Текст книги "Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее"

Глава 4
Детальная разведка Юпитера

Лиха беда начало

Астрономическое окно 1977 г. открывалось 20 августа и продолжалось месяц. Но уже за год до этого, осенью 1976 г., на космодроме готовили к запуску «Вояджеров» две тяжелые ракеты «Титан IIIE» с кислородно-водородной верхней ступенью «Центавр D-1T». Носитель с заводским номером TC-6, предназначенный для второго пуска, был собран 21 октября, а 4 января вывезен на старт ради примерочных испытаний и пробного отсчета. В третьей декаде мая там же испытывали ракету TC-7 с технологическим экземпляром межпланетной станции.

21 апреля и 19 мая два летных аппарата с условными обозначениями VGR 77–2 и VGR 77–3 были отправлены автокараванами в четырехдневное путешествие из Пасадены на мыс Канаверал[51]51
  Аппарат VGR 77–1 остался в JPL в качестве испытательного стенда.


[Закрыть]. Первый из них должен был стартовать в августе и идти по траектории JSX до Урана, а если повезет – то и до Нептуна. Увы, при его испытаниях были выявлены проблемы с компьютерами подсистем AACS и FDS. Чтобы избежать задержки пуска, в первых числах августа «Вояджеры» поменяли местами. На VGR 77–2 уже были установлены радиоизотопные генераторы с наибольшей начальной мощностью. Их пришлось переставить на VGR 77–3, к которому перешли и имя «Вояджер-2», и право первого старта и самого интересного путешествия.

Поиск неисправности на VGR 77–2, который стал теперь «Вояджером-1», выявил нестабильный по температуре резистор в компьютере AACS, и весь блок пришлось заменить изделием для контрольных испытаний. Отказ в компьютере FDS, вызывающий неверный подсчет контрольной суммы, воспроизвести так и не удалось. После профилактики и тщательных испытаний этот блок вновь поставили на борт.

4 августа NASA объявило, что «Вояджер-2» будет запущен 20 августа, а «Вояджер-1» – «примерно на 12 суток позже».

Взвешивание и центровка изделия VGR 77–3 состоялись 16 июля[52]52
  На VGR 77–2 эту операцию провели еще 25 июня.


[Закрыть], заключительные испытания КА – 8 августа. 9 августа была собрана первая космическая головная часть, но при проверке выяснилось, что на борту не работает детектор заряженных частиц LECP. Пришлось вновь снимать обтекатель, чтобы заменить прибор, а на следующий день КГЧ собрали повторно. Проверка аппарата прошла успешно, и 12 августа «голову» доставили на стартовый комплекс LC-41 для установки на носитель с заводским номером TC-7. 15 августа состоялся пробный отсчет – генеральная репетиция пуска, – совмещенный со смотром оперативной готовности.

«Вояджер-2» стартовал 20 августа 1977 г., в первый же день своего 30-суточного астрономического периода. Пуск планировался на 10:25:00 EDT[53]53
  Восточное летнее время.


[Закрыть], с открытием стартового окна, но был задержан почти на пять минут – сначала потребовалась проверка состояния одного из клапанов на носителе, а потом отключились и потребовали перезапуска все шесть компьютеров наземной телеметрической системы.

В итоге старт состоялся в 10:29:44,256 EDT, что соответствовало 14:29:44 UTC. «Титан» благополучно ушел со старта на двух твердотопливных ускорителях – в сумме 1090 т тяги – и лег на курс 124°. На 111-й секунде полета были запущены два двигателя первой ступени, еще через 10 секунд ускорители отделились, а уже на 463-й секунде успешно закончила работу вторая ступень.

«Центавр» с полезным грузом отделился, и в 14:37:44 запустились два двигателя верхней ступени, обеспечив через 101 секунду довыведение на опорную круговую орбиту. После 43 минут пассивного полета «Центавр» включился вновь – это произошло в 15:22:14 над Индийским океаном. Двигатели отработали 338 секунд, и точно в назначенный момент была набрана отлетная скорость.

