А. ЗАК
Солнечная система позади! Четыре хрупких «изделия» рук человеческих сотни и тысячи лет будут нестись в холодной пустоте межзвездного пространства. Скоро совсем угаснут слабеющие радиосигналы от посланцев земного разума. Заканчивается блестящая партия «космического бильярда» в Солнечной системе.
О наименее известных фактах создания и осуществления этого замечательного космического предприятия мы рассказываем в нашей рубрике.
В 1925 г. немецкий ученый В. Гоманн выдвинул идею использования гравитационных полей планет для изменения (ускорения) траекторий пролетающих космических аппаратов. Прошли годы, прежде чем в США сотрудники Лаборатории реактивного движения в г. Пасадене (шт. Калифорния), разрабатывающей межпланетные космические аппараты, всерьез заинтересовались подобными планами. В 1963 г. ученый этой лаборатории М. Минович представил детальный анализ траектории полета к внутренним областям Солнечной системы с использованием полей тяготения планет. На основе этого анализа в 1973 г. была осуществлена программа перелета от Венеры к Меркурию («Маринер-10»). В 1964 г. М. Хантер предложил использовать гравитационное поле Юпитера для сокращения времени полета к более отдаленным планетам. Примерно год спустя другой специалист Лаборатории реактивного движения Г. Фландро выяснил, что в период 1976—1978 гг. запущенный к Юпитеру космический аппарат сможет перейти на траекторию полета к Сатурну и, использовав в свою очередь поле тяготения Сатурна, достичь Урана, а затем Нептуна. Этот головокружительный проект был назван «Гранд Тур» (Большое Турне). Первоначальная концепция проекта предусматривала старт с Земли в 1977 г и «прибытие» к Юпитеру в 1979 г. Здесь КА получал дополнительную скорость, а его траектория отклонялась в направлении Сатурна где станция должна была бы оказаться в 1980 г. От Сатурна КА «отскакивал» к Урану (1984 г.) и к Нептуну (1986 г.). Недостатком этой траектории было опасное сближение аппарата с кольцами Сатурна, в связи с чем в 1966 г. Дж. Лонг предложил более благоприятный в этом отношении вариант.
В этом варианте первый аппарат проекта «Гранд Тур» должен был быть запущен в августе 1977 г., пройти Юпитер 17 месяцев спустя, достичь Сатурна в августе 1980 г. и затем пять лет и четыре месяца двигаться к Плутону. При этом «гравитационная роль» Сатурна заключалась не в том, чтобы значительно изменить скорость аппарата, а в том, чтобы заставить траекторию подняться над плоскостью эклиптики и, таким образом, позволить встречу с Плутоном в 1986 г. Второй аппарат должен был стартовать в ноябре 1979 г., встретиться с Юпитером в 1981 г., Ураном в 1985 г. и Нептуном в 1988 г.
К 1967 г. НАСА уже успешно запустило три межпланетных космических станции («Маринер-2, -4 и -5»), однако Управление еще не имело опыта полетов во внешние области Солнечной системы. Было очевидно, что для осуществления подобной миссии, помимо траекторных разработок, необходима принципиально новая техника. Так была начата программа ТОПС (от английской аббревиатуры «термоэлектрический космический аппарат для полета к другим планетам») по разработке необходимой технологии для проекта типа «Гранд Тур».
В ходе осуществления в течение 1968—1972 гг. этой программы, обошедшейся примерно в 21 млн. долл., инженеры смогли составить представление о том, каким должен быть космический аппарат. При условии достижения необходимой скорости удаления от Земли с использованием существующего носителя («Титан-Центавр») вес АМС достигал 656 кг, из которых 117 кг весили четыре радиоизотопных термоэлектрических генератора, обеспечивавших аппарат электроэнергией. Генераторы, вырабатывавшие 439 Вт, необходимо было как минимум на 1,5 м удалить от основных систем КА, для чего предусматривалась специальная развертывающаяся после выхода на орбиту штанга. Однако с учетом 12-летнего периода полета и сильных радиационных полей в районе Юпитера научная аппаратура и бортовая электроника обеспечивались дополнительной радиационной защитой.
Было выяснено, что для эффективной работы магнитометра АМС он также должен быть удален от остальной конструкции аппарата, для чего предусматривалась еще одна выносная штанга длиной 9,2 м. На ней же размещался детектор плазмы. Наконец, еще одна штанга предусматривалась для телекамер и других научных приборов. Расчеты показали, что все эти протяженные конструкции не нарушат стабильности станции в космосе.
