Вояджер

«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»^[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»

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.

Вояджер-1

 «Вояджер-1» (англ. Voyager-1) — 723-килограммовый автоматический зонд, исследующий Солнечную систему и её окрестности с5 сентября 1977 года. В настоящее время находится в рабочем состоянии и выполняет дополнительную миссию по определению местонахождения границ Солнечной системы, включая пояс Койпера. Первоначальная миссия заключалась в исследовании Юпитера и Сатурна. «Вояджер-1» был первым зондом, который сделал детальные снимки спутников этих планет. На борту аппарата закреплена золотая пластина, где для инопланетян указано местонахождение Земли, а также записаны ряд изображений и звуков.

«Вояджер-1» — самый дальний от Земли и самый быстрый движущийся объект, созданный человеком. На 18 сентября 2013 года Вояджер находился на расстоянии в 125,470 а. е. (18,770 млрд км) от Солнца^[1][2] и 0,00197 светового года (расстояние, преодолеваемое лучом света за 17 часов 24,7 минуты).

История

«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. Длительность миссии первоначально  была определена в 5 лет. Его близнец, зонд «Вояджер-2», был запущен на 16 дней раньше, но он никогда не догонит  «Вояджер-1». Основное отличие программы  «Вояджер-1» — то, что для него была выбрана более короткая трасса, чем для «Вояджера-2»: «Вояджер-1» должен был посетить только Юпитер и Сатурн.

19 января 2006 года в сторону Плутона стартовал аппарат «Новые горизонты». Несмотря на то, что «Новые горизонты» был запущен с Земли с более высокой скоростью, чем оба «Вояджера», «Вояджер-1» сейчас имеет более высокую скорость благодаря нескольким гравитационным манёврам. На 10 января 2012 года текущая скорость относительно Солнца у «Новых горизонтов» — 15,5 км/с, а у «Вояджера-1» — 17,0 км/с^[3].

Последняя цель «Вояджера-1» — достигнуть гелиопаузы. Если «Вояджер-1» всё ещё будет функционировать при достижении гелиопаузы, то он станет первым зондом, передавшим информацию об условиях, царящих в межзвёздной среде. С такого расстояния сигналы «Вояджера-1» будут идти более 17 часов до центра управления (Лаборатория реактивного движения, объединённый проект NASA и Калифорнийского технологического института). Сейчас «Вояджер-1» движется по гиперболической траектории, то есть, он не вернётся в Солнечную систему под действием гравитационного притяжения Солнца. Наряду с «Вояджером-1», межзвёздными исследованиями занимается «Вояджер-2», а в будущем — и «Новые горизонты»^[4].

С июня 2010 года зарегистрированное влияние солнечного ветра в текущей точке нахождения космического аппарата последовательно приближалось к нулю^[5]. 13 декабря 2010 года «Вояджер-1» вошёл в зону, в которой воздействие солнечного ветра равно нулю. Расстояние, которое он пролетел на середину декабря 2010 года, составляло приблизительно 116,38 а. е. (17,41 млрд км)^[6][7][8][9].

В декабре 2011 аппарат «Вояджер-1»  был примерно в 119 а. е. (17,8 млрд км) от Солнца^[10] и добрался до так называемого региона стагнации — последнего рубежа, отделяющего аппарат от межзвёздного пространства. Область стагнации представляет собой регион с довольно сильным магнитным полем (индукция резко возросла почти в два раза по сравнению с предыдущими значениями) — давление заряженных частиц со стороны межзвёздного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Кроме этого, аппарат зарегистрировал рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвёздного пространства^[10].

14 июня 2012 аппарат вышел  на границу межзвёздного пространства. Датчики автоматической станции  зафиксировали резкий рост уровня  галактических космических лучей — высокоэнергетических заряженных частиц межзвёздного происхождения. Кроме того, датчики зонда зафиксировали резкое снижение количества заряженных частиц, исходящих от Солнца. Эти данные заставляют ученых предполагать, что «Вояджер» приближается к границе гелиосферы и вскоре выйдет в межзвёздное пространство^[11].