Компьютер AACS на борту «Вояджера-2» выдал необходимые команды, и через 170 секунд после выключения двигателей от «Центавра» отделился полезный груз – связка из аппарата массой 825 кг и двигательного модуля TE-M-364–4 массой 1220 кг. Через 16 секунд после отделения твердотопливный двигатель включился и отработал 42 секунды, добавив к имеющейся скорости еще 1890 м/с.

Только таким способом, используя «двух с половиной ступенчатый» «Титан», «Центавр» и дополнительный блок в составе полезного груза, удалось набрать скорость, необходимую для полета к Юпитеру! В момент окончания работы двигателя в 15:31:40 она была близка к 15,2 км/с, а при выходе из сферы действия Земли сократилась до 10,3 км/с.

Выведение, кстати, оказалось очень точным: траектория проходила в 280 000 км от расчетной точки прицеливания, а время прибытия к Юпитеру без каких-либо коррекций было бы всего на 44 часа позже расчетного. А вот самостоятельный полет «Вояджера-2» чуть ли не с первой минуты оказался нештатным.

Управление ориентацией связки во время работы твердотопливного двигателя было обязанностью «Вояджера». Поэтому подсистема AACS с самого начала полета отслеживала текущую ориентацию аппарата с помощью гироскопов B и C, имея A в запасе. Еще на этапе работы «Титана» была обнаружена ошибка, и компьютер переключился на пару A+C. Поскольку ошибка осталась, следом прошло второе переключение – на A+B.

Сразу после выключения РДТТ – у «Вояджеров» это был момент «ноль» для последующих операций – были запланированы разворот связки на 114° по тангажу, развертывание двух штанг с РИТЭГами и приборами, а затем разворот стабилизированной платформы в исходное положение, «лицом» к калибровочной мишени. Логика разработчиков была проста: чем больше масса и моменты инерции системы, тем меньшее возмущение окажут эти операции. Лишь по окончании разворота платформы перекрывались клапаны, через которые гидразин из бака аппарата поступал в пятифунтовые двигатели ориентации двигательного модуля, и последний отделялся.

Это событие было зафиксировано морским измерительным комплексом «Авангард» и наземной станцией на Гавайях через 73 мин 17 с после старта, то есть в 15:43:01 UTC, опять же строго по графику. Как раз в это время аппарат должен был появиться над горизонтом в Калифорнии. И действительно, сразу две станции Сети дальней связи в Голдстоуне – DSS-12 с 26-метровой антенной и DSS-14 с 64-метровой – обнаружили его в 15:42 UTC с разницей в 20 секунд.

Первая станция должна была передавать команды и вести измерения дальности для определения фактической траектории, вторая – принимать служебную телеметрию на скорости 7200 бит/с. Из-за ошибки в исходных данных 64-метровая антенна, впервые задействованная в первом сеансе по новому аппарату, смогла перейти к приему информации лишь после 28-минутной задержки. В результате первой получила телеметрию и передала ее в Калифорнию привлеченная станция MIL-71 на мысе Канаверал. По ней-то операторы и обнаружили кризисную ситуацию.

«Встряска» от развертывания штанг и возмущение вследствие сброса двигательного модуля оказались неожиданно сильными, и аппарат перешел в беспорядочное вращение. Поначалу операторы даже заподозрили, что отделение двигательного модуля не было «чистым» и он летит следом за «Вояджером» и бьется об него.

В 16:37 UTC аппарат должен был начать поиск Солнца, на который отводилось пять минут. Но малые ЖРД ориентации не включились – как тогда представлялось, из-за неисправности одного из гироскопов. При «разборе полетов», однако, установили, что каждый из двух компьютеров CCS выдал в подсистему AACS команду подготовки двигательной установки, и попытка исполнить обе команды поставила ее в тупик. В результате уже через 16 секунд основной процессор AACS отказался работать и сформировал сигнал аварийной ситуации. Процессор CCS принял его и в 16:38 запустил алгоритм построения солнечной ориентации из неизвестного начального состояния под управлением дублирующего комплекта AACS и без использования данных от гироскопов. Земля узнала об этом по внезапному снижению скорости передачи до аварийной – 40 бит/с.

