Вояджер-1 и Вояджер-2 - глаза Солнечной системы. История и конструкция зондов. Часть 1

[Melech 11528]

Дорогие форумчане, любознательные и любопытные и просто все желающие! Запаситесь временем, устройтесь поудобнее, потому что история Вояджеров настолько длинна и обширна, что укладывается в человеческую жизнь. Рассказ о них у меня получился подробным и длинным, поэтому я разделил его на две части. В первой части будут история и строение космических зондов, а во второй - их путешествие по нашей солнечной системе.

Так же материал будет содержать множество активных ссылок, пройдя по ним, вы получите еще больше информации и данных. Не пугайтесь больших изображений, а попытайсь вообразить, насколько велика хотя бы наша Солнечная система и какой длинный путь прошли Вояджеры!

История и конструкция космических зондов

 

«Вояджер» (англ. voyager, от фр. voyageur — «путешественник») — название двух американских космических аппаратов, запущенных в 1977 году, а также проекта по исследованию дальних планет Солнечной системы 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 Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» впервые достиг Урана и Нептуна.

«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. 

 

Спойлер

Старт Вояджера-2, 20 августа 1977 года.

В 2017 году исполнилось 40 лет с момента запуска Вояджера-1, а его брат-близнец Вояджер-2 — отпраздновал юбилей 16 днями ранее. Пользуясь уникальным парадом планет-гигантов, случающимся раз в 175 лет, им удалось перевернуть наше представление о Солнечной системе и сделать столько открытий, сколько ни удалось сделать ни одному аппарату до или после них.

На их счету числятся: обнаружение первой молнии и первого вулкана за пределами Земли; обнаружение первого криовулкана, и единственного объекта Солнечной системы (за исключением Земли), на поверхности которого могут существовать жидкие моря; открытие 3 спутников Юпитера, 4 спутников Сатурна, 11 спутников Урана и 6 спутников Нептуна; определение рекордсменов Солнечной системы: по силе магнитного поля, скорости ветров, альбедо поверхности, массе среди спутников; открытие границ ударной волны и гелиопаузы у солнечной гелиосферы.

Без преувеличения можно сказать, что эти два аппарата показали нам то, что Солнечная система вовсе не такая безжизненная, как нам казалось. И проложили путь для плеяды новых аппаратов, которые отправились изучать то, что не до конца удалось изучить Вояджерам.

Предыстория

Летом 1961 года аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Майкл Минович приступил к поиску решения задачи трёх тел. Он использовал для этой цели принадлежащий университету IBM 7090 — мощнейший компьютер, из существовавших на тот момент. К концу лета ему удалось установить, что при определённых условиях встречи с планетой, космический аппарат получает прибавку к скорости, а при других — её теряет. В ходе стажировки в Лаборатории реактивного движения (далее JPL) летом следующего года он убедил своего начальника выдать ему более точные данные положения планет, и его расчёты подтвердились.

 
 

Это открытие сделало Меркурий и планеты-гиганты доступными для исследований существовавшей на тот момент несовершенной техникой (в то время эра спутников только начиналась, и NASA не могло гарантировать работу научных аппаратов дольше нескольких месяцев, так что планеты-гиганты считались вне досягаемости). Однако JPL в тот момент усиленно готовилась к программе «Аполлон», и его открытие не получило должного внимания. Но уже спустя 10 лет, сделанные им в 1963 году расчёты лягут в основу миссий Маринер-10 (выполнившей второй гравитационный манёвр после Луны-3) и аппаратов Пионер-10 и 11 (впервые пересёкших пояс астероидов).

Летом 1964 года идеей Миновича заинтересовался другой практикант JPL — Гэри Флэндро, который начал искать практическое применение для этой идеи. Он начал рисовать графики будущего положения планет и вскоре обнаружил, что в конце 70-х годов все планеты за поясом астероидов (в числе которых тогда был и Плутон) должны были собраться в узком секторе неба. Это давало уникальную возможность, «прыгая» от одной планеты к другой при помощи гравитационных манёвров, изучить их все разом (заодно сократив ещё время перелёта с 13 лет до 8-ми, что увеличивало шансы на успех).

