Как ученые «пробрались» на зонд «Вояджер», чтобы продлить срок его службы
Одна из ироний жизни состоит в том, что наше понимание о далеких уголках Солнечной системы продвигает не новая, передовая технология, а старая машина. У него есть бортовой компьютер с меньшим объемом памяти, чем у того, что находится внутри брелока вашего автомобиля. По сей день здесь все еще используется восьмидорожечная магнитная лента 1970-х годов, что делает его старше многих из вас, сидящих здесь и смотрящих это.
Такова загадка исследования дальнего космоса, когда огромные расстояния и чрезвычайно долгое время путешествия могут означать, что технология устареет к моменту достижения своих самых амбициозных целей. Но это правда.
Космический корабль-рекордсмен — это, конечно, почти 45-летний зонд «Вояджер-1». Вместе с близнецом «Вояджер-2» он стал первым искусственным объектом, достигшим межзвездного пространства.
Хотя «Вояджеры-1» и «Вояджеры-2» изначально строили для пятилетней миссии по исследованию Юпитера, Сатурна и их более крупных спутников, команда дальновидных ученых и инженеров приняла ряд решений, позволивших зондам продержаться гораздо дольше.
Напомним, после выполнения всех первоначальных задач на Юпитере и Сатурне команда миссии «Вояджер» добавила в план облеты Урана и Нептуна. Как только они были завершены, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США объявило о начале еще более амбициозной межзвездной миссии «Вояджер». Цель — исследование внешних границ сферы влияния Солнца и за ее пределами.
Это последнее путешествие приведет оба зонда за пределы эклиптики к неисследованным частям Солнечной системы, таким как завершающая ударная волна и более плотная и горячая гелиосферная мантия, прежде чем, наконец, они пересекут гелиопаузу и выйдут в межзвездную среду.
Как древняя технология покоряет космические просторы
Хотя удивительно думать, что мы все еще можем общаться с помощью 3,7-метровой антенны на таком огромном расстоянии, это еще невероятнее, если учесть, что зонды полагаются на технологию, которая выглядела бы более уместно в музее, чем на зонде NASA.
Специалистам из NASA требуется более 21 часа для отправки и приема радиосигналов с помощью «Вояджера-1» (преодолевшего расстояние в 23 миллиарда километров) по сравнению примерно c 20 минутами, чтобы отправить радиосигнал на Марс.
Начнем с одного из наиболее важных решений — источника энергии. Каждый зонд оснащен радиоизотопным термоэлектрическим генератором длительного действия, который преобразует тепло распадающегося изотопа плутония-238 в электроэнергию. Эти генераторы были способны производить 157 ватт электроэнергии при взлете — достаточно, чтобы питать ноутбук и заряжать мобильный телефон.
Может показаться, что это не так уж много, но больше, чем нужно «Вояджеру». Хотя радиоизотопный генератор означал, что выработка электроэнергии постоянно снижается (его мощность будет сокращаться вдвое каждые 87,7 года), его все равно будет достаточно для поддержания работы основных компонентов зондов по крайней мере до 2025 года.
Счастливый случай
Видите ли, когда «Вояджеры» стартовали в 1977 году, NASA столкнулось с уникальной возможностью: вскоре планеты оказались в таком положении, которое происходит раз в 176 лет. В последний раз подобное случалось во время первого правления французского императора Наполеона.
Столь редкое выравнивание не только позволило «Вояджерам» посетить Нептун и Уран с минимальной корректировкой курса, но предоставило зондам гравитационную помощь от каждого из четырех гигантов, которые они посетили, тем самым увеличив их эффективную скорость сверх той, что они могли бы получить от собственной ракеты.
Однако это узкое окно поставило NASA строгие сроки. Не было достаточно времени для планирования последующих миссий, а конгресс США не выделил достаточно средств для более длительной экспедиции. Итак, что же сделала команда «Вояджера»?
Специалисты разработали ряд инженерных решений, чтобы оптимизировать зонды для потенциально более продолжительной миссии, и горячо надеялись, что за этим последует финансирование. Каждый из зондов «Вояджер» оснащен 11 научными приборами. Большинство из них имеют резервные возможности на случай сбоя машины, их можно включать и выключать для экономии энергии.
Секрет долголетия
Для корректировки курса и ориентации зонды оснащены гироскопами стабилизации, приборами привязки и 16 гидразиновыми двигателями, в том числе восемью резервными. Резервные копии — причем хорошие — были ключом к долговечности зондов «Вояджер».
Такова загадка исследования дальнего космоса, когда огромные расстояния и чрезвычайно долгое путешествие могут означать, что технология устареет к моменту достижения самых амбициозных поставленных целей. Но это правда.
Главные двигатели «Вояджера-2» перестали работать через 37 лет. Его резервные двигатели пришлось включить после четырех десятилетий простоя. И угадайте, что произошло? Они работали отлично, что подчеркивает превосходную инженерную подготовку.
У «Вояджеров» также есть изготовленные по индивидуальному заказу бортовые компьютеры, которые сегодня устарели, но были передовыми в 1977 году. Камерами с широкоугольными и узкоугольными объективами зондов управляет подсистема компьютерных команд, которая имеет фиксированные программы, нацеленные на поиск неисправностей, процедуры обнаружения и коррекции. Еще один ключ к успеху заключался в компьютерах. У каждого зонда был компьютер под названием «Подсистема управления ориентацией и коррекцией».