Поиск светила и успокоение аппарата заняли 2,5 часа и закончились к 19:00 UTC, а в 20:00:30 UTC была выполнена закрутка на Солнце. Гироскоп C, который исходя из логики предшествующих переключений следовало считать неисправным, теперь работал без нареканий. В качестве датчиков вновь была выбрана пара B+C, и больше гироскопы группу управления не тревожили.

Анализируя по телеметрии состояние «Вояджера-2», операторы не нашли подтверждения раскрытия штанги научной аппаратуры: не сработал контакт, который должен был разомкнуться при угле поворота в пределах 0,05° от расчетного. Лишь через 12 часов после старта, когда операторы включили плазменный инструмент, по направлению солнечного ветра стало ясно, что штанга находится в пределах 2° от штатного положения. В тот же день были развернуты все антенны, включены магнитометр, фотополяриметр и аппаратура для регистрации частиц и параметров плазмы.

21 августа в 09:42 UTC, на 18-м часу полета, аппарат испытал неожиданное возмущение по тангажу и рысканью, который операторы сравнили с внезапным ударом сзади на ночной дороге[54]54
  Аналогичный инцидент повторился 25 августа в 06:25.


[Закрыть]. Вновь были высказаны опасения, что из-за ненормального разделения двигательный модуль TE-M-364–4 остался вблизи аппарата и периодически соприкасается с ним. К счастью, после анализа записей телеметрии удалось доказать, что никого «постороннего» рядом нет и что в возмущениях ориентации «повинно» программное обеспечение бортовых компьютеров, которое пришлось подкорректировать.

В ночь на 25 августа аппарату наконец разрешили провести поиск и захват Канопуса, после чего «Вояджер-2» построил трехосную ориентацию. Теперь Солнце и Канопус постоянно удерживались в поле зрения соответствующих датчиков за счет коротких импульсов двигателей.

26 августа была предпринята попытка «подтолкнуть» штангу и поставить ее на замок за счет резкого кивка по тангажу с одновременным отстрелом крышки радиометра IRIS. Однако при составлении программы не учли, что аппарат воспримет эту операцию как опасную – и прервет ее! Операторы поверили в стабильность штанги, лишь получив первые снимки видеосистемы ISS: 26 августа было сделано три кадра в сторону калибровочной мишени, а 27 августа – десять снимков звездного неба. Первые показали, что штанга действительно развернута и не вихляется, а вторые – что угол отклонения от штатного положения не превышает 0,06° и лишь чуточку больше порогового значения срабатывания микродатчика, которое составляло 0,05°.

Крышка прибора IRIS была в итоге отстрелена 29 августа. К 1 сентября были включены и проверены все приборы «Вояджера-2», за исключением спектрометра UVS. Все оказались в норме, кроме фотополяриметра, в котором колесо анализатора застряло в позиции 2 из-за дефекта мультиплексорного устройства. Инструмент временно отключили.

Параметры гелиоцентрической орбиты «Вояджера-2» на 1 сентября составили:

● наклонение – 4,83°;

● перигелий – 1,003 а.е. (150,0 млн км);

● афелий – 6,250 а.е. (934,9 млн км);

● период обращения – 2522 суток (6,91 года).

В этот день аппарат перевели в режим межпланетного перелета, а на следующий задали программу автономной работы вплоть до 20 сентября. Результаты запланированного на 2 сентября фотографирования Земли и Луны и другие научные данные предстояло записать на борту и передать позднее, но в истории этой съемки не осталось, словно ее и не было. Внимание операторов переключилось на следующую машину.

* * *

Стартовый комплекс LC-41 почти не пострадал при первом запуске, и уже 21 августа на него вывезли носитель TC-6. Вторая головная часть была собрана 17 августа. Пуск планировался на 1 сентября, однако его пришлось отложить на двое суток из-за проблем на борту «Вояджера-2». 22 августа в корпусе сборки головных частей SAEF-1 изделие разобрали, чтобы проверить на аппарате VGR77–2 механизм развертывания штанги научной аппаратуры и его индикацию. Для большей надежности 29 августа инженеры дополнили штатную систему развертывания пятью пружинами и вновь укрыли «голову» обтекателем; эти незапланированные работы заставили отложить пуск «Вояджера-1» еще на двое суток. 31 августа головной блок был установлен на носитель, пробный отсчет провели 2 сентября. Старт был назначен на праздничный понедельник – День труда.

