Близнецы в космосе
Иллюстрация: Don Davis, donaldedavis.com
Один шанс на несколько поколений
Когда мы вспоминаем о величайших изобретениях, созданных человеком, на ум приходит много примеров: от пирамиды Хеопса и Колосса Родосского до кондиционеров и контактных линз. В космической инженерной науке есть свои передовики, которые десятилетия на слуху даже у тех, кто космосом-то и не интересуется. Безусловно, это «Вояджеры» – пара аппаратов-близнецов, которые во многом стали первыми, а сейчас позволяют человечеству с гордостью говорить, что его творение находится в межзвездном пространстве. Но путь к нему был очень долгим, и мало кто из создателей «путешественников» (в пер. с англ. Voyadger – путешественник) мог предположить, что спустя 46 с лишним лет аппараты заработают и принесут пользу науке. А началась миссия задолго до 1977 года, когда и были запущены оба зонда.
Идея отправить космические аппараты к внешним планетам Солнечной системы появилась в более-менее конкретных очертаниях летом 1965 года. Проведенные тогда расчеты показали: в конце 1970-х появится теоретическая возможность запуска космического аппарата по такой траектории, что он сможет пролететь мимо четырех внешних планет-гигантов. И в следующий раз подходящим образом они выстроились бы через 176 лет. Конечно, упускать такую возможность было нельзя.
В процессе проработки плана рассматривались разные варианты компоновки аппаратов и траектории. В активную фазу работы вошли в 1972 году, когда завершалась другая амбициозная программа – «Пионер». Весной того года в космос отправился «Пионер-10», который первым пролетел систему Юпитера и долгое время оставался рекордсменом по удалению от Солнца. А в 1973-м был запущен «Пионер-11», который прошел и систему Юпитера, и систему Сатурна.
С учетом успеха «Пионеров» от нового проекта требовался прорыв. Рабочим вариантом названия программы «Вояджеров» был «Маринер», поскольку миссии должны были стать продолжением серии легендарных аппаратов, отправленных к внутренним планетам Солнечной системы. В какой-то момент возникла идея запуска четырех зондов к разным внешним планетам, но смущала цена задумки: она превышала 1 млрд долларов – это больше 7,5 млрд долларов по нынешним меркам. Такие расходы NASA себе позволить не могло. Вспомним, что в те времена огромные деньги уходили на лунную программу «Аполлон».
Поэтому в разработку взяли два космических корабля, но инженеры сделали все, чтобы выжать максимум из них. Как с точки зрения наполнения, так и с точки зрения управления и расчетов баллистики. Научными инструментами «Вояджеры» (свое имя они получили только весной 1977 года – незадолго до запуска) были напичканы по последнему слову техники. Ведь стояла задача углубить и расширить знания о внешних планетах, добытые «Пионерами» и наземными телескопами. Брали во внимание и задел на дальнейшее путешествие в межзвездное пространство.
Поэтому на борту «Вояджеров» разместили несколько блоков инструментов: две камеры (с телеобъективом и широкоугольным), инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры для изучения химии и температуры планет и их спутников, фотополяриметр, два детектора межпланетной плазмы, детекторы заряженных низкоэнергетических частиц, высокоэнергетических космических лучей, магнитометры и радиометры. Благодаря дальновидности инженеров последние блоки инструментов делают актуальной работу «Вояджеров» и по сей день.
В программном обеспечении инженеры Лаборатории реактивного движения NASA, разрабатывавшие зонды, также нашли грамотное сочетание уже опробованных технологий с инновационными. Бортовые компьютеры «Вояджеров» состоят из трех блоков. Каждый из них продублирован два раза. Разумеется, такое резервирование пригодилось, поскольку то у одного, то у другого зонда что-то отказывало в процессе работы. Командную систему (CCS) опробовали на космическом аппарате «Викинг» и усовершенствовали. А системы полетных данных (FDS) и управления ориентацией (AACS) разрабатывались специально под «Вояджеры». Изящество и простота систем позволяют инженерам до сих пор вносить правки в программный код и корректировать их работу. Но об этом поговорим чуть позже.
Дорожки разошлись
Итоговый план миссий оказался достаточно консервативным. В обязательную программу включили посещение Юпитера и Сатурна с детализацией известных сведений об их системах. Но и тут предусмотрели возможность корректировки траектории, чтобы воспользоваться-таки соблазнительным удачным выравниванием внешних планет.
