Билет в один конец: история программы «Вояджер» (часть 1)
Миссию аппаратов «Вояджер» можно без прикрас назвать величайшим путешествием во всей человеческой истории. До них мы почти ничего не знали о планетах-гигантах и их спутниках. Пара космических странников фактически открыла для нас внешнюю часть Солнечной системы и даже позволила впервые бросить взгляд на межзвёздное пространство.
А самое невероятное заключается в том, что оба аппарата до сих пор находятся на связи с Землёй. Только вдумайтесь: они были запущены в 1977-м. Это год, когда СССР возглавлял 70-летний Леонид Брежнев, когда Джимми Картер принял присягу президента США, когда на экраны кинотеатров вышли первые «Звёздные войны», а Ники Лауда стал двукратным чемпионом «Формулы-1». Это моя статья про историю программы, которая была опубликована в августовском номере журнала «Мир Фантастики» в 2022 году. Из-за местных ограничений по знакам, я разбил ее на две половины.
Проблема расстояний
Начало 1960-х - эпоха космической романтики. В то время некоторым казалось, что ещё чуть-чуть - и человечество покорит Солнечную систему, создаст колонии на других планетах. Однако многие специалисты уже тогда понимали, что на самом деле всё далеко не так просто.
IBM 7090 - именно такой компьютер можно увидеть в фильме «Скрытые фигуры»
Дело в том, что ракеты на химическом топливе, используемые для космических полётов, чудовищно неэффективны. Во-первых, у них крайне низкий КПД. Они способны вывести в космос груз массой лишь в несколько процентов от их стартовой массы, притом чем выше орбита, тем этот процент меньше. Во-вторых, максимальная скорость, которую может развить ракета, лишь немногим больше 11,2 километра в секунду - минимальной скорости, позволяющей вырваться из оков земного притяжения и отправить аппарат к другой планете.
В случае, если это полёт к Луне, последнее обстоятельство некритично (её можно достичь за несколько дней), однако чем дальше мы хотим улететь, тем безжалостней становится арифметика. Чтобы добраться до Марса на той же ракете, нам потребуется девять-десять месяцев. А если говорить о путешествии к более далёким внешним планетам, то счёт пойдёт уже на годы и десятилетия.
Возьмём для примера Нептун. При полёте по прямому маршруту от Земли зонду понадобится порядка 30 лет, чтобы достичь восьмой планеты. Даже сейчас крайне сложно построить аппарат, который сможет работать так долго. В начале же космической эры это казалось практически неосуществимым - особенно с учётом общего уровня надёжности техники и ракет тех лет.
Разумеется, не все были готовы мириться с таким положением дел. Уже тогда инженеры знали, как ускорить космический аппарат без расходования топлива: задействовать гравитацию. Если правильно выстроить траекторию полёта, гравитация планеты увлечёт за собой космический аппарат, добавив ему часть скорости своего орбитального движения (по аналогичному принципу гравитацию можно использовать и для торможения). Эта методика называется гравитационным манёвром.
Первый в истории гравитационный манёвр совершил аппарат «Луна-3» в 1959 году. После съёмки обратной стороны Луны гравитация нашего спутника вновь направила станцию к Земле, что позволило ретранслировать данные, в том числе эту фотографию
В определённой степени нам повезло. Из всех планет-гигантов Юпитер ближе всего к Земле и при этом обладает наибольшей массой. Следовательно, аппарат, совершив рядом с ним гравитационный манёвр, получит наибольшее приращение скорости. Выходит, что путешественники, направляющиеся к дальним рубежам Солнечной системы, могут использовать Юпитер в качестве своеобразной бесплатной заправки.
В 1962 году математик Майкл Минович с помощью самого мощного компьютера того времени - IBM 7090 - разработал универсальный алгоритм для расчёта траекторий космических аппаратов при гравитационных манёврах вблизи планет. Однако до поры до времени работа Миновича оставалась лишь занятной теорией, поскольку в те годы основным приоритетом NASA оставалась Луна.
