд км. «Пионер-11» - со скоростью 11,4 км/с на расстоянии 92 а.е., или 13,8 млрд км. «Вояджер-1» - со скоростью около 17 км/с на расстоянии 130,3 а.е., или 19,5 млрд км (это самый далекий от Земли и Солнца объект, созданный людьми). «Вояджер-2» - со скоростью 15 км/с на расстоянии 107 а. е„ или 16 млрд км. Но до звезд этим аппаратам лететь еще очень далеко: соседняя звезда Проксима Центавра находится дальше аппарата «Вояджер-1» в 2 000 раз. И не забывайте, что звезды маленькие, а расстояния между ними большие. Поэтому все аппараты, не запущенные специально к конкретным звездам (а таких пока нет), вряд ли вообще когда-нибудь пролетят рядом со звездами. Конечно, по космическим меркам «сближениями» можно считать: пролет «Пионера-10» через 2 миллиона лет в будущем на расстоянии несколько световых лет от звезды Альдебаран, «Вояджера-1» - через 40 тысяч лет в будущем на расстоянии двух световых лет от звезды АС+79 3888 в созвездии Жирафа и «Вояджера-2» - через 40 тысяч лет в будущем на расстоянии двух световых лет от звезды Росс 248.

Важно знать:

Третья космическая скорость - минимальная скорость, которую надо придать объекту около Земли для того, чтобы он покинул Солнечную систему. Равна 17 км/с относительно Земли и 47 км/с относительно Солнца.

Солнечный ветер - поток энергичных протонов, электронов и других частиц от Солнца в космическое пространство.

Гелиосфера - область пространства около Солнца, где солнечный ветер, двигаясь со скоростью порядка 300 км/с, является наиболее энергичной составляющей космической среды.

Все, что мы знаем о космосе за пределами Солнечной системы, мы узнаем, анализируя излучение (свет) и гравитацию космических объектов. При этом приходится делать много допущений. Например, массу черной дыры мы определяем, предполагая массы кружащих вокруг нее звезд. Их массы предполагаем, считая, что эти звезды похожи на Солнце.

«Пионеры» и «Вояджеры» - единственные пока эксперименты безо всяких допущений, организованные нами на краю (а в будущем - и за пределами) Солнечной системы. Прямой эксперимент - это совсем другое дело! Мы знаем массы этих аппаратов - мы их изготовили, поэтому мы точно вычисляем массу любого объекта, который влияет на аппараты. Вы скажете: «Таких нет, аппараты летят в межпланетной и межзвездной пустоте». Но оказалось, что это не пустота: даже пылинки, стучащие по аппаратам, существенно меняют их траекторию. В уникальных экспериментах всегда много мистики, ее полно и в истории «Пионеров» и «Вояджеров».

Первая странность: 15 августа 1977 года, за несколько дней до запуска максимально далеких аппаратов, был пойман самый загадочный радиосигнал «Wow!». Может быть, с его помощью инопланетяне сообщили друг другу о важном событии - готовящемся выходе людей за пределы Солнечной системы?

Каких успехов достигли «Вояджер» и «Пионер» в пути на край Солнечной системы

По дороге на край Солнечной системы «Пионер-10» исследовал астероиды и стал первым аппаратом, пролетевшим около Юпитера. И сразу озадачил ученых: энергия, излучаемая Юпитером в космос, оказалась в 2,5 раза больше энергии, получаемой Юпитером от Солнца. А крупнейшие спутники Юпитера оказались состоящими не из камней, а преимущественно изо льда. После 2003 года связь с «Пионером-10» потеряна. «Пионер-11» также исследовал Юпитер, а затем стал первым космическим аппаратом, исследовавшим Сатурн. В 1995 году связь с «Пионером-11» потеряна.

Аппараты «Вояджер » работают до сих пор и сообщают ученым о состоянии космоса вокруг них. После 37 лет полета! Это также можно считать мистикой, поскольку никто не рассчитывал на столь долгую работу: пришлось даже перепрограммировать счет времени внутри бортовых компьютеров «Вояджеров» - он не был рассчитан на даты после 2007 года. Внутри аппаратов энергию вырабатывают радиоизотопные генераторы, использующие ядерную реакцию распада плутония-238 - как в атомных электростанциях. Этой энергии должно хватить еще на десятки лет.

Основная аппаратура оказалась надежнее, чем предполагали создатели. Главная проблема - угасание радиосигналов связи с удалением аппаратов. Сейчас сигнал от аппаратов до Земли идет (со скоростью света) более 16 часов! Но антенны дальней космической связи, гигантские «тарелки» размером почти с футбольное поле, умудряются ловить сигналы «Вояджеров». Мощность передатчика «Вояджера» 28 Вт, примерно в 100 раз мощнее мобильного телефона. А падает мощность сигнала пропорционально квадрату расстояния. Легко сосчитать, что слышать сигнал «Вояджеров» - это как слышать мобильник с Сатурна (безо всяких станций сотовой связи!).

По пути на край Солнечной системы «Вояджеры» пролетели мимо Юпитера и Сатурна и получили детальные снимки их спутников. «Вояджер-2» пролетел, кроме того, мимо Урана и Нептуна, став первым и единственным пока аппаратом, посетившим эти планеты. «Вояджеры» подтвердили загадки, открытые «Пионерами»: многие спутники Юпитера и Сатурна оказались не только ледяными, но и, видимо, содержащими водоемы подо льдом.

