Запуск «Вояджеров» (1977)

Гравитационная праща

Путь к дальним планетам Солнечной системы долгое время казался почти невозможным. Чтобы долететь до Нептуна по обычной траектории, понадобились бы ракеты огромной мощности и около тридцати лет полета. Решение нашлось в небесной механике.

В начале 1960-х годов аспирант Калифорнийского университета Майкл Минович, работавший летом в Лаборатории реактивного движения (ЛРД), рассчитал, что космический аппарат, пролетая вблизи планеты, может «позаимствовать» у нее часть энергии ее движения вокруг Солнца и разогнаться, изменив направление полета. Этот прием назвали гравитационным маневром, или «гравитационной пращой». Идея обсуждалась и раньше, в том числе советскими учеными, но расчеты Миновича показали, как ее применить на практике.

В 1965 году другой молодой сотрудник ЛРД, Гэри Фландро, обнаружил, что в конце 1970-х годов внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - выстроятся так, что один аппарат сможет облететь их все по очереди, перебрасываемый гравитацией каждой планеты к следующей. Такое расположение повторяется примерно раз в 175-176 лет. По подсчетам, в последний раз оно было при президенте Томасе Джефферсоне, в начале XIX века.

От «Большого тура» к «Вояджерам»

НАСА загорелось идеей «Большого тура» - программы из нескольких аппаратов, которые облетели бы все внешние планеты и даже Плутон. Но в начале 1970-х годов, после завершения лунной программы, бюджет агентства сокращался, а все силы уходили на будущий «Спейс шаттл». Дорогостоящий «Большой тур» в 1971-1972 годах был отменен.

Вместо него Конгресс одобрил более скромный проект - двух аппаратов, созданных на основе проверенных станций «Маринер», для изучения только Юпитера и Сатурна. Проект назывался «Маринер Юпитер - Сатурн 1977». Однако инженеры ЛРД с самого начала проектировали аппараты так, чтобы при удаче они могли продолжить путь дальше. В марте 1977 года, за несколько месяцев до старта, программу переименовали в «Вояджер» - «путешественник».

Путь проложили «Пионеры». «Пионер-10», запущенный в 1972 году, первым пересек пояс астероидов и в 1973 году пролетел мимо Юпитера, а «Пионер-11» в 1974 году пролетел у Юпитера, а в 1979 году - у Сатурна. Они показали, что пояс астероидов можно пересечь и что радиационные пояса Юпитера гораздо опаснее, чем думали. Электронику «Вояджеров» пришлось срочно усилить защитой от радиации.

Аппараты

Каждый «Вояджер» весил около 800 килограммов. Его главной частью была параболическая антенна диаметром 3,7 метра, постоянно направленная на Землю. Солнечные батареи на таком расстоянии от Солнца бесполезны, поэтому энергию давали три радиоизотопных термоэлектрических генератора на плутонии-238, вынесенные на штанге подальше от приборов. При запуске они давали около 470 ватт - меньше, чем потребляет обычный бытовой утюг.

На борту было десять научных приборов: телевизионные камеры, спектрометры, магнитометры, детекторы частиц и космических лучей, приборы для изучения плазмы и радиоизлучения. Бортовые компьютеры по нынешним меркам были крошечными: их общая память, по распространенным оценкам, составляла несколько десятков килобайт. Данные записывались на магнитную ленту. Программы можно было перезаписывать с Земли - это свойство спасло миссию не один раз.

Золотая пластинка

«Пионеры» уже несли небольшие металлические пластинки с изображением мужчины и женщины и указанием, откуда прилетел аппарат. Для «Вояджеров» НАСА решило создать более сложное послание. Его подготовку поручили комиссии во главе с астрономом и популяризатором науки Карлом Саганом. В нее вошли астроном Фрэнк Дрейк, пионер поиска внеземных цивилизаций, писательница Энн Друян, ставшая творческим директором проекта, журналист Тимоти Феррис, художник Джон Ломберг и художница Линда Сальцман-Саган.

За несколько месяцев группа подготовила позолоченную медную граммофонную пластинку диаметром около 30 сантиметров. На нее были записаны приветствия на 55 языках, звуки Земли - шум ветра и прибоя, пение птиц и китов, смех, шаги, стук сердца, звуки поезда и ракеты, - закодированные 115 изображений, рассказывающих о планете, людях, науке и культуре, и около девяноста минут музыки. В подборку вошли произведения Баха, Моцарта, Бетховена и Стравинского, рок-н-ролл Чака Берри, блюз, джаз, народная музыка многих стран - от индийской раги и японской музыки для флейты сякухати до песнопений индейцев навахо. В нее включили и музыку из Советского Союза: грузинскую хоровую песню «Чакруло» и азербайджанский мугам. Говорят, что составители хотели включить песню The Beatles «Here Comes the Sun», но не смогли договориться о правах, хотя эта история известна в основном по воспоминаниям участников.