Космический аппарат типа «ТОПС» должен был стабилизироваться по трем осям с использованием системы ориентации, разработанной для АМС «Маринер». Для целей связи предполагалась всенаправленная антенна диаметром 4,3 м, которая должна была находиться в сложенном состоянии при старте и разворачиваться после отделения станции от последней ступени ракеты-носителя. Создание этой антенны представляло собой сложную техническую задачу. Разработчики антенны использовали опыт проектирования системы связи для научного комплекса АЛСЕП, действовавшего на поверхности Луны.
Ввиду чрезвычайной сложности предстоящих полетных операций и большого запаздывания сигналов в отдаленных от Земли районах АМС должна была стать высокоавтономной системой. Это предъявляло очень высокие требования к бортовым компьютерам. При этом следовало учитывать, что неисправность системы управления может привести к срыву всей полетной программы или значительной ее части. Хотя в настоящее время уровень развития электроники гарантирует надежную работу даже в столь длительном полете, в шестидесятые годы возможность серьезного компьютерного сбоя не могла быть исключена. Это положение привело к идее создания компьютера, способного определить собственную неисправность и предпринять меры для самовосстановления.
Эта концепция, впервые выдвинутая А. Авизинисом из Лаборатории реактивного движения, именовалась СТАР («самотестирующийся и ремонтирующийся»). В 1965 г. Авизинис вместе с А. Виксом и Д. Рейнолдсом создали первую работающую модель компьютера этого типа, а к 1969 г. было построено 10 компьютеров, способных в течение одной сотой секунды определить неполадку и найти средство ее устранения.
Принцип действия созданного компьютера состоял в том, что в случае неисправности системы между различными ее блоками должны были быть «искажены» сообщения. Ошибочные команды регистрируются тестирующим и ремонтным процессором (ТАРП), который определит зону неисправности и примет меры для решения проблемы. Сам ТАРП — это система с тремя активными мониторами, «голосующими» по каждому решению. Если один из мониторов «не соглашается» с двумя другими, он переиспытывается. Если затем он все же продолжает не соответствовать работе других двух, данный монитор отключается и заменяется дублирующей системой. Таким образом, помимо контроля за компьютером, ТАРП способен перепроверить самого себя.
Хотя развитие в дальнейшем твердотельной электроники позволило решить многие проблемы надежности, концепция компьютера типа СТАР до сих пор остается перспективной для космических исследований,
Зонд для атмосферы Юпитера. В конце шестидесятых годов в центрах корпорации «Мартин Мариетта» родился проект доставки научной аппаратуры в недра атмосферы Юпитера. Специальный спускаемый зонд предполагалось доставить к гигантской планете на борту либо аппарата «Пионер», либо «ТОПС» и в зависимости от этого выбирались его технические характеристики. Так, в случае, если носителем становилась АМС «Пионер», полезная нагрузка могла составить 12,3 кг с расчетом на максимальное давление 72 атм, тогда как на борту ТОПС мог находиться зонд с полезной нагрузкой 8,6 кг, зато он мог выдержать давление в 300 атм. В ходе миссии ТОПС зонд должен был отделиться от носителя на расстоянии 26 млн. км от Юпитера и войти в атмосферу планеты со скоростью 50 км/с. Спуск в атмосфере, тормозившийся специальным устройством, должен был продолжаться примерно 2,5 ч, миссия зонда заканчивалась примерно на 400 км ниже верхней границы облаков. Спускаемый зонд проектировался на основе уже существующей конструкции для АМС «Пионер-Венера» (запущена в 1978 г.) и имел сферический корпус, защищенный коническим атмосферным щитом. Полезная нагрузка зонда включала небольшой масс-спектрометр, акселерометры, фотометр, датчики температуры и давления.
В ходе разработки проекта было вполне логично совместить программу спускаемого зонда с планами полета одного из аппаратов этого проекта. Однако вскоре новые исследования показали, что при существующей траектории движения носителя спускаемый зонд сможет выдержать лишь 10 атм. Усовершенствовать конструкцию зонда не удавалось из-за весовых ограничений. В итоге компромисс между двумя программами так и не удалось найти, также осталось неосуществленным предложение установить на одном из аппаратов «Большого Турне» зонд для спуска в атмосфере Сатурна. Тем не менее эти разработки получили воплощение в осуществляемой сейчас программе «Галилей» (см. № 12, 1989).