Граница Солнечной системы

Границу Солнечной системы можно определять по-разному. Гравитационная граница проходит там, где притяжение Солнца уравновешивается притяжением Галактики - на расстоянии примерно 0,5 парсека, или 100000 а.е. от Солнца. Но изменения начинаются гораздо ближе. Мы точно знаем, что дальше Нептуна нет больших планет, но есть множество карликовых, а также кометы и прочие малые тела Солнечной системы, состоящие в основном изо льда. Видимо, на расстоянии от 1000 до 100000 а.е. от Солнца Солнечную систему со всех сторон окружает рой комочков снега, комет - так называемое Облако Оорта . Возможно, оно простирается до соседних звезд. И вообще снежинки, пылинки и газы, водород и гелий, вероятно, являются типичными составляющими межзвездной среды. Это значит, что между звездами - не пусто!

Важно знать:

Граница ударной волны - граничная поверхность внутри гелиосферы вдали от Солнца, где происходит резкое замедление солнечного ветра из-за его столкновения с межзвездной средой.

Гелиопауза - граница, на которой солнечный ветер полностью тормозится галактическим звездным ветром и другими компонентами межзвездной среды.

Галактический звездный ветер (космические лучи) - аналогичные солнечному ветру потоки энергичных частиц (протонов, электронов и других), возникающие в звездах и пронизывающие нашу Галактику.

Еще одну границу определяет солнечный ветер, поток энергичных частиц от Солнца: область, где он господствует, называется гелиосферой. Такой ветер создают и другие звезды, поэтому где-то солнечный ветер должен встречаться с налетающим на Солнечную систему объединенным ветром звезд Галактики - галактическим звездным ветром, или по-другому космическими лучами. В столкновении с галактическим звездным ветром солнечный тормозится и теряет энергию. Куда она девается, не совсем ясно. В этом столкновении ветров должны возникать загадочные явления, с которыми в последние годы как раз встречаются аппараты «Вояджер» .

Как и ожидали ученые, на некотором расстоянии от Солнца солнечный ветер начал стихать - это так называемая граница ударной волны, граница гелиосферы. Аппарат «Вояджер-1» пересекал ее несколько раз, т.к. она оказалась очень запутанной. К декабрю 2010 года на расстоянии 17,4 млрд км от Солнца для «Вояджера-1» солнечный ветер стих совершенно. Вместо него почувствовалось мощное дуновение межзвездного, галактического ветра: к 2012 году в 100 раз возросло число электронов, сталкивающихся с аппаратом со стороны межзвездного пространства. Соответственно, проявился мощный электрический ток и создаваемое им магнитное поле. Видимо, «Вояджер-1» достиг гелиопаузы. Однако, вопреки ожиданиям, аппарат обнаруживает не четкую границу двух сталкивающихся потоков частиц, а хаотическое нагромождение огромных пузырей. Потоки частиц на их поверхностях создают мощные электрические токи и магнитные поля.

«Вояджер» и «Пионер» - послания инопланетянам

Все упомянутые аппараты несут послания для инопланетян. На борту «Пионеров» закреплены металлические пластины, на которых схематически изображены: сам аппарат; в том же масштабе - мужчина и женщина; два атома водорода как мера времени и длины; Солнце и планеты (еще включая Плутон); траектория аппарата с Земли мимо Юпитера и своеобразная космическая карта, на которой показаны направления с Земли, 14 пульсаров и центр Галактики. Пульсары, быстро вращающиеся нейтронные звезды, в Галактике довольно редки, а частота их излучения является уникальной характеристикой, своеобразным «паспортом» каждого из них. Эта частота закодирована на табличке «Пионеров». Следовательно, космическая карта с пульсарами однозначно покажет инопланетянам, где в Галактике находится Солнечная система. Более того, со временем частота пульсара меняется вполне закономерно, и, сверив текущую частоту с указанной на карте, инопланетяне смогут определить, сколько времени прошло с момента запуска найденного ими аппарата «Пионер».

На борту аппаратов «Вояджер» установлены золотые пластинки в футлярах. На пластинках записаны звуки Земли (ветер, гром, сверчки, птицы, поезд, трактор и т.д.), приветствия на разных языках (по-русски «Здравствуйте, приветствую вас»), музыка (Бах, Чак Берри, Моцарт, Луи Армстронг, Бетховен, Стравинский и фольклор) и 122 изображения (по математике, физике, химии, планетам, анатомии человека, жизни людей и т. д. - полный список можно найти на сайте НАСА http://уоуаеег.ipl.nasa.gov/spacecraft/goldenrec.html. Прилагается устройство для воспроизведения этих звуков и изображений. На футляре пластинок - рисунок, в котором закодированы: два атома водорода для масштаба времени и длины; та же космическая карта с пульсарами и объяснение, как воспроизвести звуки и изображения.

