Пришельцы среди нас

Связь аппарата с Землей велась посредством двух радиопередатчиков, каждый из которых для надежности дублировался. Мощность каждого передатчика очень невелика, всего 23 Вт. Это примерно равно мощности переносной автомобильной лампы. Вся эта мощность благодаря большой антенне собирается в остронаправленный радиолуч и посылается на Землю. Мощность принимаемого радиосигнала обратно пропорциональна квадрату удаленности аппарата. С Нептуна сигнал был в 33 раза слабее, чем с Юпитера. Чтобы радиолуч не ушел с Земли, система ориентации аппарата должна была поддерживать направление на Землю с точностью до нескольких угловых минут. Есть сложности и на Земле: сантиметровое излучение сильно поглощается дождем (и меньше облаками).

В 1981 году было принято решение дополнить миссию «Вояджера-2» сближением с Ураном, а в 1986 — с Нептуном. Эти сближения были включены в программу полета, и аппарат стали готовить к новым, более сложным задачам. В какой-то мере это был риск, так как вероятность надежной работы КА на последующие 5 лет в 1981 году оценивалась в 60–70 %. С другой стороны, его эксплуатационные характеристики, как ни странно, улучшились.

За прошедшие после запуска годы вошли в строй новые 34-метровые антенны, а огромные 64-метровые чаши в США, Испании и Австралии наращены до 70 м. Со времени запуска существенно продвинулась прикладная математика и появилась возможность усовершенствовать технику сжатия данных на борту аппарата, для чего понадобилось полностью перепрограммировать бортовой компьютер с помощью радиокоманд. Кстати, этот процесс не всегда проходил гладко.

Чем планета дальше, тем больше о ней хотят узнать ученые. У Юпитера и Сатурна информация перед радиопередачей на Землю кодировалась и сжималась так, что исходный ее объем почти не увеличивался. Но при сближении с Ураном и Нептуном ученые перешли на более мощное кодирование Рида — Соломона, которое позволяет сжать информацию в несколько раз, но несет в себе некоторый риск потери точности.

Оставалось всего шесть дней до сближения с Ураном, когда выяснилось, что все изображения, переданные с обновленным кодом, искажены сеткой черных и белых линий. Специалисты бросились искать ошибку. Одна группа, не доверяя компьютеру, обработала вручную все пикселы (пиксел — это один элемент, одна точка изображения). Результат оказался тот же. Другая группа подготовила новое задание аппарату: прочесть и передать на Землю все, что он записал в память. Прошло много часов, но наконец ответ был получен.

Сравнение показало, что среди многих килобайтов программы в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещен единицей. Ответ «Вояджера-2» на запрос с Земли показал, что перевести эту ячейку в нулевое состояние не удается. Тогда программисты так переписали эту часть программы, чтобы дефектный триггер не вызывал искажений. За четыре дня до сближения программа была послана на борт. Телеметрическая информация стала поступать без искажений.

Интересно, что подготовленные для «Вояджера-2» решения после лабораторных испытаний опробовались на «Вояджере-1» и только потом включались в программы «Вояджера-2».

Очень большие сложности вызывала телевизионная съемка Нептуна, особенно его темных спутников. Еще при сближении с Ураном инженеры сетовали на недостаточную освещенность планеты и спутников. Телевизионная съемка при низкой освещенности с быстро летящего аппарата приводит к искажениям реальной формы небесного тела. «Это все равно, что в сумерки фотографировать кусок угля на черном фоне», — сказал один из участников эксперимента.

В самом деле, освещенность от Солнца на Уране в 370 раз ниже, чем на Земле. Но на Нептуне она уже в 900 раз ниже! Единственная возможность получить нормальное изображение — это, как знает каждый фотограф, увеличить длительность экспозиции. Для Нептуна она составляет 15 секунд и больше, а для темных спутников и колец — от 2 до 10 минут. Но увеличить экспозицию было не так-то просто.

