Kitobni o'qish: «Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее»

Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ. – мат. наук

Редактор Ирина Сисейкина

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Ассистент редакции М. Короченская

Корректоры Е. Чудинова, И. Астапкина

Компьютерная верстка А. Ларионов

Арт-директор Ю. Буга

Дизайн обложки А. Бондаренко

© Лисов И., 2022

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2022

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Ане Горелышевой

Предисловие

5 ноября 2018 г. американский космический аппарат «Вояджер-2» пересек на расстоянии 17,8 млрд км от Солнца границу, отделяющую вещество Солнечной системы от межзвездного. Шел 42-й год с момента запуска самого знаменитого межпланетного зонда, который отправился в космос с мыса Канаверал 20 августа 1977 г. На его счету были пионерские исследования всех четырех планет-гигантов Солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, – выполненные за 12 первых лет полета. Следующие 30 лет «Вояджер-2» пунктуально передавал на Землю данные о солнечном ветре и об обстановке в ударной волне и гелиослое, и вот теперь он прошел гелиопаузу и оказался в потоке межзвездного вещества.

Никто в обозримой перспективе не сможет повторить этот научно-технический подвиг. «Вояджер-2» использовал уникальное расположение внешних планет, подобного которому не случится до 2154 г. Если бы не это обстоятельство, первая разведка газовых гигантов случилась бы намного позднее и обошлась бы в несколько раз дороже. И хотя позднее земные аппараты изучили подробно системы Юпитера и Сатурна и достигли Плутона, «Вояджер-2» до сих пор остается единственным посланцем человечества, который побывал вблизи Урана и Нептуна.

Пионерский этап исследования внешних планет занял 17 лет, с 1972 по 1989 г., и был реализован всего четырьмя американскими космическими аппаратами: двумя «Пионерами» с номерами 10 и 11 и двумя более сложными и совершенными «Вояджерами». Их жизнь и судьба от идеи до старта и на протяжении всего полета является темой книги, которую вы держите в руках. В основу ее положены материалы о «Пионерах» и серия статей о «Вояджерах», опубликованные нами в 2007–2017 гг. в журнале «Новости космонавтики». В подготовке некоторых из них участвовали Анатолий Копик и Павел Шаров, чей вклад автор отмечает с благодарностью. История «Вояджеров», однако, потребовала значительной доработки, а несколько глав по «Пионерам» были по существу написаны заново.

Читатель вправе спросить, почему мы ограничились двумя проектами и четырьмя аппаратами и не включили в повествование детективную историю зонда «Новые горизонты», впервые достигшего Плутона в июле 2015 г. Краткий ответ состоит в том, что в полет к Плутону отправился аппарат совсем другого поколения и другой эпохи и что сам Плутон является не большой планетой, а лишь одним из самых крупных астероидов занептунного пояса (известного также как пояс Койпера), хотя и самым известным из них и очень интересным. Кроме того, это обязало бы нас рассказать и о трех других аппаратах, исследовавших дальние планеты, – о «Галилео» и «Кассини», в течение многих лет успешно работавших на орбитах вокруг Юпитера и Сатурна, и о новой юпитерианской станции «Джуно». К счастью, история «Новых горизонтов» уже описана руководителем этого проекта д-ром Аланом Стерном и издана в отличном переводе Виктории и Александра Краснянских¹.

Среди источников необходимо в первую очередь назвать описания проектов «Пионер» и «Вояджер», изданные Национальным управлением по аэронавтике и космосу NASA: The Pioneer Mission to Jupiter (SP-268), Pioneer Odyssey: Encounter with a Giant (SP-349), Pioneer Odyssey (SP-396), Pioneer: First to Jupiter, Saturn, and Beyond (SP-446), Voyage to Jupiter (SP-439), Voyages to Saturn (SP-451). Все содержащиеся в них данные были перепроверены, дополнены и исправлены по пресс-релизам NASA и его центров за период с 1969 г., по отчетам Сети дальней связи DSN о сопровождении межпланетных аппаратов и реконструкции ее технических средств, по научным статьям о результатах исследований в области планетологии, физики космической среды и небесной механики.

Автор считает своим долгом предупредить, что вы держите в своих руках сложную книгу, полную технических терминов, сокращений из трех и более букв, а также дат, диаграмм и таблиц. Тем большей будет радость читателя, который с нашей помощью сумеет разобраться в исторических и технических деталях этой удивительной и героической истории.