Аномалия «Пионеров»

В 1997 году, через несколько месяцев после исчезновения сигнала «Пионера-11», один из ученых, анализируя данные, вскочил с кресла с криком: «Нас не пускают за пределы Солнечной системы!». Он обнаружил торможение аппарата после пересечения им орбиты Юпитера. У «Пионера-10» и долетавших до Юпитера аппаратов «Улисс» (Ulysses) и «Галилео» (Galileo) нашли такое же торможение. Только «Вояджеры» торможения не испытывали, поскольку при малейшем отклонении от графика полета разгонялись двигателями. Особый ажиотаж вокруг торможения «Пионеров» поднялся, когда выяснилось, что оно равно постоянной Хаббла, умноженной на скорость света. Выходит, что аппараты теряют энергию (тормозятся) точно так же, как частицы излучения (фотоны). И версия № 1: если фотоны теряют энергию из-за расширения Вселенной, значит, и «Пионеры» по той же причине. Другие объяснения: 2) ученые не учли какой-то вполне прозаичный источник потерь энергии (тогда, правда, совпадение с постоянной Хаббла чисто случайное) или 3) Вселенная наполнена субстанцией, отнимающей энергию при движении сквозь нее как у «Пионеров», так и у фотонов.

По космическим меркам «торможение «Пионеров» - очень маленькая величина: 1/1 ООО ООО ООО м/с2. Каждые сутки аппарат пролетает на 1,5 километра меньше, чем положенный миллион километров! Чтобы это объяснить, ученые 15 лет пытались учесть все остальные потери энергии и вещества, все силы, действующие на аппараты. Но поиски объяснения № 2 провалились. Правда, американский ученый Слава Турищев обнаружил, что тепло рассеивается аппаратами преимущественно в сторону от Солнца, т.е. в тень,- это и является непосредственной причиной торможения «Пионеров». Частица теплового излучения (фотон) имеет импульс, следовательно, покидая объект, излучение создает реактивную тягу в противоположном направлении (на этом основаны проекты аннигиляционных фотонных двигателей для межзвездных ракет). Но загадкой осталось, ЧТО именно заставляет аппараты так рассеивать тепло? И главное - аппараты разной конструкции!

Анализируя, с чем вообще в, казалось бы, пустом космосе взаимодействуют аппараты, ученые обнаружили, что по ним довольно часто стучат космические пылинки и льдинки. Приборы смогли определять направление и силу этих ударов. Оказалось, что Солнечную систему пронизывают мелкие твердые частицы двух сортов: одни летят вокруг Солнца, другие - к Солнцу из межзвездных далей. Именно вторые тормозят космические аппараты. При ударе кинетическая энергия пылинки становится внутренней, т.е.- теплом. Если пылинка остановлена аппаратом (что логично), то весь ее импульс передается аппарату. А ее энергия рассеивается в направлении ее прилета, т.е. в направлении от Солнца. Аппараты зарегистрировали немало ударов сравнительно крупными пылинками - порядка 10 микрон. И для объяснения торможения «Пионеров» им достаточно стукаться о такие пылинки в среднем каждые 10 км пути. Именно такую плотность пыли в межзвездном космосе увидели современные инфракрасные телескопы.

Вообще внешние области Солнечной системы (за Сатурном) оказались запылены, заснежены и загазованы гораздо сильнее, чем внутренние. Около Солнца пылинки, снежинки и газ когда-то слиплись в планеты, спутники и астероиды. Немало вещества осело и на Солнце. Но большинство пылинок, льдинок и атомов газов было изгнано Солнцем на периферию системы. К тому же, на периферию проникает межзвездная пыль, рождающаяся в оболочках других звезд. Значит, за Нептуном и далее в межзвездном и межгалактическом пространстве пылинок, льдинок и газа должно быть еще больше. Вполне возможно, что межзвездная среда, равномерно заполняющая Вселенную, действительно отнимает энергию как у космических аппаратов, так и у фотонов. Основную роль при этом играют крупные (10 микрон) пылинки и льдинки, а также молекулы водорода, которые другим образом себя не проявляют.

Please enable JavaScript to view the

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" .

November 14th, 2016 , 10:45 pm

Космический зонд «Вояджер-2», по необъяснимым причинам посылает на Землю сигналы на неизвестном человечеству языке.

Космический аппарат «Вояджер-2» американцы запустили в космос ещё в августе 1977 года, для исследования планет Солнечной системы. В январе 1986 года «Вояджер-2» достиг Урана, а в августе 1989 года он был на Нептуне.
Научные работники НАСА рассчитали, что их космический зонд сейчас находится приблизительно в 15 млрд километров от Земли. А с летательным аппаратом по их словам, происходит нечто странное.

Представители американского национального космического агентства заявили, что «Вояджер-2» по никому не понятным причинам изменил кодировку сообщений, которые отправлял на Землю. Эксперты уверяют, что сам по себе аппарат не мог изменить кодировку передаваемого сигнала.

Уфологи, услышав данное заявление, незамедлительно предположили, что зонд был захвачен представителями внеземной цивилизации, и сейчас инопланетяне посылают на Землю зашифрованные послания.

Астрофизик Кевин Бэйнс, работающий в НАСА более 30 лет, сообщает, что «Вояджер-2» как бы самопроизвольно начал посылать сигналы не неизвестном учёным языке. И по его заверениям, сам он изменить кодировку никак не мог.
Получается что сотрудники НАСА признают, что кто-то извне изменил систему связи аппарата. Но вопрос кто же может сделать такое в далёком космосе остаётся открытым.

