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

Как мы помним, при пролете Юпитера «Вояджер-2» находился в 6,2 а.е. от Земли, а с Ураном встретился на расстоянии 19,1 а.е. от родной планеты. Мощность поступающего на Землю сигнала снизилась десятикратно, а вот пропускная способность канала X-диапазона – лишь впятеро, от 115 200 бит/с у Юпитера до 21 600 бит/с у Урана, и всё благодаря доработке наземного комплекса. Но заметную часть бортовой «посылки» занимали данные с других приборов, и чем меньше была доступная скорость, тем большую долю в общем ресурсе они требовали. Поэтому увеличение времени передачи одного кадра ISS всего лишь в пять раз, с 48 до 240 секунд, досталось не даром, а лишь благодаря программному сжатию изображений на борту и переходу к блочному кодированию сигнала.

А теперь подумайте о передаче данных от Нептуна, где мощность доходящего до Земли сигнала снижается еще в два с лишним раза (для педантов: на 3,5 дБ), а в абсолютных единицах составляет всего 10–17 Вт. Доставка информации на Землю потребовала немалой технической изобретательности, а прием – серьезных вложений в инфраструктуру Сети дальней связи.

Сдваивание и даже страивание приемных антенн, примененное для встречи с Ураном, не было достаточным для Нептуна. На расстоянии 29,6 а.е. от Земли это гарантировало прием информации на скорости лишь 9600 бит/с. Возможности борта по сокращению потока данных были исчерпаны, так что решение нужно было искать на Земле. На всех трех комплексах – в Калифорнии, в Австралии и в Испании – были реконструированы большие антенны с увеличением коэффициента усиления на 1,4 дБ. Зеркала антенн увеличили с 64 до 70 м в диаметре, а новая поверхность была собрана из панелей с отклонением формы от эталонной всего на 0,1 мм. Испанская антенна DSS-63 была готова в мае 1987 г., австралийская DSS-43 – в сентябре, а калифорнийская DSS-14 – в мае 1988 г.

В Испании, в Робледо-де-Чавела, в 1987 г. построили новую «высокоэффективную» 34-метровую антенну DSS-65, которой уже не хватало у Урана. Наконец, калифорнийскому комплексу должна была помочь уже упомянутая система радиотелескопов VLA. В течение четырех лет ее антенны дооснастили приемниками X-диапазона с малошумящими усилителями, охлаждаемыми жидким гелием, которые обошлись в 5,5 млн долларов, и аппаратурой обработки и передачи сигналов. Информация от VLA передавалась в Голдстоун по спутниковому каналу и там объединялась с основным потоком.

Сопряжение основной 70-метровой антенны с двумя 34-метровыми и со всей системой VLA утраивало собирающую площадь и добавляло 5,6 дБ к чувствительности старой 64-метровой антенны. Становился возможным прием информации от Нептуна со скоростью 14 400 бит/с при передаче снимков и остальной научной и инженерной телеметрии в реальном времени и даже 21 600 бит/с, если одновременно передавались и записанные на DTR изображения. Обеспечивало в теории – на практике это еще нужно было доказать.

Эксперименты начались на аппарате «Вояджер-1», который продолжал служить «летающим стендом» для своего знаменитого собрата. Так, в период с июля по октябрь 1987 г. на нем отрабатывался алгоритм «кивка» NIMC.

«Вояджер-2» стал участником комплексного эксперимента летом 1988 г. 8 июня в память компьютера FDS-B загрузили программу 09AB, содержащую основные алгоритмы навигации и управления для работы по Нептуну. 9 июня в память FDS-A заложили программу 180F с алгоритмами сжатия изображений, а 17 июня была инициирована работа борта в двухпроцессорном режиме с FDS-B в роли главного компьютера.

Тем временем на Земле 29 июня впервые сопрягли 70-метровую антенну в Голдстоуне с 23 готовыми на тот момент антеннами системы VLA. Это позволило проверить всю цепочку прохождения информации: съемка с компенсацией смаза, бортовая обработка изображения со сжатием, передача, прием и сохранение на Земле. Кроме того, проверялись все режимы обработки данных, необходимые в ходе встречи с Нептуном, тестировались и калибровались камеры и спектрометры. Линия сопряжения голдстоунского комплекса и системы VLA была протестирована пять раз, начиная с простых задач и заканчивая полным меню функций при максимальных скоростях приема информации.

27 июля борт вернули в обычный однопроцессорный режим, и с 29 июля FDS-A и FDS-B работали на штатных версиях программ 06AB и 08AA. Тогда же обновили до версии BML-5 аварийную программу, которая должна была в случае полной потери командной радиолинии обеспечить выполнение программы исследования Нептуна в полностью автономном режиме.

Потенциальную проблему представлял также бортовой таймер, отсчитывающий полетное время 48-минутными «расчетными часами». Как мы помним, 65 536 интервалов счетчика соответствовало примерно 2185 суткам. Один раз он уже переполнился 13 августа 1983 г., а следующее переполнение предстояло 6 августа 1989 г., в разгар наблюдений Нептуна. Чтобы избежать возможных ошибок, счетчик обнулили заранее – 10 августа 1988 г.

Заключительный тест бортовых алгоритмов был проведен весной 1989 г. 11 апреля программу 180F вновь загрузили в память процессора FDS-A, а 13 апреля был инициирован режим параллельной работы с ведущим процессором FDS-B с программой 09AD. Отличием версии 09AD от предыдущей была реализация алгоритма безманевренной компенсации. Тогда же на борт заложили аварийную программу BML-6.

Подготовка группы управления «Вояджера» началась в октябре 1988 г. с внутренних тренировок. Интегрированная команда, включающая боевые расчеты DSN и других привлеченных организаций, начала отрабатывать сценарий встречи в конце января 1989 г. Наконец, 24–25 мая 1989 г. была проведена полноценная репетиция сближения с участием всех наземных средств приема и обработки информации, включая радиотелескопы VLA, Паркс и Усуда.

Японский 64-метровый радиотелескоп Усуда в 100 км северо-западнее Токио готовился работать параллельно с австралийским комплексом Тидбинбилла – Паркс – его помощь была важна во время радиопросвечивания атмосфер Нептуна и Тритона. Запись сигнала с двух разнесенных в пространстве точек улучшала качество информации и позволяла «заглянуть» вдвое глубже.

9 мая 1988 г. аппарат отснял Нептун и Тритон с дистанции 685 млн км. В кадре размером 800 × 800 планета занимала лишь маленькую часть – восемь пикселей в поперечнике – и ее изображение было слегка смазано. Съемка проводилась с прозрачным и зеленым фильтрами, и, чтобы получить цветопередачу, близкую к реальной, пришлось «подмешать» цветовые данные наземных съемок. Нептун получился сине-зеленого цвета (результат поглощения красных лучей метаном) и без деталей, хотя наземные съемки в спектральной полосе метана с аналогичным разрешением позволяли видеть крупномасштабные облачные структуры. Тритон имел отчетливый красно-желтый оттенок, который могли придавать ему органические соединения на базе метана.

Дополнительные навигационные снимки Нептуна и Тритона делались 11 и 13 июля, 14 ноября и 13 декабря 1988 г., а затем 23 января и 23 февраля 1989 г.