Вояджер-1: самый далекий от Земли рукотворный объект

История создания космического зонда - Исследование Юпитера - Исследование Сатурна - Дополнительная программа космических исследований - Золотая пластинка «Вояджеров» - Что будет с «Вояджером-1» дальше?

Космические аппараты типа «Вояджер» (1 и 2) стали практически синонимами успешной космической миссии. Оба они были запущены в 1977 году и первоначально предполагалось, что проработают они всего по 5 лет. Однако в реальности связь с обоими «Путешественниками» (так можно перевести название Voyager) поддерживается до сих пор и до сих пор, несмотря на давно устаревшее и наполовину не функционирующее оборудование, оба аппарата продолжают передавать на Землю научные данные.

Оба «Вояджера»  были собраны в Лаборатории реактивного движения NASA. Так как для обоих аппаратов изначально предполагался полет в сторону Юпитера и Сатурна, то есть «на задворки» Солнечной системы, куда попадает не так много солнечных лучей, они не оснащены привычными нам солнечными батареями и получают энергию от своеобразной «ядерной батарейки» —  плутония-238 в трех радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Энергии выделяемой этой батарейкой хватит примерно до 2025 года, хотя уже сейчас из-за её недостатка, часть приборов «Вояджеров» пришлось отключить от энергопотребления.

Вояджер-1 на фоне Юпитера, как это представил художник. Между прочим диаметр антенны «вояджеров» составляет почти 4 метра, это чтобы лучше представлять размеры аппарата.

Оба космических аппарата несут на корпусах золотую пластинку – своеобразное послание инопланетным цивилизациям с образцами земной культуры. Каждый «Вояджер» также оснащен телекамерами, спектрометрами, фотополяриметром и агрегатом для изучения плазмы. Общий вес каждого аппарата составляет 721,9 кг, а первоначальная мощность бортовой системы электропитания достигала 420 Ватт.

На сегодня, первый из пары: «Вояджер-1» является самым далеким от Земли рукотворным объектом созданным человеком, а также самым быстрым из покидающих Солнечную систему космических зондов. Текущее расстояние до «Вояджера-1», а также сведения  о его научной аппаратуре действующей в настоящий момент, вы можете получить на специализированном сайте NASA посвященным этому проекту.

История создания космического зонда «Вояджер-1»

В чем не откажешь инженерам NASA, так это в последовательности. Полет «вояджеров» был спланирован ещё в 1960-х г.г., однако тогда у ученых было мало информации относительно того, с чем придется столкнутся космическому зонду, находясь под влиянием таких планет как Юпитер и Сатурн.

Поэтому начали с малого — по сути космические зонды «Пионер-10» и «Пионер-11» стали прототипами будущих «вояджеров». Их полеты и телеметрика, помогли инженерам спроектировать новые космические зонды так, чтобы эффективно справляться с интенсивным радио-излучением Юпитера, уделить внимание повышенному уровню защиты от повышенной радиации и, спроектировать систему связи так, чтобы обеспечить бесперебойный контакт с зондом как в пределах Солнечной системы, так и за её пределами.

Первоначально космический аппарат «Вояджер-1» готовился как «Маринер-11», т.е. входил в исследовательскую программу «Маринер». Но из-за сокращения бюджета миссия в самом начале была урезана и предполагала только облет Юпитера и Сатурна, потому зонды переименовали в «Маринер: Юпитер-Сатурн».

Однако по мере развития программы, новые аппараты получились настолько непохожими на предыдущие «маринеры», что было принято решение выделить их полет в отдельную исследовательскую программу, которая и известна нам теперь как «Вояджер».

Один из снимков «Вояджера-1», где одновременно запечатлены Земля и Луна

Конструкция космического зонда «Вояджер-1»

Вояджер 1 был построен Лаборатории реактивного движения NASA.

Его конструкция включает в себя 16 гидразиновых основных и 8 резервных двигателей, трехосный стабилизатор в пространстве обеспечивающий точную направленность антенны на Землю, силовую установку, систему радиосвязи и 11 научных приборов для изучения космических объектов.

Так как заведомо предполагалось, что миссия «Вояджера-1» может оказаться гораздо длиннее, чем запланировано, большая часть оборудования на борту была дублирована и хорошо защищена от радиационного излучения.

Система связи «Вояджера-1» включает 3,7-метровую антенну Кассегрена с высоким коэффициентом усиления для передачи и приема радиоволн с помощью  трех станции Deep Space Network расположенных на Земле. Если «Вояджер-1» не может передать данные напрямую, на его борту расположен цифровое хранилище данных, способное вместить до 67 мегабайт (для 1977 года — предел мечтаний, на самом деле) информации для передачи в другое время.

Силовая установка «Вояджера-1» включает три радиоизотопных термоэлектрических генератора, вынесенных из корпуса на мачте. Каждый из них содержит 24 прессованных сферы оксида плутония-238.

