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

Джеймс Ван Аллен еще в 1974 г. предсказал возможность такого события в марте-апреле 1976 г., и геометрия говорила в его пользу: зонд находился в 1° правее линии Солнце – Юпитер и на 6° выше плоскости орбиты планеты. К сожалению, магнитометр HVM уже отказал, и измерить величину магнитного поля было нечем, а гейгеровский телескоп Ван Аллена никаких изменений в счете частиц не зафиксировал. Продолжительность погружения также установить не удалось, так как сеансы приема информации не были круглосуточными, но она была не менее 24 часов. А магнитосферный хвост Юпитера жил своей жизнью и извивался под воздействием Солнца, так что 13 апреля он накрыл аппарат еще раз.

20 сентября 1976 г. вышел из строя механизм отклонения облучателя основной антенны HGA, и облучатель вернулся в центральное положение. К счастью, дублирующий привод сохранил работоспособность. Между прочим, истечение фреона из сильфона с поршнем, перемещавшим облучатель, было замечено по доплеровскому сдвигу частоты на 0,02 Гц.

К концу 1977 г. «Пионер-10» удалился почти на 15 а.е. от Солнца. Собирающей площади 26-метровых антенн Сети дальней связи перестало хватать для приема данных, и пришлось перейти на 64-метровые станции.

К лету 1978 г. по результатам проводимых сеансов и по состоянию борта прогноз стал более оптимистичным. Во-первых, выходная мощность РИТЭГов снижалась не столь быстро, и зловещий рубеж 94,6 Вт отодвинулся на конец 1985-го или даже середину 1986 г. Более того, два самых нужных прибора можно было еще питать даже при падении до 90 Вт, а это уже прогнозировалось на конец 1987 г.

Во-вторых, выяснилось, что с трехгерцовым фильтром и со старым облучателем доступна дальность 29 а.е. при наблюдениях от угла места 10° и выше, а если работать лишь в те часы, когда объект выше 30° в небе, то и до 34 а.е., то есть до первой половины 1985 г. К моменту встречи «Пионера-11» с Сатурном наконец-то установили новые облучатели с шумовой температурой 18,5 К вместо 28 К. Это отодвинуло пределы по дальности радиообмена до 37 а.е. и по времени – до первой половины 1986 г.

В итоге 11 июля 1979 г. «Пионер-10» благополучно вышел за орбиту Урана, завершив свою первую дополнительную пятилетнюю программу исследований. Сама планета была в этот момент с противоположной стороны от Солнца, в 172° от точки пересечения орбит.

Два «Вояджера» должны были достичь Сатурна через 15 и 24 месяца после «Пионера-11». По состоянию на 1 января 1980 г. «Вояджер-1» находился в 422 млн км от новой цели, а «Вояджер-2» – в 587 млн км.

Сразу после запуска NASA продекларировало, что сможет при необходимости управлять аппаратами в течение 30 лет вплоть до расстояния 100 а.е. от Солнца, а слышать их сигналы – в течение 100 лет (!). В действительности для реализации этого потребовалась длительная и многоэтапная модернизация средств Сети дальней связи DSN.

Информация «Вояджеров» от Юпитера, с максимальной дистанции 6,23 а.е., шла на скорости 115 200 кбит/с на 64-метровые антенны сети DSN. Две встречи с Сатурном планировались на расстояниях 10,2–10,4 а.е. от Земли. Это означало, что мощность сигнала снизится примерно втрое и во столько же раз уменьшится пропускная способность радиолинии. Пришлось снизить скорость формирования изображения ISS втрое – до 144 секунд на кадр. (Эта возможность была ранее продемонстрирована при съемке Меркурия камерой «Маринера-10».)