Всё изменилось в 1965 году, когда сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) Гарри Фландро решил проверить, возможно ли применить алгоритм Миновича на практике. Учёный начал просчитывать различные траектории при гравитационных манёврах и сделал важное открытие. Оказалось, что во второй половине 1970-х Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун должны были выстроиться в пространстве в огромную дугу. Такое уникальное событие случается лишь раз в 176 лет. Благодаря этому один аппарат мог посетить все внешние планеты Солнечной системы за один заход. Притом ряд последовательных гравитационных манёвров позволил бы значительно сократить время полёта - до Нептуна аппарат бы добрался не за 30 лет, а всего за 12.
Гарри Фландро на 40-летии «Вояджера» в Музее авиации и космонавтики, 2017
Эта возможность была слишком хороша, чтобы её упустить. В JPL достаточно быстро родился проект, получивший название Grand Tour. Предполагалось построить четыре межпланетных зонда: два из них планировали пустить по траектории Юпитер - Сатурн - Плутон, два - по траектории Юпитер - Уран - Нептун. Стоимость реализации программы оценивалась в миллиард долларов.
Это было, пожалуй, самое неподходящее время для такого проекта. Во-первых, данные, пришедшие от зондов с Венеры и Марса, вдребезги разбили фантазии об обитаемости соседних планет, из-за чего у широкой публики начал пропадать интерес к космосу. Во-вторых, после победы в лунной гонке бюджет NASA стали стремительно урезать (одно время даже стоял вопрос о том, чтобы полностью свернуть американскую программу пилотируемых полётов). Так что Grand Tour не получил нужных денег, а драгоценное время продолжало уходить.
Но учёные не отступили. Благодаря настойчивости научного сообщества NASA удалось выбить финансирование для более скромного по масштабу проекта - запуска всего лишь двух аппаратов к Юпитеру и Сатурну. Изначально он носил громоздкое название Mariner Jupiter-Saturn, но позже получил имя, под которым и вошёл в историю, - «Вояджер».
Настоящие пионеры
Даже с учётом более скромного масштаба «Вояджер» всё равно оставался сложным и амбициозным проектом. Притом у NASA не было никакого опыта полётов ко внешней части Солнечной системы. Перед конструкторами встал ряд серьёзных вопросов. Например, можно ли пролететь через пояс астероидов? Тогда доминировала гипотеза, что он заполнен большим количеством мелких частиц, которые попросту уничтожат космический аппарат, рискнувший его пересечь.
Другой важный вопрос касался радиации. К тому времени учёные уже знали, что наша планета окружена радиационными поясами. Но что насчёт планет-гигантов? Есть ли у них собственные радиационные пояса, и если да, то представляют ли они угрозу для космической техники? Также существовало опасение, что плоскость, в которой расположены кольца Сатурна, заполнена пылью - а она может вывести из строя земные аппараты.
Был только один способ найти ответы на такие вопросы. Перед тем как отправлять дорогостоящие «Вояджеры» в неизвестность, NASA требовалось разведать дорогу - запустить более простые и дешёвые аппараты, которые было бы не так жалко потерять. Задача стать космическими первопроходцами выпала зондам Pioneer 10 и Pioneer 11. Они отправились в космос в 1972 и 1973 годах.
Оба зонда успешно пересекли пояс астероидов и тем самым доказали, что через него можно безопасно пройти. Потом они встретились с Юпитером. Оказалось, что у планеты действительно есть радиационные пояса, причём их мощность в 10 000 раз превосходит мощность радиационных поясов Земли. В результате аппаратура начала генерировать ложные команды, связь несколько раз прерывалась, была потеряна часть снимков Ио. В какой-то момент стало казаться, что зонд попросту не переживёт встречу с крупнейшей планетой Солнечной системы. Но Pionеer 10 всё же удалось уцелеть.
Аппарат собрал данные о составе атмосферы газового гиганта, уточнил его массу, измерил напряжённость магнитного поля. Также выяснилось, что общий тепловой поток от Юпитера в 2,5 раза превышает количество энергии, которую планета получает от Солнца.
После визита к Юпитеру Pioneer 10 разогнался до третьей космической скорости, позволившей ему продолжить полёт по траектории, навсегда уводящей его за пределы Солнечной системы. Хоть зонд и был рассчитан всего на 21 месяц работы, связь с ним удавалось поддерживать вплоть до начала 2003 года.