На пластинку записали и обращения президента США Джимми Картера и Генерального секретаря ООН Курта Вальдхайма. Энн Друян позднее рассказывала, что записала для пластинки и электрическую активность своего мозга, думая, в том числе, о только что вспыхнувшей любви к Карлу Сагану; они поженились в 1981 году. На алюминиевой обложке пластинки выгравированы схема, объясняющая, как ее проигрывать, и карта расположения Солнца относительно пульсаров. По расчетам, пластинка может сохраниться в космосе около миллиарда лет.

Старт

Первым, 20 августа 1977 года, с мыса Канаверал на ракете «Титан-3E» с разгонным блоком «Центавр» стартовал аппарат, который назвали «Вояджером-2». Через две недели, 5 сентября, стартовал «Вояджер-1». Нумерация объясняется тем, что «Вояджер-1» летел по более быстрой траектории и должен был первым достичь Юпитера и Сатурна.

Старт «Вояджера-2» прошел не гладко. Ракета сильно раскачивалась, и бортовая система защиты от сбоев, по рассказам участников, несколько раз решила, что аппарат теряет ориентацию, и переключала резервные системы. Некоторое время инженеры не были уверены, что аппарат исправен. У «Вояджера-1» во время старта разгонная ступень выработала топливо почти полностью: запас скорости, по воспоминаниям, составил всего несколько секунд работы двигателя.

В апреле 1978 года у «Вояджера-2» вышел из строя основной радиоприемник, а резервный оказался поврежден и мог принимать сигнал лишь на узкой частоте, менявшейся с температурой. Инженерам пришлось научиться заранее рассчитывать нужную частоту для каждой команды. С этим недостатком аппарат летает до сих пор.

Юпитер

«Вояджер-1» прошел ближе всего к Юпитеру 5 марта 1979 года, «Вояджер-2» - 9 июля того же года. Снимки поразили ученых. Атмосфера гиганта оказалась кипящей смесью вихрей и полос, а Большое Красное Пятно - огромным вихрем, способным вместить несколько планет размером с Землю. У Юпитера было обнаружено тонкое кольцо.

Главной сенсацией стал спутник Ио. Изучая снимки «Вояджера-1», молодой инженер-навигатор Линда Морабито заметила над краем Ио странное облако. Это был выброс действующего вулкана - первые действующие вулканы, обнаруженные за пределами Земли. Ученые насчитали на Ио несколько извергающихся вулканов. Их источником оказалось приливное трение: Ио постоянно сжимается и разогревается под действием гравитации Юпитера и соседних спутников.

Европа оказалась покрыта ледяной корой, испещренной трещинами. Позже ученые пришли к выводу, что под ней может находиться океан жидкой воды, а это сделало Европу одним из главных мест поиска жизни в Солнечной системе.

Сатурн

12 ноября 1980 года «Вояджер-1» пролетел мимо Сатурна. Кольца планеты, которые с Земли выглядели несколькими широкими полосами, оказались состоящими из тысяч тонких колечек. На них были обнаружены загадочные темные радиальные «спицы», а внешнее кольцо F выглядело «переплетенным».

Особой целью был Титан - крупнейший спутник Сатурна, единственный спутник в Солнечной системе с плотной атмосферой. Чтобы его изучить, ученые выбрали для «Вояджера-1» траекторию с близким пролетом. Но гравитация Титана отклонила аппарат вверх, из плоскости орбит планет, и путь к Урану и Нептуну для него был закрыт. Атмосфера Титана оказалась плотной, азотной, но непрозрачной - поверхность скрывал оранжевый туман.

25 августа 1981 года мимо Сатурна прошел «Вояджер-2». После успеха у Юпитера и Сатурна НАСА одобрило продолжение его полета к Урану и Нептуну. «Большой тур», отмененный десятью годами ранее, фактически осуществлялся одним аппаратом.

Уран

24 января 1986 года «Вояджер-2» пролетел мимо Урана - впервые в истории. Планета, лежащая «на боку», с осью вращения, почти совпадающей с плоскостью орбиты, на снимках выглядела почти безликим голубовато-зеленым шаром. Аппарат открыл десять новых спутников и новые кольца, обнаружил у Урана магнитное поле, сильно наклоненное к оси вращения. Спутник Миранда поразил ученых хаотичной поверхностью с гигантскими обрывами, как будто ее когда-то разбили и собрали заново.

Через четыре дня после пролета, 28 января 1986 года, взорвался шаттл «Челленджер». Новости о трагедии заслонили научные открытия у Урана.

Нептун

25 августа 1989 года «Вояджер-2» прошел примерно в пяти тысячах километров над облаками Нептуна - ближе, чем к любой другой планете за всю миссию. Сигнал от него шел до Земли более четырех часов. Нептун оказался ярко-синим миром с самыми сильными ветрами в Солнечной системе, скорость которых достигала около двух тысяч километров в час, и с гигантским темным вихрем, получившим название Большое Темное Пятно.

Крупнейший спутник Нептуна Тритон оказался одним из самых холодных мест в Солнечной системе, но на нем были обнаружены гейзеры, выбрасывающие темные струи на высоту в несколько километров. Тритон вращается вокруг Нептуна в обратном направлении, и ученые считают, что он был захвачен планетой из пояса Койпера.

За двенадцать лет «Вояджер-2» прошел мимо четырех планет и десятков их спутников. Ни один аппарат до сих пор не возвращался к Урану и Нептуну.