5 сентября в 08:56:00,958 EDT (12:56:01 UTC) второй «Титан» (Titan IIIE) с «Вояджером-1» ушел со старта. Пуск состоялся вовремя, но прошел нештатно. Из-за недостаточной подачи окислителя вторая ступень «Титана» недоработала пару секунд, и скорость при разделении была на 165,8 м/с ниже расчетной. Компьютер «Центавра» учел это и продлил время работы двигателей в первом импульсе с 92 до 109 секунд. Ступень вышла на опорную орбиту, перерасходовав 545 кг топлива. Впрочем, в этом была и положительная сторона: из-за меньшей полной массы второй импульс вместо 353 секунд продолжался 334. В итоге перерасход компонентов составил лишь 140 кг. Вновь очень аккуратно сработал РДТТ двигательного модуля: на стабилизацию связки было потрачено всего 2 кг топлива из отведенных на это 14 кг, а 12 кг осталось в запасе для дальнейшего полета. Отделение аппарата от двигательного модуля состоялось через 74 мин 05 с после старта – в 14:10:07 UTC.

А ведь «Вояджерам» повезло! Их траектории и даты запуска были выбраны так, что требуемая характеристическая энергия C₃ составляла 105,5 км²/с² при первом старте и 102,4 км²/с² при втором. Иначе говоря, «Вояджеру-1» требовалась немного меньшая отлетная скорость, чем «Вояджеру-2», – примерно 15,1 км/с. На это ресурсов «Центавра» хватило впритык – после второго включения в баках ступени TC-6 оставалось топлива на 3,4 секунды работы. А вот если бы такой же отказ «Титана» произошел не во втором пуске, а в первом, вывести «Вояджер-2» на расчетную траекторию не удалось бы…

«Вояджер-1», доставивший своим создателям так много хлопот перед запуском, в космосе работал как часы, как и наземная станция DSS-14, принимавшая с него данные в первые часы полета. Все элементы конструкции раскрылись, закрутка была выполнена по графику через два часа после старта, а еще через несколько часов была построена трехосная ориентация по Солнцу и Канопусу. Правда, при раскрытии штанги магнитометра КА перешел на запасной контур двигателей, но его вновь переключили на основной через двенадцать часов после запуска. Чуть раньше, на десятом часу полета, аппарат пересек орбиту Луны в 92 000 км от нее.

Параметры орбиты «Вояджера-1» на 10 сентября составили:

● наклонение – 1,04°;

● перигелий – 1,008 а.е. (150,8 млн км);

● афелий – 8,937 а.е. (1336,9 млн км);

● период обращения – 4050 суток (11,13 года).

Отклонение траектории от точки прицеливания у Юпитера составляло 429 000 км и + 28 ч 15,5 мин.

Уже с 15 сентября «Вояджер-1» числился в режиме перелета. Крышка радиометра IRIS была отстрелена 13 сентября, в тот же день активировали УФ-спектрометр. По истечении двух недель были включены и проверены все остальные приборы. Как и на «Вояджере-2», неправильно вел себя фотополяриметр: в данном случае он «видел» яркий источник там, где никакого светила не было. Творение Чарльза Лилли и Чарльза Хорда оказалось на редкость капризным…

11 и 13 сентября была проведена разделенная на два импульса коррекция траектории TCM[55]55
  Trajectory Correction Maneuver. Буква A соответствовала «Вояджеру-1».


[Закрыть] -A1. Первый импульс Земля отслеживала в реальном масштабе времени, второй – нет. Четыре двигателя коррекции проработали в общей сложности около часа. Расчетное суммарное приращение скорости было 15,3 м/с, но в реальности в первом включении оно составило 2,45 м/с, а во втором – 10,11 м/с. Эффективность двигателей оказалась на 22 % меньше расчетной, предположительно из-за взаимодействия реактивных струй с элементами конструкции аппарата. Инженерам JPL пришлось изобрести такую схему маневра, в которой эта проблема не возникает. Недостающие 2,5 м/с удалось добрать 29 октября при проведении коррекции TCM-A2.

