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

16 сентября 1991 г. по итогам «Большого тура» президент Джордж Буш вручил ученому Национальную медаль науки. 4 декабря 2013 г., после выхода первого «Вояджера» за пределы гелиосферы, NASA удостоило его медали «За выдающуюся общественную службу» – своей высшей награды для лиц, не состоящих на госслужбе. 17 июля 2014 г. Стоун получил награду за достижения всей жизни от Американского астронавтического общества, вручаемую раз в десять лет. Среди ее прежних лауреатов были Вернер фон Браун и Уильям Пикеринг.

План на 30 лет: энергетика и топливо

«Межзвездный» этап полета «Вояджеров» официально планировался на 30 лет, то есть с 1990 по 2019 г. Эд Стоун в 1990–1991 гг. говорил, что не позднее 2000 г. аппараты достигнут области ударной волны, где солнечный ветер начинает замедляться, а между 2000 и 2010 гг. пройдут гелиопаузу. Такой прогноз позволял надеяться, что аппараты успеют выйти в межзвездную среду и изучить ее свойства до того, как время и расстояние сделают их дальнейшую работу невозможной.

С учетом накопленного за 12 лет полета опыта вероятность того, что каждый из «Вояджеров» сохранит работоспособность в течение трех следующих десятилетий, оценивалась в 85 %. Иначе говоря, при наличии финансирования срок окончания экспедиции определялся чисто физическими ограничениями.

По состоянию на 2 мая 1990 г. «Вояджер-1» располагал 36,5 кг гидразина, а «Вояджер-2» – 39,6 кг. Выходная мощность радиоизотопных генераторов составляла 370 и 374 Вт и после отключения съемочной аппаратуры превышала потребности борта на 60 и 66 Вт соответственно.

Гидразин использовался для поддержания трехосной ориентации КА, необходимой для постоянного точного наведения остронаправленной антенны на Землю. В 1993 г. считалось, что его хватит до 2034 г. для первого аппарата и до 2040 г. для второго. Оценка 2002 г. увеличила срок до 2040 и 2048 гг. соответственно.

Фактический расход гидразина составлял 5–6 г в неделю в режиме поддержания ориентации и до 50–60 г при выполнении научного разворота. За 25 лет ушло 19 кг на первом КА и 14 кг на втором, что иллюстрируется таблицей 19. Скачкообразный рост потребления топлива на «Вояджере-1» после 2010 г. объясняется появлением дополнительных научных задач.

Более жесткие ограничения на уход по трем осям обещали более точное наведение (а следовательно, продление связных возможностей) за счет повышенного расхода (и раннего исчерпания) гидразина, так что требовалась совместная оптимизация по топливу и по возможностям радиосистемы.

По оценке 1993 г., прием информации от двух «Вояджеров» со скоростью 160 бит/с на 34-метровую антенну типа HEF с приемником высокой эффективности был возможен до 2024 и 2029 гг. соответственно. В этой области «Вояджеры» имели перед «Пионерами» гигантское преимущество благодаря более мощному передатчику и использованию X-диапазона электромагнитного спектра. Потери на распространение сигнала в космосе, правда, увеличивались с квадратом частоты и при равной дальности были на 11,3 дБ больше. Но коэффициенты усиления обеих антенн – и передающей бортовой, и приемной наземной – также увеличивались с квадратом частоты, так что суммарный эффект был такой же, но со знаком «плюс». Собственно, во сколько раз была больше частота передатчика (8415–8420 против 2292 МГц), во столько же при прочих равных условиях увеличивалось и расстояние устойчивого приема!

Передача команд на борт КА являлась самым слабым ограничением. Даже в 1984 г., до всех работ по модернизации DSN в интересах «Вояджеров», считалось возможным управлять первым КА до 2023 г., а вторым до 2029 г. Сейчас такая проблема даже не рассматривается.

Потенциальную проблему со снижением видимой величины Солнца, которая рано или поздно должна была привести к потере его солнечными датчиками, сняли радикальным путем, задав таблицу параметров ориентации антенны на все годы вперед.

Главным ограничением для «Вояджеров», как и ранее для «Пионеров», было электропитание. Выходная мощность радиоизотопного генератора все время снижалась вследствие распада активного вещества (²³⁸Pu) и деградации системы преобразования тепловой энергии в электрическую. Первый эффект можно было учесть точно, второй был плохо предсказуем, но не вызывало сомнений, что рано или поздно наступит момент, когда система электропитания более не сможет поддерживать работу служебных систем и пяти основных научных приборов для изучения полей, частиц и волн – LECP, CRS, PLS, PWS и MAG.