В верхней части рис. 3, на решетчатой ферме показана поворотная платформа. На ней находятся оптические приборы, включая обе телевизионные камеры. Платформа позволяет направлять приборы в сторону исследуемой планеты, не поворачивая сам аппарат. Она прекрасно работала до сближения с Сатурном. Но в момент пересечения плоскости колец движение по одной из двух ее плоскостей — азимутальной — внезапно прекратилось. Аппарат в это время не был виден с Земли и находился далеко от кольца, поэтому было маловероятно, что платформу повредили частицы кольца. После выхода из-за планеты намечалась съемка южного полушария Сатурна, а также получение мозаичных, из множества отдельных снимков высокого разрешения, изображений поверхности спутников Тефии и Энцелада. К сожалению, эту часть программы выполнить не удалось, а когда, после нескольких дней напряженной работы специалистов, платформа стала понемногу реагировать на радиокоманды, было уже поздно. Впрочем, потеря была относительно невелика, но проблема не на шутку встревожила ученых: уже тогда было ясно, что полет к Урану — дело решенное. Пусть с какой-то долей риска, но аппарат его выдержит. Но что делать, если платформа не будет исправлена?
Чтобы понять, в чем неисправность, в JPL были срочно изготовлены 86 (!) макетов силового привода платформы, на которых и провели всесторонние исследования. Выводы были обнадеживающие: причиной заклинивания оказалась большая нагрузка, которая пришлась на платформу в работе у Сатурна, и неисправность можно устранить (хотя в дальнейшем с платформой следует обращаться поаккуратней). Предусмотрели и аварийную программу, но она так и не понадобилась.
За хорошую работу надо хорошо платить. "Во-яджер-2" хорошо поработал в Солнечной системе. Его телевизионные камеры оказались лучше, чем у "Вояджера-1". Но и хлопот он доставил немало, начиная от старта. Перед запуском потребовался ремонт бортовой подсистемы компьютера. После запуска включилась система ориентации. Вскоре выяснилось, что она работает, как любят говорить советские специалисты, "нештатно". Имелись трудности со штангой, на которой находится платформа (см. рис. 3), — ее сначала не удавалось развернуть. Словом "Вояджер-2" оказался с характером. Постепенно его приводили в порядок, но самая большая неприятность произошла на борту аппарата весной 1978 г., на первом этапе его пути.
3. Как "Вояджер-2" был потерян, но ненадолго
Связь аппарата с Землей ведется посредством двух радиопередатчиков с частотами 2295 МГц (длина волны 13,1 см) и 8418 МГц (3,56 см). Каждый из них для надежности дублирован. Мощность каждого передатчика очень невелика, всего 23 Вт. Это примерно равно мощности переносной автомобильной лампы. Вся эта мощность, благодаря большой антенне, собирается в остронаправленный радиолуч и посылается на Землю. Мощность принимаемого здесь радиосигнала обратно пропорциональна квадрату удаленности аппарата. С Нептуна сигнал был в 33 раза слабее, чем с Юпитера. С другой стороны, при одной и той же антенне с диаметром Dсигнал зависит от длины волны, так как ширина радиолуча, посылаемого на Землю, составляет 1,22λ/D.(Образуемое таким лучом пятно на уровне орбиты Земли превышает 50 млн. км для сантиметрового передатчика.) Поэтому легко видеть, что мощность принимаемого сигнала будет обратно пропорциональна квадрату длины волны передатчика. Но здесь возникает другая трудность: чтобы радиолуч не ушел с Земли, система ориентации аппарата должна поддерживать направление на Землю с точностью в несколько угловых минут. Есть сложности и на Земле: сантиметровое излучение сильно поглощается дождем (и меньше — облаками).
Радиосистема "Вояджеров" передавала поток информации со скоростью 115,2 кбит/с с Юпитера и 45 кбит/с с Сатурна. Ниже мы остановимся на некоторых ухищрениях инженеров, позволивших "обмануть природу" и передавать по этому каналу с Нептуна в 3—4 раза больше информации, чем намечалось вначале. Но сначала об одной истории, которая показывает, что несущественных компонентов на борту космического аппарата не бывает.