Такой шанс нельзя было упускать, и Минович при поддержке консультанта президента по космической политике Максвелла Хантера смогли убедить NASA учредить программу «Большое путешествие», предполагавшую запуск сразу шести аппаратов по трассам Юпитер-Сатурн-Плутон и Уран-Нептун-Плутон. К сожалению, такому амбициозному проекту не суждено было сбыться: общее сокращение бюджета NASA (шедшее в тот момент полным ходом вместе с закрытием программы «Аполлон») ударило и по этому проекту.

В итоге 1 июля 1972 году предпочтение было отдано в три раза более дешёвому проекту Маринер-Юпитер-Сатурн 77, в котором осталось только три аппарата. А в 1975 году миссия Вояджера-3 к Юпитеру и Урану была также отменена. Таким образом упоминания об Уране, Нептуне и Плутоне — были полностью убраны из программы, а длительность программы сократилась до 5 лет.

Однако NASA пошла на хитрость: хотя оба аппарата официально и предназначался исключительно для исследования Юпитера, Сатурна и его спутника Титана, но разработчики аппаратов изначально проектировали их с расчётом на то, что они смогут добраться в рабочем состоянии до дальних планет: траектория Вояджера-1 позволяла уже в ходе полёта выбрать между исследованиями Титана или Плутона, а страховавший его Вояджер-2, в случае если собрат отрабатывал свою исследовательскую программу без сбоев, мог отправиться на встречу с Ураном и Нептуном. В ходе подготовки программы были рассмотрены 10 тыс. возможных траекторий, прежде чем две из них стали утверждёнными траекториями аппаратов.

13-15 декабря 1972 года — первая научная встреча по проекту.

В декабре 1972 года пролетающий мимо Юпитера, Пионер-10 получил компьютерной сбой, в ходе которого были потеряны снимки Ио, сделанные им с близкого расстояния; кроме этого аппарат получил потемнение датчиков астероидов и метеоритов. Причиной этих повреждений стали радиационные пояса Юпитера, которые оказались в 1 млн раз мощнее земных. Перед разработчиками остро встала проблема радиационной защиты аппаратов, с которой, как мы теперь знаем, они замечательно справились.

Уже в марте 1977 года (за полгода до запуска аппаратов) было решено заменить название Маринер-Юпитер-Сатурн 77 (официально именовавшийся как MSJ-77) на что-нибудь более благозвучное. Таким образом на свет появились «Вояджеры».

 

Конструкция аппаратов

Сейчас возможности аппаратов могут вызвать разве что улыбку, но на момент своего создания они были вершиной инженерной мысли: в них впервые стали обширно применяться средства защиты от радиации и электростатических разрядов; у них впервые появилась система автоматической защиты от сбоев, и программируемая электроника в системе ориентации; они стали первым «космическим» применением кодов Рида-Соломона и техники объединения отдельных радиоантенн в массивы для связи с космическими аппаратами. Каждый аппарат содержит около 65 тыс. деталей, а компьютеры внутри аппаратов содержат около 5 млн электронных компонентов. На постройку двух Вояджеров ушло 5 лет работы около 1,5 тыс. инженеров, и около 200 млн $.

По части средств связи аппараты всегда были на переднем крае: именно для ускорения связи с ними, были модернизированы радиоантенны сети дальней космической связи NASA (далее DSN), которыми сейчас пользуются во всех научных проектах NASA за пределами земной орбиты. По сути они стали «крёстными отцами» большинства проектов исследования объектов за пределами пояса астероидов как в части средств связи, так и в части научного обоснования будущих проектов.

Цветной вариант:

 

Система связи: так как разработчики изначально рассчитывали что их аппараты должны достичь дальних границ Солнечной системы, антенны занимают ключевое место в аппаратах: диаметр их составляет 3,66 м, а сами они состоят из алюминиевого ядра покрытого смесью графита и эпоксидной смолы.