Из-за особенностей выбранных траекторий первым в космос отправился «Вояджер-2». Его запустили 20 августа 1977 года, а «Вояджер-1» стартовал 5 сентября того же года. В нумерации ошибки не было. «Вояджер-1», стартовав позже, должен был раньше выполнить свои научные цели. Уже в декабре 1977-го «первый» опередил «второго». А команда миссий тем временем решала, что делать дальше.
Стартовые траектории предполагали, что «Вояджер-1» может посетить после систем Юпитера и Сатурна Плутон, который тогда еще считался планетой. А «Вояджер-2» мог бы полететь по маршруту: Юпитер – Сатурн – Уран – Нептун. Однако собранные «Пионером-11» данные о спутнике Сатурна Титане вызвали огромный научный интерес. Он имел признаки полноценной мощной атмосферы наподобие земной. Так Титан сделали приоритетной целью в системе Сатурна.
Но возникала другая дилемма. Пролет рядом с Титаном приводил к такому гравитационному маневру, который выбрасывал бы зонд из плоскости эклиптики и лишал бы его возможности двигаться к другим планетам. По сути, планетарная миссия на этом была бы завершена. Тем не менее, Титан оставили в приоритете. Поскольку «Вояджер-1» двигался быстрее своего собрата, эту роль доверили ему. Если бы у «первого» не получилось прошмыгнуть удачно для исследования Титана, то «Вояджер-2» предпринял бы такую попытку.
А поскольку мы можем наслаждаться снимками Нептуна, Урана и их систем, это означает, что у «Вояджера-1» все получилось. И «Вояджер-2» был отправлен по траектории, которая позволила после Сатурна сблизиться с другими внешними планетами. Так изначальная задумка была реализована сполна.
Рядом с гигантами
Перечислять все исследования, которые проведены на основе собранных «Вояджерами» данных, называть те открытия, которые сделаны, пришлось бы очень долго. Поэтому проследим путь этих двух аппаратов при выполнении главной цели – изучении внешних планет Солнечной системы.
5 марта 1979 года «Вояджер-1» пролетел рядом с Юпитером. Но съемку гиганта с расстояния 265 млн километров он начал еще в апреле 1978 года. Даже эти данные позволили оценить турбулентность атмосферы Юпитера, чего не показали «Пионеры». А с 30 января 1979 года «Вояджер-1» делал снимки гиганта каждые 96 секунд на протяжении ста часов, что позволило собрать одно из первых космических видео – оно показывает десять оборотов Юпитера вокруг своей оси. Видео стало настоящим хитом.
10 февраля «Вояджер-1» вошел в систему Юпитера, где сразу же открыл тонкое 30-километровое кольцо, опоясывающее эту планету. В ближайшей точке к Юпитеру аппарат оказался на расстоянии около 280 тыс. километров. Он смог сблизиться со спутниками Амальтеей, Ио, Европой, Ганимедом, Каллисто, открыл два новых спутника, а также явил миру уникальные кадры самых известных лун Юпитера, обнаружив восемь действующих вулканов на Ио. Уже после этого «Вояджеру-1» можно было «уходить в отставку» с чувством выполненного долга. Но открытия продолжались.
9 июля 1979 года в гости к Юпитеру уже пожаловал «Вояджер-2», шедший по пятам собрата. К тому моменту ученые и инженеры, получившие первые данные от «Вояджера-1», знали, куда смотреть. Поэтому «второй» зафиксировал изменения в атмосфере Юпитера, замерил параметры его магнитосферы более детально, увидел, как успела измениться поверхность Ио, который продолжал извергаться вулканами, а главное – рассмотрел трещины на ледяной поверхности Европы. Снимки «Вояджера-1» не позволяли точно понять, что это за структуры.«Вояджер-2» пролетел чуть дальше от Юпитера, чем предшественник, но сблизился гораздо сильнее с его спутниками, что дало много ценнейшей информации для планетологов. Они еще долго разбирали полученные от «Вояджера-2» 17 тыс. снимков этой системы. Шутка ли, всего за два визита «Вояджеров» ученым удалось построить карту 80 процентов поверхности Ганимеда и Каллисто с разрешением около 5 километров. А это был конец 1970-х!