Скорость аппарата близка к 16 км/с, а относительно Нептуна и Тритона — еще больше. Поскольку аппарат проходил близко от них — 3900 км от облачного слоя над Северным полюсом Нептуна и 39 000 км от Тритона, длительная экспозиция неизбежно привела бы к смазыванию изображения. Такой же результат дает работа двигателей системы ориентации, исправляющих небольшие отклонения «Вояджера-2» от заданного положения. Импульсы от двигателей слегка покачивают аппарат.

Как удалось специалистам преодолеть эти сложности? Прежде всего была вдвое сокращена длительность импульсов включения верньерных двигателей системы ориентации. Оказалось, что и таких укороченных импульсов для ориентации достаточно, а покачивания аппарата значительно уменьшились.

Во время экспозиции включение двигателей запрещено. Кроме того, включение и выключение лентопротяжного механизма запоминающего устройства (магнитофона) разрешается только вместе с включением верньерных двигателей. Все это привело к тому, что во время накопления экспозиции телевизионными камерами дрейф положения осей аппарата стал в 10 раз медленнее движения часовой стрелки. В дальнейшем, по мере приближения к Нептуну, этот дрейф удалось уменьшить еще в 2,5 раза.

Для устранения смазывания изображения камеры медленно поворачиваются за объектом съемки так, чтобы компенсировать его относительное движение. Точность приводов платформы для этого недостаточна, поэтому ее выставляют в нужное положение и фиксируют, а далее за объектом съемки медленно поворачивается весь аппарат. Составленное из полученных таким образом кадров мозаичное изображение получается забавно искаженным, как у спутника Нептуна Миранды. Конечно, она имеет форму сферы, а не яйца. Такие искажения легко устраняются.

Благодаря всем принятым мерам при сближении с Нептуном удалось избежать длительных перерывов в передаче научных данных на Землю, как это было при сближении с Ураном.

Как заключительный аккорд аппарат передал изображение Тритона. Необычный вид поверхности спутника, по-видимому, связан с обнаруженным на нем новым типом вулканизма (вероятно, водно-ледяного). И это при температуре 37 °К (-236 °C)!

Впереди — миллионы лет полета. После встречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперь его полет проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. А «Вояджер-1» поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°).

Чего ожидают ученые от дальнейшего их полета и что произойдет с самими аппаратами в будущем? Из научных исследований «Вояджеров» на первом месте — ожидаемое пересечение гелиопаузы (границы между межзвездной и солнечной плазмой). Как известно, солнечный ветер имеет скорость около 400 км/с. Где его динамический напор уравновешивается межзвездным магнитным полем, пока никто не знает, но предполагается, что гелиопауза будет пересечена примерно в 2012 году. Так закончилась ли миссия «Вояджера-2»?

Плазменный комплекс останется работоспособным до 2015 года. Целый ряд приборов — телевизионный и спектрофотометрический комплексы — выключится навсегда, кроме ультрафиолетового спектрометра, который будет применяться для исследования звезд и галактик. Будут продолжены плазменные исследования и исследования космических лучей.

Сокращены и сами программы компьютеров. В их память закладываются фиксированные программы, которые для простоты будут вызываться просто по номеру.

Энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы аппарата по минимальной программе примерно до 2025 года, когда мощность упадет до 240 Вт. Топливо не будет представлять проблемы, а коррекции траектории в межзвездной фазе полета не предусмотрены.

Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с увеличением расстояния Солнце становится все более тусклым. Тогда направленный радиолуч уйдет с Земли и аппарат умолкнет. Это может произойти к 2030 году. Если скорость передачи снизить до 43 бит/с, прием сигналов на Земле будет возможен до 2015 года с антенной 34 м и до 2030 года — с 70-метровой антенной. Инженеров беспокоит, что основная генераторная лампа свой ресурс уже выработала, передатчик перешел на резервную. Замены для нее уже нет. А дальше…