История миссии «Вояджеров»: как человечество вышло за пределы Солнечной системы

Космос… Безгранично огромный и загадочный, онс самых ранних времён будоражил умы человечества. Какие тайны он хранит? Этимвопросом в 70-е годы всерьёз занялось НАСА. Ответить на него можно былотолько амбициозным экспериментом, который длится уже более 48 лет. В космосбыли отправлены два космических аппарата для исследования далёкихпланет-гигантов Солнечной системы, а также изучения границ гелиосферы имежзвёздного пространства. Так родилась программа «Вояджер», ставшая одной изсамых известных и долгоживущих космических миссий в истории. Сегодня я расскажуоб истории этого путешествия: от зарождения идеи до выхода зондов за пределыСолнечной системы.

Зарождение идеи и подготовка к полёту

Идея для этого эксперимента появилась ещё в1964 году, когда были сформулированы основы программы «Большой тур». Её замыселвыглядел довольно смело. Предполагалось исследовать дальние планеты Солнечнойсистемы, а также попытаться добраться до границ гелиосферы. В октябре 1969 годаНАСА обратилось к научному сообществу, чтобы привлечь к проекту максимальноеколичество специалистов. Результаты были поражающими, ведь более 500 учёныхвыразили желание участвовать. В итоге была собрана команда из 108 специалистовиз 36 университетов.

Именноони создали аппарат «Вояджер», построенный сразу в двух экземплярах. Импредстояло пролететь через всю Солнечную систему, чтобы подробно изучить Юпитери его спутники, а затем Сатурн с его кольцами и Титаном. При удачном стеченииобстоятельств аппараты должны были долететь до Урана и Нептуна, а после и вовсепокинуть Солнечную систему.

При этом у «Вояджера» не было привычногомаршевого двигателя. Его главным «мотором» стала гравитация, прежде всего самойбольшой планеты Юпитера. Аппарат должен был разгоняться за счёт гравитационныхманёвров, используя притяжение планет как «космическую рогатку». Такая схемастала возможной благодаря редкому расположению планет, на которое указалинженер Гэри Флэндро. Он рассчитал, что в конце 1970-х крайние планетыСолнечной системы выстроятся в огромную дугу. Подобное событие происходитпримерно раз в 176 лет, поэтому запуск надо было проводить в ускоренных темпах. Длянадёжности решили отправить два почти идентичных аппарата. Один должен былсосредоточиться на Юпитере и Сатурне, а второй направиться к Урану и Нептуну.

По размерам «Вояджер» напоминал небольшойавтомобиль и весил около 721 килограмма. Энергию зонд получал от трёхрадиоизотопных генераторов производства General Electric, работавших на теплераспада плутония-238. Эта система оказалась настолько надёжной, что превзошлавсе расчёты. Стартовое окно открылось 20 августа 1977 года и длилось около 30дней. Настало время «X» — либо сейчас, либо уже никогда.

Старт и первые сложности «Вояджеров»

Первым Землю покинул «Вояджер-2», отправившисьв самое продолжительное космическое странствие в истории человечества. Ракета-носительвывела аппарат на околоземную орбиту, после чего разгонный блок обеспечил зондуколоссальную скорость — около 39 км/с.

Этого импульса вполне хватало, чтобы черезполтора года добраться до гравитационного поля Юпитера. Позднее выяснилось, чторасчёты оказались почти идеальными. Отклонение от точки прицеливания составиловсего 280 тысяч километров, что было вполне приемлемо по космическим меркам. Однакосам полёт начался совсем не так спокойно, как планировали инженеры. Сразу послеотделения от разгонного блока аппарат должен был выполнить целую серию манёвров.Ему необходимо было развернуться, чтобы стабилизироваться и взять курс. Но вневесомости всё пошло иначе. Рывок при раскрытии оказался сильнее ожидаемого, изонд внезапно начал хаотично вращаться. Ситуацию усугубил сбой датчика, которыйне подтвердил полное раскрытие одной из штанг зонда. На Земле даже заподозрили,что разгонный блок не до конца отделился и летит следом.