В конце августа 2012 года датчики  аппарата зафиксировали резкое снижение регистрируемых частиц солнечного ветра. В отличие от предыдущих подобных случаев, в этот раз тенденция  к снижению сохраняется (по состоянию  на начало октября 2012 года). Это может  означать, что «Вояджер-1» оказался в межзвёздном пространстве^[12].

20 марта 2013 года почётный профессор астрономии из университета Нью-Мексико Билл Веббер официально сообщил, что «Вояджер-1» всё-таки вышел за пределы Солнечной системы, и случилось это 25 августа 2012 года на расстоянии 121,7 а. е. от Солнца. С тех пор интенсивность излучения 1,9—2,7 МэВ уменьшилась в 300—500 раз. Официальный ответ НАСА от 20 марта гласит, что «Вояджер-1» ещё не достиг межзвёздного пространства, несмотря на отсутствие солнечного ветра. Последним индикатором выхода за пределы гелиосферы должна стать смена направленности магнитного поля, чего ещё не произошло^[13].

12 сентября 2013 года НАСА  подтвердило, что «Вояджер-1» вышел  за пределы гелиосферы Солнечной системы в межзвездное пространство. ^[14].

Предполагаемая  дальнейшая судьба аппарата

Уже давно вышел запланированный  срок работы обоих «Вояджеров», но, тем не менее, они продолжают получать энергию от трёх радиоизотопных термоэлектрических генераторов, работающих на плутонии-238, которые, как ожидается, будут производить минимально необходимую энергию для исследований приблизительно до 2025 года^[15].

19 ноября 2015 года «Вояджер-1»  будет находиться на расстоянии  приблизительно 133,15 а.е от Солнца. Примерно через 40000 лет аппарат будет находиться в 1 световом годе от Солнечной системы. А примерно через 285000 лет аппарат может достичь Сириуса, расположенного в 8.55 ± 0.2 световых лет от Земли ^[16].

Вояджер-2

 «Вояджер-2» — действующий космический аппарат, запущенный НАСА 20 августа 1977 года в рамках программы «Вояджер» для исследований дальних планет Солнечной системы. Первый и пока единственный аппарат, достигший Урана и Нептуна. На 11 сентября 2013 года «Вояджер-2» находился на расстоянии в 102,702 а. е. (15,364 млрд км) от Солнца^[1].

История

Миссия «Вояджера-2» первоначально  включала изучение только Юпитера и Сатурна, а также их спутников. Траектория полёта также предусматривала возможность пролёта мимо Урана и Нептуна, которая была успешно реализована.

В марте 2005 года «Вояджер-2»  находился на расстоянии 11,412 млрд км от Земли. Скорость удаления из Солнечной системы — 494 млн км в год (около 15 км/с, или 0,00005 от скорости света).

Аппарат идентичен «Вояджеру-1». За счёт гравитационного манёвра у Юпитера, Сатурна и Урана «Вояджер-2» смог на 20 лет сократить срок полёта к Нептуну (по сравнению с прямой траекторией с Земли).

«Вояджер-2» стартовал 20 августа 1977 года, то есть на 16 дней раньше «Вояджера-1»^[2]

9 июля 1979 года — максимальное сближение с Юпитером (71,4 тыс. км).«Вояджер-2» близко подошёл к Европе и Ганимеду, галилеевым спутникам, не исследованным ранее «Вояджером-1». Переданные снимки позволили выдвинуть гипотезу о существовании жидкого океана под поверхностью Европы. Обследование самого крупного спутника в Солнечной системе — Ганимеда — показало, что он покрыт корой «грязного» льда, а его поверхность значительно старше поверхности Европы. После обследования спутников аппарат пролетел мимо Юпитера.

25 августа 1981 года — максимальное сближение с Сатурном (101 тыс. км).Траектория зонда прошла около спутников Сатурна Тефии и Энцелада, аппарат передал подробные фотографии поверхности спутников.