Далеко не самые сложные устройства на борту "Вояджеров" — командные приемники. Они принимают и декодируют (расшифровывают) поступающие с Земли радиокоманды. По существу, это "уши" аппарата. Приемников два, основной и резервный. Впрочем, если бы инженеры JPL 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, предназначенную для самого приемника. Через длинную цепь причинно-следственных связей это привело к выходу приемника из строя. Неожиданно обнаружилось, что и переход на резервный приемник не дает результата. Аппарат оглох. На решение проблемы были брошены лучшие специалисты — ведь дело шло к фактической потере аппарата. И вот, после длинной серии экспериментов удалось установить, что аппарат все-таки что-то слышит, но слышит одну-единственную "ноту". На все остальные частоты, посылаемые наземным передатчиком, он не реагирует, в том числе и на те, на которые он рассчитан. Удалось выяснить, что у резервного командного приемника из-за повреждения конденсатора не работает автоматическая подстройка частоты гетеродина — несложный, но очень важный электронный узел. Дело в том, что частота сигнала, принимаемого аппаратом с Земли, постоянно меняется из-за доплеровских сдвигов, достигающих очень больших значений. Без автоматической подстройки приемник может принимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляет менее 1/1000 нормального ее значения. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышают ее в 30 раз. Оставался единственный выход из положения — каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземный передатчик так, чтобы, после всех сдвигов, сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это и было сделано — компьютер теперь включен в контур передатчика. И так — все 12 лет полета. Продолжительность ежедневной связи с аппаратом составляет от 8 до 16 ч, а в сближениях связь идет круглосуточно. Кстати, сигналы на аппарат обычно посылает 400-киловаттный передатчик в Голдстоуне с его 64-метровой (теперь 70-метровой) антенной. Специалисты JPLрассказывают, что время от времени аппарат теряет сигнал и снова "глохнет" на несколько дней. Но есть люди, которые каким-то "шестым чувством" угадывают, на какую частоту ушел приемник. Положение осложняется тем, что кроме доплеровских сдвигов на настройку приемника сильно влияет температура аппарата, которую приходится контролировать очень тщательно: от ее изменения на четверть градуса настройка уходит на 100 Гц. Есть и другие факторы, старение деталей, например. И все-таки ни одно сближение не было потеряно! Впрочем, в памяти бортового компьютера находится еще одна "аварийная" программа, которая предписывает аппарату думать самому, если такое случится. В сближении с Нептуном на консультации с Землей времени не оставалось: время распространения радиосигнала "туда и обратно" составляло 8,2 ч.
4. Продлённая миссия Вояджера-2: Уран и Нептун
В 1981 г. было принято решение дополнить миссию Вояджера-2 сближением с Ураном, а в 1986 —с Нептуном. Эти сближения были включены в программу полета и аппарат стали готовить к новым, более сложным задачам.
В какой-то мере это был риск, так как вероятность его надежной работы на последующие 5 лет в 1981 г. оценивалась в 60—70 %. С другой стороны, эксплуатационные характеристики аппарата, как ни странно, улучшились. За прошедшие после запуска годы вошли в строй новые 34-метровые антенны, а огромные 64-метровые чаши в США, Испании и Австралии наращены до 70 м. В результате при той же надежности радиолинии скорость передачи данных с Нептуна удалось увеличить с 4,6 до 30 кбит/с (для повышения надежности использовалась скорость 21,6 кбит/с). Фактический выигрыш был намного больше. Со времени запуска существенно продвинулась прикладная математика, что позволило усовершенствовать технику "сжатия данных" на борту аппарата, для чего понадобилось полностью перепрограммировать бортовой компьютер с помощью радиокоманд. Кстати, этот процесс не всегда проходил гладко. Чем планета дальше, тем больше о ней хотят узнать ученые. Объем информации входит в противоречие с ее достоверностью. Но надежность данных можно увеличить только увеличивая избыточность информации. У Юпитера и Сатурна информация перед радиопередачей на Землю кодировалась и сжималась так, что исходный ее объем почти не увеличивался. Но в сближении с Ураном и Нептуном ученые перешли на более мощное кодирование Рида — Соломона, которое позволяет сжать информацию в несколько раз, но несет в себе некоторый риск.