18 сентября в порядке калибровки аппаратуры аппарат сделал серию из 18 цветных снимков Земли и Луны в одном кадре с расстояния 11,66 млн км. Никогда еще два этих небесных тела не фотографировали со стороны в виде двух растущих серпов! Большую часть снимков передали 7 и 10 октября через антенну HGA. Операция требовала большой осторожности, так как при нацеливании антенны на Землю она затеняла некоторые части аппарата и нарушала их тепловой режим.

До конца ноября продолжалась калибровка научной аппаратуры «Вояджера-1», шли пробные наблюдения звезд и планет с использованием фотополяриметра и УФ-спектрометра и тесты радиокомплекса.

27 октября 1977 г. Лабораторию реактивного движения посетил наследник британского престола. Принц Чарльз побывал в зале управления и даже отправил через станцию DSN в Австралии на борт КА «Вояджер-1» команду перехода в режим измерения дальности.

С 17 октября по 31 декабря 1977 г. сигналы «Вояджеров» принимала, помимо средств американской Сети дальней связи, германская 30-метровая антенна в Вайльхайме. Целью эксперимента было получение научных данных о связанных с Солнцем полях и частицах в периоды радиального выравнивания двух КА «Вояджер» и двух западногерманских АМС «Гелиос», то есть когда они попарно оказывались на одном радиусе. Еще один подобный период был в апреле 1978 г. во время спирального выравнивания с «Вояджером-1».

Кризисы на пути к Юпитеру

А тем временем «Вояджер-2» продолжал «задавать жару» своим операторам. 23 сентября произошел отказ в электрических цепях подсистемы полетных данных FDS, после которого перестали поступать 15 из 243 технических параметров состояния КА. Предпринятая 10 октября попытка восстановить работу FDS не удалась: выяснилось, что проблема не в электронном переключателе, а в самом «железе» – в древовидном коммутаторе, так что блок из 256 слов памяти процессора FDS-B был потерян навсегда. А поскольку первоначальная версия его программы занимала всю память, второй отказ в процессоре A стал бы для аппарата роковым. Пришлось срочно разработать урезанный вариант программы FDS.

Дефектный древовидный коммутатор, кроме всего прочего, обслуживал верхние восемь частотных каналов аппаратуры плазменных волн PWS. К счастью, их удалось перекалибровать в полете и использовать, хотя и с некоторой потерей чувствительности.

Первую коррекцию TCM-B1 первоначально планировали в два этапа – 28 августа и на 54-е сутки полета, то есть 13 октября. Первую дату пришлось пропустить, так как операторы были заняты подготовкой к старту «Вояджера-1», и оба этапа объединили в один маневр 12 октября. Неудачный опыт станции № 1 был учтен, циклограмму коррекции изменили. Двигатели включились в 01:47 UTC на 42 минуты, аппарат отработал заданный импульс 10 м/с с точностью 1 %.

Маневр устранил начальную погрешность выведения и немного изменил – по сравнению с проектом – точку прицеливания при встрече с Юпитером 9 июля 1979 г. Как следствие, минимальное расстояние до Ганимеда увеличилось с 55 000 до 60 000 км. Кроме того, баллистики пересмотрели план работы на период отлета от Юпитера – они перенесли коррекцию траектории с 70-го дня после встречи на 11-й. Расчеты показали, что два эти мероприятия позволят сэкономить 8,6 кг гидразина.

31 октября аппарат развернули в пространстве почти на 180°, выбрав в качестве опорной звезды Денеб вместо Канопуса. Из нового положения было удобнее разворачиваться антенной HGA к Земле для сброса записанной информации. Было и еще одно достоинство: немного уменьшился расход топлива на борьбу с возмущениями от Солнца. Из-за давления солнечного света, в обычных земных условиях совершенно незаметного, аппарат быстрее уходил за установленные пределы по углам отклонений от заданной ориентации, а значит, чаще срабатывали двигатели для возвращения его в норму. Так станция летела до 29 ноября, пока геометрия треугольника Солнце – Земля – КА не изменилась, и стало выгоднее вернуться к ориентации по Канопусу.