Введение

Историю пионерских исследований ближайших к Земле планет Солнечной системы – Венеры и Марса – можно рассматривать через призму напряженного соперничества США и СССР. Хотя советские станции были первыми отправлены к Венере (февраль 1961 г.) и Марсу (ноябрь 1962 г.), заданную программу изучения этих планет первыми смогли выполнить американские космические аппараты (КА). «Маринер-2» был запущен 27 августа 1962 г. и впервые исследовал Венеру с пролетной траектории 14 декабря того же года. «Маринер-4» стартовал 5 ноября 1964 г. и впервые отснял на пролете с близкой дистанции планету Марс 15 июля 1965 г.

«Венера-7» первой сумела достичь в рабочем состоянии поверхности Венеры 15 декабря 1970 г. Последующие советские аппараты внесли определяющий вклад в изучение этой негостеприимной планеты, хотя американские станции «Маринер-5» и «Пионер-Венера» (орбитальный аппарат и атмосферные зонды) тоже выступили неплохо. «Марс-3» первым совершил мягкую посадку на Марс 2 декабря 1971 г., но, к несчастью, сразу после этого прекратил работу. Основные «сливки» в первоначальном изучении Марса сняли американцы – «Маринер-9» долго и плодотворно работал на орбите вокруг планеты, а два «Викинга» летом и осенью 1976 г. выполнили успешные посадки на Марс, изучили грунт планеты и попытались найти признаки жизни.

К сожалению, ни одно из предложений советских разработчиков по созданию КА для исследования дальних планет не было принято к реализации. На изучение Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна отправлялись только американские и позднее европейские аппараты.

«Пионер-10», запущенный 3 марта 1972 г., выполнил первый пролет и исследования Юпитера 2 декабря 1973 г.

«Пионер-11», который стартовал 6 апреля 1973 г., прибыл к Юпитеру 3 декабря 1974 г., а от него направился к Сатурну, которого впервые достиг 1 сентября 1979 г.

«Вояджер-1» был запущен 5 сентября 1977 г. и провел более подробное изучение систем Юпитера и Сатурна в ходе пролетов 5 марта 1979 г. и 12 ноября 1980 г.

«Вояджер-2» отправился в путь 20 августа 1977 г. и последовательно посетил все четыре гигантские планеты: 9 июля 1979 г. – Юпитер, 26 августа 1981 г. – Сатурн, 24 января 1986 г. – Уран и 25 августа 1989 г. – Нептун. Практически все, что мы знаем о двух последних, основано на данных приборов «Вояджера-2».

Подсчитано, что уже к моменту пролета «Вояджера-2» у Нептуна на Землю было передано около 5 трлн бит научных данных. Но это – бесстрастные числа, а по сути именно «Пионеры» и «Вояджеры» открыли нам внешние планеты Солнечной системы. На потрясающих воображение снимках мы увидели новые, неизвестные миры. Многие загадки планет-гигантов и их спутников будоражат умы ученых и по сей день.

Все четыре КА в результате встреч с планетами развили скорости, достаточные для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. «Вояджер-1» является лидером этого парада. 6 августа 2020 г. он ушел от Солнца на 150 астрономических единиц, то есть оказался от него в 150 раз дальше, чем Земля. Это самый далекий космический аппарат, когда-либо запущенный в космос человеком (см. таблицу 1), и конкурентов ему, по крайней мере в ближайшие десятилетия, не предвидится.

Оба «Вояджера» уже вышли за пределы той области околосолнечного пространства, где доминирует истекающий от Солнца поток вещества, проникли в межзвездную среду и регулярно сообщают нам сведения о ней. Руководители полета надеются, что вплоть до 50-летней годовщины запуска аппараты все еще будут передавать научную информацию.

Глава 1
«Пионеры» Юпитера

Гравитационный маневр – ключ к Солнечной системе

Главной идеей при создании «Пионеров» и «Вояджеров» было использование гравитационного маневра в поле тяготения одной планеты с набором скорости для полета к другой. Если бы аппараты летели по «классическим» полуэллипсам Вальтера Гоманна, описанным им в 1925 г., то перелет до Нептуна, например, занял бы почти 31 год вместо 12, не говоря уже о том, что одна станция смогла бы исследовать лишь одну планету.

Вся история космонавтики – это история достижения все более высоких скоростей. Спутник на низкой околоземной орбите высотой 200 км имеет скорость 7790 м/с. Чтобы долететь до Луны, нужно увеличить ее как минимум до 10 920 м/с. Если добавить еще чуть-чуть – какие-то 100 м/с, то полная энергия относительно Земли станет положительной, а значит, ваш космический аппарат уйдет в бесконечность по гиперболе и не вернется.