24 января 1986 года — максимальное сближение с Ураном (81,5 тыс. км).Аппарат передал на Землю тысячи снимков Урана, его спутников и колец. Благодаря этим фотографиям, учёные обнаружили два новых кольца и исследовали девять уже известных. Помимо этого, были обнаружены 11 новых спутников Урана.Снимки одной из лун — Миранды — удивили исследователей. Предполагается, что маленькие спутники быстро охлаждаются после своего образования, и представляют собой однообразную пустыню, испещрённую кратерами. Однако выяснилось, что на поверхности Миранды пролегают долины и горные хребты, среди которых были заметны скалистые утёсы. Это говорит о том, что история луны богата тектоническими и термальными явлениями.«Вояджер-2» показал, что на обоих полюсах Урана температура оказалась одинаковой, хотя только один освещался Солнцем. Исследователи сделали вывод о наличии механизма передачи тепла из одной части планеты к другой. В среднем температура Урана составляет 59 К, или −214 ˚C^[2].

24 августа 1989 года — аппарат пролетел в 48 тыс. км от поверхности Нептуна.Были получены уникальные снимки Нептуна и его крупного спутника Тритона. На Тритоне были обнаружены действующие гейзеры, что было очень неожиданным для удалённого от Солнца и холодного спутника.

30 августа 2007 года — аппарат достиг границы ударной волны и вошёл в область гелиопаузы^[3].

28 июня 2010 года — продолжительность полёта «Вояджера-2» достигла 12 000 дней, что в общей сложности составляет около 33 лет. Вместе с «Вояджером-1» он является самым удалённым космическим объектом, сделанным руками человека, а также самым долго и продуктивно работающим; дольше их в рабочем состоянии остаются аппараты «Пионер»-6, −7, −8, с которыми за ненадобностью связь не поддерживается.

24 января 2011 года в НАСА  отмечают 25-летний юбилей встречи  «Вояджера-2» с Ураном. На этот  момент он находился примерно  в 14 млрд км от Солнца, а «Вояджер-1», направленный для исследования Юпитера и Сатурна, улетел более чем на 17 млрд км от светила.

4 ноября 2011 года была послана  команда переключения на запасной  набор двигателей^[4]. Через 10 дней получено подтверждение о переключении. Это позволит аппарату проработать ещё не менее 10 лет.

3 ноября 2012 года «Вояджер-2»  достиг расстояния 100 а. е. от Солнца.

Устройство аппарата

Масса аппарата при старте составляла 798 кг, масса полезной нагрузки — 86 кг. Длина — 2,5 м. Корпус аппарата — многогранная призма с центральным проёмом. На корпус посажен отражатель направленной антенны диаметром 3.66 метра.^[6] Электропитание (первоначально 500 ватт) обеспечивают три вынесенные на штанге радиоизотопные установки, использующие окись плутония (в силу удалённости от Солнца солнечные батареи были бы бесполезны). По мере распада плутония мощность термоэлектрических генераторов падает (при пролёте мимо Урана — 400 ватт). Кроме штанги электрогенераторов, корпусу прикреплены ещё две: штанга с приборами и отдельная штанга магнитометра^[6].

На «Вояджере» установлены  два компьютера, которые можно  перепрограммировать, что позволяло  менять научную программу и обходить возникающие неисправности. Объём  оперативной памяти — два блока по 4096 восемнадцатиразрядных слов. Ёмкость запоминающего устройства — 67 Мбайт (до 100 изображений от телевизионных камер). В системе трёхосной ориентации используются два датчика Солнца, датчик звезды Канопус, инерциальный измерительный блок, а также 16 реактивных микродвигателей. В системе коррекции траектории используются 4 таких микродвигателя. Они рассчитаны на 8 коррекций при общем приращении скорости 200 м/сек.

