Министерство образования и науки Украины
Национальный Университет им. Т. Г. Шевченко
Физический факультет, кафедра астрономии
Реферат
Тема:
Дальше – только звёзды (о полёте "Вояджера-2")
Подготовил: студент V курса
Группа 114 АФ
Коломиец В. П.
Киев 2010
План
Вступление
1. "Большой тур" и Вояджер
2. Домашнее хозяйство аппарата
3. Как "Вояджер-2" был потерян, но ненадолго
4. Продлённая миссия Вояджера-2: Уран и Нептун
5. Впереди миллионы лет полёта
6. Послание неизвестному адресату
Приложения
Литература
Вступление
В августе 1989 г. сближением "Вояджера-2" с Нептуном завершилась планетная часть миссии "Вояджер". Еще один таинственный мир из семейства газожидких планет предстал на телевизионных экранах.
Проект "Вояджер" по продолжительности и продуктивности — один из самых выдающихся экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Четыре планеты-гиганта, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, прошли перед объективами телевизионных камер и другой научной аппаратуры "Вояджера-2". Четыре раза поток научных данных возрастал до пределов, которые аппарат еще способен был передать на Землю.
Расстояния до планет-гигантов так огромны, что даже современные средства наземной астрономии оказываются бессильными перед этой беспредельной далью. Но космический аппарат "Вояджер-2" через 12 лет полета сумел достичь Нептуна, удаленного от Земли в 30 раз дальше, чем Солнце.
Автоматы исследуют Солнечную систему. Их полеты напоминают путешествия в начале истории географических открытий, когда человек впервые поверил в свою способность преодолевать безмерную, казалось бы, ширь земных океанов. Прошли века. И пусть теперь, как писал И. Ефремов, беззаботные молодые люди за штурвалом сверхзвукового самолета "преодолевают эти расстояния за время, недостаточное для совершения обряда утреннего омовения", но величие подвига мореплавателей прошлого не меркнет до сих пор. Вероятно и наши, не столь уже далекие потомки шутя будут преодолевать расстояние до орбиты Нептуна, откуда даже радиосигнал "Вояджера-2" шел более четырех часов. Вероятно, они будут знать задворки Солнечной системы не хуже отдаленных уголков Земли. И все же последняя четверть XX века навсегда останется одной из самых ярких эпох осознания человеком устройства и природы Солнечной системы и своего в ней места.
Конечно, было бы наивно думать, что полет двух "Вояджеров" позволил сколько-нибудь глубоко разобраться в процессах, происходящих в недрах газожидких гигантов. Это еще впереди. Но уверенно сделаны первые шаги, и теперь в руках ученых вместо шатких гипотез (а иногда и просто домыслов) оказались твердые факты.Развитие науки все ускоряется. Вряд ли кто-либо из учителей астрономов-планетчиков моего поколения мог предположить, что их студентам выпадет не только увидеть обратную сторону Луны и работающих на Луне космонавтов, но и поверхность спутников самых далеких планет. С момента открытия в 1846 г. Нептун не завершил еще и одного оборота вокруг Солнца. В 1949 г. известный исследователь планет Г. Койпер открыл спутник Нептуна Нереиду. В 1989 г. его бывший студент К. Саган участвовал в исследованиях Нереиды с борта "Вояджера-2".В этой статье коротко рассказывается об истории проекта "Вояджер", о самих аппаратах и некоторых их приключениях. Научным итогам миссии посвящаются другие статьи, поэтому основные научные результаты, полученные в исследованиях Юпитера, Сатурна, Урана и их спутников, вынесены в приложение.
1. "Большой тур" и Вояджер
"Вояджер-2" был запущен к Юпитеру с космодрома космического центра им. Кеннеди 20 августа 1977 г. ракетой "Титан ЗЕ-Центавр" со стартовой массой около 700 т. "Вояджер-1" последовал за ним 5 сентября 1977 г., но для него была выбрана более короткая (и менее экономичная) трасса. Планеты Юпитер он достиг 5 марта 1979 г., на 4 месяца раньше "Вояджера-2", который сблизился с Юпитером 9 июля того же года.
Аппараты "Вояджер-1" и "Вояджер-2" были созданы в лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА. Интересна предыстория их разработки. Идея проекта "Большой тур" впервые появилась в конце 60-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемых аппаратов к Луне и аппаратов "Пионер" к Юпитеру. Работы по проекту "Большой тур" НАСА начала в 1969 г. Уже на 1972 г. Конгресс США, как ожидалось, должен был выделить 30 млн долларов для работ по этому проекту. Однако эта сумма утверждена не была.