«ВОЯДЖЕР»: САМЫЙ БЫСТРЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ВО ВСЕЛЕННОЙ

19 января 2006 года земляне запустили зонд «Новые горизонты» — автоматическую межпланетную станцию, которая должна будет изучить Плутон, Харон и объект в поясе Койпера. Полная миссия аппарата рассчитана на 15—17 лет. Окрестности Земли «Новые горизонты» покинул с самой большой скоростью среди известных космических аппаратов — 16,26 км/с относительно Земли. Гелиоцентрическая скорость — 45 км/с, что позволило бы аппарату уйти из Солнечной системы без гравитационного маневра. Однако есть в этой Вселенной аппарат, созданный руками человека, который летит еще быстрее и равных ему в скорости пока нет.

Два космических зонда Voyager побили все рекорды по пройденным расстояниям. Они отправили нам фотографии Юпитера, Сатурна и Нептуна и продолжают двигаться прочь из Солнечной системы. 22 февраля 2014 года «Вояджер-1» находился на расстоянии около 19 миллиардов километров от Земли и по-прежнему отсылает нам данные — 10 часов они идут от зонда к нашей планете. Несколько лет назад мы писали, что «Вояджер-1» покинул Солнечную систему. Как зондам удается передавать данные так далеко?

Космический корабль «Вояджер» использует 23-ваттный радиопередатчик. Это больше, чем у обычного мобильного телефона, но в общем порядке вещей этот передатчик достаточно маломощный. Большие радиостанции на Земле передают десятки тысяч ватт, но все равно сигнал достаточно слабый.

Ключом к успеху, благодаря которому сигнал будет доходить вне зависимости от мощности радиопередатчика, стала комбинация трех вещей:

Очень большие антенны.
Направленные друг на друга антенны (земная и вояджеровская).
Радиочастоты с малым количеством помех.
Антенны, которые использует «Вояджер», достаточно велики. Вы наверняка видели спутниковые тарелки у любителей телевидения. Обычно они 2—3 метра в диаметре. У антенны «Вояджера» диаметр 3,7 метра, и она передает данные, которые принимает 34-метровая антенна на Земле. Антенна «Вояджера» и антенна Земли направлены прямо друг на друга. Всенаправленная маленькая антенка вашего телефона и 34-метровый гигант — совершенно разные вещи.

Спутники «Вояджер» передают данные в 8-гигагерцевом диапазоне, на этой частоте мало помех. Антенна на Земле задействует мощный усилитель и получает сигнал. После этого отправляет сообщение обратно на зонд с помощью мощнейшего передатчика, чтобы «Вояджер» наверняка получил сообщение.

На передовой
«Вояджер-1» передает данные на Землю с 1977 года. Но члены команды, контролирующей миссию в Лаборатории реактивного движения NASA, не так давно обрадовали нас интересной новостью. 12 сентября 2013 года NASA подтвердило, что зонд вступил в область гелиопаузы, где солнечный ветер нашего Солнца уже не так силен, чтобы сталкиваться с солнечными ветрами соседних звезд. В этот момент «трехосный магнитометр» зафиксировал изменение магнитного поля, перпендикулярного направлению движения зонда. «Вояджер-1» стал первым объектом техногенного происхождения, покинувшим Солнечную систему.

Золотая Запись на борту «Вояджера»: 117 изображений Земли, приветствие на 54 языках, земные звуки

Циники — как и большинство астрономов, космологов и само NASA — говорят, что граница Солнечной системы определяется как точка, где объект перестает подвергаться воздействию солнечной гравитации. Но гравитация, как вы знаете, определяет Вселенную в огромных масштабах. И эта точка располагается на дистанции в 50 000 раз большей, чем расстояние от Солнца до Земли. «Вояджер-1» проехал 123 расстояния от Земли до Солнца (примерно 18 миллиардов километров). И ему понадобится еще 14 000 лет, чтобы при нынешней его скорости покинуть гравитационный захват Солнца.

Ничто не мешает программе «Вояджер» делать отличные наблюдения. «Вояджер-1» и его двойник, «Вояджер-2», вылетевший на 15 дней раньше, но опоздавший из-за экскурсии к Урану и Нептуну, обнаружили следы четырех газовых гигантов и множество странных астрономических явлений. И хотя «Вояджер-1» некоторое время оставался в пределах Солнечной системы, он вошел в зону, где заряженные частицы солнечного ветра сменятся пылью и другими материалами, заполняющими пространство между звездами.

За годы «Вояджеры» обнаружили ряд астрономических сюрпризов. Один из последних появился летом 2012 года, когда «Вояджер-1» обнаружил ранее неизвестное явление под названием «магнитное шоссе». В этом регионе, как показали инструменты на борту зонда, сталкиваются солнечное и межзвездное магнитные поля. Эдвард Стоун, главный по программе «Вояджера» с 1972 года, объяснил, что это происходит, когда частицы с низкой энергией внутри «гелиосферы» подменяются более высокоэнергетичными частицами из космоса.

Создатели зондов рассчитывали, что те будут достаточно крепкими и прочными, чтобы выдержать все капризы космоса. Особенно во время близкого подлета к Юпитеру и Сатурну, а также экскурсиям к Урану и Нептуну в исполнении «Вояджера-2». Поэтому когда в 1973 году «Пионер-10» измерил радиацию вокруг Урана и Нептуна и обнаружил, что она выше, чем ожидалось, команда Стоуна потратила 9 месяцев на замену и реконструкцию каждого элемента зонда, который может пострадать. Конечно, зонды были спроектированы с избыточным запасом прочности. Например, каждый из зондов несет по две копии трех отдельных компьютерных систем. Но пока что мало какие бортовые системы нуждаются в перезагрузке. Можно с уверенностью сказать, что Стоун по-отцовски гордится своим творением и его подвигами.