Команды с Земли передаются в S-радиодиапазоне на один из двух дублированных приёмников, а для передачи данных на Землю также используется ещё и передатчики X-диапазона. Один S-передатчик и оба X-передатчика используют лампы бегущей волны в качестве усилителя. Мощности усилителей составляют 9,4 и 21,3 Вт, при этом единовременно может работать только один из приёмников или передатчиков.

Изначально система связи была рассчитана на скорость передачи 115,2 кбит/с у Юпитера, и 44,8 кбит/с у Сатурна с вероятностью битовых ошибок 5*10-3 (что обеспечивалось кодами коррекции Рида-Соломона). Для связи у Урана и Нептуна — скорость связи упала ещё, и для передачи изображений потребовалось их сжатие, так что ошибки при передаче данных стали ещё критичнее, и поверх кодов Рида-Соломона добавили свёрточные коды (это обеспечивало вероятностью битовых ошибок 10-6 при небольшом увеличении вычислительной сложности).

Источник энергии состоял из трёх термоэлектрический генераторов MHW (подобные использовались только на спутниках LES 8/9), и имеющих 40,6 см в диаметре при длине в 51 см. Вес каждого из них составляет 37,7 кг (включая около 4,5 кг плутония-238), а мощность была больше 156 Вт на старте (при около 2,4 кВт тепловых).

Внешний вид:

И конструкция:

Система ориентации включает в себя 16 однокомпонентных двигателей ориентации (работающих на разложения гидразина) с тягой всего в 85 грамм каждый; три гироскопа с точностью в одну десятитысячную долю градуса (один из которых был запасным); датчики Канопуса и Солнца (который размещался в отверстии антенны):

Компьютер представляет из себя три раздельных дублированных вычислительных машины. Первая из них (CCS) выполняет командную роль, и следит за состоянием аппаратов (она идентична той, что применялись в программе «Викинг»); другая (Flight Data System — FDS) выполняет задачи формирования и передачи телеметрии (она была разработана специально для аппаратов); а третья (Attitude and Articulation Control System — AACS) управляет системой ориентации и платформой с научными приборами.

«640 килобайт хватит всем» подумали разработчики и сделали оперативную память аппаратов состоящей из 4 тыс. 18-битных слов (примерно 69,63 Кбайт). Задающий генератор процессора работает на частоте 4 МГц, но тактовая частота самого процессора — составляет только 250 кГц, при этом он может выполнять только 8 тыс. операций в секунду. В момент запуска аппаратов из доступных 4 тыс. слов — свободными оставались только два, но при пролёте Урана и Нептуна — ситуация ещё более усугубилась, так как в этот объём потребовалось впихнуть ещё код для исправления неровностей вращения платформы Вояджера-2.

Записывающее устройство: представляет из себя магнитофон с ременным приводом, и магнитной лентой шириной в пол дюйма (12,7 мм), и длиной в 328 м. Ширина ленты разделена на 8 полос, из которых единовременно может читаться только одна. Общий объём памяти составляет 536 млн бит (около 63,9 Мбайт) — этого достаточно для записи 100 фотографий с телевизионных камер. Скорость записи составляю 115,2 и 7,2 кбит/с, а чтения — 57,6; 33,6; 21,6 и 7,2 кбит/с.

Программное обеспечение: хранится в перезаписываемой памяти, и этой возможностью в ходе миссии пользовались бесчисленное число раз как для улучшения характеристик, так и для исправления сбоев. Изначально весь код для аппаратов писался на Фортран 5, затем был портирован на Фортран 77, а на данный момент — часть из него перенесена на Си, в то время как другая часть остаётся на Фортране. Аппараты имеют 7 подпрограмм ответственных за исправление множества возможных сбоев. После пролёта Нептуна в 1990 году, код был переписан так чтобы аппараты продолжали передавать данные обратно, даже если аппараты не смогут принимать команды с Земли.

