"Авиация и космонавтика", 1992, №11, Окончание. Начало в № 9.
Сканировал Игорь Степикин



Телевизионный снимок Нептуна. Аквамариновая окраска объясняется наличием метана в атмосфере планеты.



Поверхность Тритона (разрешение на снимке 1,5-3 км). Видны темные вытянутые пятна (возможно, связанные с газовыми гейзерами), следы разломов, проходящих через район с необычным рельефом — округлыми образованиями неизвестной природы. Предполагается, что этот тип рельефа, нигде больше в Солнечной системе не встречавшийся, связан с местным разогревом, плавлением и застыванием поверхностного материала.
  • КОСМОНАВТИКА ЗА РУБЕЖОМ

    ПУТЕШЕСТВИЕ К НЕПТУНУ
    Л. КСАНФОМАЛИТИ, доктор физико-математических наук

    "Авиация и космонавтика",

    Окончание. Начало в № 9.

    Станция «Вояджер-2» доставила немало хлопот, начиная со старта. Перед запуском потребовался ремонт бортовой подсистемы компьютера. После запуска включилась система ориентации. Вскоре выяснилось, что она работает, как говорят наши специалисты, «нештатно». Затем были трудности со штангой, на которой находится платформа, — ее сначала не удавалось развернуть. Словом, «Вояджер-2» оказался «с характером». Постепенно его приводили в порядок, но самая большая неприятность произошла весной 1978 года, на первом этапе пути.

