«Вояджер»: самое большое в истории путешествие началось 40 лет назад

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.

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.

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.