Идея проекта заключалась в последовательном облете каждым из намечавшихся аппаратов нескольких планет. На рубеже 70-х и 80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы ("парад планет"). Последний раз такое "собрание" проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра делало возможным перелет аппарата от одной планеты к другой за относительно короткое время. Без такого маневра полет, например, к Нептуну, продолжался бы на 20 лет дольше, а изменение направления полета потребовало бы немыслимого расхода горючего. Суть маневра заключается в том, что при движении аппарата в гравитационном поле воздействующее на него притяжение планеты несколько изменяет его траекторию. Необходимая для этого энергия заимствуется у планеты и, по закону сохранения, добавляется к кинетической энергии аппарата. Впервые астрономы поняли физику этого явления еще в XIX в., наблюдая, как сильно изменяются орбиты комет под действием массивного Юпитера. В 1989 г., ровно сто лет назад, французский ученый Франсуа Тиссеран проанализировал проблему и создал соответствующий математический аппарат, позволяющий рассчитать орбиты кометы до и после возмущения. В эпоху планетных исследований гравитационный маневр много раз использовался для управления движением аппарата. Так, аппарат "Маринер-10" был выведен на орбиту сближения с Меркурием после гравитационного маневра у Венеры; прямой вывод аппарата на такую орбиту невозможен. В последнее время этот метод настолько разработан, что его используют даже для разгона аппарата. Самый яркий пример — аппарат "Галилей", который был запущен в США в октябре 1989 г. для исследований Юпитера. Однако после запуска аппарат был направлен не к Юпитеру, а к Венере. После маневра в ее поле тяготения в декабре 1990 г. он вернется к Земле для следующего маневра. Но и это еще не все. В октябре 1991 г. он сблизится с астероидом Гаспри (названным в честь поселка Гаспра вблизи Симеизской обсерватории в Крыму), а затем... снова вернется к Земле (декабрь 1992 г.). Лишь после этого аппарат "Галилей" ляжет на трассу полета к Юпитеру, которого достигнет через 3 года.
В проекте "Большой тур" гравитационный маневр играл определяющую роль: изменение направления полета аппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалось очень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат проходит слишком далеко от планеты, излом его траектории оказывается слишком малым, а если очень близко — аппарат может даже развернуться на 180°. Поэтому в проекте Вояджер выбор расстояния в сближении с планетой относился к самым ответственным операциям.
Вероятно, в будущем гравитационный маневр будет использоваться и в звездной навигации. С таким предложением недавно выступил молодой советский ученый Владимир Сурдин. Интересно, что идея этого маневра приходила в голову многим людям, даже далеким от науки. В 1939 г. его описал писатель фантаст Лестердель Рей.
Таким образом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но и дает выигрыш в энергии. Однако чтобы реализовать "Большой тур", требовалось особое расположение планет, примерно такое, как было в 80-х годах, иначе вся миссия растянулась бы непомерно. Предполагалось, что для посещения пяти внешних планет миссия "Большой тур" потребует нескольких аппаратов: два в 1976—1977 гг. должны были быть направлены последовательно к Юпитеру, Сатурну и затем — к Плутону (рис. 2). Кстати, выбор времени сближения с Плутоном был критичным как никакой другой: орбита Плутона значительно наклонена к эклиптике, а полет с выходом из плоскости эклиптики представляет задачу сложную и дорогостоящую. Два других аппарата в 1979 г. намечалось послать к Юпитеру, Урану и Нептуну. Рассматривался даже вариант с пятью аппаратами.
Однако бюджетные ограничения вскоре заставили изменить, а затем и существенно урезать проект. Лунная экспедиция "Аполлон" обошлась слишком дорого, и проект "Маринер — Юпитер — Сатурн-77", в дальнейшем переименованный в "Вояджер", оказался намного скромнее "Большого тура". Стоимость проекта составила 250 млн долларов, или 1/3 намечавшейся стоимости "Большого тура". (На сегодня все расходы по проекту, в которые входят ракеты запуска, весь наземный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном, составили 865 млн долларов.) Новый вариант уже не предусматривал ни таких сложных и многочисленных аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона.
"Вояджер" представляет собой довольно крупное сооружение (рис. 3). Это — высокоавтономный робот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системой радиосвязи, управления и научными приборами для исследования внешних планет. Масса аппарата составляет 815 кг.