На калифорнийской 64-метровой антенне DSS-14 вновь навесили внешний ряд панелей антенны и заменили субрефлектор – вторичное зеркало, установленное в фокусе основного отражателя. Это увеличило коэффициент усиления на 0,5 дБ. Кроме того, на всех «шестьдесятчетверках» ввели автофокусировку субрефлектора. Однако запас по энергетике больших антенн был невелик, необходимая пропускная способность 44 800 бит/с получалась с трудом, так что успешные эксперименты по совместной обработке сигналов, принимаемых на 64-метровой антенне DSS-14 и на реконструированной 34-метровой антенне DSS-12, оказались весьма кстати. Спаривание с помощью коррелятора сигнала было эквивалентно увеличению площади основной антенны на 28 % и приросту уровня принимаемого сигнала на 1,1 дБ в теории и примерно 0,8 дБ на практике.

Новую схему решили внедрить на всех трех комплексах дальней связи. 4–11 марта 1980 г. персонал станций DSS-43 (Мадрид) и DSS-63 (Канберра) прошел переподготовку в Голдстоуне. В пару к основным антеннам выделили 34-метровые станции DSS-42 и DSS-61, введенные в строй после реконструкции в апреле – мае 1980 г. Эксплуатационная оценка новых средств велась в Калифорнии с 19 мая, а на зарубежных комплексах – с 23 и 24 июня. Голдстоун обеспечивал работу «Вояджера-1» в двухантенном режиме с 23 августа, а Мадрид и Канберра – с 24 октября 1980 г. Большую часть времени обеих встреч с Сатурном использовались именно спаренные антенны.

С февраля по апрель 1980 г. на «Вояджере-1» проводились тесты нового способа космической навигации – однонаправленных дифференциальных измерений с эталонным источником Δ-DOR[72]. В основе метода лежал одновременный прием на двух 64-метровых антеннах на межконтинентальной дальности с точным измерением разности фаз радиосигналов, а следовательно, разности времени хода. Она пересчитывалась в разность расстояний от КА до двух измерительных пунктов и в угол между базой, то есть линией, соединяющей две наземные антенны, и направлением на КА. Точность этой технологии, обозначаемой буквами DOR, к сожалению, была недостаточной.

Для коррекции инструментальной и атмосферной задержки непосредственно перед работой с КА и сразу после нее стали принимать «эталонные» сигналы квазара, расположенного на небесной сфере в точке с заранее известными координатами в пределах 10° от направления на КА. По ним тоже рассчитывалась разность времени хода и направление на объект относительно базы. Различие между двумя углами, которое символизировала буква Δ, фактически описывало угловое расстояние между КА и квазаром, и оно определялось с уже достаточной точностью для того, чтобы метод становился полезным и применимым.

Эксперимент был нужен главным образом для навигации «Вояджера-2», осложненной нештатной работой бортового приемника. Впрочем, у метода Δ-DOR было достоинство, применимое для обоих КА: не требовалось ждать прохождения сигнала в обоих направлениях, время которого увеличивалось с каждым месяцем полета. Весь цикл однонаправленных измерений занимал около получаса.

Специально для исследования колец и атмосферы Сатурна радиозатменным методом на станции DSS-63 под Мадридом установили индикаторы спектра сигнала и многоканальные цифровые записывающие устройства. В январе 1981 г., после встречи «Вояджера-1» с Сатурном, часть этого оборудования передислоцировали на станцию DSS-43 в районе Канберры, которая вела аналогичные наблюдения при пролете «Вояджера-2».

* * *

На пути к Сатурну «Вояджер-1» испытал новые проблемы – к счастью, не слишком серьезные. Так, 16 октября 1979 г. по окончании 22-часового цикла научных измерений с обзором небесной сферы (10 оборотов по рысканью и 25 по крену) Земля не услышала его радиосигналов. Как потом выяснилось, при построении ориентации после маневра аппарат захватил α Центавра вместо Канопуса, и его остронаправленная антенна HGA оказалась отклонена на 5° от направления на Землю. Мощный 80-киловаттный радиопередатчик станции Тидбинбилла сумел «пробить» через боковой лепесток приемной антенны «Вояджера» команду, по которой аппарат переключился на ненаправленную антенну LGA. После этого ему предписали разворот на 56,8°, что позволило сориентировать на Землю антенну HGA. Двусторонняя связь восстановилась, был благополучно найден Канопус, и 17 октября кризис миновал.