Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее

В январе 1969 г. в составе проекта бюджета на 1970 ф.г. впервые были запрошены средства на создание двух КА в рамках общей программы «Пионер». Теперь уже достижение Юпитера значилось официальной целью нового проекта, как и оценка потенциальных угроз для «Большого тура». Предстояло измерить свойства заряженных частиц, магнитных полей и радиоизлучения вблизи Юпитера. На основании этих данных можно было изучить состав и динамику атмосферы планеты и ее взаимодействие с межпланетной средой, а также проанализировать тепловой баланс Юпитера и разобраться с источником его внутренней энергии. Однако еще только рассматривалась возможность поставить на «Пионеры» какую-нибудь телевизионную систему для съемки планеты[13].

Теперь два старта планировались в 1972 и 1973 гг. Аппараты проектировали под носитель «Атлас-Центавр» с дополнительной третьей ступенью, однако NASA намеревалось отправить первый из них на ракете «Титан-Центавр», чтобы испытать ее перед двумя запусками «Викингов» к Марсу весной 1973 г.

Тогда же и в рамках той же программы у Конгресса запросили деньги на совместный межпланетный проект Западной Германии и США под названием «Гелиос» (Helios) с той самой целью, с которой все началось: измерить свойства космической среды вплоть до дистанции 0,3 а.е. от Солнца. Роль головного разработчика взяла на себя ФРГ, которая в основном и финансировала два новых солнечных зонда, а США поставляли часть научной аппаратуры и обеспечивали запуски в 1974 и 1975 гг.

Средств на новые «Пионеры» и на приборы для «Гелиосов» требовалось немного, так что Конгресс не стал упрямиться и деньги выделил. Проект отправки двух «Пионеров» к Юпитеру был утвержден руководством NASA 8 февраля 1969 г. Руководили работами те же люди, что и отвечали за создание зондов предыдущей серии. Менеджером проекта остался Чарльз Холл, глава специального проектного отдела Центра Эймса. Разработку служебного борта вел Ральф Холтцклау, а комплекса научной аппаратуры – Джозеф Лепетич. Роль научного руководителя проекта взял на себя д-р Джон Вулф, он же – руководитель эксперимента по изучению солнечного ветра.

Контракт на разработку, изготовление, испытания и поставку двух одинаковых КА общей стоимостью 38 млн долларов был выдан 11 февраля 1970 г. компании TRW Systems. На фирме проект вел Бернард О'Брайен.

В январе 1970 г. старты «Викингов» были отложены с весны 1973-го на лето 1975 г. Как следствие, отпала необходимость в испытательном пуске ракеты «Титан-Центавр» в 1972 г.[14], и единственным носителем «Пионеров» остался «Атлас-Центавр» компании General Dynamics/Convair с дополнительным разгонным блоком TE-M-364–4. Фактически это была верхняя ступень от ракеты «Дельта» с твердотопливным двигателем тягой 6800 кгс от фирмы Thiokol Chemical Company. Эта комбинация обеспечивала для аппарата стартовой массой 258 кг при прямом выведении (без промежуточной опорной орбиты) отлетную скорость 14,5 км/с и достижение Юпитера через 600–750 суток.

Чтобы зонд влез под головной обтекатель диаметром 3,05 м, параболическую остронаправленную антенну высокого усиления HGA[15] сделали диаметром 2,74 м. В частотном диапазоне S она имела коэффициент усиления 33 дБ[16] при ширине луча 3,3°. Над ее чашей на трехногой опоре на высоту 1,2 м была вынесена рупорная антенна среднего усиления MGA, дающая 12 дБ усиления в луче шириной 32°. Высота аппарата от кольца адаптера для установки на третьей ступени ракеты-носителя (РН) и до антенны MGA составила 2,9 м.

Корпус станции был выполнен в виде шестиугольной призмы высотой 0,36 м и диаметром описанной окружности 1,42 м – стороны соответственно были по 0,71 м, то есть ровно по одному аршину в ширину. С одного бока к корпусу крепился контейнер с научной аппаратурой, тоже шестиугольный, толщиной 0,49 м, с другого – блок оптических датчиков космической пыли. Между корпусом и антенной HGA располагалась третья антенна – всенаправленная низкого усиления LGA (5 дБ).

