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

20 ноября 1975 г. «Пионер-11»[68] в первый раз наблюдал Сатурн с помощью фотополяриметра IPP. Огромное расстояние – около 8,6 а.е. – не позволяло разрешить диск планеты, так что возможны были только фотометрические и поляриметрические наблюдения. Ученые надеялись получить аномальное отражение при угле КА – Солнце – Сатурн около 24°, это бы позволило сделать некоторые выводы о химическом составе атмосферы. Кроме того, интерес представляло отражение от колец.

2 декабря 1975 г. «Пионер-11» провел еще одну калибровку двигателей, а затем выполнил две существенные коррекции – 18 декабря 1975 г. величиной 30,1 м/с для компенсации погрешности траектории пролета Юпитера и 26 мая 1976 г. на 16,6 м/с для нацеливания на Сатурн. Они задали новую дату прибытия к планете – 1 сентября 1979 г., а не 3 сентября, как планировалось ранее.

Маневр 18 декабря считался наиболее опасным, так как аппарату предстояло уйти со связи на несколько часов, самостоятельно развернуться на 25° от направления на родную планету, выдать необходимый импульс двумя двигателями VPT и вновь найти Землю. Принимать команды в это время он мог, но выдавать их пришлось бы вслепую. Группа управления подготовила резервный комплект таких команд на всякий случай.

После коррекции 18 декабря на борту действительно произошло ЧП, которое едва не погубило аппарат. Один из двигателей не выключился по команде, и «Пионер-11» стал набирать угловую скорость вращения! К счастью, клапан двигателя все-таки закрылся до того, как она стала опасной, но к этому моменту аппарат делал уже не 5,45 об/мин, как до маневра, а 7,66 об/мин. Операторы опасались, что, если теперь для замедления вращения включить двигатель SCT 1, его клапан может вообще не закрыться, и решили не делать ничего и оставить «Пионер-11» с той скоростью вращения, которую он успел набрать.

15 сентября 1976 г. во время очередного маневра прецессии оси вращения было отмечено незапланированное приращение скорости КА на 0,057 м/с. Операторы предположили, что один из двигателей используемой пары № 1 двигателей VPT «залип» во включенном состоянии и выдал нескомпенсированный импульс, однако анализ показал, что причиной набора скорости стала утечка гидразина. С октября переключились на пару двигателей № 2, но и на ней вскоре обнаружилась утечка через уплотнения клапанов, причем более серьезная. В то же время к марту 1977 г. на первой паре утечка ослабла, и было решено впредь использовать ее, но увеличить разовую продолжительность работы двигателя с 1/8 до 1 секунды. Более того, расчеты показали, что излишнее приращение скорости можно обратить на пользу, чтобы параллельно с наведением оси вращения на Землю модифицировать желаемым образом траекторию перелета к Сатурну.

Свой перигелий станция прошла 2 февраля 1976 г., набрав скорость почти 21 км/с. Вблизи этой даты, 20–25 февраля, она наблюдала мощную протонную вспышку, а 18–20 марта – еще одну.

На максимальную высоту над плоскостью эклиптики «Пионер-11» взобрался 7 августа 1976 г. Она составила 1,096 а.е. (164 млн км), что соответствовало 17° с.ш. над солнечным экватором. Как оказалось, этого было достаточно, чтобы покинуть привычную для всех межпланетных аппаратов среду.

Теоретическая модель магнитного поля Солнца, которую создали Ханнес Альфвен и Майкл Шульц и уточнили Лейф Свальгаард и Джон Уилкокс, рисовала его в целом симметричным относительно магнитного экватора. Поле генерируется электрическими токами внутри Солнца таким образом, что в северном полушарии его линии выходят из поверхности наружу, а в южном входят. (Раз в 11 лет полярность магнитного поля сменяется противоположной.) Вращение Солнца создает токовый слой, который разделяет зоны двух разных направлений магнитного поля, причем из-за несоосности Солнца и его магнитной оси граница постоянно ходит вверх и вниз. Свальгаард и Уилкокс предсказывали, что вблизи солнечного минимума эти волны имеют амплитуду 15° относительно солнечного экватора.

До сих пор земные КА, обращавшиеся вокруг Солнца вблизи этой плоскости и не отходившие дальше 7° от его экватора, регулярно пересекали токовый слой и регистрировали смену полярности магнитного поля. А вот «Пионер-11» в феврале 1976 г. поднялся на 16° – так высоко, что волны токового слоя остались под ним, и магнитометр КА стал фиксировать лишь упорядоченное магнитное поле, направленное от Солнца.

Этот результат объявил 6 декабря руководитель эксперимента с магнитометром Эдвард Смит. Модель двух магнитных полушарий с искривленным токовым слоем получила блестящее подтверждение – по крайней мере, в этой фазе солнечного цикла реальность ей соответствовала.

10 июня 1977 г. станция вновь вышла за пределы орбиты Юпитера, а тем временем на Земле шли ожесточенные дискуссии о том, как построить встречу с Сатурном: идти ли по «внешней» траектории или по «внутренней». Научные руководители экспериментов подавляющим большинством голосов (11 против 1) высказались за второй вариант – за «полет камикадзе» между кольцами и поверхностью планеты, и руководство Центра Эймса их поддержало.

Выбранная траектория проходила в 3600 км от внутреннего края яркого кольца C и затем всего в 6000 км над поверхностью Сатурна, под углом 16,5° к плоскости экватора и колец. Правда, в 1969 г. астроном Пьер Герен сфотографировал там очень слабое кольцо D, но ученые готовы были рискнуть. Ведь в случае успеха сразу после облета планеты станция выходила к Титану, крупнейшему спутнику Сатурна, и могла исследовать его с дистанции всего в 20 000 км. При желании можно было пролететь и ближе, но ученые опасались случайно заразить Титан земными бактериями (!). Кроме того, можно было определить массу системы колец, разобраться с особенностями гравитационного поля и внутреннего строения планеты и выяснить источник частиц в ее магнитосфере.

Внешний вариант трассы предусматривал двукратное пересечение плоскости экватора Сатурна за пределами яркого внешнего кольца A, которое заканчивалось в 136 800 км от центра Сатурна и в 76 500 км над поверхностью планеты. Правда, здесь на пути станции также лежало едва заметное кольцо E, но этот вариант казался более безопасным и к тому же соответствовал расчетной геометрии будущего пролета у Сатурна станции «Вояджер-2» в случае направления ее от Сатурна к Урану.

Джек Дайер, эксперт по траекториям Центра Эймса, предложил для «Пионера-11» траекторию встречи с Сатурном с последующим полетом к Урану, однако она была не столь удачна, как две уже описанных, да и шансы достичь Урана в работоспособном состоянии оценивались не слишком высоко. Отдельные «горячие головы» предлагали пройти сквозь деление Кассини между кольцами A и B, но это уже была бы полная авантюра.