Научное оборудование: включало в себя 11 инструментов весом в 105 кг, большинство из которых размещается на платформе длиной 2,3 м, с противоположной от РИТЭГа стороне (для защиты от его излучения). Полный вес вращающейся платформы составляет 103 кг, а точность её позиционирования — выше одной десятой градуса. Двигатель платформы вращается в соотношении 1/9000, так что уже к пролёту Нептуна он сделал 5 млн оборотов за 12 лет — без сбоев и всякого обслуживания.

На аппаратах размещаются две камеры узкого и широкого угла обзора (3° и 0,4°) с разрешением 800 строк. При этом резкости узкоугольной камеры достаточно для чтения газеты с дистанции в 1 км. Магнетометры высокой и низкой чувствительности размещаются на стреле из стекловолокна длиной в 13 метров (предназначены для изучения магнитных полей планет и солнечного ветра); точность их позиционирования составляет 2°.

Инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры (для измерения температуры и состава атмосфер), фотополяриметр (для измерения фактуры, и плотности атмосфер), плазменный спектрометр (для измерения ионов и электронов в окружающей среде), детектор заряженных частиц низких энергий (для измерения направления движения ионов и электронов), приёмник плазменных волн (для измерения плотности, и волн в окружающей плазме), детектор космических лучей, и система использующая штатную систему связи аппаратов для изучения среды между аппаратами и Землёй. А также радиоприёмник, которым были сделаны «Симфонии планет».

Детектор заряженных частиц низкой энергии: он включает в себя шаговый двигатель, позволяющий детектору вращаться на 360°. Он был протестирован на 500 тыс. шагов (для того, чтобы он мог достичь Сатурна), теперь он выполнил их уже более 6 млн.

Золотые пластинки

На них расположены записи композиций Бетховена, Моцарта, Стравинского и слепого Вилли Джонсона (общий список лежит здесь, а прослушать их можно тут); 116 изображений Земли, людей и животных; записи звуков ветра, грома, пение некоторых птиц и животных; записи приветствия на 55 языках и обращение Джимми Картера (являвшегося президентом США в тот момент); а также положение нашей Солнечной системы относительно 14 пульсаров. На обратной стороне нанесена инструкция о том как данные записи можно прослушать.

Лицевая сторона с записями, и оборотная с инструкцией

Узнайте приветствие для Золотой пластинки на своем языке.

 

Запуск и первые проблемы

 

Запуск Вояджеров требовал использования самой мощной из существовавших на тот момент у NASA ракет: пятиступенчатой 633 тонной ракеты-носителя Titan IIIE, работавшей на 4-х разных компонентах топлива: ускоритель и второй разгонный блок являлись твердотопливными (но с разным составом), первая и вторая ступени заправлялись аэрозином и тетраоксидом диазота, а роль третьей ступени исполнял кислород-водородный разгонный блок «Центавр».

Мало кому известно, что вся миссия могла завершиться огромным фиаско ещё в первый месяц. При старте Вояджера-2 первые 4 ступени отработали превосходно: ракета-носитель по плану проработала 468 секунд, и включившийся спустя 4 секунды после отделения от неё «Центавр» проработав положенную ему 101 секунду перевёл аппарат на парковочную орбиту. Спустя 43 минуты он включился вновь, и проработав 339 секунд перевёл твёрдотопливный разгонный блок Star-37E с Вояджером-2 на отлётную траекторию. Далее в работу вступил бортовой компьютер Вояджера-2, включивший разгонный блок, который проработав 89 секунд, и вывел аппарат на траекторию встречи с Юпитером.

