Галина Железняк - Пришельцы среди нас
В проекте «Большой тур» гравитационный маневр играл определяющую роль, поскольку изменение направления полета аппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалось очень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат пройдет слишком далеко от планеты, излом его траектории окажется слишком малым, а если очень близко — аппарат может даже развернуться на 180°. Таким образом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но и дает выигрыш в энергии.
Для реализации «Большого тура» требовалось особое расположение планет, примерно такое, как в 80-е годы, иначе вся миссия растянулась бы непомерно. Предполагалось, что для посещения пяти внешних планет миссия «Большой тур» потребует нескольких аппаратов: два в 1976–1977 годах 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 году 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». Все расходы по проекту, учитывающие ракеты запуска, весь наземный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном, составили 865 млн долларов. Новый вариант уже не предусматривал ни такого количества аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона.
«Вояджер» представляет собой довольно крупное сооружение. Это высокоавтономный робот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи и управления, научными приборами для исследования внешних планет. Масса аппарата — 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 — 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, Испании и Австралии.
Через полтора года после Юпитера, 12 ноября 1980 года, «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 и намечалось, но это был конец планетной миссии «Вояджера-1». Аппарат стал все выше подниматься над плоскостью эклиптики. На 1990 год он ушел «вверх» уже почти на 3 млрд км. Как известно, планетных тел здесь нет.
«Вояджер-2» достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 года, 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 года. Снова исследования планет и спутников, снова маневр.
24 августа 1989 года аппарат достиг «последней остановки» — Нептуна. Подобно спутнику Сатурна Титану спутник Нептуна Тритон давно привлекал внимание исследователей. Последний маневр «Вояджера-2» позволил исследовать Тритон.
Теперь «Вояджер-2» уходит из Солнечной системы, но не в том направлении, в котором идет «Вояджер-1». К осени 2006 года «Вояджер-1» улетел от Солнца на расстояние в 100 ае. Таким образом, двойная карликовая планета Плутон — это единственный из миров Солнечной системы, который пока не дождался земных гостей (и по-видимому, уже не дождется до середины XXI века). Заметим, что из-за большого эксцентриситета орбиты Плутон до конца XX века находился ближе к Солнцу, чем Нептун.
ЛЕГКО ЛИ БЫТЬ МАШИНОЙ?В некоторых источниках рассматривается возможность существования машинной цивилизации. Попробуем представить те сложности, которые возникнут при создании роботов. Разумеется, многие проблемы в этой области уже известны. Но если речь идет о самоуправляемой организации машин, то стоит помнить, что некий координатор действий должен обеспечивать согласованную работу отдельных структур.
В процессе освоения космического пространства человечество получает знания о сложных системах управления. И хотя мы только в самом начале космического пути, но проводимые эксперименты действительно вызывают восхищение талантом конструкторов. Естественно, не только энергетика определяет возможности аппарата. Множество систем позволяют аппарату вести самоконтроль, управлять своим положением, рассчитывать свои действия, посылать и принимать радиосообщения.
Мозг «Вояджера» — это два компьютера, образующие подсистему полетных данных. Главным достоинством управляющего комплекса «Вояджера», как выяснилось в многолетнем полете, оказалась необычайно гибкая программа, созданная учеными. Эта программа 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 одном, то в другом из многочисленных узлов аппарата, включая даже сами компьютеры.
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 вычислений 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).
Представляют интерес 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 солнечного излучения и его собственного теплового излучения. И 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 аппарата на решетчатой ферме находилась поворотная платформа. Платформа позволяла направлять приборы, в том числе две видеокамеры, 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.