В проекте «Пионер-F/G» впервые в практике автоматических межпланетных КА был применен радиоизотопный источник питания. Как известно, мощность, приходящая от Солнца на единицу площади, ослабевает как квадрат расстояния, и уже у Юпитера она в 26 раз меньше, чем у Земли. Сейчас существуют высокоэффективные фотоэлементы, способные давать достаточное питание на таком расстоянии от светила. В начале 1970-х это еще было фантастикой.

Поэтому аппарат был запитан от радиоизотопных генераторов SNAP-19 на плутонии-238, изготовленных компанией Teledyne Isotopes из топливных дисков Лос-Аламосской лаборатории и оснащенных термоэлектрическими преобразователями. Четыре таких генератора вместе выдавали 155 Вт электрической мощности при запуске и 140 Вт к моменту достижения Юпитера. Для питания систем КА было нужно 100 Вт, для научной аппаратуры – еще 26 Вт. Избытком мощности заряжали серебряно-кадмиевую аккумуляторную батарею либо излучали его через шунт-радиатор. Бортовая сеть работала при напряжении 28 В.

Чтобы генераторы создавали как можно меньше помех научной аппаратуре, их установили попарно на концах двух ферменных штанг, отводимых в сторону от корпуса на 2,7 м. На третьей штанге длиной 5,2 м разместили датчик магнитометра, так что он отстоял на 6,6 м от оси. Таким образом, аппарат был не вполне симметричен, и ось вращения его отстояла от оси антенны HGA примерно на 20 см.

Как это работает: Радиоизотопный генератор

Радиоизотопный генератор содержит искусственно созданный нестабильный изотоп, медленный распад которого сопровождается выделением тепловой энергии. Как правило, это тепло преобразуется в электроэнергию с помощью нагреваемых термопар: этот процесс имеет невысокий КПД, зато реализуется без каких-либо движущихся частей, то есть весьма надежно. В англоязычной литературе такая комбинация источника и преобразователя называется RTG, в публикациях на русском языке она получила более содержательную аббревиатуру – РИТЭГ.

В качестве активного изотопа почти всегда используется 238Pu (плутоний-238) в виде двуокиси плутония. Он самопроизвольно превращается в уран-234, испуская альфа-частицу с энергией 5,6 МэВ. Число распадов таково, что 1 г свежего плутония-238 дает примерно 0,567 Вт тепловой мощности. Необходимое количество изотопа несложно оценить, зная, что каждый из четырех генераторов «Пионеров» имел начальную тепловую мощность 650 Вт и электрическую – около 39 Вт. Избыток тепла сбрасывался излучением через шесть плоских радиаторов.

Период полураспада 238Pu составляет 87,7 года, то есть за это время количество распадов и тепловая мощность генератора, снижаясь по экспоненте, сократятся вдвое. Электрическая мощность падает быстрее, так как термоэмиссионный преобразователь со временем также теряет свои характеристики.

Система терморегулирования обеспечивала температуру от –23° до +38 ℃ в контейнере научной аппаратуры и необходимый подогрев компонентов, расположенных вне его. Исполнительными органами системы были термочувствительные жалюзи на нижнем днище корпуса, открываемые биметаллическими пружинами, электрические нагреватели и 12 одноваттных радиоизотопных нагревателей, постоянно поддерживающих тепловой режим клапанов двигателей, солнечного датчика и магнитометра. Корпус аппарата был «укутан» в многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию.

Система ориентации и стабилизации включала датчик звезды Канопус и два солнечных датчика в качестве измерительных средств, а также ЖРД на каталитически разлагаемом гидразине в качестве исполнительных органов – два двигателя SCT[17] для изменения скорости вращения и четыре VPT[18] для управляемой прецессии оси вращения и коррекций траектории. Двигатели были скомпонованы в три блока и размещены под вырезами на периферии антенны HGA. Два сопла (VPT 2 и 4) смотрели вдоль оси КА вниз, два (VPT 1 и 3) – вверх и два (SCT 1 и 2) – по касательной к окружности антенны в противоположные стороны. Двигатели могли работать поодиночке и попарно в непрерывном или импульсном режиме, развивая тягу от 0,52 до 0,24 кгс в зависимости от давления подачи топлива. Сферический бак заправлялся 27,2 кг гидразина и наддувался азотом.