В момент запуска источники питания вырабатывали около 470 Вт электроэнергии, а остальная часть рассеивалась в виде отработанного тепла. Выходная мощность со временем снижается из-за естественного полураспада топлива (87,7 летний период) и деградации термопар, но запаса батарей вполне хватит до 2025 года. По состоянию на 22 февраля 2021 года «Вояджер-1» имеет 70,93% плутония-238, от того количества, что имелось при запуске. К 2050 году у него останется 56,5%, к 2080 42,04%, а к 2110 году это число уменьшиться до 27,58% и достигнет нуля к 2167 году.

Схема утройства космического зонда «Вояджер-1»

Научные приборы «Вояджера-1» представлены ниже:

• Система измерения космических лучей (CRS) (включен в настоящее время)
• Анализатор низкоэнергетических заряженных частиц (LECP) (включен в настоящее время)
• Магнитометр (MAG) (включен в настоящее время)
• Подсистема измерения плазменных волн (PWS) (включена в настоящее время)
• Плазменный спектрометр (PLS) (вышел из строя)
• Система визуализации (фотокамера) (ISS) (выключена)
• Инфракрасный интерферометр спектрометр и радиометр (IRIS) (выключен)
• Фотополяриметрическая система (PPS) (вышла из строя)
• Анализатор планетарного излучения (PRA) (выключен)
• Ультрафиолетовый спектрометр (UVS) (выключен)

Первоначальная программа космического зонда «Вояджер-1»

Первоначальная программа «Вояджер-1» была рассчитана на 5 лет и по сравнению с программой «Вояджера-2» была сокращенной, т.е. включала только исследование Юпитера и Сатурна. За несколько лет до «Вояджеров», у Юпитера и Сатурна уже побывали «гости» — «Пионер-11» и «Пионер-10», но их фотографии были очень низкого качества.

Исследование Юпитера «Вояджером-1»

«Вояджер-1» был запущен 5 сентября 1977 года. Вопреки нумерации, «первый» из «путешественников» был запущен вторым — через 16 дней после собрата с номером 2. 18 сентября 1977 года «Вояджер-1» вошел в историю первый раз, засняв на одной фотографии одновременно и Луну и Землю.

10 декабря 1977 года аппарат пересек границу пояса астероидов, 19 декабря 1977 года обогнал «Вояджер-2», и только 8 сентября 1978 года без происшествий вышел из пояса астероидов и стал приближаться к Юпитеру, к которому приблизился 6 января 1979 года.

«Вояджеру-1» удалось приблизиться к Юпитеру на 349 тысяч км от центра планеты и сделать несколько тысяч снимков высокого разрешения. Он кружил вокруг газового гиганта с 5 по 7 марта 1979 года. Благодаря этому полету были обнаружены слабые кольца Юпитера, получены данные о магнитных полях и радиационном излучении. Серия снимков, сделанных на подлете к планете, позволила рассмотреть вблизи Большое красное пятно Юпитера и понять, что оно движется против часовой стрелки.

Знаменитый снимок спутника Юпитера Ио, на котором видно извержение вулкана, сделанный с борта зонда «Вояджер-1».

По снимкам «Вояджера-1» на спутнике Ио были открыты 9 извергающихся вулканов. Это было первое обнаружение вулканической активности вне Земли. Зонд передал информацию о составе поверхности, атмосферы и орбитальной плазмы Ио. Пролетая на расстоянии 732 000 км от Европы, другой луны Юпитера, аппарат сделал снимки, по которым ученые выдвинули гипотезу о наличии там жидкого океана. Ранее считалось, что вода встречается в Солнечной системе крайне редко.

Исследование Сатурна «Вояджером-1»

13 ноября 1980 года «Вояджер-1» добрался до Сатурна. Итогом встречи стали тысячи фотографий отличного качества и открытие новых планетарных колец. В числе важнейших достижений миссии «Вояджера-1» – обнаружение сатурнианского спутника Атлас, а также Пандоры и «картофелевидного» Прометея, которые «пасут» F-кольцо Сатурна, удерживая его чуть дальше от основной массы колец.

Траектория полета «Вояджера-1» пролегла мимо большинства крупных спутников Сатурна: Дионы, Энцелада, Мимаса, Реи, Тефии и Титана.

Титан при этом был исследован особенно тщательно, «Вояджер-1» приблизился к нему всего на 5600 км. Оранжевая дымка в атмосфере Титана, заснятая зондом, настолько взбудоражила исследователей, что впоследствии к Титану был отправлен аппарат «Кассини-Гюйгенс».

Кроме того, на всех встреченных спутниках был обнаружен лед, что подтвердило широкое распространение воды в Солнечной системе.

Дополнительная программа космических исследований космического зонда «Вояджер-1»

14 ноября 1980 года, «официальная» миссия «Вояджера-1» была закончена, при этом у космического аппарата оставалось достаточно ресурсов, чтобы продолжать исследования. Было решено «отпустить» космический зонд в свободное плавание, более не меняя его траекторию полета и продолжать собирать научные данные, пока не закончится заряд бортовой батареи. Так как «Вояджер-1» двигался по гиперболической орбите, т.е. его возвращения в Солнечную систему не предполагалось, то у ученых появился хороший шанс узнать точнее о границах солнечной системы и собрать данные о космической радиации.