Ограничение задач позволило значительно снизить требования к надежности компонентов и стоимости не только бортового, но и наземного оборудования. В самом деле, для радиосвязи на фантастические расстояния (орбита Нептуна — 30 а. е., или 4,5 млрд км от Земли) требовалось создать сеть гигантских радиотелескопов, каждый из которых представляет очень дорогое сооружение. (Фактически, такая сеть была создана, но намного позднее.) Уже к моменту сближения "Вояджера-2" с Ураном радиотелескопы с диаметром поворотной антенны 64 м для приема сигналов из дальнего космоса были установлены в США, в Испании и в Австралии.
Оставим пока вопрос о том, как "Вояджеру-2" удалось все-таки исследовать Уран и Нептун и обратимся к рис. 4, на котором представлена схема полета Вояджеров. Через полтора года после Юпитера, 12 ноября 1980 г. "Вояджер-1" достиг Сатурна. Чтобы сблизиться с его спутником Титаном, имеющим плотную атмосферу и представляющим особый научный интерес, аппарат прошел сравнительно низко над южным полюсом Сатурна и круто изменил свою траекторию. Сближение с Титаном произошло, как намечалось, но это был конец планетной миссии "Вояджера- 1". Аппарат стал все выше подниматься над плоскостью эклиптики. На 1990 г. он ушел "вверх" уже на 19,4 а. е., или почти на 3 млрд. км (рис. 4). Как известно, планетных тел здесь нет.
"Вояджер-2" достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 г. и провел исследования планеты и ее многочисленных спутников. После гравитационного маневра в плоскости эклиптики он был направлен к Урану. Сближение с Ураном произошло 24 января 1986 г. Снова исследования планет и спутников, снова маневр. 24 августа 1989 г. аппарат достиг "последней остановки" — Нептуна. Подобно Титану у Сатурна, спутник Нептуна Тритон давно привлекает внимание исследователей. Последний маневр "Вояджера-2" позволил исследовать Тритон (который, как выяснилось, того стоил). Теперь "Вояджер-2" тоже уходит из Солнечной системы (но в направлении, другом, чем "Вояджер-1").
Несколько слов о научном оснащении аппаратов. Научный комплекс "Вояджеров" позволил (в принципе) одновременно проводить 11 научных экспериментов.
На рис. 2 показано научное оснащение аппаратов. Это установленные на поворотной платформе "широкоугольная" (поле около 3°) и "узкоугольная" (0,4°) телевизионные камеры с объективами, фокусные расстояния которых 200 и 500 мм соответственно. Камеры имеют высокую четкость (800 строк); в них используются специальные видиконы с памятью. Считывание одного кадра требует 48 с. (Теперь в таких камерах ставят ПЗС-матрицы.) При 8-разрядном кодировании один кадр содержит 5,12 Мбит информации. С Сатурна "Вояджер-2" передавал 1 кадр за каждые 3 минуты.
На платформе установлены также спектрометры, инфракрасный и ультрафиолетовый, и фотополяриметр. Инфракрасный прибор (спектроинтерферометр), рассчитанный на диапазон от 4 до 50 мкм предназначен для исследования химического состава и структуры атмосфер планет-гигантов и Тритона. Ультрафиолетовый спектрометр диапазона 50— 170 нм регистрирует, главным образом, излучение атомов с относительно высокими энергиями. Фотополяриметр (который работал только на "Вояджере-2") передавал информацию о физических свойствах аэрозолей атмосфер и поверхности спутников.
В плазменном комплексе были детектор плазмы, детектор заряженных частиц низких энергий, детектор космических лучей. На борту имелись также магнитометры высокой и низкой чувствительности и приемник плазменных волн. Кроме того, "бесплатным приложением" к научному комплексу была радиосистема аппарата. Без каких-либо специальных приборов, по характеру изменения радиосигнала при заходах аппарата за планету, определяются основные параметры атмосферы небесного тела.
В приложениях I, II и III суммированы основные итоги исследований Юпитера, Сатурна и Урана.
Таким образом, двойная планета Плутон — это единственный из миров Солнечной системы, который пока не дождался земных гостей (и. по-видимому, уже не дождется до XXI в.). Заметим, что из-за большого эксцентриситета орбиты Плутона до конца XX в. он будет находиться ближе к Солнцу, чем Нептун. Как видно из схемы рис. 4, Плутон сейчас недостижим для обоих "Вояджеров".