Однако проблемы на этом не закончились. Аппараториентировался в пространстве по Солнцу и звёздам. Но в нужный моментманевровые двигатели не включились из-за ошибки бортового компьютера, а спустясчитаные секунды основной компьютер вообще ушёл в аварийный режим. Ситуациябыла крайне критическая. Лишь резервная система сумела без помощи гироскоповнайти Солнце и постепенно остановить вращение. На это ушло около двух споловиной часов. Позже стало ясно, что штанга всё же раскрылась и была надёжнозафиксирована. Просто ей не хватило буквально пары градусов, чтобы замкнутьдатчик. С этого момента можно считать, что «Вояджер-2» по-настоящему отправилсяк Юпитеру. Через десять часов он прошёл орбиту Луны, а спустя девять дней былпереведён в режим межпланетного полёта. На Земле этой паузой воспользовалисьдля подготовки следующего шага — запуска «Вояджера-1».

Стоит отметить, что ещё до старта с «Вояджер‑1» хватало хлопот. Во время предполётной подготовки регулярно сбоил бортовой компьютер, из-за чего у инженеров было немало поводов для тревоги. Однако сам запуск прошёл почти идеально. Единственной неприятностью стала утечка топлива на второй ступени ракеты «Титан». Ситуацию спас разгонный блок «Центавр», который восполнил потерю мощности и разогнал аппарат до требуемой скорости. В дальнейшем «Вояджер-1» вёл себя образцово и 18 сентября 1977 года были получены редкие изображения Земли и её спутника с расстояния примерно 11 млн км.

Тем временем у «Вояджера‑2» проблемы продолжались. 23 сентября произошла серьёзная поломка. Вышел изстроя один из модулей памяти компьютера, что повлияло на работу радиосвязи. Витоге один радиомодуль был потерян навсегда. Ситуация осложнялась тем, что обааппарата тратили больше топлива (гидразина), чем планировалось. Виной этому былактивный солнечный ветер, из-за чего стабилизационные двигатели срабатываличаще нормы.

Самый критический момент наступил весной. Вследствие подготовки «Вояджера-2» к сближению сЮпитером, связь с аппаратом была прервана на целую неделю. Для зонда это сталосигналом тревоги. Он моментально перешёл в автономный режим и переключился нарезервный приёмник. Связь удалось восстановить, но ненадолго. Внезапный скачокнапряжения вывел из строя основной приёмник окончательно. Остался лишьрезервный, который мог передавать данные, но почти не принимал команды.

У НАСА было всего несколько дней, чтобы спастимиссию. Инженеры предположили, что проблема связана с дрейфом частоты приёма.Они начали вручную «прочёсывать» диапазон, постепенно меняя частоту передачи согромной антенны в Испании. Казалось, что всё потеряно. Но кропотливый труд далсвои плоды. Спустя 55 минут нужная частота была найдена, она отличалась отрасчётной всего на 750 Гц. Связь восстановили, пусть и в крайне хрупкомрежиме. С тех пор инженерам приходится каждый раз заново искать рабочуючастоту. Несмотря на старение электроники и температурные перепады, этотприёмник работает до сих пор. И именно он позволил «Вояджеру-2» продолжить свойпуть.

Приближение к Юпитеру и первые научные открытия

Когда «Вояджер-1» приблизился к Юпитеру, егоприборы начали фиксировать сложную картину плазменных волн и колебаний.Магнитосфера буквально «звучала»: от низкочастотного шума в плазменном торе Иодо характерных свистовых волн на более высоких частотах. По мере сближенияаппарат всё глубже погружался в эту среду и неоднократно пересекал резкиескачки плотности плазмы и магнитного поля. Для человека такие условия были бысмертельными, но зонд выдержал. Выжить помогла продуманная конструкция. Всячувствительная электроника находилась в защищённом отсеке с алюминиевымистенками. Да и стоить отметить, что грубый техпроцесс семидесятых годов былустойчивее к радиации. У старых радиодеталей есть свои достоинства, в сравнениис современными электронными компонентами.

Однако полностью без потерь не обошлось.Камеры получили радиационные повреждения, от чего вырос уровень шума и снизиласьчувствительность. Вдобавок часть датчиков ориентации вышла из строя. Тем неменее научная программа была выполнена. Аппарат подробно отснял атмосферуЮпитера, обнаружил загадочные тёмные образования и впервые показал кольцапланеты. А главное — именно тогда было сделано одно из самых громких открытиймиссии: на спутнике Ио выявили активный вулкан. Результаты заставили по-новому взглянуть на геологию планет нашей системы.

Завершив сближение с Юпитером, зонд продолжил путь. Используя гравитационное поле планеты как гигантский разгонный механизм,аппарат начал сложнейший манёвр с коррекцией курса. Впереди его ждал новый этаппути — дорога к Сатурну.