Но всякая прибавка скорости в космонавтике оплачивается расходом топлива в соответствии с формулой Циолковского. Когда стартовали «Пионеры» и «Вояджеры», высокоэффективные электроракетные двигатели только создавались и не было опыта длительного разгона с характерной для них малой тягой, обретенного в самом конце XX в. В 1970-е гг. можно было рассчитывать лишь на традиционные жидкостные (ЖРД) или твердотопливные (РДТТ) ракетные двигатели.

Ракета «Союз» выводила на низкую орбиту КА массой около 7000 кг. «Молния» – тот же «Союз» с четвертой ступенью – отправляла к Луне до 1600 кг при стартовой массе 305 т. На этом примере можно увидеть и цену выхода на орбиту, и плату за добавку в 3100 м/с, от скорости спутника до скорости освобождения.

Достижение планет требует намного бóльших скоростей.

Земля обращается вокруг Солнца со средней скоростью 29,78 км/с. Среднее расстояние до светила называется астрономической единицей (а.е.), которая в привычных нам единицах равна 149,6 млн км. Более строгое описание гласит, что Земля обращается по эллипсу, в одном из двух фокусов которого находится Солнце, и что одна а.е. – это большая полуось ее орбиты². Однако этот эллипс довольно близок к окружности, и для оценочных расчетов различием между ними можно пренебречь.

Рассмотрим абстрактную задачу перелета от Земли к Нептуну. Для простоты будем считать орбиту Нептуна круговой с радиусом 30 а.е. и лежащей в той же плоскости, что и земная орбита. (Эта плоскость называется также плоскостью эклиптики – она пересекает небесную сферу по линии видимого годового движения Солнца.) Можно доказать, что среди всех возможных траекторий перелета минимальную скорость отправления имеет половинка эллипса, касающегося земной орбиты в своей ближайшей к Солнцу точке – в перигелии – и орбиты Нептуна в самой далекой точке – в афелии. Простые формулы небесной механики позволяют вычислить скорость в перигелии, необходимую для удаления на 30 а.е., – это 41,43 км/с. Это значит, что к имеющейся средней орбитальной скорости Земли надо добавить еще 11,65 км/с. Естественно, в правильном направлении – в том же, в котором летит наша планета. Если две скорости имеют различные направления, нужно будет выполнить векторное сложение, осознавая при этом, что сумма окажется меньше ожидаемой. И естественно, нужно стартовать в совершенно определенную дату – иначе после 30,6 года пути окажется, что Нептун находится не там, куда мы прилетели, а в абсолютно иной точке своей орбиты.

Величина 11,65 км/с ужасает, тем более что это не отлетная, а остаточная скорость КА – уже после того, как он преодолел притяжение Земли и ушел от нее «на бесконечность». На самом деле не все так страшно. Нам не потребуется добавлять к типичной скорости освобождения 11,02 км/с еще столько же и даже больше.

Из закона сохранения энергии следует, что, если из квадрата начальной скорости у Земли вычесть квадрат скорости освобождения на этой же высоте, получится квадрат остаточной скорости объекта. (В баллистических расчетах указанную величину называют характеристической энергией и обозначают символом C₃.)

Вот почему для нашего условного гоманновского перелета к Нептуну достаточно уйти с низкой орбиты в правильный момент и в правильном направлении со скоростью 16,04 км/с, которая «всего» на 5,02 км/с выше скорости освобождения. И тогда не исключено, что через 30,6 года КА будет еще жив и что-нибудь сообщит. Конечно, можно немного распрямить траекторию и сократить время перелета – но за счет увеличения отлетной скорости, которая, конечно, меньше той, что мы вообразили, но все же очень велика.

За всю историю космонавтики только один раз была реализована отлетная скорость выше рассчитанной нами – 19 января 2006 г. при отправке КА «Новые горизонты» к Плутону. Получив начальную геоцентрическую скорость 16,21 км/с, этот аппарат достиг цели после 9,5 лет полета. «Вояджер-2» отправился в путь, имея лишь 15,20 км/с, и все же за 12 лет добрался до Нептуна. Согласитесь, 9,5 или 12 лет – это намного лучше, чем 31 год. Волшебное средство сокращения продолжительности межпланетного полета и называется гравитационным (пертурбационным) маневром.