Забота, с которой зонды делали здесь, на Земле, тоже сыграла свою роль в успехе миссии. Когда основной и дополнительный приемники на «Вояджере-2» отказали спустя год от начала миссии, земная команда активировала резервную систему, которая работает и по сей день. В 2010 году, получив искаженное сообщение от зонда, команда провела тщательный дамп памяти, используя один из резервных компьютеров, и выяснила, что один бит в программе изменился с 0 на 1. Перезагрузка программы все исправила.

Команда ученых регулярно обновляет систему управления для обеспечения оптимального использования ресурсов зондов во время их активной работы. Только за юпитерианскую фазу «Вояджера-1» это сделали 18 раз. Возьмем, к примеру, передачу данных. Когда «Вояджеры» облетали Юпитер и Сатурн, зонды были достаточно близки к Земле, чтобы послать несжатое изображение и другие данные на относительно высокой скорости передачи: 115 000 и 45 000 бит в секунду соответственно. Но поскольку сила сигнала изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между передатчиками, во время исследования Урана «Вояджер-2» передавал данные со скоростью 9000 бит/сек. У Нептуна число упало до 3000, тем самым уменьшив количество фотографий и данных, которые можно отправить домой.

Большинство резервных компьютеров включаются в работу, когда основная терпит крушение. Однако одна из вспомогательных систем зондов была активирована и работала совместно с основной. Это позволило отправлять 640-килобайтные изображения Урана с потерей качества после сжатия всего до 256 килобайт.

Как говорится, все гениальное — просто. Команда Стоуна экипировала зонды передовым аппаратным обеспечением под названием дешифратор Рида — Соломона. Устройство значительно снижает уровень погрешности, мешающий корректному прочтению сообщений в случае потерь отдельных битов. Первоначально «Вояджер» использовал старую и хорошо проверенную систему, которая отсылала один бит, «корректирующий ошибки», на каждый бит в сообщении. Дешифратор Рида — Соломона правил одним битом пять других. Забавно то, что в 1977 году способ дешифрации скорректированных данных по методу Рида — Соломона еще не существовал. К счастью, к тому времени, когда «Вояджер-2» достиг Урана в 1986 году, все было готово.

Знаменитый снимок Земли «Pale Blue Dot» 1990 года: последняя миссия «Вояджера-1». 6 миллиардов километров

В настоящее время данные, которые приходят от «Вояджеров» на радиотелескопы по всему земному шару, идут со скоростью всего 160 бит в секунду. Это решение было принято сознательно, чтобы поддерживать постоянную скорость на протяжении всей миссии. Основные камеры были отключены после пролета последней планеты Солнечной системы, активными остались только несколько инструментов. Каждые шесть месяцев на протяжении 30 минут данные с 8-контактной цифровой ленты переносятся в сжатый архив на скорости 1400 бит в секунду.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы на основе плутония-238 будут поддерживать работу инструментов минимум до 2021 года. А к 2025 году после почти полувекового путешествия туда, где нет ничего человеческого, команда отключит зонды и будет сообщаться с ними в немного сентиментальной односторонней манере, чтобы «Вояджеры» верно шли своим курсом. И они будут лететь все дальше и дальше во тьму.

«Вояджер-1» несет достаточно ядерного топлива, чтобы продолжать служить во благо науки до 2025 года, а после смерти плыть по течению. По своей нынешней траектории зонд в конце концов должен оказаться в 1,5 световых годах от нас у звезды Camelopardalis в северном созвездии, которое выглядит чем-то средним между жирафом и верблюдом. Никто не знает, есть ли планеты возле этой звезды и обоснуют ли инопланетяне там резиденцию к моменту прибытия зонда.

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.



40 лет назад были запущены космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Всего за 12 лет они пролетели вблизи четырех больших планет Солнечной системы — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Оба космических зонда работают непрерывно и посылают данные на Землю, хотя в настоящее время они находятся далеко за пределами орбиты Плутона.

Давайте вернемся в 1965 год, когда активно шло соревнование за первенство в высадке на Луну, а у НАСА были деньги и уверенность в осуществлении большой мечты.

В тот момент никто и не думал о «Вояджере», потому что все считали, что космическая техника еще не была готова для путешествий длинной во много миллиардов километров за пределы Солнечной системы.

Но уже были деньги для приглашения на работу молодых и многообещающих математиков, занимавшихся наукой в крупном исследовательском центре Калифорнии JPL, и двое из этой группы математиков создали основу для разработки «Вояджера».

Майкл Минович (Michael Minovich) и Гэри Флэндроу (Gary Flandro) получили задание исследовать возможные траектории полета космических зондов в Солнечной системе. Это было исследование под лозунгом «Своевременная осмотрительность», которое должно было продолжаться до того момента, пока ракетная техника не достигнет необходимого уровня развития.

Никто не рассчитывал на какие-либо выдающиеся результаты, но эти два молодых математика установили, что в период с 1976 по 1979 год существует уникальная возможность для запуска космического зонда в полет вблизи четырех крупных планет без больших затрат горючего. Это была возможность, которая возникала раз в 176 лет. Именно в эти три года планеты располагались таким образом, что было можно использовать гравитацию одной планеты для полета зонда дальше к следующей планете.