Следующие 10 лет работа зонда была совершенно рутинной — время от времени он выходил на связь и передавал текущие параметры давления солнечного ветра, силу магнитных полей планет-гигантов, энергетических потоков, распределения ионов и т.п.

Полет «Вояджера-1» через Солнечную систему

Вспомнили о «Вояджере-1» 14 февраля 1990 года, когда у него получилось на одном снимке запечатлеть все 8 планет, сделав так называемый «семейный портрет солнечной системы».

Следующая веха — 17 февраля 1998 года, когда «Вояджер-1» «обогнал» «Пионер-10» и стал самым далеким от Солнца космическим кораблем с Земли. Важная деталь — слово «обогнал» я взял в кавычки по той причине, что фактически никакого обгона не было, т.к. оба космических аппарата на самом деле движутся в разные стороны.

17 декабря 2004 года «Вояджер-1» пересек границу гелиосферы и достиг той точки пространства, где солнечный ветер ослабевает до дозвуковой скорости (относительно Солнца, конечно) из-за взаимодействия с местной межзвездной средой. Пространство здесь как бы «уплотняется» и возмущается, подобно тому, как вспениваются два потока воды, идущие на встречу друг другу или сливающимися в один поток. Конечно это ещё не было границей солнечной системы, но явно свидетельствовало о её приближении. «Вояджер-1» в этот момент находился от нас на расстоянии 94 астрономических единиц.

2 февраля 2007 года отключен от питания плазменный спектрометр (PLS), 16 января 2008 отключено оборудование PLA для измерения радиоизлучения планет-гигантов.

Семейный портрет планет солнечной системы сделанный «Вояджером-1». Меркурий не виден из-за близости Солнцу, а Марс во-первых довольно мал, а во-вторых получался все время слишком темным и потому не видимым глазу

25 августа 2012 года «Вояджер-1» стал первым космическим аппаратом с Земли, пересекшим гелиопаузу и вышедшим в межзвездное пространство, т.е. на границу солнечной системы (121 астрономическая единица).

19 апреля 2016 г. отключён от питания ультрафиолетовый спектрометр.

28 ноября 2017 года удалось привести в действие двигатели коррекции траектории (последний раз включавшиеся в 1980 году!) и несколько продлить исследовательскую программу зонда за счет коррекции траектории.

После 2020 года начнется поэтапное выключение оставшихся подсистем, так, чтобы в итоге в работе остались только магнитометр,  регистратор космических лучей и плазменно-волновая подсистема (PWS).

Принимать данные с зонда возможно будет вплоть до 2025 года (возможно до 2030 г), дополнительных коррекций для этого не потребуется, благо антена «вояджера» всегда направлена на Землю.

Та самая «золотая пластинка» с корпуса «Вояджера-1». Однажды её может найти другая цивилизация… Как минимум они там сильно удивятся!

Что будет с «Вояджером-1» дальше?

По состоянию на начало 2021 года, расстояние от «Вояджера-1»  до Земли составляет ~150 астрономических единиц. Свет от Солнца преодолевает это расстояние за 21 час. «Вояджер» продолжает передавать научные данные получаемые оставшимися приборами.

Примерно через 300 лет, зонд достигнет облака Оорта и пройдет через него примерно через 30 000 лет. Если за это время с «Вояджером» ничего не случится, то ещё через примерно 10 000 лет он должен будет пролететь на расстоянии 1,6 светового года от звезды Глизе 445 созвездия Жирафа, которая движется в сторону созвездия Змееносца.

В дальнейшем, вероятно, «Вояджер-1» будет вечно странствовать по галактике Млечный Путь. Если предположить, что полету зонда ничего не будет мешать и дальше, через 300 000 лет он пройдет на расстоянии меньше 1 светового года от звезды M3V TYC 3135-52-1.

Золотая пластинка «Вояджера-1» — какие данные записаны на ней?

Оба «Вояджера» имеют закрепленную на корпусе золотую пластинку в виде компакт-диска, на тот случай, если один из них вдруг окажется обнаруженным разумными формами жизни из других планетных систем.

На диске размещены фотографии Земли и форм жизни, которые её населяют, научная информация (включая координаты Земли относительно центра галактики), приветственная речь генерального секретаря ООН, президента США, а также набор «звуков Земли», включающих голоса китов, плач ребенка, шум волн, и коллекцию музыки, включая произведения Вольфганга Амадея Моцарта, Вилли Джонсона, Чака Берри и Вали Балканской.

Также на диске представлены другие классические музыкальные произведения имеющие ценность для общемировой культуры, а также приветствия на 55 различных языках.

По схеме полета не совсем понятно направление полета «Вояджера-1», так как оно выглядит линейным. На самом деле «Вояджеры» в дополнительной программе исследований разлетелись в разные стороны — один выше плоскости солнечной системы, другой ниже

Александр Фролов, для сайта starcatalog.ru, компиляция на основе российских и зарубежных источников сети интернет, находящихся в открытом доступе