2. Домашнее хозяйство аппарата
Почти все основные сведения о планетах-гигантах и их спутниках были либо получены, либо существенно обновлены в полетах "Вояджеров". Для этих исследований аппараты были оснащены достаточно эффективным набором научных инструментов. Но наряду с научными инструментами, важную роль играли системы самого аппарата. Так, развитие космической технологии позволило решить одну из наиболее важных проблем — энергообеспечение аппарата. Чтобы подчеркнуть эту особенность, один из первых вариантов проекта даже имел специальное название — TOPS — "термоэлектрический аппарат для внешних планет". Радиоизотопные термоэлектрические генераторы устанавливались и раньше как на советских, так и на американских космических аппаратах, но для Вояджеров они имели особое значение. Если для спутников "малого каботажа", предназначенных для исследования Меркурия, Венеры, Земли и Марса вполне достаточно фотоэлектрических (солнечных) батарей, то для далеких планет, где низка плотность солнечной радиации, нужны другие источники энергии. На "Вояджерах" установлены три радиоизотопных термоэлектробатареи с эффективностью около 5 %, нагреваемые тепловыделяющими элементами из окиси плутония. Общая мощность такой батареи вначале составляла почти полкиловатта электроэнергии, однако по мере распада плутония мощность падала (как тепловая, так и электрическая). Это сказывалось уже в период сближения с Ураном (когда мощность упала до 400 Вт) и создавало ограничения в выполнении научной программы; например, нельзя было проводить все эксперименты одновременно.
Естественно, не только энергетика определяет возможности аппарата. Множество систем, которые называют "служебными" (а чаще — просто "домашним хозяйством"), позволяют аппарату вести самоконтроль, управлять своим положением, рассчитывать свои действия, посылать и принимать радиосообщения. "Мозг" Вояджера — это два компьютера, образующих так называемую "подсистему полетных данных". Компьютеры могут работать как в дублирующем, так и в независимом режиме. В их функции входит контроль состояния научных приборов и управление ими, сбор и редактирование научной информации перед радиопередачей ее на Землю, контроль и управление положением аппарата и многие другие задачи. Главным достоинством управляющего комплекса "Вояджера", как выяснилось в многолетнем полете, оказалась необычайно гибкая программа, которая не только допускала радикальные изменения в исследовательских планах или в принципах обработки поступающей научной информации, но позволяла также обойти неизбежно возникающие во время длительного путешествия неисправности то в в одном, то в другом из многочисленных узлов аппарата, включая даже сами компьютеры. Кстати, в бортовой вычислительной машине "Вояджера-1" отказала одна из систем памяти, но выполнению научных задач это не помешало.
Правильное положение аппарата в пространстве определяет возможность радиосвязи с Землей, так как большая параболическая чаша его антенны диаметром 3,65 м жестко скреплена с аппаратом (см. рис. 3). Во время радиосвязи она должна быть точно нацелена на Землю. Компьютеры "узнают" положение аппарата с помощью датчиков Солнца и звезд, которые также используются для навигации. Но этого недостаточно. Необходимо знать положение аппарата на небесной сфере. Разумеется, увидеть аппарат с Земли невозможно, но вместо этого можно использовать телевизионные снимки, получаемые с самого аппарата перед сближением с небесным телом. На них планета и ее спутники видны на фоне звезд с известными координатами. После обработки телевизионных изображений положение аппарата удается определить с очень высокой точностью. Например, у Урана погрешность такого определения составляла 20—25 км. Этот метод называется оптической навигацией. Очень высокую точность дает радионавигация. Для этого методами радиоинтерферометрии по регистрации сигнала радиопередатчка аппарата определяется его положение на небе относительно "маяков Вселенной"— квазаров.
Аппарат может, при необходимости, изменить свое положение. Для этого он оснащен малыми ракетными двигателями (двигателями малой тяги, или верньерными двигателями). Двигатели работают на гидразине, который хранится в топливном баке (см. рис. 3). Небольшое, контролируемое компьютером количество жидкого гидразина поступает на катализатор, который превращает его в газ, выбрасываемый из сопла двигателя. Реактивная тяга поворачивает аппарат. Топливо используется также в тех случаях, когда необходима коррекция траектории аппарата. В целом, гидразин расходовался так экономно, что после встречи с Ураном в топливном баке оставалось еще около половины запаса (62 кг).
Интересно назвать главные причины, которые слегка нарушают параметры движения аппарата. Прежде всего, это гравитационные воздействия планет Солнечной системы на тело, находящееся в свободном полете. Затем — очень малые силы, которые возникают под действием падающего на аппарат солнечного излучения и его собственного теплового излучения. Наконец, это механические воздействия собственных устройств аппарата (поворотной платформы). При сближении с Ураном и Нептуном приходилось исключать даже такие ничтожные воздействия, которые вызывало включение бортового магнитофона. С Земли удается с весьма высокой точностью найти скорость аппарата. Лучевая скорость (проекция скорости на линию визирования)
28-04-2015, 23:40