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

По состоянию на 2 мая 1990 г. «Вояджер-1» располагал 36,5 кг гидразина, а «Вояджер-2» – 39,6 кг. Выходная мощность радиоизотопных генераторов составляла 370 и 374 Вт и после отключения съемочной аппаратуры превышала потребности борта на 60 и 66 Вт соответственно.

Гидразин использовался для поддержания трехосной ориентации КА, необходимой для постоянного точного наведения остронаправленной антенны на Землю. В 1993 г. считалось, что его хватит до 2034 г. для первого аппарата и до 2040 г. для второго. Оценка 2002 г. увеличила срок до 2040 и 2048 гг. соответственно.

Фактический расход гидразина составлял 5–6 г в неделю в режиме поддержания ориентации и до 50–60 г при выполнении научного разворота. За 25 лет ушло 19 кг на первом КА и 14 кг на втором, что иллюстрируется таблицей 19. Скачкообразный рост потребления топлива на «Вояджере-1» после 2010 г. объясняется появлением дополнительных научных задач.

Более жесткие ограничения на уход по трем осям обещали более точное наведение (а следовательно, продление связных возможностей) за счет повышенного расхода (и раннего исчерпания) гидразина, так что требовалась совместная оптимизация по топливу и по возможностям радиосистемы.

По оценке 1993 г., прием информации от двух «Вояджеров» со скоростью 160 бит/с на 34-метровую антенну типа HEF с приемником высокой эффективности был возможен до 2024 и 2029 гг. соответственно. В этой области «Вояджеры» имели перед «Пионерами» гигантское преимущество благодаря более мощному передатчику и использованию X-диапазона электромагнитного спектра. Потери на распространение сигнала в космосе, правда, увеличивались с квадратом частоты и при равной дальности были на 11,3 дБ больше. Но коэффициенты усиления обеих антенн – и передающей бортовой, и приемной наземной – также увеличивались с квадратом частоты, так что суммарный эффект был такой же, но со знаком «плюс». Собственно, во сколько раз была больше частота передатчика (8415–8420 против 2292 МГц), во столько же при прочих равных условиях увеличивалось и расстояние устойчивого приема!

Передача команд на борт КА являлась самым слабым ограничением. Даже в 1984 г., до всех работ по модернизации DSN в интересах «Вояджеров», считалось возможным управлять первым КА до 2023 г., а вторым до 2029 г. Сейчас такая проблема даже не рассматривается.

Потенциальную проблему со снижением видимой величины Солнца, которая рано или поздно должна была привести к потере его солнечными датчиками, сняли радикальным путем, задав таблицу параметров ориентации антенны на все годы вперед.

Главным ограничением для «Вояджеров», как и ранее для «Пионеров», было электропитание. Выходная мощность радиоизотопного генератора все время снижалась вследствие распада активного вещества (238Pu) и деградации системы преобразования тепловой энергии в электрическую. Первый эффект можно было учесть точно, второй был плохо предсказуем, но не вызывало сомнений, что рано или поздно наступит момент, когда система электропитания более не сможет поддерживать работу служебных систем и пяти основных научных приборов для изучения полей, частиц и волн – LECP, CRS, PLS, PWS и MAG.

В начале межзвездного этапа полета считалось, что такой дефицит питания наступит в 2012–2013 гг., однако деградация преобразователей РИТЭГов шла медленнее, чем закладывалось в модель. В 1994 г. в качестве предельного срока назывался уже 2015 г., а с 1997 г. говорилось о продлении срока жизни КА до 2020 г., но при условии сокращения энергопотребления до 215 Вт вместо установленного ранее порога в 245 Вт и отключения части приборов начиная с 2018 г. на «Вояджере-1» и с 2016 г. на «Вояджере-2». В 2009 г. оценки пересмотрели еще раз и решили, что отключения приборов не потребуется до 2020 г., а после этого с неполным комплектом удастся протянуть примерно до 2025–2026 гг., хотя ценность научных данных, разумеется, упадет.

Как мы помним, выходная мощность РИТЭГов после необходимых преобразований шла на питание систем и приборов, а избыток ее сбрасывался через резистивный шунт. Понятно, что энергопотребление не могло превышать выработку – но по оперативным соображениям нужно было сохранять определенный запас мощности (около 12 Вт) на ошибки в расчетах, внезапные скачки по питанию и т. д. Сверх этого требовалось 14–15 Вт на периодические, раз в несколько недель, включения гироскопических датчиков для поддержания их в рабочем состоянии и выполнения научных и калибровочных разворотов. По мере падения вырабатываемой мощности операторы вынуждены были снижать электропотребление.

Необходимость тщательной балансировки «Вояджеров» по питанию заставила установить на борт множество эквивалентных нагревателей, способных замещать тот или иной научный инструмент или его части, и не только для поддержания энергобаланса. Тепло, рассеиваемое тем или иным прибором, учитывалось в тепловых расчетах, потому что его отключение могло бы привести к замерзанию трубопроводов горючего и другим скверным последствиям.

В результате для некоторых операций требовалась целая цепочка взаимоувязанных переключений. К примеру, перевод передатчика X-диапазона с низкого уровня мощности на высокий (с 12 на 21,3 Вт) всегда сопровождался отключением нагревателя отсека № 1 бортовой аппаратуры.

Основные принципы организации полета с уходом «Вояджеров» из зоны планет-гигантов сохранились, но изменились цели экспедиции, функционал бортовых программ и порядок их разработки. Теперь были нужны длительные измерения по стандартной схеме, характеризуемые простотой подготовки и проведения и минимальным риском выхода КА из строя.

Каждый из «Вояджеров» работал и работает до сих пор под управлением программ, загруженных в память двух процессоров основного компьютера CCS емкостью по 4096 машинных слов длиной по 18 бит. Они были отчасти разделены по функциям: так, процессор A специализировался на наведении антенны HGA на Землю, а процессор B – на управлении работой систем и приборов. Их общая программа подразделялась на неизменную базовую компоненту, занимающую большую часть крошечной памяти двух процессоров, и текущие рабочие программы, на которые оставалось суммарно около 1500 слов памяти.

Базовая часть программы (baseline sequence) обеспечивала решение главной задачи полета на новом этапе – изучение околосолнечной и межзвездной среды – и включала ряд неизменных повторяющихся операций:

● сбор и непрерывную передачу текущей служебной и научной телеметрии;

● запись раз в неделю на магнитную ленту бортового записывающего устройства DTR одного высокоскоростного кадра детектора плазменных волн PWS – 48 секунд данных с частотой 115,2 кбит/с;

● сброс на Землю записанных кадров PWS раз в шесть месяцев;

● проведение раз в три месяца маневра калибровки магнитометра MAGROL;