12 ноября 1981 года «Вояджер-1» максимально приблизился к Сатурну. Ворох открытий посыпался и на этот раз. Он обнаружил пять новых спутников, а еще позволил оценить кольцевую структуру окружения планеты. Было открыто G-кольцо, сгустки в B-кольце, спутники-«пастухи» около F-кольца, не позволяющие ему рассыпаться, и масса других деталей, о которых ученые и мечтать не могли.
В системе Сатурна «Вояджер-1» сфотографировал Мимас, Энцелад, Тетис, Диону и Рею. Но мы помним, что его финальной планетарной целью был Титан. Зонд промчался на расстоянии всего лишь в 4 тыс. километров от поверхности этого спутника, выяснив, что у него действительно есть плотная атмосфера, а 90 процентов ее составляет азот, также там содержится метан и другие углеводороды, давление у поверхности должно быть около 1,6 атмосферы, а температура – около минус 180 градусов. Не зря такую ставку делали на Титан.
После сближения с ним «Вояджер-1» пролетел на расстоянии 126 тыс. километров от Сатурна и по большому счету завершил планетарную часть своей миссии. Дальше путь его лежал вне плоскости Солнечной системы, так что встретиться с какими-то интересными объектами он не мог. Но эффектно «закольцевал» свое путешествие. 18 сентября 1977 года сразу после старта он сделал снимок Земли и Луны в одном кадре. А 14 февраля 1990 года «Вояджер-1» в последний раз оглянулся на свой дом.
Только теперь это была не одна лишь Земля, а вся Солнечная система. Серией снимков он сделал легендарный «семейный портрет», запечатлев Солнце, Венеру, Землю, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун вместе с расстояния около 6 млрд километров от Солнца. Не хватило только Меркурия, который был слишком близок к нашей звезде, чтобы стать различимым, а еще Марса, который «Вояджер-1» «видел» с ночной стороны, поэтому не смог сфотографировать. Это были последние кадры, сделанные камерой зонда. Всего он сделал 67 тыс. снимков за свою «карьеру».
Но вернемся на десять лет назад. В ноябре 1980-го инженеры NASA осознали, что маневр «Вояджера-1» около Титана удался. Нужно было понять, что делать с «Вояджером-2», который летел к системе Сатурна. И в январе 1981-го решили, что он получит траекторию, которая позволит ему после встречи с этой планетой отправиться к Урану и Нептуну.
24 января 1986 года «Вояджер-2» совершил сближение с Ураном. Он прошел на расстоянии 81 500 километров, став первым и единственным созданным человеком аппаратом, который навестил эту планету. Многие сведения и снимки, которыми мы располагаем, добыты именно тогда. «Вояджер-2» открыл десять новых спутников Урана, два новых кольца и обнаружил удивительное магнитное поле этой «заваленной набок» планеты. Оно наклонено к оси вращения на 55 градусов.
Кроме того, зонд выявил сверхбыстрые ветры в атмосфере планеты. Их скорость превышает 700 км/ч. Он сделал впечатляющие снимки спутников Миранды, Оберона, Ариэль, Умбриэля и Титании. Особенно удачными стали кадры Миранды, с которой «Вояджер-2» разминулся в 28 тыс. километров. А 14 февраля 1986 года зонд выполнил самый радикальный маневр с использованием своих двигателей, чтобы направиться к Нептуну.
25 августа 1989 года «Вояджер-2» пролетел на расстоянии всего в 980 километров над облаками Нептуна. А еще открыл шесть новых спутников и четыре кольца. Полученные подробные снимки показали, что планета гораздо активнее, чем предполагали. Она укутана облаками, и на ней разгуливают вихри, подобные тем, что есть на Юпитере. На поверхности спутника Тритона удалось даже рассмотреть криовулкан. Когда «Вояджер-2» пролетел еще 56 млн километров после сближения, его научные приборы перевели в режим пониженного энергопотребления. Началась межзвездная эра путешествия.