Контекст

В какой части Солнечной системы оказался «Вояджер 1»?

Boing Boing 13.09.2013

«Вояджер-1» обнаружил странный участок на краю Солнечной системы

Wired Magazine 01.07.2013

Человечество стремится за пределы Солнечной системы

The Verge 21.03.2013 Это было удачным открытием. Последний раз это происходило в 1801 году, когда мы были заняты войнами Наполеона и Копенгагенским морским сражением. А вот следующий раз это произойдет в 2153 году.

НАСА не упустило эту возможность: были быстро разработаны планы большой экспедиции по Солнечной системе.

Планировалось послать по меньшей мере четыре космических зонда и помимо этого исследовать далекий Плутон. В 1976-77 году планировалось отправить два зонда к Юпитеру, Сатурны и Плутону, а в 1979 — еще два зонда к Юпитеру, Урану и Нептуну.

Но американскому Конгрессу, узнавшему, что этот проект стоит больше миллиарда долларов, это пришлось не по душе. В то время это были большие деньги. Конгресс хотел выделить деньги только для двух космических зондов, которые воспользуются благоприятным расположением планет для исследования Юпитера и Сатурна.

НАСА готовится к «Большой прогулке»

НАСА совершила небольшой акт гражданского неповиновения, который, правда, сейчас уже прощен.

«Вояджер-1» точно выполнял официальный план, который ограничивался посещением лишь Юпитера и Сатурна, что дало возможность с близкого расстояния исследовать спутник Юпитера Ио и большой спутник Сатурна Титан.

Но это также означало, что «Вояджер-1» получил орбиту, с которой невозможно было лететь дальше к Урану и Нептуну. У ученых была тайная мысль держать в запасе «Вояджер-2». Он получил медленный трек и поэтому все время летел за «Вояджером-1». Пока «Вояджер-1» решал свои задачи, «Вояджеру-2» было позволено выполнить первоначальную миссию и лететь к четырем большим планетам, то есть совершить «Большую прогулку», как потом назвали эту экспедицию.

У этого решения было смешное последствие: «Вояджер-2» был запущен до «Вояджера-1». В результате этого быстрый «Вояджер-1» первым достиг Юпитера и Сатурна. А медленный «Вояджер-2» должен был довольствоваться вторым местом, но зато получил возможность стать первым зондом, достигшим Урана и Нептуна.

Большой недосмотр приводит к дополнительной работе

Поэтому «Вояджер-2» был запущен 20 августа. И хотя это был «медленный» зонд, он тем не менее достиг скорости в 52 тысячи км в час, в результате чего пролетел мимо орбиты Луны менее чем за 10 часов.

Две недели спустя был запущен быстрый «Вояджер-1», и теперь все надеялись на спокойный полет к Юпитеру. Но тут произошел сбой, в результате которого немалому числу инженеров в течение последующих 12 лет пришлось работать сверхурочно.

Центр управления забыл отправить рутинное сообщение «Вояджеру-2». Когда компьютер «Вояджера-2» не получил ожидаемого сообщения, то в его инструкции было записано, что это может произойти только в случае неисправности бортового приемника. Считалось, что центр управления просто не мог забыть об этой операции.

«Вояджер-2» послушно перешел на запасной приемник, но тот не имел соответствующей настройки и мог принимать сигналы только в очень узком диапазоне частот 96 герц, и это создало проблемы.

Центр управления естественно посылал сигналы на совершенно определенной частоте, но поскольку «Вояджер» двигался очень быстро относительно Земли, из-за эффекта Допплера он принимал сигнал на другой частоте. Поэтому приемник был настроен таким образом, чтобы принимать сигналы в диапазоне 100 000 герц.

«Вояджер-2» молчал

Первой реакцией был перевод «Вояджера-2» к главному приемнику, но этот приемник тотчас же полностью сломался. В результате НАСА лишилось возможности посылать команды космическому зонду.

Это оказалось гораздо более серьезной проблемой, чем ожидалось. Скорость относительно Земли рассчитывалась легко, но гораздо хуже было то, что даже очень небольшие изменения температуры зонда величиной менее 0,3 градуса так сильно меняли частотный диапазон приемника, что контакт с Землей прерывался. Было обнаружено, что даже при включении одного прибора или использовании одного из двигателей управления температура космического зонда менялась.

Инженеры НАСА в течение нескольких лет разработали полную математическую модель «Вояджера», которая могла рассчитать температуру зонда с точностью до одной сотой градуса. Модель разрабатывалась в течение всего полета зонда к Нептуну, связь с ним прерывалась на несколько дней.

«Вояджер» посылает первые снимки на Землю

В марте 1979 года «Вояджер-1» достиг Юпитера, и ученые были буквально поражены фантастическими фотографиями, присланными в центр: облака и красное пятно на Юпитере, оранжевый спутник Ио и белая, вся покрытая льдом Европа.

© NASA

Ученые узнали, что значит понятие «Instant Science» (моментальная наука), когда журналисты в JPL сразу попросили дать пояснения о фотографиях, которые поступили всего несколько часов назад и поэтому не были тщательно проанализированы экспертами.