  • Дело в том, что на борту космического аппарата есть командные приемники — не самые сложные устройства. Они принимают и декодируют (расшифровывают) поступающие с Земли радиокоманды. По существу, это «уши» аппарата. Приемников два: основной и резервный. Впрочем, если бы инженеры заранее знали, что ожидает «Вояджер-2» в полете, они, наверное, поставили бы и четыре. Все началось с того, что после очередного сеанса радиосвязи операторы забыли послать на борт специальную команду. Через длинную цепь причинно-следственных связей это привело к выходу из строя основного приемника. Неожиданно обнаружилось, что и переход на резервный комплект не дал результата. Аппарат «оглох». На решение проблемы были брошены лучшие специалисты — ведь дело шло к невыполнению программы полета.
  • После длинной серии экспериментов удалось установить, что аппарат все-таки «слышал», но одну-единственную «ноту». На все остальные команды, посылаемые наземным передатчиком на других частотах, он не реагировал, хотя и был рассчитан на их прием. Удалось выяснить, что у резервного командного приемника из-за повреждения конденсатора не работала автоматическая подстройка частоты гетеродина — несложный, но очень важный электронный узел. Так как частота принимаемого аппаратом с Земли сигнала постоянно менялась из-за доплеровских сдвигов, достигавших очень больших значений, без автоматической подстройки приемник мог принимать лишь сигналы в пределах собственной очень узкой полосы пропускания. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышали ее в 30 раз. Оставался единственный выход — каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземные передатчики так, чтобы после всех сдвигов сигнал попадал в полосу пропускания приемника. Это и сделали — компьютер был постоянно включен в контур управления частотой передатчика. И так — все 12 лет полета.
  • Продолжительность ежедневной связи с «Вояджером-2» составляла от 8 до 16 ч, а во время сближения с планетами связь была круглосуточной. Специалисты JPL рассказывали, что время от времени аппарат терял сигнал и снова «глох» на несколько дней. Но были люди, которые каким-то «шестым чувством» угадывали, на какую частоту «ушел» приемник. Положение осложнялось тем, что кроме доплеровских сдвигов на настройку приемника сильно влияла температура конструкции межпланетной станции, которую приходилось контролировать очень тщательно: от ее изменения на четверть градуса частота «уходила» на 100 Гц. Были и другие факторы — старение деталей, например. Впрочем, в памяти бортового компьютера находилась еще одна «аварийная» программа, которая, если такое случится, предписывала аппарату «думать» самому, так как при сближении с Нептуном на консультации с Землей времени не было: прохождение радиосигнала туда и обратно занимало 8,2 ч.
  • В 1981 году было принято решение направить «Вояджер-2» к Урану, а в 1986-м — к Нептуну. В какой-то мере это был риск, так как вероятность его безотказной работы в течение шести лет в 1981 году оценивалась в 60—70 процентов. С другой стороны, эксплуатационные возможности аппарата к этому времени, как ни странно, улучшились. За прошедшие после запуска годы вошли в строй новые радиотелескопы с четырехметровыми антеннами, а огромные — 64 м в диаметре — чаши антенн радиокомплексов в США, Испании и Австралии были увеличены до 70 м. Достижения прикладной математики позволили усовершенствовать технику «сжатия данных» на борту аппарата, для чего понадобилось полностью перепрограммировать бортовой компьютер с помощью радиокоманд, что имело драматические последствия.
  • Оставалось всего шесть дней до сближения станции с Ураном, когда выяснилось, что все изображения, переданные с обновленным кодом, искажены сеткой черных и белых линий. Специалисты стали искать ошибку. Одна группа, не доверяя компьютеру, обработала вручную все пикселы (пиксел — это один элемент, одна точка изображения) Результат оказался такой 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 в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещен единицей. Запрос с Земли и ответ «Вояджера-2» показали, что перевести эту ячейку в «нулевое» состояние не удается. Тогда программисты переписали часть программы, с тем чтобы дефектный триггер не влиял на изображение. Информация стала поступать без искажений.
  • Очень большие сложности вызвала телевизионная съемка Нептуна, а особенно его «темных» спутников. Еще во время сближения с Ураном инженеры сетовали на недостаточную освещенность планеты и спутников. «Это все равно, что в сумерки фотографировать кусок угля на черном фоне», — сказал один из них. В самом деле, освещенность от Солнца на Уране в 370, а на Нептуне в 900 раз ниже, чем на Земле! Единственная возможность получить нормальное изображение — это, как известно, увеличить длительность экспозиции. Для Нептуна она составляла 15 с и больше, а для его «темных» спутников и колец — от 2 до 10 мин.
  • Но увеличить экспозицию было не так-то просто. Скорость станции — около 16 км/с, а относительно Нептуна и Тритона — еще больше. Так как аппарат проходил на близком от них расстоянии (3900 км — от облачного слоя над северным полюсом Нептуна и 39 тыс. км — от Тритона), длительная экспозиция привела бы к смазыванию изображения. Такой же эффект давала работа двигателей системы ориентации, корректировавших небольшие отклонения «Вояджера-2» от заданного положения: под воздействием импульсов от двигателей аппарат слегка покачивался.
  • Как удалось специалистам преодолеть все эти сложности? Прежде всего была вдвое сокращена длительность импульса каждого включения двигателей системы ориентации, а во время съемки они вообще не запускались. К тому же включение и выключение лентопротяжного механизма запоминающего устройства (магнитофона) разрешалось только во время работы этих двигателей. Все это привело к тому, что при съемке телевизионными камерами был обеспечен дрейф положения осей станции в 10 раз более медленный, чем движение часовой стрелки. В дальнейшем, по мере приближения к Нептуну, его удалось уменьшить еще в 2,5 раза (0,2 угл. мин/с). Кроме того, камеры медленно поворачивались за объектом съемки. Оказалось, что точность приводов платформы для этого недостаточна, поэтому ее выставляли в нужное положение и фиксировали, а затем медленно поворачивался весь аппарат. И тем не менее составленное из полученных таким образом кадров мозаичное изображение получалось искаженным. Так, на снимке спутник Урана Миранда напоминал по форме яйцо, а не сферу. Однако такие искажения легко устранялись обработкой на процессорах JPL.