Надо сказать, что оба аппарата тратили больше гидразина, чем предполагалось. Больше расчетных оказались и разовые расходы на коррекции орбиты, и фоновые – на поддержание текущей ориентации. Помимо воздействия солнечного ветра, отмечалась реакция системы ориентации на движение сканирующей платформы и даже на включение и выключение ленточного запоминающего устройства. Помимо повышенного расхода гидразина, это сказалось бы и на выполнении научной программы – от таких толчков могло «смазываться» изображение при фотографировании!

К концу ноября выяснилось, что с учетом экономии гидразина при доразгоне аппарата 20 августа и всех предпринятых мероприятий топлива на «Вояджере-2» хватит вплоть до Урана и еще останется 9 кг про запас. (Первый аппарат благодаря переносу старта с 1 на 5 сентября уже имел резерв в 23 кг, но и ему «облегчили жизнь», подкорректировав чувствительность солнечного датчика.)

2 ноября на «Вояджере-2» обнаружили перегрев детектора заряженных частиц LECP со сбоем в работе шагового двигателя устройства наведения этого прибора. Он совпал по времени с тестовым включением передатчика X-диапазона[56]56
  Первые 80 суток полета оба аппарата вели передачу в S-диапазоне через антенну LGA с типовой скоростью 2560 бит/с. На этой отметке планировалось переключение на HGA и на передачу в обоих частотных диапазонах.


[Закрыть] через остронаправленную антенну и более не повторялся. А вот отмеченное в декабре значительное снижение чувствительности инфракрасного прибора IRIS заставило поломать голову. С ним удалось справиться лишь через год, 28 сентября 1978 г., путем временного прогрева спектрометра от 200 до 267 К[57]57
  Еще один подобный прогрев провели в январе 1979 г.


[Закрыть].

Запланированные на конец года наблюдения кометы Кохлера (Kohler) решено было не проводить: специалисты опасались повреждения видиконов при продолжительной съемке объекта на малом угловом расстоянии от Солнца.

5–8 декабря тестировали отдельные рабочие программы, подготавливаемые к встрече с Юпитером, в реальных условиях космического полета. Нужно было проверить соосность камер и спектрометров, убедиться в возможности вести прямую передачу информации на максимальной скорости 115 200 бит/с, учесть заранее механические и электронные помехи.

27–28 декабря «Вояджер-2» выполнил так называемый научный маневр этапа перелета CRSMVR[58]58
  Cruise Science Maneuver.


[Закрыть] с целью калибровки магнитометра и обзора небесной сферы УФ-спектрометром и инструментами для регистрации частиц. Маневр состоял из десяти оборотов вокруг оси рысканья +Y в течение пяти часов и 25 оборотов по крену на протяжении двенадцати часов. Последний из них закончился на 20 секунд раньше, чем ожидал компьютер. Аппарат ушел в защитный режим, последующий разворот для наблюдения Марса не состоялся. При воспроизведении 30 декабря записанной информации выяснилось, что потеряно четыре из двадцати часов научных данных.

2 февраля 1978 г. аппарат еще раз попал в защитный режим, случайно потеряв Канопус в самом конце сеанса связи – операторы этого не заметили. В следующем сеансе в тот же день командами с Земли «Вояджер-2» был возвращен в штатное положение и 8 февраля впервые отснял Юпитер и его спутники с расстояния 437 млн км. Проводились также тестовые наблюдения Марса и Сатурна.

25 февраля научная команда фотополяриметра обнаружила, что прибор на «Вояджере-2» самопроизвольно переключает фильтры. Колесо фильтров проигнорировало команду вернуться в исходное состояние, но неожиданно выяснилось, что ее выполнило застрявшее ранее колесо анализатора. При тестировании 2 и 14 марта прибор работал без замечаний, но колесо анализатора на всякий случай трогать не стали.