«Большое Турне» становится «малым». Тем временем тучи сгустились над самим проектом «Гранд Тур». Необходимые ассигнования (примерно 900 млн. долл.) не были включены в бюджетный запрос на 1972 г. 24 января 1972 г. было официально объявлено о закрытии программы! Тогда перед подкомитетом Белого дома по науке выступил заместитель директора НАСА по космической науке Дж. Ноглс с предложением начать программу «Мини Гранд Тур», основанную на концепции космического аппарата «Маринер» и стоящую всего 360 млн. долл. 3 июня 1972 г. этот проект был официально одобрен и получил наименование «Маринер-Юпитер/Са-турн» (МЮС-77). На формальный запрос НАСА, сделанный в апреле 1972 г, было получено свыше 200 предложений по возможной научной аппаратуре от ученых США и четырех европейских стран. Разработчикам проекта МЮС-77 предстояло решить много проблем. Так, по-прежнему было неизвестно, насколько сильны радиационные пояса в районе Юпитера или насколько близко к кольцам Сатурна можно провести аппарат.
Первые разведчики в глубоком космосе. Некоторые детальные данные, необходимые для развития проекта МЮС-77, предполагалось получить в ходе полета двух космических станций «Пионер», таким образом вполне оправдывавших свое название.
Пуски ракет-носителей «Атлас-Центавр», несущих АМС «Пионер-10» и «Пионер-11», состоялись с мыса Канаверал соответственно 3 марта 1972 г. и 6 апреля 1973 г. Ракеты придали станциям невиданную доселе скорость — 14 км/с.
4 декабря 1973 г. «Пионер-10» прошел на расстоянии 131 тыс. км от окутанного вечными облаками Юпитера, передав на Землю первые снимки гигантской планеты и много другой научной информации. На пути станции больше не встречалось планет, однако она по-прежнему посылает радиосигналы на Землю, верно служа науке. Вот дальнейшие этапы пути этой станции:
— февраль 1976 г. АМС пересекла орбиту Сатурна, а в середине марта того же года обнаружила «шлейф» юпитерианской магнитосферы, простирающийся далеко за орбиту Сатурна. Зарегистрировано также необычное поведение космических лучей;
— 11 июля 1979 г. Пройдена орбита Урана;
— 25 апреля 1983 г. Орбита Плутона также позади;
— 13 июня 1983 г. в полдень по Гринвичу «Пионер-10» пересек орбиту Нептуна и направился к звезде Барнарда, до которой 10 тыс. лет пути.
АМС «Пионер-11» 3 декабря 1974 г. прошла мимо Юпитера на расстоянии 42800 км, передав на Землю 25 снимков планеты, а также по одной фотографии ее спутников: Ио, Ганимеда и Каллисто. Маневр в поле тяготения Юпитера для перелета к Сатурну был рассчитан таким образом, что АМС начала приближаться к Солнцу, а затем снова удаляться от него. 10 июня 1977 г. «Пионер-11» вновь пересек орбиту Юпитера, а 1 сентября 1979 г. прошел на расстоянии 20200 км от Сатурна и в 356 тыс. км около его крупнейшего спутника Титана. На Землю вновь поступили фотографии и научная информация. Этому «Пионеру» затем также предстояло покинуть Солнечную систему (см. № 12, 1990).
Как и ожидалось, исследования, проведенные станциями «Пионер», стали лишь прелюдией к гораздо более широким исследованиям внешних планет Солнечной системы, которые готовились в рамках «Большого Турне».
Рождение «Вояджера». Несмотря на финансовые неприятности начала 70-х гг., НАСА стремилось как можно в большей степени достичь целей, поставленных в проекте «Гранд Тур». В рамках этих усилий был предложен проект, известный как «Маринер-Юпитер/ Уран». Он предполагал запуск второго экземпляра АМС типа «МЮС-77» в ноябре 1979 г. с расчетом на пролет Юпитера в апреле 1981 г. и Урана в середине 1985 г. Дата запуска диктовалась благоприятными условиями перелета к Урану. Поскольку планета была бы в этом случае обращена полюсом к приближающемуся аппарату, появлялась хорошая возможность исследовать ее высокоширотные регионы в условиях благоприятной освещенности и длительного времени. Можно было бы уточнить радиусы и массы Урана и его спутников, получить ценнейшие фотографии и другую информацию.
На аппаратах типа «Маринер» основывался также предложенный проект «Маринер Юпитер Орбитер» (реализован в программе «Галилей»), а на КА типа «Пионер» строился план посылки зондов в атмосферу Сатурна или Урана после пролета Юпитера.
Добиться осуществления этих обширных планов было достаточно сложно, тем не менее еще в ноябре 1972 г. директор планетарных программ НАСА Р. Кремер предложил использовать в рамках программы МЮС-77 возможность перелета к Урану и Нептуну (возможность, которая могла повториться лишь через 180 лет).
Тем временем все более воплощавшийся в металл космический аппарат «МЮС-77» все менее походил на свой прототип АМС «Маринер». Программе нужно было новое имя. Лишь 4 марта 1977 г. было объявлено название, впоследствии обошедшее прессу всего мира — «Вояджер» (путешественник). (Продолжение следует.)