Для много ученых, привыкших к спокойной жизни и вдруг очутившихся в большой аудитории перед десятками желающих получить ответ журналистов, это стало настоящим испытанием.

Дождливая погода над Австралией создает проблемы

Во время полета зонда над Австралией, где расположена крупная станция слежения, сильный дождь создал проблемы. «Вояджер» посылал свои данные на Землю только на волне 3,6 см, а радиоволны столь короткой длины с трудом проходили через дождевые облака. Из-за этого пропадали данные за нескольких часов.

Но неожиданное событие произошло лишь спустя несколько дней, когда «Вояджер-1» был на пути от Юпитера к Сатурну.

Для надежной навигации необходимо точно знать положение «Вояджера», а это должно было, в частности, происходить с помощью фотографирования спутника Ио вместе с массой звезд на заднем плане. Поэтому применялась большая выдержка съемки, в результате чего Ио на фотографии выглядел как освещенный белый диск.

Задачу анализа фотографий на компьютере выполняла молодая сотрудница навигационной команды Линда Морабито (Linda Morabito). Она обнаружила, что над Ио находилось нечто, напоминающее облако. На Ио нет атмосферы, поэтому никто не ожидал, что в нескольких сотнях километров над поверхностью будут облака.

Приливно-отливные силы и вулканическая активность

Сразу же возникло подозрение, что это было извержение вулкана, но эксперты, которые могли изучить фотографии, были на отдыхе в выходные дни. Поэтому прошло целых три дня, прежде чем НАСА смогло рассказать, что были открыты первые активно действующие вулканы за пределами Земли.

Эта новость имела особое значение для трех американских ученых. Всего лишь неделю назад они опубликовали в Science статью, где предсказали существование вулканов как следствие действовавших на Ио мощных приливно-отливных сил Юпитера и соседних спутников Европы и Ганимеда.

Спустя четыре месяца «Вояджер-2» подошел к Юпитеру. Теперь ученые были готовы следить за вулканами на Ио и внимательнее рассмотреть неповрежденную ледяную поверхность Европы. Сегодня существует мнение, что эта ледяная поверхность скрывает море, глубина которого может достигать 100 км и в котором может существовать жизнь.

И благодаря измерениям «Вояджера» мы теперь знаем, что приливно-отливные силы заставляют твердую поверхность Ио двигаться вверх и вниз с перепадом высот до 100 метров. Поэтому не удивительно, что тепло, возникающее в результате этого, приводит к мощной вулканической активности.

«Вояджер-1» подлетает близко к Титану

Наступило спокойное время перед подлетом «Вояджера-1» к Сатурну в ноябре 1980 года. Ученые могли снова просто сидеть и с восторгом рассматривать фантастические фотографии колец Сатурна. Однако самые большие ожидания были связаны с полетом вблизи Титана. Этот полет мимо Титана исключал для «Вояджера-1» возможность продолжать полет к Урану и Нептуну.

Но единственным, что можно было увидеть, был совершенно непроницаемый оранжевый облачный покров. Тем не менее, был изучен состав атмосферы, который в основном состоит из углекислого газа с небольшим количеством метана. Поверхностное давление было в 1,6 раза сильнее земного.

Измерения показали, что в оранжевой дымке вокруг Титана возникают большие количества органических молекул, когда свет солнца воздействует на метан. Это значит, что Титан во всяком случае получает много молекул, являющихся предпосылкой к возникновению жизни. К сожалению, измерения показали температуру минус 180 градусов. Это холодновато для жизни, но это температура, дающая хорошую возможность найти на поверхности моря метан.

Должно было все-таки пройти 30 лет, прежде чем космический зонд Кассини с помощью радара смог несмотря на облачный покров увидеть знаменитые моря метана на северном и южном полюсах Титана.

«Вояджер-2» снова сталкивается с проблемами

«Вояджер-2» в августе 1981 года долетел до Сатурна, и сначала все шло хорошо несмотря на проблемы с приемником. Он сфотографировал маленький спутник Энкелад, на котором, как мы сегодня знаем, из трещин на покрытой льдом поверхности вырываются громадные гейзеры, и сделал фотографии ледяного спутника Гипериона, который очень напоминает губку для мытья.

Но потом начались проблемы. Заело поворотную платформу с научными приборами, была потеряна масса данных. Снова инженеры должны были работать дополнительно, но положение продолжало ухудшаться, потому что у НАСА из-за сокращений штата сотрудников было 108 человек вместо 200.

Большая рабочая нагрузка привела к физической и психической усталости многих сотрудников.

Но неполадки были установлены, они были связаны с коробкой передач, управляющей поворотной платформой. Проблема заключалась в смазке. При быстром повороте платформы смазка в невесомости слетала с зубчатых колес, это означало, что металлические части касались друг друга. Появлялись и отрывались маленькие металлические стружки, блокировавшие движение. Проблемы можно было избежать медленным поворотом платформы.

Полет к Урану

К счастью, было достаточно времени для решения этой проблемы, потому что «Вояджер-2» должен был лететь от Сатурна до Урана почти пять лет. Тем не менее это было трудное время, потому что, как уже было сказано, полет к Урану проходил не совсем спокойно.

Нужно было модернизировать три большие станции слежения в Калифорнии, Испании и Австралии, чтобы они смогли принимать необычайно важные сигналы от маленького передатчика «Вояджера», мощность которого составляла всего 20 ватт. Один из способов — с помощью электронных приборов соединять большие параболические антенны размером в 64 метра с меньшими антеннами размером в 34 метра, чтобы они могли функционировать как одна большая.