К выходу из Солнечной системы
Формально межзвездная расширенная миссия обоих «Вояджеров» началась с января 1990 года. Теперь данные, собираемые аппаратами, больше интересовали не планетологов, а астро- и гелиофизиков. Но если в случае с пролетами через планетные системы ученые понимали, куда направляются и что их ждет, то теперь зонды двигались вслепую, надеясь своими инструментами нащупать какие-то изменения, какие-то границы. Камеры уже были бесполезны. Оставалось полагаться на датчики частиц и магнитометры.
Расположение «Вояджеров» за пределами гелиосферы в представлении художника. Фото: NASA/JPL, jpl.nasa.gov
Путешествие без каких-либо заметных изменений продолжалось очень долго. О «Вояджерах» даже стали забывать – разве что фиксировали рекорды удаления. Но «первый» напомнил о себе в декабре 2004 года. Его команда сообщила, что аппарат зарегистрировал резкий рост напряженности магнитного поля. Это случилось на расстоянии в 94 а. е. от Солнца. Там «Вояджер-1» прошел так называемую ударную волну – условную линию, где скорость солнечного ветра становится дозвуковой.
Так «Вояджер-1» вошел в оболочку – внешнюю границу гелиосферы – область, в которой солнечный ветер еще доминирует над межзвездным, но уже ощущается влияние межзвездной среды на движение солнечных частиц. Научный мир застыл в ожидании, когда аппарат «проткнет» оболочку. Это случилось 25 августа 2012 года. По пути «Вояджер-1» натыкался то на уплотнения солнечных частиц, то на особенно интенсивные космические лучи – ожидаемая картина на турбулентной границе разных сред. В 2012-м космические лучи стали доминировать. «Вояджер-1» оказался первым созданным человеком аппаратом, который попал в межзвездное пространство.
При этом не стоит путать гелиосферу с границей Солнечной системы. В гравитационном смысле она простирается куда дальше. Ведь впереди Облако Оорта, все еще связанное притяжением с нашей звездой. «Вояджер-1» покинул гелиосферу на расстоянии 122 а. е. от Солнца. Его двойник проделал тот же путь с опозданием. 30 августа 2007 года «Вояджер-2» преодолел границу ударной волны на расстоянии 84 а. е. от Солнца, а 10 декабря 2018-го вышел в межзвездное пространство – на дистанции 119 а. е. от Солнца.
Данные с обоих «Вояджеров» позволили ученым представить, как выглядит пузырь гелиосферы. Очевидно, что он имеет разную протяженность в различных направлениях. Оба зонда двигаются по разные стороны от плоскости эклиптики. «Вояджер-1» – на 35 градусов выше, а «Вояджер-2» – на 48 градусов ниже. Но направление примерно одно, и оно совпадает с направлением движения Солнечной системы. Это, кстати, позволило в 2020 году обнаружить уплотнение в межзвездной среде датчиками обоих аппаратов. Вероятно, оно возникает по мере того, как Солнечная система «продавливает» себе путь вперед.
Борьба за жизнь
Кажется, что оба «Вояджера» – это аппараты-счастливчики, у которых все складывалось наилучшим образом. Но инженерам Лаборатории реактивного движения NASA скучать не приходилось. Различные технические проблемы возникали у них с самого начала миссий. Их чаще всего удавалось решать программным способом – благодаря простому и изящному коду. Аппараты переходили на резервные блоки, на разные сочетания запасных и основных систем. Каждый раз решались головоломки, в которых у тебя перед глазами только устаревший программный код, но увидеть и потрогать ремонтируемый объект ты не можешь, а права на ошибку нет.
РИТЭГ. Фото: NASA/JPL, jpl.nasa.gov
В последние годы основные проблемы были связаны с коммуникацией между «Вояджерами» и Землей. Например, «Вояджер-2» минувшим летом потерял связь с планетой, поскольку из-за ошибочных данных, отправленных ему, антенна отклонилась на два градуса в сторону от Земли. До нас доходил только несущий сигнал, который очень слаб и не позволяет собирать научные данные. Восстановить полноценную связь удалось благодаря «крику», то есть очень мощному сигналу с командой о корректировке положения антенны, направленному в сторону «Вояджера-2» с помощью антенны дальней космической связи DSN. Это сработало, и связь восстановилась.
«Вояджер-1» за два последних года сбоил дважды. В 2022-м его система навигации AACS стала отправлять много «мусорных» несвязных данных на Землю. При этом функционировала сама по себе она правильно. Удалось выяснить, что проблема скрывалась в нарушении процедуры записи и считывания данных компьютером «Вояджера-1» – ее исправили.