Аппарат стабилизировался вращением с таким расчетом, чтобы антенна HGA была направлена в сторону Земли с отклонением не более 0,8°. Автоматическое наведение на Землю обеспечивала система конического сканирования CONSCAN. Облучатель антенны HGA мог принимать два положения: штатное осевое и со смещением, соответствующим отклонению основного лепестка диаграммы направленности на 1° от оси. Во втором случае мощность принимаемого с Земли сигнала модулировалась вращением аппарата. В соответствии с его амплитудой специальный бортовой процессор формировал раз в три оборота команды на кратковременное включение двигателей для разворота оси вращения в направлении Земли. Ось антенны MGA имела постоянное отклонение 9° от этой оси.

Никакого компьютера на борту не предусматривалось. В принципе бортовые ЭВМ к моменту создания КА «Пионер-F/G» уже существовали, но они были еще слишком велики и тяжелы. Отсутствие компьютера влекло необходимость выдачи с Земли большого количества команд, и в основном в реальном времени. Если, конечно, можно применить такой термин к условиям радиообмена с Юпитером, когда нужно примерно 45 минут, чтобы сигнал дошел «туда», и еще 45, чтобы вернулся «обратно».

Радиосистема включала, помимо трех упомянутых антенн, два передатчика мощностью 8 Вт на лампах бегущей волны и два приемника. Аппарату F выделили в S-диапазоне литер частоты 6, что соответствовало передаче на частоте 2292,037 МГц и приему на 2110,584 МГц, а аппарату G – литер 7 (2292,407 и 2110,925 МГц). Любой передатчик можно было подключить к антенне HGA либо к паре MGA/LGA.

Блок цифровой телеметрии мог готовить данные в 11 разных форматах для передачи на Землю со скоростью от 16 до 2048 бит/с, в том числе с конволюционным кодированием и с возможностью выявления и коррекции сбойных битов. Самая высокая скорость предназначалась для начального этапа полета при приеме на Земле на 26-метровую антенну. Прием от Юпитера планировался уже на 64-метровые антенны со скоростью 512 бит/с для некодированного сигнала или 1024 бит/с при использовании конволюционного кодирования.

Для временного хранения информации на борту служило запоминающее устройство DSU[19] на ферритовых сердечниках емкостью 49 152 бит, или, если угодно, шесть килобайт. (Вдумайтесь в эти числа – в начале 2000-х гг., в дни, когда аппараты мультиспектрального зондирования уже оснащались запоминающими устройствами емкостью в десятки гигабит, жил, работал и вел передачи с расстояния 12 млрд км аппарат, имеющий в миллионы раз меньшую память!)

По командной радиолинии теоретически можно было передать 255 разных команд, из которых лишь 222 были нужны в реальности: 149 предназначались для управления системами КА и 73 для научной аппаратуры. Два декодера и блок распределения команд определяли достоверность каждой посылки и ее адресата. Так как команда состояла из 22 бит и передавалась со скоростью 1 бит/с, на ее прием на борту требовалось 22 секунды. Аппарат имел программную память на целых пять команд (!), которые могли быть выполнены друг за другом с заданными временными интервалами. Вот с такими средствами NASA в первый раз отправилось штурмовать Юпитер…

Чтобы обеспечить работу КА в течение 24 месяцев, разработчики максимально упростили борт за счет усложнения наземной части. Общий принцип проектирования состоял в том, чтобы никакой единичный отказ не был катастрофичным для выполнения полетного задания. Главные компоненты задублировали, остальные ставили на борт только при наличии опыта использования в космосе. Электронные компоненты подвергли предварительной отработке на Земле, чтобы избежать ранних отказов.

Научные задачи «Пионеров» в межпланетном полете включали картирование межпланетного магнитного поля (и поэтому аппараты сделали «магнитно чистыми» в максимальной возможной степени), солнечного ветра и космических лучей местного и галактического происхождения, а также межпланетной пыли. Во время встречи с Юпитером предстояло измерение магнитного поля, исследование радиационных поясов, поиск источников радиоизлучения планеты, измерение температуры и изучение структуры ее атмосферы, съемка самого Юпитера и его спутников.

