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

По настоятельной просьбе руководителей проекта «Вояджер» заместитель администратора NASA по космической науке Ноэл Хиннерс и директор планетарных программ Томас Янг приняли решение провести «Пионер-11» по «внешней» трассе, с пересечением экваториальной плоскости на расстоянии 30 000 км от внешнего края видимого кольца и с последующим прохождением на высоте 25 000 км над поверхностью Сатурна вне плоскости колец.

Янг подчеркнул, что в случае успеха «Пионера» желание NASA направить «Вояджер-2» к Урану укрепится и сохранится даже в том случае, если «Вояджер-1» не сможет решить все задачи исследования системы Сатурна. Вот только возможностью близкого знакомства «Пионера-11» с Титаном пришлось пожертвовать…

Новая траектория была объявлена 14 декабря 1977 г. Запланированную на январь коррекцию перенесли на середину года, чтобы уменьшить необходимый угол отклонения оси КА от Земли. Многоимпульсная коррекция для точного «прицеливания» «Пионера» состоялась 13 июля 1978 г. и заняла целый день. Именно она уменьшила высоту пролета со 100 000 до 25 000 км. Последующие измерения показали, что расстояние до Сатурна в перицентре составит 1,36 радиуса планеты (RS), то есть 81 426 км, а высота над видимой поверхностью облаков – примерно 21 400 км. Такое отклонение сочли приемлемым.

В октябре 1978 г. на основании практического опыта работы с «Пионером-11» был сделан вывод, что энергетики радиолинии не хватит для передачи от Сатурна, с расстояния 10,4 а.е., на скорости 1024 бит/с. За оставшийся год улучшить ее в необходимой степени было нереально. Как оказалось, малошумящие усилители, установку которых планировали именно с этой целью, позволяли дотянуть лишь до 512 бит/с.

Тем не менее было сделано все возможное. Сначала на головном комплексе дальней связи в Голдстоуне, а в мае 1979 г. и на комплексах под Мадридом и Канберрой приемники оснастили новыми малошумящими рубиновыми мазерами S-диапазона, что дало прибавку 0,8 дБ в мощности принимаемого сигнала. Еще 0,7 дБ в критическую фазу пролета – одну неделю до и одну после – удалось выиграть за счет перевода 64-метровых антенн DSS-14, DSS-43 и DSS-63 в режим одностороннего приема. Выдача радиокоманд была перенесена на вспомогательные антенны DSS-12, DSS-44 и DSS-62 соответственно.

Последним резервом было объединение двух антенн, 64-метровой DSS-14 и 34-метровой DSS-12, с совмещением их фаз в реальном масштабе времени. Заново спроектированный коррелятор протестировали 19 декабря 1978 г. и 21 февраля 1979 г. во время штатных сеансов связи с «Вояджерами» в X-диапазоне и даже применили во время их встреч с Юпитером – в течение 10 суток в феврале и марте и 14 суток в июле 1979 г. Удалось получить прибавку 0,8–1,0 дБ, немного меньшую, чем теоретические 1,1 дБ.

Однако сигнал «Пионера» в диапазоне S был так слаб, что не получалось провести автоматическую синхронизацию фаз, и данные для «стыковки» приходилось оперативно рассчитывать на компьютере. Выигрыш сократился до 0,3–0,4 дБ, но и эта маленькая прибавка значительно увеличивала ту долю времени, в течение которого возможен прием на максимальной скорости. Границы допустимого теперь определяла природа, а именно – шумовая температура неба на разной высоте над горизонтом в тот или иной день.

Прогноз по приему в начале августа 1979 г. выглядел так: австралийская станция сможет работать на 1024 бит/с в течение трех – четырех часов, когда Сатурн находится вблизи зенита и шумовая температура неба минимальна. Для испанского комплекса этот период составит пять – шесть часов, а калифорнийская станция со спаренной антенной может рассчитывать на восемь часов. В то время, когда планета ближе к горизонту, везде будет доступна лишь скорость 512 бит/с.

Фотополяриметр IPP допускал два нештатных варианта работы при пониженной скорости передачи. Можно было снимать в стандартном секторе 14° и считывать из буфера столько пар синих и красных точек, сколько удастся до окончания очередного оборота КА вокруг оси. После этого начиналась съемка и передача следующей строки, и конец предыдущей терялся. Так как из-за неисправности ЖРД скорость вращения «Пионера-11» выросла до 7,7 об/мин, на считывание оставалось лишь 7 секунд вместо 12 по проекту, но половину кадра – 7° из 14° по высоте – аппарат все же успевал передать. Второй вариант состоял в переходе на низкую скорость опроса – с шагом 0,030° вместо 0,015° и сектором съемки 28° по вертикали. В этом случае можно было по-прежнему формировать квадратный кадр 14 × 14°, но с ухудшением пространственного разрешения.

Между тем за «стыковку» антенн пришлось заплатить «порчей» доплеровских данных. На калифорнийской станции DSS-12 стояла аппаратура программируемого изменения частоты приемника PLO в соответствии с ожидаемым доплеровским сдвигом сигнала. Одновременно эта антенна должна была работать и в режиме двусторонних доплеровских измерений скорости КА. Никто не увидел противоречия, пока постановщики эксперимента по небесной механике не обнаружили потерю значительной части траекторной информации при передаче смены между станциями, оснащенными PLO – и не имеющими ее.

Если бы аппаратура PLO стояла и на испанской станции DSS-62, она бы могла благополучно передать смену Голдстоуну, но там нужного «железа» не было. Чтобы спасти процесс доплеровских измерений, операторы в испанском Себреросе в течение нескольких часов перед пролетом 1 сентября, когда скорость «Пионера» менялась быстрее всего, поочередно вели подстройку частоты приемника вручную!

Встреча с Сатурном по традиции продолжалась два месяца – с 3 августа по 2 октября 1979 г. Руководители проекта затребовали на все это время круглосуточную поддержку 64-метровыми антеннами. После «торга» с коллегами из миссий «Пионер-Венера» и «Вояджер» пришлось отдать от пяти до четырнадцати часов в сутки в первые 15 дней. В остальном заявку удовлетворили: первая встреча с Сатурном того стоила. Всего за 60 суток на борт было передано примерно 25 000 команд, в основном в адрес фотополяриметра.

16 августа по командам с Земли аппарат включил два двигателя и повернул ось вращения на 1,25° от Земли, а через четверо суток выполнил обратный разворот. Только в этот период и в такой ориентации ультрафиолетовый фотометр мог дать полезные данные по Сатурну.

17 августа началось сопровождение «Пионера» в круглосуточном режиме. 25 августа впервые задействовали режим приема на двух станциях в Голдстоуне одновременно.