Pioneer 11 также пришлось познакомиться с радиационными поясами Юпитера. Как и аппарат-предшественник, он выдержал это испытание. Однако миссия Pioneer 11 не ограничилась визитом к Юпитеру. Уже после запуска NASA решило изменить план полёта и использовать гравитацию крупнейшей планеты Солнечной системы, чтобы затем направить зонд к Сатурну.
Pioneer 11 достиг цели в 1979 году. Земной посланец успешно прошёл через плоскость колец Сатурна, опровергнув опасения, будто концентрация частиц там настолько высока, что представляет угрозу для космических аппаратов. Правда, это открытие едва не стоило зонду жизни: при пролёте Сатурна он чуть не врезался в спутник, о существовании которого на Земле раньше не подозревали.
После визита к Сатурну Pioneer 11 тоже набрал третью космическую скорость, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. В последний раз он вышел на связь в 1995 году.
Фото Титана, сделанное Pioneer 11
По расчётам астрономов, через 90 000 лет Pioneer 10 пролетит на расстоянии в 0,75 светового года от оранжевого карлика HIP 117795. Эта звезда обладает очень высокой радиальной скоростью и движется примерно по направлению к Солнечной системе. Через несколько тысяч лет после сближения с Pioneer 10 звезда пройдёт на расстоянии порядка трёх световых лет от Солнца.
Что касается Pioneer 11, то примерно через 930 000 лет зонд пролетит на расстоянии 0,8 светового года от оранжевого карлика TYC 992-192-1.
Pioneer 10 и Pioneer 11 доказали, что космический аппарат вполне способен пересечь пояс астероидов и выжить в окрестностях планет-гигантов. Это отмело последние сомнения в том, реально ли изучение дальних рубежей Солнечной системы. А значит, инженеры могли приступить к работе непосредственно над «Вояджерами».
Послание «Пионера»
Незадолго до запуска Pioneer 10 знаменитый учёный и популяризатор науки Карл Саган предложил NASA разместить на борту зонда послание для инопланетян, которые в далёком будущем могли бы его перехватить. Организация одобрила идею. Так на свет появилось знаменитое послание Pioneer.
Это размещённая на стойке антенны алюминиевая пластинка. На ней выгравирована карта, показывающая положение Солнца по отношению к 14 пульсарам, схема Солнечной системы, траектория полёта Pioneer 10, а также изображение обнажённых мужчины и женщины на фоне аппарата.
А самое невероятное заключается в том, что оба аппарата до сих пор находятся на связи с Землёй. Только вдумайтесь: они были запущены в 1977-м. Это год, когда СССР возглавлял 70-летний Леонид Брежнев, когда Джимми Картер принял присягу президента США, когда на экраны кинотеатров вышли первые «Звёздные войны», а Ники Лауда стал двукратным чемпионом «Формулы-1». Это моя статья про историю программы, которая была опубликована в августовском номере журнала «Мир Фантастики» в 2022 году. Из-за местных ограничений по знакам, я разбил ее на две половины.
Проблема расстояний
Начало 1960-х - эпоха космической романтики. В то время некоторым казалось, что ещё чуть-чуть - и человечество покорит Солнечную систему, создаст колонии на других планетах. Однако многие специалисты уже тогда понимали, что на самом деле всё далеко не так просто.
IBM 7090 - именно такой компьютер можно увидеть в фильме «Скрытые фигуры»
Дело в том, что ракеты на химическом топливе, используемые для космических полётов, чудовищно неэффективны. Во-первых, у них крайне низкий КПД. Они способны вывести в космос груз массой лишь в несколько процентов от их стартовой массы, притом чем выше орбита, тем этот процент меньше. Во-вторых, максимальная скорость, которую может развить ракета, лишь немногим больше 11,2 километра в секунду - минимальной скорости, позволяющей вырваться из оков земного притяжения и отправить аппарат к другой планете.
В случае, если это полёт к Луне, последнее обстоятельство некритично (её можно достичь за несколько дней), однако чем дальше мы хотим улететь, тем безжалостней становится арифметика. Чтобы добраться до Марса на той же ракете, нам потребуется девять-десять месяцев. А если говорить о путешествии к более далёким внешним планетам, то счёт пойдёт уже на годы и десятилетия.