Из 150 полученных предложений для установки на КА «Пионер-F/G» в марте 1969 г. были выбраны 11 научных инструментов:

1) видовой фотополяриметр IPP (Imaging Photopolarimeter) для фотометрической и поляриметрической съемки с четырьмя детекторами на два диапазона длин волн (390–500 и 595–720 нм) и две поляризации, способный также формировать цветные изображения Юпитера и его спутников размером примерно 500 × 500 элементов;

2) ультрафиолетовый фотометр UVP (Ultraviolet Photometer) для регистрации рассеяния света атмосферой Юпитера в линиях водорода и гелия (121,6 и 58,4 нм), а также для оценки количества межзвездного нейтрального водорода и гелия, проникающего в гелиосферу извне, и концентрации водорода в межзвездной среде;

3) инфракрасный радиометр IRR (Infrared Radiometer) – двухканальный прибор (14–25 и 29–56 мкм) для измерения теплового потока от диска Юпитера и его распределения по поверхности.

4) анализатор плазмы PA (Plasma Analyzer) для измерения плотности потока, направления движения и энергии протонов и электронов солнечного ветра. Анализатор высокого разрешения имел 26 каналов с фотоумножителями на диапазон энергий от 0,1 до 8 кэВ. Анализатор среднего разрешения включал пять электрометров для регистрации ионов с энергиями 0,01–18,0 кэВ и электронов 1–500 эВ;

5) прибор для регистрации заряженных частиц CPI (Charged Particle Composition Instrument). Два телескопа частиц межпланетной среды были рассчитаны на ионы с энергией 1–500 МэВ, протоны от 0,4 до 10 МэВ и альфа-частицы. Два датчика захваченных частиц радиационных поясов Юпитера были представлены твердотельной ионной камерой для регистрации электронов от 3 МэВ и детектором протонов с энергией выше 30 МэВ на основе ториевой фольги;

6) телескоп космических лучей CRT (Cosmic Ray Telescope) для регистрации энергетического спектра частиц солнечного и галактического происхождения имел в своем составе два твердотельных телескопа на диапазоны энергий протонов 56–800 МэВ и 3–22 МэВ и третий, измеряющий поток электронов от 0,05 до 1,0 МэВ и протонов от 0,05 до 20 МэВ;

7) гейгеровский телескоп GTT (Geiger Tube Telescope) объединял в своем составе семь датчиков на трубках Гейгера – Мюллера для регистрации потока, энергетического спектра и углового распределения протонов и электронов радиационных поясов с энергиями выше 5 МэВ и от 2 до 50 МэВ соответственно, а также электронов низких энергий (от 40 кэВ);

8) детектор электронов и протонов радиационных поясов Юпитера TRD (Trapped Radiation Detector) – прибор аналогичного назначения, включавший расфокусированный черенковский счетчик электронов высоких энергий (0,5–12 МэВ), детектор электронов низких энергий (100–400 кэВ) и три устройства для дискриминации электронов и протонов: всенаправленный счетчик на твердотельном диоде (частицы до 3 МэВ, протоны 50–350 МэВ) и два сцинтилляционных детектора, позволяющие отличить электроны с энергиями до 5 кэВ от протонов до 50 кэВ;

9) гелиевый векторный магнитометр HVM (Helium Vector Magnetometer) для измерения трех компонент межпланетного магнитного поля в пределах от 0,01 до 140 000 нТл, то есть до 1,4 Гс[20];

10) детектор астероидных и метеороидных частиц AMD (Asteroid-Meteoroid Detector﹚ – блок из четырех фотометров, каждый с 20-сантиметровым основным зеркалом и полем зрения 8°, для регистрации объектов размером от астероида до пылинки и определения расстояний до них и скоростей движения;

11) детектор метеороидных частиц MD (Meteoroid Detector) использовал 13 панелей размером 15 × 30 см, которые в сумме занимали площадь 0,605 м2 на задней стороне остронаправленной антенны. Каждая панель состояла из 18 ячеек, заполненных аргоном и азотом, так что всего их было 234. Попадание частицы массой от 10–9 г и выше фиксировалось по пробою стальной мембраны толщиной 25 мкм, а скорость падения давления указывала на ее массу.

