Вояджер

«Во́яджер» (англ. voyager, от фр. voyageur — «путешественник») — название двух американских космических аппаратов, запущенных в 1977 году, а также проекта по исследованию дальних планет Солнечной системы с участием аппаратов данной серии.

Всего было создано и отправлено в космос два аппарата серии «Вояджер»: «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Аппараты были созданы в Лаборатории реактивного  движения (англ. Jet Propulsion Laboratory — JPL) НАСА. Проект считается одним из самых успешных и результативных в истории межпланетных исследований — оба «Вояджера» впервые передали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» впервые достиг Урана и Нептуна. «Вояджеры» стали третьим и четвёртым космическими аппаратами, план полёта которых предусматривал вылет за пределы Солнечной системы (первыми двумя были «Пионер-10» и «Пионер-11»). Первым в истории аппаратом, достигшим границ Солнечной системы и вышедшим за её пределы, стал «Вояджер-1»^[1].

Аппараты серии «Вояджер» — довольно крупные сооружения. Это высокоавтономные роботы, оснащённые научными приборами для исследования внешних планет, а также собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи и управления. Общая масса каждого аппарата — около 721 кг.

Проект «Вояджер»

Проект «Вояджер» — один из самых выдающихся экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Расстояния до планет-гигантов слишком велики для наземных средств наблюдения. Поэтому отправленные на Землю «Вояджерами» фотоснимки и данные измерений имеют большую научную ценность.

Идея проекта впервые появилась  в конце 1960-х годов, незадолго  до запуска первых пилотируемых аппаратов  к Луне и аппаратов «Пионер» к Юпитеру.

Первоначально планировалось исследовать  только Юпитер и Сатурн. Однако благодаря тому, что все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы («парад планет»), было возможно использование гравитационных манёвров для облёта всех внешних планет, за исключением Плутона. Поэтому траектория полёта была рассчитана исходя из этой возможности, хотя официально изучение Урана и Нептуна не вошло в программу миссии (для гарантированного достижения этих планет потребовалось бы строительство более дорогих аппаратов с более высокими характеристиками по надёжности).

После того, как «Вояджер-1» успешно выполнил программу исследования Сатурна и его спутника Титана, было принято окончательное решение направить «Вояджер-2» к Урану и Нептуну. Для этого пришлось слегка изменить его траекторию, отказавшись от близкого пролёта около Титана.

Вояджер-1

 «Вояджер-1» (англ. Voyager-1) — 723-килограммовый автоматический зонд, исследующий Солнечную систему и её окрестности с5 сентября 1977 года. В настоящее время находится в рабочем состоянии и выполняет дополнительную миссию по определению местонахождения границ Солнечной системы, включая пояс Койпера. Первоначальная миссия заключалась в исследовании Юпитера и Сатурна. «Вояджер-1» был первым зондом, который сделал детальные снимки спутников этих планет. На борту аппарата закреплена золотая пластина, где для инопланетян указано местонахождение Земли, а также записаны ряд изображений и звуков.

«Вояджер-1» — самый дальний от Земли и самый быстрый движущийся объект, созданный человеком. На 18 сентября 2013 года Вояджер находился на расстоянии в 125,470 а. е. (18,770 млрд км) от Солнца^[1][2] и 0,00197 светового года (расстояние, преодолеваемое лучом света за 17 часов 24,7 минуты).

История

«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. Длительность миссии первоначально  была определена в 5 лет. Его близнец, зонд «Вояджер-2», был запущен на 16 дней раньше, но он никогда не догонит  «Вояджер-1». Основное отличие программы  «Вояджер-1» — то, что для него была выбрана более короткая трасса, чем для «Вояджера-2»: «Вояджер-1» должен был посетить только Юпитер и Сатурн.

 

19 января 2006 года в сторону Плутона стартовал аппарат «Новые горизонты». Несмотря на то, что «Новые горизонты» был запущен с Земли с более высокой скоростью, чем оба «Вояджера», «Вояджер-1» сейчас имеет более высокую скорость благодаря нескольким гравитационным манёврам. На 10 января 2012 года текущая скорость относительно Солнца у «Новых горизонтов» — 15,5 км/с, а у «Вояджера-1» — 17,0 км/с^[3].

 

Последняя цель «Вояджера-1» — достигнуть гелиопаузы. Если «Вояджер-1» всё ещё будет функционировать при достижении гелиопаузы, то он станет первым зондом, передавшим информацию об условиях, царящих в межзвёздной среде. С такого расстояния сигналы «Вояджера-1» будут идти более 17 часов до центра управления (Лаборатория реактивного движения, объединённый проект NASA и Калифорнийского технологического института). Сейчас «Вояджер-1» движется по гиперболической траектории, то есть, он не вернётся в Солнечную систему под действием гравитационного притяжения Солнца. Наряду с «Вояджером-1», межзвёздными исследованиями занимается «Вояджер-2», а в будущем — и «Новые горизонты»^[4].

С июня 2010 года зарегистрированное влияние солнечного ветра в текущей точке нахождения космического аппарата последовательно приближалось к нулю^[5]. 13 декабря 2010 года «Вояджер-1» вошёл в зону, в которой воздействие солнечного ветра равно нулю. Расстояние, которое он пролетел на середину декабря 2010 года, составляло приблизительно 116,38 а. е. (17,41 млрд км)^[6][7][8][9].

В декабре 2011 аппарат «Вояджер-1»  был примерно в 119 а. е. (17,8 млрд км) от Солнца^[10] и добрался до так называемого региона стагнации — последнего рубежа, отделяющего аппарат от межзвёздного пространства. Область стагнации представляет собой регион с довольно сильным магнитным полем (индукция резко возросла почти в два раза по сравнению с предыдущими значениями) — давление заряженных частиц со стороны межзвёздного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Кроме этого, аппарат зарегистрировал рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвёздного пространства^[10].

14 июня 2012 аппарат вышел  на границу межзвёздного пространства. Датчики автоматической станции  зафиксировали резкий рост уровня  галактических космических лучей — высокоэнергетических заряженных частиц межзвёздного происхождения. Кроме того, датчики зонда зафиксировали резкое снижение количества заряженных частиц, исходящих от Солнца. Эти данные заставляют ученых предполагать, что «Вояджер» приближается к границе гелиосферы и вскоре выйдет в межзвёздное пространство^[11].

В конце августа 2012 года датчики  аппарата зафиксировали резкое снижение регистрируемых частиц солнечного ветра. В отличие от предыдущих подобных случаев, в этот раз тенденция  к снижению сохраняется (по состоянию  на начало октября 2012 года). Это может  означать, что «Вояджер-1» оказался в межзвёздном пространстве^[12].

20 марта 2013 года почётный профессор астрономии из университета Нью-Мексико Билл Веббер официально сообщил, что «Вояджер-1» всё-таки вышел за пределы Солнечной системы, и случилось это 25 августа 2012 года на расстоянии 121,7 а. е. от Солнца. С тех пор интенсивность излучения 1,9—2,7 МэВ уменьшилась в 300—500 раз. Официальный ответ НАСА от 20 марта гласит, что «Вояджер-1» ещё не достиг межзвёздного пространства, несмотря на отсутствие солнечного ветра. Последним индикатором выхода за пределы гелиосферы должна стать смена направленности магнитного поля, чего ещё не произошло^[13].

12 сентября 2013 года НАСА  подтвердило, что «Вояджер-1» вышел  за пределы гелиосферы Солнечной системы в межзвездное пространство. ^[14].

Предполагаемая  дальнейшая судьба аппарата

Уже давно вышел запланированный  срок работы обоих «Вояджеров», но, тем не менее, они продолжают получать энергию от трёх радиоизотопных термоэлектрических генераторов, работающих на плутонии-238, которые, как ожидается, будут производить минимально необходимую энергию для исследований приблизительно до 2025 года^[15].

19 ноября 2015 года «Вояджер-1»  будет находиться на расстоянии  приблизительно 133,15 а.е от Солнца. Примерно через 40000 лет аппарат будет находиться в 1 световом годе от Солнечной системы. А примерно через 285000 лет аппарат может достичь Сириуса, расположенного в 8.55 ± 0.2 световых лет от Земли ^[16].

 

Вояджер-2

 «Вояджер-2» — действующий космический аппарат, запущенный НАСА 20 августа 1977 года в рамках программы «Вояджер» для исследований дальних планет Солнечной системы. Первый и пока единственный аппарат, достигший Урана и Нептуна. На 11 сентября 2013 года «Вояджер-2» находился на расстоянии в 102,702 а. е. (15,364 млрд км) от Солнца^[1].

История

Миссия «Вояджера-2» первоначально  включала изучение только Юпитера и Сатурна, а также их спутников. Траектория полёта также предусматривала возможность пролёта мимо Урана и Нептуна, которая была успешно реализована.

В марте 2005 года «Вояджер-2»  находился на расстоянии 11,412 млрд км от Земли. Скорость удаления из Солнечной системы — 494 млн км в год (около 15 км/с, или 0,00005 от скорости света).

Аппарат идентичен «Вояджеру-1». За счёт гравитационного манёвра у Юпитера, Сатурна и Урана «Вояджер-2» смог на 20 лет сократить срок полёта к Нептуну (по сравнению с прямой траекторией с Земли).

«Вояджер-2» стартовал 20 августа 1977 года, то есть на 16 дней раньше «Вояджера-1»^[2]

9 июля 1979 года — максимальное сближение с Юпитером (71,4 тыс. км).«Вояджер-2» близко подошёл к Европе и Ганимеду, галилеевым спутникам, не исследованным ранее «Вояджером-1». Переданные снимки позволили выдвинуть гипотезу о существовании жидкого океана под поверхностью Европы. Обследование самого крупного спутника в Солнечной системе — Ганимеда — показало, что он покрыт корой «грязного» льда, а его поверхность значительно старше поверхности Европы. После обследования спутников аппарат пролетел мимо Юпитера.

25 августа 1981 года — максимальное сближение с Сатурном (101 тыс. км).Траектория зонда прошла около спутников Сатурна Тефии и Энцелада, аппарат передал подробные фотографии поверхности спутников.

24 января 1986 года — максимальное сближение с Ураном (81,5 тыс. км).Аппарат передал на Землю тысячи снимков Урана, его спутников и колец. Благодаря этим фотографиям, учёные обнаружили два новых кольца и исследовали девять уже известных. Помимо этого, были обнаружены 11 новых спутников Урана.Снимки одной из лун — Миранды — удивили исследователей. Предполагается, что маленькие спутники быстро охлаждаются после своего образования, и представляют собой однообразную пустыню, испещрённую кратерами. Однако выяснилось, что на поверхности Миранды пролегают долины и горные хребты, среди которых были заметны скалистые утёсы. Это говорит о том, что история луны богата тектоническими и термальными явлениями.«Вояджер-2» показал, что на обоих полюсах Урана температура оказалась одинаковой, хотя только один освещался Солнцем. Исследователи сделали вывод о наличии механизма передачи тепла из одной части планеты к другой. В среднем температура Урана составляет 59 К, или −214 ˚C^[2].

24 августа 1989 года — аппарат пролетел в 48 тыс. км от поверхности Нептуна.Были получены уникальные снимки Нептуна и его крупного спутника Тритона. На Тритоне были обнаружены действующие гейзеры, что было очень неожиданным для удалённого от Солнца и холодного спутника.

30 августа 2007 года — аппарат достиг границы ударной волны и вошёл в область гелиопаузы^[3].

28 июня 2010 года — продолжительность полёта «Вояджера-2» достигла 12 000 дней, что в общей сложности составляет около 33 лет. Вместе с «Вояджером-1» он является самым удалённым космическим объектом, сделанным руками человека, а также самым долго и продуктивно работающим; дольше их в рабочем состоянии остаются аппараты «Пионер»-6, −7, −8, с которыми за ненадобностью связь не поддерживается.

24 января 2011 года в НАСА  отмечают 25-летний юбилей встречи  «Вояджера-2» с Ураном. На этот  момент он находился примерно  в 14 млрд км от Солнца, а «Вояджер-1», направленный для исследования Юпитера и Сатурна, улетел более чем на 17 млрд км от светила.

4 ноября 2011 года была послана  команда переключения на запасной  набор двигателей^[4]. Через 10 дней получено подтверждение о переключении. Это позволит аппарату проработать ещё не менее 10 лет.

3 ноября 2012 года «Вояджер-2»  достиг расстояния 100 а. е. от Солнца.

Устройство аппарата

Масса аппарата при старте составляла 798 кг, масса полезной нагрузки — 86 кг. Длина — 2,5 м. Корпус аппарата — многогранная призма с центральным проёмом. На корпус посажен отражатель направленной антенны диаметром 3.66 метра.^[6] Электропитание (первоначально 500 ватт) обеспечивают три вынесенные на штанге радиоизотопные установки, использующие окись плутония (в силу удалённости от Солнца солнечные батареи были бы бесполезны). По мере распада плутония мощность термоэлектрических генераторов падает (при пролёте мимо Урана — 400 ватт). Кроме штанги электрогенераторов, корпусу прикреплены ещё две: штанга с приборами и отдельная штанга магнитометра^[6].

На «Вояджере» установлены  два компьютера, которые можно  перепрограммировать, что позволяло  менять научную программу и обходить возникающие неисправности. Объём  оперативной памяти — два блока по 4096 восемнадцатиразрядных слов. Ёмкость запоминающего устройства — 67 Мбайт (до 100 изображений от телевизионных камер). В системе трёхосной ориентации используются два датчика Солнца, датчик звезды Канопус, инерциальный измерительный блок, а также 16 реактивных микродвигателей. В системе коррекции траектории используются 4 таких микродвигателя. Они рассчитаны на 8 коррекций при общем приращении скорости 200 м/сек.

Антенны две: ненаправленная и направленная. Частоты: по обеим  антеннам приём 2113МГц, передача 2295Мгц (диапазон S), а направленная антенна  ещё и передача 8415МГц (диапазон X)^[6]. Мощность излучающих радиоантенн — 28Вт (диапазон S), 23Вт (диапазон X). Радиосистема «Вояджера» передавала поток информации со скоростью 115,2 кбит/с с Юпитера и 45 кбит/с — с Сатурна. Первоначально расчётная скорость передачи с Урана составляла лишь 4,6 кбит/с, однако её удалось повысить до 30 кбит/с, так как к тому времени ввели более чувствительные радиотелескопы на Земле, а также научились лучше сжимать данные: на определённом этапе миссии система кодирования радиосигналов была заменена на код Рида — Соломона, для чего был перепрограммирован бортовой компьютер.