«Вояджеры» — два космических зонда, которые NASA отправило в космос в 1977 году для исследования дальних планет Солнечной системы. Предполагалось, что аппараты проработают в космосе не больше пяти лет, после чего программу планировали свернуть, но зонды превзошли ожидания ученых. После завершения основного этапа миссии, все приборы «Вояджеров» оставались в норме, поэтому специалисты приняли решение продолжить миссию. На 2024 год аппараты уже достигли межзвездного пространства и находятся на расстоянии более 23 и 20 миллиардов километров от Земли соответственно. Несмотря на такую колоссальную дистанцию, NASA продолжает управлять их энергосистемами и приборами. Как инженерам это удается?
Ключевой элемент управления аппаратами на таком огромном расстоянии — сеть дальней космической связи NASA — Deep Space Network (DSN). Сеть представляет собой глобальную систему радиотелескопов, расположенных в трех местах: в Калифорнии (США), Канберре (Австралия) и Мадриде (Испания). DSN обеспечивает постоянный канал связи с межпланетными зондами NASA, включая «Вояджеры». Главная задача DSN — поддерживать стабильную связь с аппаратами и передавать команды, а также получать с них научные данные.
Сигналы, отправляемые с Земли, достигают «Вояджеров» со значительным запозданием. На данный момент задержка составляет около 22 часов для «Вояджера I» и 18 часов для «Вояджера II», то есть передача команды и получение ответа могут занимать почти двое суток. Из-за этого команда NASA не может оперативно реагировать на изменения в состоянии аппаратов и вынуждена работать с упреждением и особой точностью.
Чтобы достичь «Вояджеров», сигнал должен пройти через плотные области космического пространства, где он может ослабевать и искажаться. Поэтому DSN использует передатчики с мощностью до 20 кВт, что обеспечивает необходимую интенсивность сигнала, способную преодолеть такие расстояния. Кроме того, для приема слабого обратного сигнала от «Вояджеров», NASA применяет высокочувствительные приемники и антенны диаметром до 70 метров, что позволяет получать даже маломощные радиосигналы с передатчиков аппаратов, работающих на мощности менее 23 Вт.
Космические аппараты типа «Вояджер» не могут получать энергию от солнечных панелей, так как с увеличением расстояния от Солнца интенсивность солнечного света падает, делая солнечные батареи практически бесполезными. Поэтому инженеры NASA оснастили «Вояджеры» радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ), которые вырабатывают электричество за счет тепла, выделяемого при радиоактивном распаде плутония-238.
Первоначально каждый аппарат имел три РИТЭГ, которые обеспечивали мощность около 470 Вт. Однако из-за распада плутония и естественного износа генераторов мощность со временем снижается. К 2024 году уровень вырабатываемой энергии составляет менее 250 Вт, что вынуждает NASA экономить электричество и отключать не критически важное оборудование. Инженеры планируют постепенно отключать инструменты на обоих зондах, чтобы сохранить энергопотребление и поддерживать связь как можно дольше. По мере сокращения ресурсов NASA придется выбирать, какие из функций аппаратов оставить активными.
На таком огромном расстоянии от Солнца температура окружающей среды крайне низкая, и «Вояджеры» сталкиваются с опасностью замерзнуть. Чтобы предотвратить это, NASA использует изоляционные материалы и поддерживает базовое тепловое управление с помощью остаточного тепла от РИТЭГ и оптимального распределения оставшейся энергии для подогрева приборов.
Каждый «Вояджер» оснащен системой, которая контролирует температуру и состояние приборов, а также может выключать или переключать режимы работы для поддержания их работоспособности. Поскольку энергия, вырабатываемая РИТЭГ, постепенно снижается, система управления может переключать ресурсы на критически важные компоненты. Такая автономность систем позволяет «Вояджерам» выживать даже в условиях, когда NASA не может передавать команды из-за задержек в связи.
«Вояджеры» оснащены малыми маневровыми двигателями для управления ориентацией. Эти двигатели используют гидразин, который хранится в баках и подается в двигательные установки, обеспечивая их работу. Двигатели не предназначены для значительных изменений траектории — их функция заключается в стабилизации ориентации аппаратов и корректировке антенн для точного наведения на Землю.
Из-за огромного расстояния поддержание точного угла ориентации антенны к Земле — критически важно, так как малейший отклонение может привести к потере сигнала. Двигатели запускаются только для поддержания ориентации и функционируют в течение короткого времени, чтобы минимизировать расход топлива, которое тоже ограничено. За все годы путешествия аппараты выполнили лишь несколько значительных маневров, а текущие корректировки делаются крайне редко и только по необходимости.
Начиная с 1990-х годов NASA стала постепенно отключать инструменты, чтобы продлить срок службы аппаратов. Ученые и инженеры выбрали такую стратегию, так как каждый научный прибор потребляет энергию, и на больших расстояниях критически важно экономить даже малые ее объемы. В первую очередь отключались системы и приборы, предназначенные для исследования планет, а также оборудование, которое требовало регулярной калибровки и ремонта. Эта мера позволила снизить нагрузку на энергосистему, сохранив работу приборов, которые продолжали собирать научные данные о межзвездной среде.
Также были отключены гироскопы и другие стабилизаторы, которые изначально помогали удерживать аппараты в нужной ориентации. Отключение дополнительных элементов позволило экономить энергию и увеличить срок службы генераторов и двигателей.
На таком расстоянии скорость передачи данных крайне низка, а время отклика велико, что не позволяет оперативно управлять аппаратами. Поэтому «Вояджеры» оснащены системами автономного контроля, которые могут регулировать работу основных систем. Аппараты имеют встроенные алгоритмы, которые самостоятельно реагируют на сбои и позволяют удерживать ориентировку антенны и контролировать потребление энергии.
Эти автономные системы в основном запрограммированы на обнаружение отклонений в работе приборов и на коррекцию курса в случае необходимости. Они выполняют диагностику, проверяют состояние оборудования и могут самостоятельно выбирать режим работы, который будет оптимальным в текущих условиях. Инженеры NASA запрограммировали «Вояджеры» на обнаружение отклонений, которые могут указывать на потерю ориентации, отключение приборов или критическое снижение уровня энергии.
Хотя «Вояджеры» находятся в чрезвычайно удаленной области, они продолжают предоставлять уникальные данные, которые помогают ученым исследовать межзвездное пространство. Данные, полученные с помощью приборов, еще активных на аппаратах, дали специалистам представление о структуре межзвездной среды, природе космических лучей и взаимодействии солнечного ветра с частицами и полями, существующими за пределами нашей Солнечной системы.
NASA планирует продолжить поддержку работы «Вояджеров» как можно дольше, пока аппараты остаются функциональными. В случае окончательной потери связи они будут считаться официально завершившими свою миссию. Однако даже после потери связи «Вояджеры» останутся в качестве символов человеческого стремления к исследованию космоса и достижения границ знаний.
---------
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости
