Вояджер

Запуск «Вояджера-2» на ракете-носителе Titan IIIE.

«Во́яджер» (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 (англ. 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» — довольно крупные сооружения. 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.

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

Нептун.
Фото сделано «Вояджером-2»

Слоистая атмосфера Титана, спутника Сатурна

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 Землю «Вояджерами» фотоснимки и данные измерений имеют большую научную ценность.

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

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 Плутона. 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 спутника Титана, 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

• 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

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

Источником электроэнергии являются три радиоизотопных термоэлектрических генератора (РИТЭГа). 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 компенсатора частоты сигнала радиопередатчика. Это устройство должно было подстраивать несущую частоту радиопередатчика в связи с тем, что она, у двигающегося со скоростью порядка 11,5 км/с аппарата, испытывает значительное смещение Допплера. Проблема была решена созданием в максимально сжатые сроки земного аналога этого устройства, но уже для наземного приёмного комплекса, работающего до сих пор, без которого связь с аппаратом была бы невозможна;
• выход из строя одной из ячеек оперативной памяти бортовой ЭВМ — программу удалось переписать и загрузить так, что этот бит перестал влиять на программу;
• на определённом участке полёта применявшаяся система кодирования управляющего сигнала уже переставала отвечать требованиям достаточной помехозащищённости из-за ухудшения отношения сигнал/шум. В бортовую ЭВМ была загружена новая программа, осуществлявшая кодирование гораздо более защищённым кодом (был применён двойной код Рида — Соломона).
• при пролёте плоскости колец Сатурна бортовая поворотная платформа с телекамерами была заклинена, вероятно, частицей этих колец. Осторожные попытки поворота её несколько раз в противоположные стороны позволили, в конце концов, разблокировать платформу;
• падение мощности питающих изотопных элементов потребовало составления сложных циклограмм работы бортового оборудования, часть которого начали время от времени отключать, чтобы предоставить другой части достаточно электроэнергии;
• незапланированное вначале удаление аппаратов от Земли потребовало многократной модернизации наземного приёмо-передающего комплекса, чтобы принимать слабеющий сигнал.

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 пульсаров. В качестве «мерной линейки» указана сверхтонкая структура молекулы водорода (1420 МГц).

Кроме изображений, на диске записаны и звуки: шёпот матери и плач ребёнка, голоса птиц и зверей, шум ветра и дождя, грохот вулканов и землетрясений, шуршание песка и океанский прибой.

Человеческая речь представлена на диске короткими приветствиями на 55 языках народов мира. По-русски сказано: «Здравствуйте, приветствую вас!». Особую главу послания составляют достижения мировой музыкальной культуры. На диске записаны произведения Баха, Моцарта, Бетховена, джазовые композиции Луи Армстронга, Чака Берри, народная музыка многих стран.

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

Этот аппарат создан в США, стране с населением 240 млн человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество всё ещё разделено на отдельные нации и государства, но страны быстро идут к единой земной цивилизации. Мы направляем в космос это послание. Оно, вероятно, выживет в течение миллиарда лет нашего будущего, когда наша цивилизация изменится и полностью изменит лик Земли… Если какая-либо цивилизация перехватит «Вояджер» и сможет понять смысл этого диска — вот наше послание: Это — подарок от маленького далёкого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, наша музыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить и в вашем. Мы надеемся, настанет день, когда будут решены проблемы, перед которыми мы стоим сегодня, и мы присоединимся к галактической цивилизации. Эти записи представляют наши надежды, нашу решимость и нашу добрую волю в этой Вселенной, огромной и внушающей благоговение.

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 (англ. termination shock) в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца. Информация, поступающая с «Вояджера-2», привела к новому открытию: хотя аппарат на тот момент ещё не достиг данной границы, но получаемые от него данные показали, что она асимметрична — её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная (вероятное объяснение — влияние межзвёздного магнитного поля). «Вояджер-2» пересёк гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84,7 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.

В массовой культуре

Межпланетные станции «Вояджер» стали объектами ряда произведений изобразительного искусства и научной фантастики.

• В кинофильме «Звёздный путь» 1979 года на основе вселенной одноимённого телесериала (англ. Star Trek) земной звездолёт «USS Энтерпрайз», отправленный в конце XXIII века на встречу с посылающим сигналы внеземным объектом «Ви-Джер» (англ. V'Ger), обнаруживает, что им оказался один из «Вояджеров» (№ 6, не запущенный в реальности), который был найден инопланетной цивилизацией машин, расценен ею как собрат по машинному разуму, улучшен и отправлен назад создателям.
• Зонд «Вояджер-2» был показан в научно-популярном сериале «Жизнь после людей» через 1 миллион лет после исчезновения человечества, в полуразрушенном состоянии, на расстоянии 0,5 светового года от Солнечной системы.

Ссылки

• Официальный сайт программы «Вояджер» (англ.)
• Спутники Юпитера: В 3-х ч. / Под ред. Д. Моррисона. — М.: Мир, 1985—1986.