Но разделение Вояджера-2 и Star-37E, с последующим раскрытием штанг аппарата прошло не так гладко, как бы хотелось: сразу после этих манипуляций аппарат начал вращаться, а через 16 секунд после разделения основной AACS и вовсе отказался работать (так как оба CCS передали ему одновременно команду на подготовку двигателей ориентации). Это в итоге и спасло аппарат, так как у второго AACS не было сведений от гироскопов, и он начал ориентацию с нуля. Ориентацию таки удалось осуществить, но это заняло 3,5 часа, да и проблемы на этом не завершились: данные приборов говорили, что одна из штанг оказалась раскрыта не до конца. Было принято решение подтолкнуть штангу, чтобы она встала на замки, используя для этого разворот аппарата двигателями ориентации, совместно с отстрелом крышки спектрометра IRIS, но компьютер Вояджер-2 отменил эту команду, посчитав её опасной. К 1 сентября всё таки удалось установить, что штанга на самом деле находится на месте, и провести после стартовые проверки, так что у команды Вояджеров появилось несколько дней передышки между переведением Вояджера-2 в «спячку» и стартом Вояджера-1.

При старте Вояджера-1, наоборот, разделение и работа разгонных блоков была безукоризненна, а вот утечка окислителя на второй ступени Titan IIIE привела к тому, что она отключилась раньше положенного, и ракета-носитель недодала «Центавру» целых 165,8 м/с. Компьютер разгонного блока определил неисправность и продлил время работы при выходе на парковочную орбиту. Но на второе включение топлива разгонному блоку хватило впритык: на момент отключения двигателей, в «Центавре» оставалось топлива всего на 3,4 секунды работы. Если бы на этой ракете летел Вояджер-2, разгонный блок отключился бы, не набрав необходимой скорости (при отлёте от Земли скорость Вояджера-2 должна была составлять 15,2 км/с, в то время как скорость Вояджера-1 — только 15,1 км/с).

Текущий статус

Изначальную программу полёта, рассчитанную на пять лет, они уже перевыполнили в 8 раз, впрочем, это далеко до текущего рекорда Оппортьюнити в 53 раза, который всё ещё продолжает работать. Скорости Вояджеров составляют 17,07 км/с и 15,64 км/с соответственно. Их масса (после использования части топлива) составляет 733 и 735 кг. В РИТЭГах остаётся около 73% плутония-238, но выходная мощность питающая аппараты снизилась до 55% (с учётом деградации термоэлектрогенераторов) и составляет 249 Вт от изначальных 450-ти.

Из изначальных 11 приборов включенными остаются только 5: это MAG (магнетометр), LECP (детектор заряженных частиц низкой энергии), CRS (детектор космических лучей), PLS (детектор плазмы), PWS (приёмник плазменных волн). На Вояджере-1 периодически включают ещё UVS (ультрафиолетовый спектрометр).

Члены миссии «Вояджер» 22 августа 2014 года
 

Будущее аппаратов

В данный момент команда «Вояджеров» борется за живучесть аппаратов, стараясь выкроить максимум из доступной энергии для работы научных приборов и их обогревателей. Лучше всего это процесс описывает Сюзанна Додд:

• «Разработчики говорят: "эта система потребляет 3,2 Вт". Но в действительности она потребляет 3 Вт, но они должны быть консервативны в процессе разработки, когда они строят аппарат. Теперь мы в той точке миссии когда пытаемся избавиться от лишних резервов, и получить реальные цифры»

В ближайшее время на аппаратах должны быть отключены гироскопы, а с 2020 года — придётся приступить уже к отключению некоторых из научных инструментов. Члены команды пока не знают как они поведут себя в условиях дикого холода космоса (так как запасных аппаратов, и даже отдельных их инструментов, которых бы можно было проверить в барокамере — на Земле не сохранилось). Возможно приборы останутся работоспособны в процессе отключения их обогревателей, и тогда момент отключения последних приборов удастся оттянуть с 2025 года до 2030-го.

По оценкам, Вояджер-2 должен выйти за пределы гелиосферы в пределах десятилетия. Точной даты назвать нельзя так как гелиосфера не идеально сферическая, а вытянутая под действием внешних сил межзвёздной среды. Так что Вояджеру-2 должно хватить времени выйти из ударной волны, чтобы приступить к изучению межзвёздного вещества (в точке отличной от собрата) и сделать с ним возможно даже не последнее своё открытие — форму солнечной гелиосферы.