Антенны две: ненаправленная и направленная. Частоты: по обеим  антеннам приём 2113МГц, передача 2295Мгц (диапазон S), а направленная антенна  ещё и передача 8415МГц (диапазон X)^[6]. Мощность излучающих радиоантенн — 28Вт (диапазон S), 23Вт (диапазон X). Радиосистема «Вояджера» передавала поток информации со скоростью 115,2 кбит/с с Юпитера и 45 кбит/с — с Сатурна. Первоначально расчётная скорость передачи с Урана составляла лишь 4,6 кбит/с, однако её удалось повысить до 30 кбит/с, так как к тому времени ввели более чувствительные радиотелескопы на Земле, а также научились лучше сжимать данные: на определённом этапе миссии система кодирования радиосигналов была заменена на код Рида — Соломона, для чего был перепрограммирован бортовой компьютер.

На борту аппарата закреплена особая золотая пластина. На ней для потенциальных инопланетян указаны координаты Солнечной системы, записан ряд земных звуков и изображений.

В комплект научной аппаратуры входят следующие приборы:

• Телевизионная камера с широкоугольным объективом и телевизионная камера с телеобъективом. Каждый кадр, полученный камерой с телеобъективом, содержит 5 Мбит информации.
• Инфракрасный спектрометр, предназначенный для исследования энергетического баланса планет, состава атмосфер планет и их спутников, распределения температурных полей.
• Ультрафиолетовый спектрометр, предназначенный для исследования температуры и состава верхних слоёв атмосферы, а также некоторых параметров межпланетной и межзвёздной среды.
• Фотополяриметр, предназначенный для исследования распределения метана, молекулярного водорода и аммиака над облачным покровом, а также для получения информации об аэрозолях в атмосферах планет и о поверхности их спутников.
• Два детектора межпланетной плазмы, предназначенные для регистрации как горячей дозвуковой плазмы в магнитосфере планет, так и холодной сверхзвуковой плазмы в солнечном ветре. Установлены также детекторы волн в плазме.
• Детекторы заряженных частиц низкой энергии, предназначенные для исследования энергетического спектра и изотопного состава частиц в магнитосферах планет, а также в межпланетном пространстве.
• Детекторы космических лучей (частиц высоких энергий).
• Магнитомеры для измерения магнитных полей.
• Приёмник для регистрации радиоизлучения планет, Солнца и звезд. Приёмник использует две взаимно перпендикулярные антенны длиной по 10 м.

Большинство приборов вынесено на специальной штанге, при этом часть из них установлена на имеющуюся  там поворотную платформу.^[6] Корпус аппарата и приборы оборудованы разнообразной теплоизоляцией, тепловыми экранами, пластиковыми блендами. Имеются изотопные нагреватели с тепловой мощностью около 1Вт.^[6]

Предполагаемая  дальнейшая судьба аппарата

• Через 10—20 лет зонд выйдет за пределы Солнечной системы и окажется в межзвёздном пространстве. Пройдя через границы гелиопаузы, зонд навсегда потеряет связь с Землёй — мощности передатчика не хватит для приёма сигнала на Земле.
• 40 000 г. — «Вояджер-2» пройдёт на расстоянии 1,7 световых лет от звезды Росс 248^[7].

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.

Золота́я пласти́нка «Во́яджера» представляет собой медную информационную пластинку с записью звуковых и видеосигналов, упакованную в алюминиевый футляр. Пластинка имеет диаметр 12 дюймов (около 30 см) и покрыта золотом для предохранения от эрозии под действием космической пыли. Вместе с пластинкой в футляр упакованы фонографическая капсула и игла для воспроизведения записи. На футляре выгравирована схема, изображающая установку иглы на поверхности записи, скорость проигрывания и способ преобразования видеосигналов в изображение. Как и на пластинке «Пионера», воспроизведена схема излучения атома водорода для получения метрических и временны́х единиц, а также карта пульсаров, на которой помечено положение Солнца в Галактике.