Чуть больше чем через год компьютер полетных данных FDS «Вояджера-1» словно завис и перестал отправлять на Землю информацию, вместо этого отсылая повторяющийся набор символов двоичного кода. Решением этой проблемы инженеры занимаются сейчас, как и плановым обновлением кода. Все для того, чтобы выжать еще годы работы от «путешественников».
Одно из обновлений должно обезопасить аппараты от отправки неверных данных, а другое – скорректирует работу двигателей ориентации зондов. Дело в том, что за годы использования в топливной системе в узких трубках оседают частички пропеллента, постепенно забивая топливопроводы. Это очень медленный процесс, и пока проблем не возникало, но команда миссии смотрит в будущее. Чтобы их не было и в дальнейшем, нужно сократить количество включений двигателей. Для этого «Вояджерам» будет разрешено программно не включать корректировку при отклонении антенны от Земли на один градус. Раньше допуск был гораздо строже. Это может сделать более редкими сеансы связи, но все необходимые данные «Вояджеры» смогут передавать, как и прежде.
И все же есть объективные причины, по которым рано или поздно работа «Вояджеров» прекратится. Это истощение ядерного топлива на борту аппаратов. Оба они получают электроэнергию с помощью радиоизотопного электрогенератора (РИТЭГ), работающего на плутонии-238, который имеет период полураспада 87,74 года. Во время запуска РИТЭГ вырабатывал 470 ватт электроэнергии. Сейчас это значение около половины от стартового. Кроме того, со временем ухудшаются свойства самого устройства по выработке электричества.
Над решением проблемы с энергией команда миссии стала работать сразу после окончания планетарной части полета. Главный способ экономии – постепенное отключение наименее важных для межзвездного этапа миссии научных инструментов и подсистем. Сейчас на «Вояджере-1» работают всего четыре инструмента. Это магнитометр, датчики частиц низкой энергии и космических лучей, а также плазменных волн. Часть приборов выключили специально, а некоторые вышли из строя сами, например, фотополяриметр. На «Вояджере-2» в строю пять инструментов. Помимо тех же, что и на «первом», еще работает и плазменный спектрометр, который у «Вояджера-1» сломался. Предполагается, что в 2026 году придется отключить еще какие-то инструменты, чтобы увеличить экономию энергии.
Вечная миссия
Сейчас «Вояджер-1» находится на расстоянии 24,2 млрд километров от Солнца, сигнал от аппарата и к нему с Земли идет больше 22,5 часа в одну сторону. «Вояджер-2» успел улететь на расстояние 20,2 млрд километров от Солнца, сигнал к нему идет почти 19 часов. Даже если «Вояджерам» удастся очень эффективно экономить энергию, уже после 2035 года они окажутся вне зоны досягаемости систем дальней космической связи. Хотя потеря контакта случится наверняка раньше из-за истощения энергетической системы.
Дальнейший путь в межзвездное пространство «Вояджерам» предстоит совершать в качестве молчаливых памятников человеческому инженерному гению. Ожидается, что еще сотни или даже тысячи лет «Вояджеры» будут преодолевать Облако Оорта на границе Солнечной системы. Примерно через 42 тысячи лет «Вояджер-2» пролетит на расстоянии 1,7 светового года от звезды Росса 248, а через 296 тыс. лет – на расстоянии 4,6 светового года от Сириуса. «Вояджер-1» через 40 тысяч лет разминется со звездой Глизе 445 на расстоянии 1,6 светового года.
Но даже когда «Вояджеры» замолчат, их миссия еще не будет выполнена целиком. На борту каждого аппарата находится 30-сантиметровая золотая пластина с записью информации о Земле, о Солнечной системе, с земными картинками и звуками, а еще – с координатами нашей системы относительно известных пульсаров. Такой груз размещен на тот случай, если «Вояджеры» найдут представители внеземных цивилизаций. Два удивительных аппарата, таким образом, к открытиям для человечества могут добавить и открытие человечества для других миров.
Технологии
Сергей Максименков
«Спектр-РГ»: создание карты космических маяков
Europa Clipper: в полет за внеземной жизнью