Успешным был и пятичасовой тест сканирующей платформы 7 марта, во время которого установленные на ней камеры, ИК-радиометр и фотополяриметр калибровались по мишени.

Еще в конце ноября 1977 г. на «Вояджере-2» отметили ухудшение характеристик твердотельного усилителя SSA в составе передатчика диапазона S, и его пришлось ограничить работой на низком уровне мощности. Но намного более серьезной оказалась новая проблема с радиокомплексом, с которой аппарат столкнулся весной 1978 г. на полпути к Юпитеру.

Из-за ошибки наземной группы управления команды на борт не поступали достаточно долго, и активизировался бортовой алгоритм защиты. 5 апреля, по истечении семи суток с момента приема последней команды с Земли, «Вояджер-2» инициировал переключение с основного командного приемника № 1, заподозрив его в неисправности, на запасной приемник № 2. «Вояджер» честно доложил о ситуации на Землю, но, к изумлению операторов, отказался реагировать на инструкции, адресуемые теперь приемнику № 2. Впечатление было такое, что он их просто не слышит.

Через двенадцать часов, в соответствии с логикой бортовой программы, «Вояджер-2» сменил приемник еще раз. Первый заработал, и в течение 30 минут станция слышала Землю. После этого телеметрия показала мощный скачок по питанию, предохранители сгорели и основной приемник был мертв!

А запасной… правильно, запасной остался выключен: ведь несколько команд на борт прошли, таймер потери управления запустился по новой и отсчитывал очередные семь суток! Да и если бы этот приемник функционировал – какой толк, если в течение двенадцати часов до него так и не удалось достучаться?

Итак, основной приемник сгорел буквально на глазах операторов, а запасной оказался неисправным. Казалось, аппарат обречен. Да, он будет какое-то время дотошно выполнять последнюю заложенную в него программу, но то, ради чего запускали «Вояджер-2», сделать будет невозможно!

Однако специалисты не спешили сдаваться. В течение суток им удалось разобраться в ситуации и даже найти вероятную причину отказа: в запасном командном приемнике пробило конденсатор TLC[59]59
  Tracking Loop Capacitor.


[Закрыть] в контуре автоматической подстройки частоты гетеродина, и он утратил возможность отслеживать частоту радиосигнала, приходящего с Земли.

Из-за эффекта Доплера, обусловленного сложным взаимным движением КА и передающей антенны на Земле, частота эта мало того что не равна частоте передачи, но и все время «плывет». Поэтому приемник умеет искать сигнал Земли в довольно широком диапазоне – по 100 кГц в каждую сторону от номинала – и, обнаружив его, захватывает и отслеживает с помощью контура автоматической подстройки частоты.

В запасном приемнике «Вояджера-2» этот контур не работал, и Землю можно было услышать лишь в очень узком диапазоне – по 96 Гц в каждую сторону относительно некоторой фиксированной величины. Такое отклонение соответствовало изменению скорости движения КА относительно наземной станции всего на 13 м/с. Между тем одно лишь вращение Земли давало за время сеанса связи намного бо́льшие вариации скорости, оставляя не более двух часов доступа к борту подряд.

Как это делается: когерентный режим и измерение дальности

Земля ведет передачу для «Вояджера-1» в S-диапазоне на частоте 2114,6767 МГц (литер частоты 18) и для «Вояджера-2» на частоте 2113,3125 МГц (литер 14).

Штатный режим бортового радиокомплекса «Вояджеров», как и у «Пионеров», когерентный: передатчик отвечает Земле на частоте, пропорциональной частоте принятого сигнала, отслеживая все ее изменения. Принятая входная частота преобразуется в выходную с коэффициентом 240/221 для передатчика S-диапазона и 880/221 для X-диапазона.