Другой проблемой была большая скорость, на которой «Вояджер-2» пролетал мимо Урана. Фотографии получались очень смазанными, так как солнечный свет в районе Урана настолько слаб, что необходимо долго выдерживать кадр. Все это помогло найти гениальные решения — в дополнение к тому, что было сделано с поворотной платформой (В конце концов все закончилось тем, что вместо поворота одной лишь платформы из опасений, что ее снова заклинит, стали поворачивать весь космический зонд).

Несчастный случай при встрече с Ураном

Когда «Вояджер-2» подлетел к Урану в январе 1986 года, единственным, что можно было разглядеть, был большой голубовато-зеленый шар без видимых признаков облаков. То, что «Вояджер» видел, казалось слоем дымки в глубокой атмосфере, состоящей из легкого водорода и гелия с небольшим количеством метана и других углеводов.

Но полет «Вояджера» запомнился кое-чем иным.

© NASA/JPL-Caltech

28 января 1986 года НАСА должно было представить первые фотографии небольших спутников Урана — в частности, Миранду, где, как оказалось, есть отвесные ледяные скалы высотой почти в 10 километров. Но пресс-конференция так и не состоялась, потому что на телевизионных экранах аудитории появились другие кадры. Был показал взрыв космического челнока «Челленджера», при котором погибли семь астронавтов.

Снова и снова показывали белое облако пара от взрыва и два вспомогательных ракетных двигателя, разлетавшихся в разные стороны. После этого никто не захотел участвовать в пресс-конференции, посвященной Урану. Поэтому «Вояджер-2» тихо покинул Уран и начал свой трехлетний путь к Нептуну.

Прощание и новое начало

В августе 1989 года «Вояджер-2» подлетел к Нептуну — последней цели «Большой прогулки», которую конгресс никогда не разрешал.

На этот раз речь шла о настоящем празднике космических аппаратов в Пасадене, где находится JPL. В нем приняли участие тысячи людей, которые были вознаграждены интересными фотографиями красивого голубого Нептуна с белыми облаками, которых шторм гнал со скоростью 2 000 км в час.

По-прежнему остается загадкой, как планета на таком большом расстоянии от Солнца и с очень низкой температурой — минус 215 градусов = может иметь достаточно энергии, чтобы создавать такие мощные бури.

Вскоре пришло время сказать прощай «Вояджеру-2». и этим прощанием были фотографии большого ледяного спутника Тритон, который удивил наличием гейзеров. Было найдено по меньшей мере 50 мест с длинными темными следами некой формы извержения.

Некоторые фотографии показывают, что высота гейзеров достигает 8 километров, где они встречают некий реактивный поток в очень разреженной атмосфере. Она растягивает отвесные гейзеры, превращая их в длинные полоски дыма. Считается, что гейзеры — такие темные, потому что они состоят не только из пара, но также содержат пыль и органические вещества.

Полет только начался

Полет мимо Нептуна был окончанием «Большой прогулки», путешествия, которое с полным правом можно сравнить с посадками на Луну. Но это не было прощанием с Солнечной системой, которую ни «Вояджер-1», ни «Вояджер-2» пока еще не покинули.

Чтобы отметить завершение, была сделана прощальная фотография всех планет Солнечной системы в 1990 году. На них Земля видна как маленькая «светло-голубая точка». Этот снимок нашей Земли с расстояния в 6 миллиардов км стал неким символом, показывающим, как мало места мы, собственно, занимаем во вселенной.

Оба зонда «Вояджер» сейчас находятся далеко от орбиты Плутона и от пояса Койпера, состоящего из небольших ледяных планет. Но им еще предстоит проделать путь продолжительностью в тысячи лет, прежде чем они достигнут последнего форпоста нашей Солнечной системы, а именно — Облака Оорта, которое считают местом рождения многих комет.

«Вояджер-1» установил рекорд, пройдя расстояние в 141 астрономических единиц от Солнца (одна астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца).

Медленный «Вояджер-2» проделал путь длинной всего в 116 ае. Оба зонда постоянно посылают на Землю данные, которые сейчас в основном касаются солнечного ветра и магнитного поля Солнца.

Ученые надеются поддерживать контакт с обоими старыми космическими зондами до 2025 года. Эти два зонда являются почти вечными представителями человечества, хотя они вряд ли будут найдены какой-нибудь другой цивилизацией.

Послание землян

Оба «Вояджера» несут с собой послание землян, написанное на покрытой золотом 30-сантиметровой пластине, установленной на их борту.

Послание разработано комиссией под руководством известного астронома и астробиолога Карла Сагана (Carl Sagan, 1934 — 1996). Поскольку вероятность того, что эти зонды когда-либо будут найдены, бесконечно мала, можно воспринимать это послание как послание нам самим.

Оно включает в себя как картинки, так и звуки, которые в зашифрованном виде размещены на пластине. Это серия картинок, описывающих, как можно воспроизвести содержание пластины. Воспроизведение должно идти со скоростью 16 2/3 оборота в минуту с использованием иглы, которая прилагается к пластине. Это старомодно, но технически надежно, если получатели сумеют разобраться в серии рисунков.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.