Эта программа управляет ориентацией зондов относительно Земли, без которой их антенны с высоким коэффициентом усиления не смогли бы отправлять или принимать сигналы из сети дальнего космоса NASA. Это очень важно, поскольку мощность передатчиков зондов равна мощности лампочки в холодильнике, а на таких огромных расстояниях их радиосигналы становятся едва уловимым шепотом.
Чтобы общаться с командой «Вояджера» (и наоборот), антенны зондов должны быть обращены к Земле. Мы, в свою очередь, должны точно знать, где они находятся. В противном случае они были бы потеряны, как иголка в стоге сена площадью 287 миллиардов километров.
Каждый космический зонд «Вояджер» имеет 3,7-метровую антенну для передачи в реальном времени и восьмидорожечный цифровой накопитель на магнитной ленте (DTR), способный буферизировать 536 мегабит для будущей передачи, чего достаточно для хранения 100 фотографий.
Хотя это был огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими зондами Pioneer, у которых не было встроенного хранилища данных, это все же малая часть того, что может хранить современный смартфон. Несмотря на эти ограничения, DTR были созданы, чтобы прослужить долго.
Компания Odetics, производившая их, заявила, что DTR могут обрабатывать более 4000 километров ленты без видимого износа. Им пришлось выдерживать самые суровые условия, которые только можно представить, и подвергаться невиданным до сих пор испытаниям.
Тем не менее Voyager DTR работали без потери данных или сбоев оборудования, пока их наконец не отключили для экономии энергии. Неплохо для машин, которые на 12 лет старше Всемирной паутины.
Долговечность была главной заботой при планировании «Вояджера». В миссии такого масштаба есть много неизвестных. Чтобы добраться до Юпитера, обоим «Вояджерам» придется пройти через пояс астероидов. Когда-то ученые полагали, что этот регион разорвет на куски любой космический корабль, попытавшийся пройти через него.
Однако «Пионеры-10» и «Пионеры-11» ранее смогли пройти через пояс астероидов, что воодушевило команду «Вояджера» повторить этот трюк. Неудача означала бы катастрофу еще до того, как зонды достигли бы своей первой цели.
К счастью, оба зонда преодолели пояс астероидов невредимыми (и теперь, благодаря им, мы точно знаем, что это в основном пустое пространство). Даже несмотря на успех и при том, что зонды работали намного лучше, чем могли надеяться инженеры, пока два космических зонда путешествовали через просторы между планетами, им оставалось преодолеть по крайней мере еще одно препятствие.
Что произойдет с зондами в экстремально низких температурах межзвездного пространства?
NASA установило несколько обогревателей, чтобы оборудование работало. Тем не менее, когда мощность зондов снизилась, специалистам пришлось отключить некоторые из их нагревателей для экономии энергии.
Когда два года назад нагреватель детектора космических лучей был выключен, его температура упала на 70 градусов Цельсия. Излишне говорить, что отправить ремонтную команду на 23 миллиарда километров в космос — не вариант.
Итак, все думали, что инструмент сломается, но… он продолжал работать. Тот факт, что зонды так хорошо функционировали в течение 45 лет, — свидетельство их устойчивости и технических возможностей.
Чтобы такая технология работала так хорошо и просуществовала столь долго, она должна была быть особенной.
Какие тайны скрываются внутри? Как инженерам «Вояджера» удалось построить космический корабль, способный работать непрерывно в течение столь длительного времени, и бить все рекорды?
Возраст дает о себе знать
Но в любой долгой и амбициозной миссии есть моменты, которые никто не может предсказать. Не все в миссиях «Вояджера» было идеально. Команда узнала об этом недавно, когда «Вояджер-1» начал посылать загадочные зашифрованные сигналы.
В июне 2022 года NASA объявило, что система выдавала странные последовательности, похожие на ряды нулей, казавшиеся бессмысленными. Хотя сам зонд работал нормально (мы знали его скорость и расстояние, к тому же он все еще реагировал и принимал команды), его телеметрические данные были в полном беспорядке. Другими словами, «Вояджер-1» понятия не имел, где находится.
К сожалению, это оказалось признаком неисправности компьютера. Хотя ученым удалось найти обходной путь, перейдя к резервной копии, наступит день, когда резервных копий не останется.
В любом случае нам есть за что быть благодарными. «Вояджер-1» пролетел дальше, чем любой другой объект, созданный человеком, включая его близнеца «Вояджер-2». Эта технология, пусть она и элементарна по сегодняшним меркам, действительно показала, что можно сделать даже с помощью простых инструментов.
Последовавшие открытия стали монументальным шагом вперед в нашем понимании Солнечной системы. Когда мы неизбежно попрощаемся с этим аппаратом и «Вояджером-2», наступит время учесть инженерные уроки прошлого и попытаться воссоздать магию с помощью преемника.
Лаборатория прикладной физики Джонса Хопкинса уже предложила идею межзвездного зонда, который будет запущен в 2036 году и достигнет межзвездной среды всего за 15 лет. Возможно, этот аппарат продвинется еще дальше и быстрее, чем «Вояджеры».
Конечно, даже если это произойдет, к тому времени, когда зонд вернется с окраин межзвездной среды, его технологии тоже уже останутся в прошлом. Но в этом есть и что-то вдохновляющее, не так ли?