  • В августе 1989 года принимавшиеся с «Вояджера-2» изображения Нептуна на телевизионных экранах стали быстро увеличиваться. Каждую секунду аппарат приближался к планете на 19 км. Представилась возможность сопоставить новые данные с прежними. Сведения, добытые в трудных наземных исследованиях, оказались довольно близки к истине. Масса Нептуна в 17 раз больше массы Земли: 1,0243·1026 кг. Велик и диаметр: 49528 км — экваториальный и 48680 км — полярный, что в 3,9 раза больше диаметра земного шара. Сутки длятся 16,11 ч. Год Нептуна — 164,8 земного года. Получается, что с момента открытия в 1846 году Нептун не завершил еще и одного оборота вокруг Солнца. Атмосфера состоит главным образом из водорода и гелия (около 15 процентов). Характерная аквамариновая окраска планеты объясняется присутствием метановых полос поглощения в красной части спектра. Хотя метана в атмосфере Нептуна лишь около 1 процента, предполагается, что значительное его количество входит в ледяную мантию планеты. На глубине, где давление достигает 1 Мбар (около 1 млн. атм), смесь воды, метана и аммиака может образовывать твердые или газожидкие так называемые «льды» даже при очень высоких температурах — от 2000 до 5000°К. На долю ледяной мантии приходится до 70 процентов всей массы планеты, причем основная ее часть — вода!
  • Стоит упомянуть гипотезу, авторы которой полагают, что глубоко в недрах Нептуна может существовать слой алмазов. Действительно, экспериментальное воздействие ударных волн на метан, находящийся под давлением около 1 млн. атм при температуре 2000— 4000°К, вызывает его диссоциацию с последующей кристаллизацией углерода в алмазы. Толщина слоя алмазов, по оценке авторов гипотезы, может достигать тысячи километров. Гипотеза, естественно, вызывает интерес. Но даже если это предположение окажется в чем-то справедливым, разработка недр планеты вряд ли станет когда-нибудь возможной...
  • Снимки Нептуна показывают, что, несмотря на ничтожную энергию, которую планета получает от Солнца, она обладает значительной метеорологической активностью. Одно из первых открытий «Вояджера-2» — «Большое темное пятно» в атмосфере планеты, по размерам близкое к земному шару. По своей природе это зона повышенных давлений и температур, гигантский антициклон, продвигающийся с востока на запад. Скорости движения метеорологических объектов в атмосфере Нептуна огромны. По отношению к твердому телу планеты некоторые из них смещаются на 2200 км за один час! Причем сверхураганные ветры дуют в сторону, обратную направлению вращения планеты.
  • Другое интересное открытие «Вояджера-2» касается колец планеты. Три из шести колец Нептуна не замкнуты — это новый вызов небесной механике. Как они возникают, почему не распадаются? Теория пока не может дать ответа на эти вопросы. Таким образом, кольца разной плотности есть у всех четырех планет-гигантов, а не только у Сатурна.
  • Не менее эффектным было сближение «Вояджера-2» с самым большим спутником Нептуна — Тритоном, относящимся к крупнейшим спутникам планет. По размерам он сходен с Луной. Это единственный в Солнечной системе спутник, имеющий обратное вращение вокруг планеты. Находится он от Нептуна на таком же расстоянии, что и Луна от Земли, имеет атмосферу, почти полностью состоящую из азота и примерно в 25 тыс. раз менее плотную, чем земная. Тем не менее в этом тончайшем слое есть и дымка, и легкие облака, наблюдаются сезонные изменения на поверхности. Полярная шапка испещрена темными пятнами — это газовые гейзеры. Их струи поднимаются на высоту до 8 км и, изгибаясь, вытягиваются в шлейфы, некоторые протяженностью более 150 км. Остальные спутники Нептуна сенсаций не принесли.
  • Планетная миссия «Вояджеров» завершена. Что ожидают ученые от их дальнейшего полета? Наибольший интерес вызывает 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 — никто пока не знает, но существует предположение, что гелиопауза будет пересечена около 2012 года. Часть аппаратуры выключена навсегда: это телевизионный и спектрофотометрический комплексы, кроме ультрафиолетового спектрометра, который будет применяться для исследования звезд и галактик. Плазменный комплекс останется работоспособным до 2015 года. Продолжатся исследования плазмы и космических лучей. Сокращены программы компьютеров. В их память заложены фиксированные программы, которые для простоты будут вызываться по номеру. Администрация НАСА намерена уменьшить штат наземной службы «Вояджера» с 200 до 40 человек.
  • Технические возможности аппаратов таковы. Энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит до 2025 года, к тому времени мощность упадет примерно до 240 Вт. Коррекции траекторий в межзвездной фазе полета не предусмотрены. По мере удаления проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком. Тогда направленный радиолуч уйдет с Земли, и аппарат для нас «умолкнет». Это может произойти около 2030 года. А дальше... В 8571 году аппарат будет на расстоянии 0,42 светового года от Солнца и 4 световых лет от звезды Барнарда. В 20319 году он пройдет на расстоянии 3,5 световых года от звезды Проксима Центавра. В 296036 году «Вояджер-2» подойдет к Сириусу на расстояние 4,3 световых года. Почти через миллион лет он уйдет от Солнца на расстояние 47,4 световых года.
  • Как это ни мало вероятно, на пути «Вояджеров» могут встретиться обитаемые планеты и проникшие в Космос цивилизации. Если какая-то из них перехватит аппарат, то сможет среди других записей (звуки, изображения) прочесть имеющееся на его борту послание от землян: «Это подарок от маленького далекого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, наша музыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время так, чтобы мы смогли жить в Вашем. Мы надеемся, что однажды, решив те проблемы, перед которыми мы стоим, мы присоединимся к сообществу галактической цивилизации. Эти записи отражают нашу надежду, решимость и добрую волю в огромной и внушающей благоговение Вселенной».