Оставалось всего шесть дней до сближения с Ураном, когда выяснилось, что все изображения, переданные с обновленным кодом, искажены сеткой черных и белых линий. Специалисты бросились искать ошибку. Одна группа, не доверяя компьютеру, обработала вручную все пикселы. (Пиксел — это один элемент, одна точка изображения). Результат оказался тот 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 среди многих килобайт программы 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 так переписали эту часть программы, чтобы дефектный триггер не вызывал искажений. За четыре дня до сближения программа была послана на борт. Телеметрическая информация стала поступать без искажений.
Интересно, что подготовленные для "Вояджера-2" решения после лабораторных испытаний опробовались на "Вояджере-1" и только потом включались в программы "Вояджера-2".
Очень большие сложности вызывала телевизионная съемка Нептуна, а особенно его темных спутников. Еще в сближении 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 раз ниже, чем на Земле. Но на Нептуне она уже в 900 раз ниже! Единственная возможность получить нормальное изображение — это, как знает каждый фотограф, увеличить длительность экспозиции. Для Нептуна она составляет 15 с и больше, а для темных спутников и колец — от 2 до 10 мин.
Но увеличить экспозицию было не так-то просто. Скорость аппарата близка к 16 км/с, а относительно Нептуна и Тритона — еще больше. Так как аппарат прошел близко от них, 3900 км от облачного слоя над северным полюсом Нептуна и 39 000 км от Тритона, длительная экспозиция неизбежно приводила бы к смазыванию изображения. Такой же результат дает работа двигателей системы ориентации, исправляющих небольшие отклонения "Вояджера-2" от заданного положения. Импульсы от двигателей слегка покачивают аппарат.
Как удалось специалистам преодолеть эти сложности? Прежде всего, была вдвое сокращена длительность импульсов включения верньерных двигателей системы ориентации. Оказалось, что и таких укороченных импульсов для ориентации достаточно, а покачивания аппарата значительно уменьшились. Во время экспозиции включение двигателей запрещено. Кроме того, включение и выключение лентопротяжного механизма запоминающего устройства (магнитофона) разрешается только вместе с включением верньерных двигателей. Все это привело к тому, что во время накопления экспозиции телевизионными камерами дрейф положения осей аппарата стал в 10 раз медленнее движения часовой стрелки. В дальнейшем, по мере приближения к Нептуну, этот дрейф удалось уменьшить еще в 2,5 раза (0,2 угл. мин/с). Для устранения смазывания изображения камеры медленно поворачиваются за объектом съемки так чтобы компенсировать его относительное движение. Точность приводов платформы для этого недостаточна поэтому ее выставляют в нужное положение и фиксируют, а далее за объектом съемки медленно поворачивается весь аппарат.
Составленное из полученных таким образом кадров мозаичное изображение получается забавно искаженным. Пример – показанное на рис. 5 изображение 
спутника Нептуна Миранды. Конечно, она имеет форму сферы, а не яйца. Такие искажения легко устранить обработкой.
Благодаря всем принятым мерам, при сближении с Нептуном удалось избежать длительных перерывов в передаче научных данных на Землю, как это было при сближении с Ураном.
Так закончилась планетная миссия "Вояджера-2". Как заключительный аккорд, аппарат передал изображение Тритона (рис. 6). Необычный вид поверхности спутника, по-видимому, связан с обнаруженным на нем новым типом вулканизма (вероятно — водно-ледяного). И это при температуре 37 К (—236 °С)!