Путешествие к Сатурну и расширение миссии

Выход к самой известной планете с кольцами стал длямиссии настоящим переломным моментом. Первоначальный план полёта ограничивался четырьмя годами и включал лишь пролёты Юпитера и Сатурна. Однако в НАСА заранее оставили себе пространство для манёвра. Маршруты зондов былирассчитаны так, чтобы после встречи с Сатурном появилась возможность отправить ихдальше. Успех у Юпитера превзошёл ожидания и программу продлили.

Ключевым фактором стал Титан. Этот спутникСатурна уникален, поскольку является единственным небесным телом в системе с плотной газовой оболочкой. Но его посещение имело цену. Сильная гравитация спутника изменила бы курс аппарата так, что дальнейшее исследование планет стало невозможным. Решение оказалось компромиссным: «Вояджер-1» отправили к Титану, а маршрут «Вояджер-2» скорректировали для продолжения «Большого тура».

Пролёт Сатурна принёс целую россыпь открытий.Кольца планеты оказались куда сложнее, чем представлялось раньше. Вместонескольких структур астрономы увидели сотни тонких колец и обнаружили «луны-пастухи»,удерживающие их гравитацией. Титан же удивил по-своему. Его атмосфера оказаласьнепрозрачной в видимом диапазоне. Однако детальный анализ показал условия, прикоторых метан может существовать сразу в трёх состояниях. Именно тогда родилась идея миссии «Кассини», которая достигла Сатурна в 2004 году.

После этого пути аппаратов окончательноразошлись. «Вояджер-1» гравитация Сатурна выбросила вверх от плоскостиэклиптики, а «Вояджер-2»продолжил путешествие. В 1986 году он добрался до Урана, открыв удивительную Миранду сканьонами и обрывами высотой в два десятка километров.

Финальной целью стал Нептун, пролёт которого состоялся три года спустя. Здесь был обнаружен гигантский шторм и новые спутники, аглавным героем встречи стал Тритон.

Затем «Вояджер-2» оставил планетарную область системы, уйдя по траектории ниже плоскости эклиптики, став посланцем человечества в далёкие уголки космоса.

Дальнее путешествие и выход в межзвёздное пространство

Следующие пятнадцать лет после планетарныхпролётов прошли для аппаратов сравнительно спокойно. Они медленноотдалялись от нашей планеты, продолжая передавать телеметрию и данные научных приборов.Несколько раз поднимался вопрос о закрытии программы. Однако в НАСА каждый разнаходили аргументы в пользу продолжения миссии. Учёные были уверены, что самоеинтересное ещё впереди.

Так и произошло в начале 2000-х, когдааппараты приблизились к гелиопаузе. Это условная «граница-щит», отделяющая Солнечную систему от межзвёздного пространства. «Вояджер-1» в августе 2012 года зарегистрировал резкое падение частиц горячей плазмы Солнца и одновременный рост космического излучения. Эти измерения стали прямым свидетельствомвыхода аппарата за пределы гелиосферы. Его «близнец», летящий по другой траектории, пересёк эту границу через шесть лет.Здесь важно понимать, что зонды проектировались в 1970-х и изначальнопредназначались для изучения планет. К тому времени большая часть оборудования была выведена из эксплуатации из-за энергосбережения или поломок. Тем не менее даже в такомсостоянии зонды смогли принести новые открытия. Оказалось, что формагелиосферы асимметрична. Она с одной стороны заметно выпуклая, а с другойсловно вдавлена внутрь. Кроме того, ожидалось, что при выходе в межзвёзднуюсреду произойдет резкий скачок магнитного поля. Однако этого не произошло.

Заключение

«Вояджер» — это не просто проект. Это шансдля человечества шагнуть за пределы привычного космоса. Но к большомусожалению, всему есть свой предел. На данный момент главной проблемой длязондов является энергия. Мощность радиоизотопных источников питания неуклоннопадает. Сейчас они располагают менее чем половиной исходной энергии и ежегоднотеряют ещё несколько ватт. Чтобы выиграть время, часть приборов оставляют без подогрева. Пока этот рискованный шаг себя оправдывает. По расчётамагентства, поддерживать работу удастся лишь до середины 2020-х годов. Затем начнётсяпоэтапное отключение систем, а вскоре исчезнет и связь с Землей. Но дажепосле этого «Вояджеры» не остановятся. Они продолжат бесконечный полёт сквозьГалактику, молчаливо неся с собой историю самой долгой и смелой космическойэкспедиции человечества.