Вояджер-1 должен отдалиться от Земли на один световой день к 2027 году, а Вояджер-2 — к 2035-му. После 2030 года аппараты перейдут в режим радиомаяков (не имея мощности поддерживать работу своих приборов) и проработают так до 2036 года, после чего замолкнут уже навсегда. Таким образом аппараты должны «выйти на пенсию» в возрасте 48-53 лет, а «дожить» они должны до возраста в 59 лет.

Вояджер-1 направляется в точку с координатами 35,55° эклиптической широты, и 260,78° эклиптической долготы, и должен через 40 тыс. лет сблизиться на 1,6 св. года со звездой AC +79 3888созвездия Жирафа (эта звезда в свою очередь сближается с Солнцем, и в момент пролёта Вояджера-1 будет на расстоянии 3,45 св. лет от нас). Примерно в тот же момент, Вояджер-2 (двигающийся в направлении -47,46° эклиптической широты, и 310,89° эклиптической долготы), приблизится к звезде Росс 248 на расстояние 1,7 св. года, а спустя 296 тыс. лет с текущего момента пролетит в 4,3 св. года от Сириуса.

 

Руководитель проекта

1972 год в Калтехе, и 2017 год на интервью в университете KAUST

 

Эдвард Стоун — бессменный руководитель проекта начавший карьеру астрофизика с экспериментов по изучению космических лучей в 1961 году. 
С 1967 он стал полноправным преподавателем Калтеха, в 1976 — профессором физики, а с 1983 по 1988 год — был председателем кафедры физики, математики и астрономии этого института. 
С конца 80-х до 2007 года был председателем совета директоров обсерватории Кека. 
В 1991-2001 годах занимал должность руководителя JPL, в 1996 году его именем был назван астероид №5841. 
Сейчас он продолжает оставаться исполнительным директором тридцатиметрового телескопа, и 
преподавателем Калтеха (которым он является аж с 1964 года).

Спойлер

Награды

1991 — National Medal of Science
1992 — Magellanic Premium
1999 — Carl Sagan Memorial Award
2007 — Philip J. Klass Award for Lifetime Achievement
2013 — NASA Distinguished Public Service Medal
2014 — Howard Hughes Memorial Award

 

Послесловие

• «Мы всегда были в одном отказе от потери миссии» — говорит Сюзанна Додд

Эти аппараты, стартовавшие во времена выхода 4-го эпизода «Звёздных войн» и «Близких контактов третьей степени» — пережили десятки неисправностей и 40 лет пребывания в вакууме при температуре чуть выше абсолютного нуля. Множество раз их миссия оказывалась под вопросом — даже до их непосредственного запуска. И несмотря ни на что, они всё ещё остаются в строю. 

 

[Феникс 2382]

Вот про Вояджеров, в отличие от Хаббла, я читала. И всё равно ты надыбал больше материала) Это был знатный экскурс. Благодарю.

[Melech 11528]

Только что, Феникс сказал:

Вот про Вояджеров, в отличие от Хаббла, я читала. И всё равно ты надыбал больше материала) Это был знатный экскурс. Благодарю.

Честно говоря, я надыбал столько материала, что теперь боюсь им вас загрузить  

[Феникс 2382]

Только что, Melech сказал:

Честно говоря, я надыбал столько материала, что теперь боюсь им вас загрузить  

Не, это нормально, на самом деле. Кому не интересно - пройдёт мимо. И всё 

[mirka30 3151]

Ничего себе...Половина из текста мне не понятна))),но пытаюсь понять) и думаю,что смогу понять)) Спасибо,Даня,а картинки вообще классные!

[Stylist 12487]

Дань, благодарю за интереснейшую подборку материала. Прочла твою статью, еще предстоит пройтись по ссылкам. Представляю, сколько всего интересного тебе пришлось прочесть и изучить, чтобы сформировать эту тему.

2 часа назад, Melech сказал:

«640 килобайт хватит всем»

По сравнению с тем, что мы имеем сейчас - это выглядит, как компьютерное детство. Но оно работает и приносит бесценные знания из недосягаемой дали.  
Жду продолжение.