Записи пластинки

Музыка

78 % записей «Вояджера» посвящено музыкальным формам выражения многих культур. С помощью дирижёра Мюррея Сидлина и музыковедов Алана Лоцнакса, Роберта Брауна и Чу Вен Чанга было выбрано 27 различных произведений для записи. Западная классическая музыка представлена Бахом (Бранденбургский концерт N2, «Гавот в форме рондо», «Хорошо темперированный клавир»), Бетховеном (5-я симфония, струнный квартет № 13), Моцартом («Волшебная флейта») и Стравинским («Весна священная»), а западная лёгкая музыка — Чаком Берри(«Johnny B. Goode»), Луи Армстронгом («Melancholy Blues») и Слепым Вилли Джонсоном («Dark Was the Night»). Но западная музыка составляет менее половины музыкальной подборки. Остальная запись включает классическую музыку Индии, Явы и Японии, а также китайское произведение для 7-струнного инструмента Цисяньцинь, сочинённое 2500 лет назад китайским композитором Бо Я 伯牙. Была включена и народная музыка Перу, Болгарии, Австралии, Африки, азербайджанская музыка для волынки и грузинское хоровое пение. В запись вошли игра на свирели с Соломоновых островов и ритуальное пение из Новой Гвинеи, которое, возможно, сохранилось с каменного века, когда первобытные люди только ещё начинали сочинять музыку.

Звуки

Остальные 22 % записи состоят из голосов людей, различных звуков Земли и 116 изображений, закодированных как видеосигналы. Человеческие голоса записаны в форме приветствий Генерального секретаря ООН на 55 наиболее распространённых языках Земли. Также запись включает 50 голосов и звуков планеты. Они начинаются с естественных звуков природы, океана и суши, которые внеземные существа смогут распознать на основании собственных исследований землеподобных планет и которые могут дать сведения о плотности нашей атмосферы. Затем идут звуки биологического мира: птиц и насекомых, лягушек, собак, львов, шимпанзе, волков. Далее записаны звуки людей и их деятельности: шаги, удары молотка, звук пилы, удара топора о дерево; звуки машины, сирены, реактивного самолёта, запуска ракеты, плачущего ребёнка, которого успокаивает мать, и регулярное щёлканье пульсара (этот звук может дать ключ к разгадке природы карты пульсаров на футляре записи).

Изображения

Фотография солнечного спектра — первая из 20 фотографий, сделанных в цвете, находящихся в последовательности из 116 рисунков. Цветные фотографии закодированы как три последовательные монохромные фотографии, сделанные через разные цветные фильтры. Поскольку набор линий поглощения в спектре Солнца является индикатором его цвета и светимости, внеземные астрономы смогут точно соединить три монохромных изображения в одно цветное, проводя калибровку на основании известных им сведений о звёздных спектрах. Проведя эту работу, они смогут таким же образом получить другие цветные фотографии.

Затем изображена Земля, как  её видно из космоса, с помощью фотографии, сделанной с низкой орбиты. Схематически показаны атомы для ознакомления с элементным составом газов в нашей атмосфере. Эти же самые атомные схемы используются для показа структуры и деления молекулы ДНК. Далее следует серия фотографий и анатомических схем, которые показывают различные стадии митотического деления клетки, оплодотворение яйцеклеткисперматозоидом, развитие эмбриона и рождение. Восемь анатомических схем, расположенных одна под другой, показывают внешнюю и внутреннюю анатомию человека. Последовательность заканчивается несколькими рисунками человеческих существ.

После этого показаны фотографии различных пейзажей и ландшафтов: пустынь и гор, морских побережий и островов, горных массивов и рек. Затем идут изображения форм жизни на Земле, деревья и поля, коралловые рифы, насекомые и цветы, моллюски, дельфины, животные морских глубин. Затем снова следуют фотографии человеческих существ в различных ситуациях: фермеры из Гватемалы и Австралии; рабочие из Африки, Таиланда и Техаса; олимпийские бегуны (включая советского спринтера В. Ф. Борзова), танцоры балета и т. д.