5. Впереди миллионы лет полета
После встречи с Нептуном траектория "Вояджера-2" отклонилась к югу. Теперь его полет проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. А "Вояджер-1" поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°). Что ожидают ученые от дальнейшего их полета и что ожидает аппараты в будущем? Из научных исследований "Вояджеров" на первом месте — ожидаемое 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 — пока никто не знает, но предполагается, что гелиопауза будет пересечена около 2012 г. Плазменный комплекс останется работоспособным до 2015 г. Целый ряд приборов выключается навсегда, — это телевизионный и спектрофотометрический комплексы, — кроме ультрафиолетового спектрометра, который будет применяться для исследования звезд и галактик. Будут продолжены плазменные исследования и исследования космических лучей. Сокращены и сами программы компьютеров. В их память закладываются фиксированные программы, которые для простоты будут вызываться просто по номеру. Администрация NASA намерена сократить штат наземной службы Вояджера с 200 до 40 человек. Технические возможности аппарата таковы. Энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы аппарата по минимальной программе примерно до 2025 г., когда мощность упадет до 240 Вт. Топливо не будет представлять проблемы, а коррекции траектории в межзвездной фазе полета не предусмотрены. Полноценное управление аппаратом можно будет вести до 2000 г. и даже позже. Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с большого расстояния Солнце становится все более тусклым. Тогда направленный радиолуч уйдет с Земли и аппарат умолкнет. Это может произойти около 2030 г. Если скорость передачи снизить до 43 бит/с, прием сигналов на Земле будет возможен до 2015 г. с антенной 34 м и не менее, чем до 2030 г. с 70-метровой антенной. Инженеров беспокоит, что основная генераторная лампа свой ресурс уже выработала, передатчик перешел на резервную. Замены для нее уже нет.
А дальше... В 8571 г. аппарат будет на расстоянии 0,42 светового года от Солнца и в 4 световых годах от Звезды Барнарда. В 20319 г. он пройдет на минимальном расстоянии, 3,5 световых года от звезды Проксима Центавра. В 296036 г. "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...
6. Послание неизвестному адресату
На видном месте на "Вояджере" размещен золоченый диск с записью всевозможной информации о Земле. К диску приложена инструкция по применению (в картинках) и читающая головка. В двоичном коде сделаны необходимые разъяснения и указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. В качестве "мерной линейки" указана сверхтонкая структура молекулы водорода (1420 МГц). Вероятность столкновения с чем-либо в межзвездной среде очень мала, поэтому предполагается, что аппарат сможет лететь в неповрежденном состоянии миллиарды лет. И если какой-либо цивилизации доведется его перехватить (что весьма сомнительно), они получат послание от нас нынешних. На диске записаны 118 цветных изображений ландшафтов Земли (и нас самих), 90 минут записей музыкальных шедевров, наука, код ДНК и другие сведения. 3/4 диска занимают звуки, в том числе звуки поцелуя и извержения вулкана. На диске записано также обращение к НИМ Д. Картера, который в 1977 г. был президентом США. Он говорит о том, что аппарат создан в США, стране с населением 240 млн человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество, говорит он, все еще разделено на отдельные нации и государства, но страны быстро идут к единой земной цивилизации. "Мы направляем в космос это послание, — продолжает он. — Оно, вероятно, выживет в течение миллиарда лет нашего будущего, когда наша цивилизация изменится и полностью изменит лик Земли... Если какая-либо цивилизация перехватит "Вояджер" и сможет понять смысл этого диска, — вот наше послание. Это—подарок от маленького далекого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, наша музыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить и в вашем. Мы надеемся, настанет день, когда будут решены проблемы, перед которыми мы стоим сегодня, и мы присоединимся к галактической цивилизации. Эти записи представляют наши надежды, нашу решимость и нашу добрую волю в этой Вселенной, огромной и внушающей благоговение".
Приложение I
Главные научные результаты сближения "Вояджеров" с Юпитером
1.Детальные изображения Юпитера показывают сложную динамику атмосферы с мощными зональным ч течениями, до 300 км/ч. Большое Красное пятно представляет одиночный долгоживущий вихрь сложного характера и антициклонического направления с повышенным давлением. В атмосфере присутствуют сверхмолнии.
2.Состав атмосферы: гелий 11 % (объемных), или 20% массы, почти
28-04-2015, 23:40