Масса научной аппаратуры составила 30 кг. Большая ее часть размещалась в специальном боковом отсеке в нижней части корпуса, за исключением двух датчиков микрометеоритов, анализатора плазмы и телескопа космических лучей. Два эксперимента проводились вообще без размещения специальных приборов на борту – определение массы Юпитера и четырех галилеевых спутников по траекторным измерениям и радиопросвечивание атмосфер Юпитера и Ио сигналом бортового передатчика.

Стоимость двух летных зондов вместе с научной аппаратурой и обработкой данных была оценена в 100 млн долларов. В эту сумму входило также изготовление до конца 1970 г. одного технологического аппарата для наземных испытаний. Носители, запуски и услуги по управлению и приему информации Сетью дальней связи DSN оплачивались отдельно.

Сеть DSN[21] находилась в подчинении Лаборатории реактивного движения и обеспечивала полет аппаратов «Пионер-F/G» по соглашению с Центром Эймса. Для этого использовались антенны и аппаратура обработки трех комплексов дальней связи в Калифорнии, Австралии и Испании, одна из антенн в Южно-Африканской Республике[22] и некоторые привлеченные средства.

Глава 2

Первое путешествие к царю планет

Через пояс астероидов

Старты двух «Пионеров» спланировали с годовым интервалом. Первое астрономическое окно, определяемое движением Земли относительно Юпитера, продолжалось с 27 февраля по 13 марта 1972 г. Этим датам старта соответствовали встречи с планетой в период с 21 ноября 1973 г. по 27 июля 1974 г.

Ракету «Атлас-Центавр» номер AC-27 собрали на стартовой площадке LC-36A мыса Кеннеди[23] 22 декабря 1971 г. Аппарат привезли на космодром 15 января спецсамолетом MiniGuppy, протестировали в монтажно-испытательном корпусе AD, заправили, состыковали с разгонным блоком и укрыли обтекателем, после чего доставили на старт и в середине февраля установили на носитель. 22 февраля подвели итог испытаниям и назначили пуск на 27 февраля. Накануне старта, чтобы свести к минимуму облучение персонала и сооружений стартового комплекса, изделие оснастили РИТЭГами. Стартовая масса ракеты космического назначения была 146 673 кг при высоте 40,3 м.

Пуск назначили на 27 февраля в 20:52 EST[24], однако в этот вечер в 19:31 из-за грозы обесточило весь комплекс LC-36. Попытка восстановить питание в 19:43 была безуспешной. На проверку состояния ракеты после сбоя было нужно от часа до двух, ветер на больших высотах все равно был вне допуска, и в 20:01 старт отменили.

Вторая попытка пуска вечером 28 февраля сорвалась опять же из-за ветров и проблемы с перезакладкой программы полета носителя. На 29 февраля с мыса Кеннеди планировался пуск военного аппарата DSP F3, так что високосный день пришлось пропустить. Этот спутник запустили 1 марта, что позволило начать третий отсчет к старту «Пионера». Но и этим вечером пуск к Юпитеру не состоялся: ответственные организации не успели проверить программу выведения. Успехом увенчалась лишь четвертая попытка, хотя и с опозданием на 24 минуты из-за ложного показания датчика наземной системы обеспечения.

Пуск КА «Пионер-F» был произведен 2 марта 1972 г. в 20:49:03,575 EST, что соответствовало 3 марта в 01:49:04 UTC. Через 935 секунд после старта, набрав скорость 14 356 м/с в системе отсчета, связанной с центром Земли[25], станция отделилась от третьей твердотопливной ступени и получила официальное имя «Пионер-10» (Pioneer 10).

Через 26 минут после старта в сеансе через 26-метровую антенну DSS-51 в Южной Африке на борт ушла команда активации записанной программы операций. Включением на 56 секунд тормозного двигателя SCT 1 аппарат замедлил свое вращение с 53 до 20 об/мин, а развертывание двух штанг с РИТЭГами снизило его угловую скорость до штатных 4,8 об/мин. После этого расчековали и развернули штангу магнитометра. Среди других событий первого сеанса можно отметить включение первых приборов – магнитометра, детектора метеоритной пыли и инструментов TRD, GTT и CPI для регистрации частиц.