Бледно-голубая точка

Завершив исследование планет, «Вояджер-1» уходил от Солнца. По предложению Карла Сагана, долго убеждавшего НАСА, 14 февраля 1990 года аппарат развернул камеры назад и сделал серию снимков, получивших название «Семейный портрет» Солнечной системы. На одном из кадров с расстояния около шести миллиардов километров Земля выглядела крошечной светящейся точкой в солнечном луче. Саган назвал ее «бледно-голубой точкой» и написал об этом книгу. После этого камеры «Вояджеров» были навсегда отключены ради экономии энергии.

Межзвездное пространство

Солнце окружено гелиосферой - огромным пузырем, образованным солнечным ветром, потоком заряженных частиц, которые Солнце непрерывно выбрасывает в пространство. Там, где солнечный ветер сталкивается с межзвездной средой, проходит граница - гелиопауза.

В феврале 1998 года «Вояджер-1» обогнал «Пионер-10» и стал самым удаленным от Земли рукотворным объектом. В 2004 году он пересек «ударную волну», где солнечный ветер резко замедляется, а 25 августа 2012 года пересек гелиопаузу и вышел в межзвездное пространство - впервые в истории. Ученые несколько месяцев спорили, произошло ли это на самом деле, пока данные о плотности плазмы не подтвердили переход. «Вояджер-2» вышел в межзвездное пространство 5 ноября 2018 года.

Руководителем научной программы «Вояджеров» с 1972 по 2022 год был физик Эдвард Стоун. Он умер в 2024 году.

Долгая старость

Мощность генераторов «Вояджеров» каждый год падает на несколько ватт, и инженерам приходится один за другим отключать нагреватели и научные приборы. Небольшая команда ЛРД, работающая со старой документацией и программами, написанными на давно забытых языках, не раз спасала аппараты. В 2023 году «Вояджер-1» стал передавать бессмысленный набор данных из-за отказа одной микросхемы памяти. Инженеры несколько месяцев искали причину и в апреле 2024 года, переписав и переместив часть программы в другие участки памяти, восстановили передачу научных данных. В 2023 году ошибочная команда на несколько недель развернула антенну «Вояджера-2» в сторону от Земли, и связь удалось восстановить лишь с помощью мощного сигнала из Австралии.

В 2024-2025 годах на обоих аппаратах были отключены еще несколько научных приборов. По имеющимся данным, к 2026 году на каждом «Вояджере» продолжали работать лишь два-три прибора, а энергии, по оценкам НАСА, должно хватить на поддержание связи примерно до конца 2020-х - начала 2030-х годов.

Сигнал от «Вояджера-1» идет до Земли почти сутки. По расчетам НАСА, в ноябре 2026 года он должен удалиться от Земли на одни световые сутки - около 26 миллиардов километров. Принимать его слабый сигнал способны лишь самые большие антенны Сети дальней космической связи, а команды «Вояджеру-2», летящему к югу от плоскости орбит планет, может передавать только одна антенна - в Австралии.

Даже после того как аппараты замолчат, они продолжат лететь. Примерно через сорок тысяч лет «Вояджер-1» пройдет на расстоянии около полутора световых лет от одной из звезд в созвездии Жирафа, а «Вояджер-2» - на сравнимом расстоянии от звезды в созвездии Андромеды. Золотые пластинки будут лететь среди звезд миллионы лет.

В культуре

«Вояджеры» стали символом исследования неизвестного. В фильме «Звездный путь» (1979) главным противником героев оказывается гигантский разум, выросший из вымышленного аппарата «Вояджер-6». Карл Саган рассказывал о «Вояджерах» в сериале «Космос» (1980), который посмотрели сотни миллионов зрителей. В 2017 году, к сорокалетию запуска, Золотая пластинка была впервые выпущена массовым тиражом для публики.

В СССР полеты «Вояджеров» освещались в научной печати и популярных журналах. Советская космонавтика в это время сосредоточилась на Венере, Марсе, орбитальных станциях и комете Галлея, к которой в 1984 году стартовали станции «Вега»; до внешних планет советские аппараты так и не долетели.

Итоги

• Идея гравитационного маневра и редкое расположение внешних планет позволили облететь их одним аппаратом; дорогостоящий «Большой тур» был отменен, но его осуществил более скромный проект «Вояджер».
• 20 августа 1977 года стартовал «Вояджер-2», 5 сентября - «Вояджер-1».
• У Юпитера (1979) были открыты вулканы на Ио и ледяная кора Европы, у Сатурна (1980-1981) изучены кольца и атмосфера Титана.
• «Вояджер-2» остается единственным аппаратом, посетившим Уран (1986) и Нептун (1989).
• На борту каждого аппарата находится Золотая пластинка - послание землян, подготовленное под руководством Карла Сагана.
• В 1990 году «Вояджер-1» сделал снимок «бледно-голубой точки»; в 2012 и 2018 годах аппараты вышли в межзвездное пространство.
• Почти через полвека после запуска оба «Вояджера» продолжают передавать данные; «Вояджер-1» - самый далекий рукотворный объект.