Возьмём для примера Нептун. При полёте по прямому маршруту от Земли зонду понадобится порядка 30 лет, чтобы достичь восьмой планеты. Даже сейчас крайне сложно построить аппарат, который сможет работать так долго. В начале же космической эры это казалось практически неосуществимым - особенно с учётом общего уровня надёжности техники и ракет тех лет.
Разумеется, не все были готовы мириться с таким положением дел. Уже тогда инженеры знали, как ускорить космический аппарат без расходования топлива: задействовать гравитацию. Если правильно выстроить траекторию полёта, гравитация планеты увлечёт за собой космический аппарат, добавив ему часть скорости своего орбитального движения (по аналогичному принципу гравитацию можно использовать и для торможения). Эта методика называется гравитационным манёвром.
Первый в истории гравитационный манёвр совершил аппарат «Луна-3» в 1959 году. После съёмки обратной стороны Луны гравитация нашего спутника вновь направила станцию к Земле, что позволило ретранслировать данные, в том числе эту фотографию
В определённой степени нам повезло. Из всех планет-гигантов Юпитер ближе всего к Земле и при этом обладает наибольшей массой. Следовательно, аппарат, совершив рядом с ним гравитационный манёвр, получит наибольшее приращение скорости. Выходит, что путешественники, направляющиеся к дальним рубежам Солнечной системы, могут использовать Юпитер в качестве своеобразной бесплатной заправки.
В 1962 году математик Майкл Минович с помощью самого мощного компьютера того времени - IBM 7090 - разработал универсальный алгоритм для расчёта траекторий космических аппаратов при гравитационных манёврах вблизи планет. Однако до поры до времени работа Миновича оставалась лишь занятной теорией, поскольку в те годы основным приоритетом NASA оставалась Луна.
Всё изменилось в 1965 году, когда сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) Гарри Фландро решил проверить, возможно ли применить алгоритм Миновича на практике. Учёный начал просчитывать различные траектории при гравитационных манёврах и сделал важное открытие. Оказалось, что во второй половине 1970-х Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун должны были выстроиться в пространстве в огромную дугу. Такое уникальное событие случается лишь раз в 176 лет. Благодаря этому один аппарат мог посетить все внешние планеты Солнечной системы за один заход. Притом ряд последовательных гравитационных манёвров позволил бы значительно сократить время полёта - до Нептуна аппарат бы добрался не за 30 лет, а всего за 12.
Гарри Фландро на 40-летии «Вояджера» в Музее авиации и космонавтики, 2017
Эта возможность была слишком хороша, чтобы её упустить. В JPL достаточно быстро родился проект, получивший название Grand Tour. Предполагалось построить четыре межпланетных зонда: два из них планировали пустить по траектории Юпитер - Сатурн - Плутон, два - по траектории Юпитер - Уран - Нептун. Стоимость реализации программы оценивалась в миллиард долларов.
Это было, пожалуй, самое неподходящее время для такого проекта. Во-первых, данные, пришедшие от зондов с Венеры и Марса, вдребезги разбили фантазии об обитаемости соседних планет, из-за чего у широкой публики начал пропадать интерес к космосу. Во-вторых, после победы в лунной гонке бюджет NASA стали стремительно урезать (одно время даже стоял вопрос о том, чтобы полностью свернуть американскую программу пилотируемых полётов). Так что Grand Tour не получил нужных денег, а драгоценное время продолжало уходить.
Но учёные не отступили. Благодаря настойчивости научного сообщества NASA удалось выбить финансирование для более скромного по масштабу проекта - запуска всего лишь двух аппаратов к Юпитеру и Сатурну. Изначально он носил громоздкое название Mariner Jupiter-Saturn, но позже получил имя, под которым и вошёл в историю, - «Вояджер».
Настоящие пионеры
Даже с учётом более скромного масштаба «Вояджер» всё равно оставался сложным и амбициозным проектом. Притом у NASA не было никакого опыта полётов ко внешней части Солнечной системы. Перед конструкторами встал ряд серьёзных вопросов. Например, можно ли пролететь через пояс астероидов? Тогда доминировала гипотеза, что он заполнен большим количеством мелких частиц, которые попросту уничтожат космический аппарат, рискнувший его пересечь.
Другой важный вопрос касался радиации. К тому времени учёные уже знали, что наша планета окружена радиационными поясами. Но что насчёт планет-гигантов? Есть ли у них собственные радиационные пояса, и если да, то представляют ли они угрозу для космической техники? Также существовало опасение, что плоскость, в которой расположены кольца Сатурна, заполнена пылью - а она может вывести из строя земные аппараты.
Был только один способ найти ответы на такие вопросы. Перед тем как отправлять дорогостоящие «Вояджеры» в неизвестность, NASA требовалось разведать дорогу - запустить более простые и дешёвые аппараты, которые было бы не так жалко потерять. Задача стать космическими первопроходцами выпала зондам Pioneer 10 и Pioneer 11. Они отправились в космос в 1972 и 1973 годах.
Оба зонда успешно пересекли пояс астероидов и тем самым доказали, что через него можно безопасно пройти. Потом они встретились с Юпитером. Оказалось, что у планеты действительно есть радиационные пояса, причём их мощность в 10 000 раз превосходит мощность радиационных поясов Земли. В результате аппаратура начала генерировать ложные команды, связь несколько раз прерывалась, была потеряна часть снимков Ио. В какой-то момент стало казаться, что зонд попросту не переживёт встречу с крупнейшей планетой Солнечной системы. Но Pionеer 10 всё же удалось уцелеть.
Аппарат собрал данные о составе атмосферы газового гиганта, уточнил его массу, измерил напряжённость магнитного поля. Также выяснилось, что общий тепловой поток от Юпитера в 2,5 раза превышает количество энергии, которую планета получает от Солнца.
После визита к Юпитеру Pioneer 10 разогнался до третьей космической скорости, позволившей ему продолжить полёт по траектории, навсегда уводящей его за пределы Солнечной системы. Хоть зонд и был рассчитан всего на 21 месяц работы, связь с ним удавалось поддерживать вплоть до начала 2003 года.
Pioneer 11 также пришлось познакомиться с радиационными поясами Юпитера. Как и аппарат-предшественник, он выдержал это испытание. Однако миссия Pioneer 11 не ограничилась визитом к Юпитеру. Уже после запуска NASA решило изменить план полёта и использовать гравитацию крупнейшей планеты Солнечной системы, чтобы затем направить зонд к Сатурну.
Pioneer 11 достиг цели в 1979 году. Земной посланец успешно прошёл через плоскость колец Сатурна, опровергнув опасения, будто концентрация частиц там настолько высока, что представляет угрозу для космических аппаратов. Правда, это открытие едва не стоило зонду жизни: при пролёте Сатурна он чуть не врезался в спутник, о существовании которого на Земле раньше не подозревали.
После визита к Сатурну Pioneer 11 тоже набрал третью космическую скорость, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. В последний раз он вышел на связь в 1995 году.
Фото Титана, сделанное Pioneer 11
По расчётам астрономов, через 90 000 лет Pioneer 10 пролетит на расстоянии в 0,75 светового года от оранжевого карлика HIP 117795. Эта звезда обладает очень высокой радиальной скоростью и движется примерно по направлению к Солнечной системе. Через несколько тысяч лет после сближения с Pioneer 10 звезда пройдёт на расстоянии порядка трёх световых лет от Солнца.
Что касается Pioneer 11, то примерно через 930 000 лет зонд пролетит на расстоянии 0,8 светового года от оранжевого карлика TYC 992-192-1.
Pioneer 10 и Pioneer 11 доказали, что космический аппарат вполне способен пересечь пояс астероидов и выжить в окрестностях планет-гигантов. Это отмело последние сомнения в том, реально ли изучение дальних рубежей Солнечной системы. А значит, инженеры могли приступить к работе непосредственно над «Вояджерами».
Послание «Пионера»
Незадолго до запуска Pioneer 10 знаменитый учёный и популяризатор науки Карл Саган предложил NASA разместить на борту зонда послание для инопланетян, которые в далёком будущем могли бы его перехватить. Организация одобрила идею. Так на свет появилось знаменитое послание Pioneer.
Это размещённая на стойке антенны алюминиевая пластинка. На ней выгравирована карта, показывающая положение Солнца по отношению к 14 пульсарам, схема Солнечной системы, траектория полёта Pioneer 10, а также изображение обнажённых мужчины и женщины на фоне аппарата.