Мы уже знаем, что в когерентном режиме по доплеровскому сдвигу частоты сигнала, прошедшего «туда» и «обратно», продольная компонента скорости КА определяется с погрешностью менее 1 мм/с. Для измерения дальности в состав сигнала для «Вояджера» включается дальномерный код, за счет чего точно регистрируется время радиообмена. Кроме того, Земля принимает сигнал с борта в двух частотных диапазонах сразу, что позволяет оценить и учесть в расчетах дополнительную задержку сигнала межпланетной плазмой и ионосферой Земли. В результате точность определения дальности достигает 30 м и лучше.

В некогерентном (одностороннем) режиме частота передачи не зависит от частоты приема и вообще от наличия принимаемого сигнала. В этом случае, а также при радиопросвечивании атмосфер планет на «Вояджере» вместо штатного генератора частоты используется специальный ультрастабильный генератор USO. Частоты двух передатчиков X– и S-диапазона формируются на его основе с сохранением соотношения 11/3 между ними.

Преднамеренно «испортив» имеющийся экземпляр приемника, разработчики радиокомплекса смогли выяснить, какой примерно должна быть эта «волшебная» входная частота. Появилась надежда «договориться» с бортом.

Целую неделю операторы круглосуточно принимали сигнал «Вояджера-2» на всех трех 64-метровых антеннах Сети дальней связи. Лишь они могли услышать передатчик S-диапазона при низком уровне мощности – и руководители проектов «Викинг», «Пионер» и «Гелиос» отдали коллегам «свое» время.

Семь суток прошли, и запасной приемник должен был включиться вновь. 13 апреля 1978 г., вскоре после 10:30 UTC, с испанской 64-метровой антенны DSS-63 был отправлен поисковый сигнал. Частота его менялась со скоростью 2,4 Гц/с с расчетом «прощупать» полосу шириной 3000 Гц вокруг ожидаемой приемной частоты борта. И аппарат услышал зов Земли – через 55 минут (из которых 53 радиосигнал шел туда и обратно) он подтвердил получение команды. Реальная «волшебная» частота отличалась от предсказанной специалистами примерно на 750 Гц.

Получив отклик с борта, операторы стали посылать сигнал с медленно меняющейся частотой – так, чтобы это изменение все время и как можно точнее компенсировало доплеровский сдвиг. К счастью, частотой передатчиков, работающих через большие антенны Сети дальней связи DSN, можно было управлять по произвольному закону с точностью до 50 Гц. В результате аппарат мог все время слышать Землю на своей неизменной частоте.

Связь в этот день удалось поддерживать в течение девяти часов. Серией из 24 команд, повторенной шестикратно, «Вояджеру-2» было запрещено включать передатчик X-диапазона, чтобы не нарушить тепловой режим отсека аппаратуры № 9 и не допустить произвольного ухода частоты запасного приемника[60]60
  По расчетам, изменение температуры запасного приемника всего на 0,25° могло увести частоту из доступного диапазона. Последующий опыт показал, что такое действительно возможно. На время необходимых операций, которые могли бы привести к изменению теплового режима, стали вводить мораторий на выдачу команд на борт продолжительностью до 72 часов.


[Закрыть], а также переходить на остронаправленную антенну HGA, так как именно эта операция неделю назад вызвала выход из строя основного. Наконец, аппарату было приказано поднять мощность передатчика S-диапазона до максимума, чтобы его могли слышать и 26-метровые антенны.

18 апреля на борт были переданы 24 команды с 26-метровой станции, из которых 20 было принято и исполнено. Поиск оптимального режима связи продолжался еще много дней. Так, в сеансе 25 апреля выяснилось, что бортовая частота изменилась скачком сразу на 182 Гц, но ее нашли вновь, и уже на следующий день удалось внести изменения в бортовую программу.

2 мая на борт заложили уставки на запланированную коррекцию траектории, и 3 мая «Вояджер-2» успешно выдал требуемый импульс TCM-B2. Земля отслеживала ход операции по сигналу, выдаваемому бортом на стандартной частоте ультрастабильного генератора. Приращение скорости 0,615 м/с обошлось в 203 секунды работы двигателей.

24 мая через налаженную с таким трудом радиолинию впервые ввели новую рабочую программу командного компьютера CCS. 33-минутную отправку повторили дважды, так как с первого раза компьютер CCS воспринимал только 60 % команд.