Полетом «Пионера-10» управляли специалисты Центра Эймса при баллистической поддержке JPL с использованием станций Сети дальней связи DSN, обозначенных буквами DSS с числовым индексом. Именно на них принималась информация с борта и оттуда же выдавались команды.

Руководителем полета был сначала Роберт Нунамейкер, затем его сменил Норман Мартин. За траекторный анализ отвечал Роберт Хофстеттер, за служебные системы – Гилберт Шрёдер, за функционирование научной аппаратуры – Ричард Фиммел.

Отлетная скорость аппарата настолько превышала скорость освобождения, что всего через одиннадцать часов после старта он вышел за пределы орбиты Луны, и даже «на бесконечности» осталось около 9200 м/с. Траектория полета к Юпитеру представляла собой дугу гелиоцентрической орбиты со следующими параметрами:

● наклонение – 2,08°;

● перигелий – 0,991 а.е. (148,3 млн км);

● афелий – 5,857 а.е. (876,2 млн км);

● период обращения – 2314 суток (6,34 года).

Программа экспедиции предусматривала облет Юпитера в «прямом» направлении на расстоянии от его центра в 2,85 радиуса планеты, то есть около 203 000 км, чтобы вблизи перицентра угловая скорость аппарата была близка к скорости вращения самого Юпитера. Так называемый режим коротации позволял в течение длительного времени наблюдать ту сторону планеты, где находилось таинственное Большое Красное Пятно. «Официально» оно было открыто и описано за 95 лет до этого, но на самом деле еще в 1664–1665 гг. его наблюдали Роберт Гук и Жан-Доминик Кассини. Уже более 300 лет, сначала с перерывами, а потом и постоянно оно фиксировалось над 22° ю.ш. Юпитера. Что самое поразительное, немного смещаясь по долготе туда и обратно с трехмесячным периодом, в итоге пятно обращалось чуточку медленнее, чем соседние детали поверхности, и за 200 лет отстало от них на три оборота.

Ученые хотели провести «Пионер-10» не только позади Юпитера (это как раз получалось почти автоматически), но и позади его спутника Ио – в надежде обнаружить ионосферу последнего путем радиопросвечивания. В случае прохождения точно по диаметру Ио радиосигнал должен был прерваться на 91 секунду. Что называется, сравните масштабы: диаметр спутника был чуть более 3600 км, чуть больше нашей Луны, а расчетное расстояние до него в момент захода составляло 531 700 км.

Наконец, нужно было учесть оперативные соображения: критическая фаза пролета в пределах от трех радиусов планеты и ближе планировались в пятичасовой период одновременной видимости Юпитера с двух наземных станций в Голдстоуне (Калифорния) и Канберре (Австралия). Если бы на прием работал только один пункт, какой-нибудь сбой привел бы к потере бесценной информации. Две одновременно работающие станции страховали друг друга, сводя вероятность неудачи к минимуму.

Все эти требования в сумме задавали и конкретную точку прицеливания (справа от диска Юпитера, если смотреть с Земли), и точную дату и время пролета – 4 декабря 1973 г. в 02:26 UTC по бортовому времени КА. Земле предстояло отслеживать происходящее с задержкой на время прохождения радиосигнала – 45 мин 54 с для расстояния между Юпитером и Землей в день прилета.

Стоит еще раз напомнить, что точка прицеливания – это отнюдь не высота пролета над планетой. Точка прицеливания – это идеальное понятие, место пересечения асимптоты подлетной ветви гиперболической орбиты КА относительно Юпитера и так называемой B-плоскости, которая перпендикулярна этой асимптоте и проходит через центр планеты. Расстояние между точкой прицеливания и центром планеты – это прицельная дальность. В реальности аппарат пересечет названную плоскость ближе к Юпитеру, поскольку тяготение планеты искривляет траекторию полета, а в перицентре, лежащем уже за этой плоскостью, окажется еще ближе. В баллистических расчетах при планировании маневров фигурировала точка прицеливания и ее ожидаемое смещение в результате коррекции траектории. Для прессы, естественно, называли понятный всем параметр – ожидаемую минимальную высоту пролета над вершинами облаков планеты.