Зададим себе такой вопрос: что значит «уйти на бесконечность» после старта с Земли? Он имеет смысл для ограниченной задачи трех тел – двух центров притяжения, Солнца и Земли, и движущегося под их действием объекта. В первом приближении можно говорить о пересечении некой границы, до которой мы еще должны рассматривать гиперболическое движение КА относительно родной планеты, пусть и возмущаемое Солнцем, а после уже имеем право считать его спутником Солнца, хотя и испытывающим остаточное возмущение Земли. Эта граница имеет форму, близкую к сфере радиусом 1 млн км, которая называется сферой действия Земли. Так как Юпитер намного массивнее, его сфера действия обширнее, ее радиус – 55 млн км.

Допустим, мы летим от Земли на межпланетном корабле по орбите с афелием около 9 а.е., пересекающей орбиту Юпитера на расстоянии 5,2 а.е. от Солнца. Более того, мы выбрали траекторию так, что пройдем вблизи Юпитера, но все же не попадем в него. (Не пытайтесь проделать это в реальности – там очень мощная радиация!) Чтобы понять в первом приближении, что из этого получится, разделим наш путь на три части: до входа в сферу действия планеты, внутри этой сферы и после выхода из нее. Снаружи мы считаем единственным притягивающим центром Солнце, а внутри – только Юпитер.

На входе в сферу действия мы имеем скорость корабля в гелиоцентрической системе отсчета. Зависимость ее от конкретной точки входа довольно существенна, но на ход рассуждений это не влияет. Примем, что точка входа находится в ближайшей к Солнцу части сферы действия, где скорость корабля составляет 13,7 км/с. Орбитальная скорость Юпитера в этой же системе близка к 13,1 км/с. Чтобы определить начальные условия полета относительно планеты, мы должны вычесть из вектора нашей гелиоцентрической скорости на входе вектор скорости Юпитера – честно нарисовать треугольник скоростей и найти их разность по правилам векторной алгебры. Учитывая, что угол между двумя векторами в нашем случае близок к 53°, планетоцентрическая скорость корабля составит 11,9 км/с.

В пределах сферы действия мы движемся по гиперболической орбите относительно Юпитера, параметры которой определяются вектором состояния (три координаты и три компоненты скорости) в точке входа. По гиперболической – потому что пришли из бесконечности с ненулевой относительной скоростью и имеем положительную полную энергию относительно планеты. Нельзя оказаться на орбите вокруг Юпитера или любой другой планеты без специальных ухищрений!

Результат облета сильнее всего зависит от положения точки входа, которое задается предшествующей межпланетной траекторией и проведенными на подлете коррекциями. Чем ближе к планете мы пролетим, тем сильнее ее тяготение завернет нашу траекторию. К примеру, мы могли подходить с таким расчетом, чтобы траектория полета указывала на точку правее Юпитера на 15 его радиусов – эта величина называется прицельной дальностью. В реальности минимальное расстояние от центра планеты будет намного меньше, и, если прицельная дальность выбрана неправильно, мы можем столкнуться с планетой. Но мы взяли прицельную дальность с запасом, а потому благополучно огибаем Юпитер и возвращаемся к границе сферы действия, имея ту же самую величину скорости 11,9 км/с, что и при входе, но другое направление полета. Заходили вдоль одной асимптоты гиперболы, выходим вдоль второй.

Мы прощаемся с планетой, для чего векторно складываем с нашей новой скоростью относительно Юпитера скорость планеты относительно Солнца. Последняя имеет прежнюю величину и лишь слегка отклонилась по направлению – мы считаем, что пролет длился недолго по сравнению с периодом обращения планеты, и на самом деле так оно и есть. Однако направление отлетной скорости сильно изменилось: в нашем случае корабль повернул на 84° влево. Треугольник скоростей выглядит совсем иначе, и мы заканчиваем сближение с иной гелиоцентрической скоростью и по величине, и по направлению, нежели скорость входа. Теорема косинусов подсказывает, что величина скорости относительно Солнца увеличилась до 24,1 км/с!

Да, скорость корабля увеличилась на 75 % – и это произошло оттого, что мы позаимствовали немного энергии у Юпитера и чуть-чуть притормозили его орбитальное движение. В общем случае могло быть и наоборот – мы отдали бы часть энергии планете, а сами замедлились. Достаточно интересно «поиграть» с этими векторами, считая задачу двумерной и рассматривая события «сверху», со стороны Северного полюса мира. Несложно показать, что при облете планеты с задней полусферы корабль выйдет с большей скоростью, чем имел на входе, а с передней – наоборот.

Самый первый пертурбационный маневр в истории космонавтики был выполнен в ходе полета советской межпланетной станции Е-2А («Луна-3»), запущенной 4 октября 1959 г. на сильно вытянутую эллиптическую, почти параболическую орбиту спутника Земли. Выполняя облет Луны с целью фотографирования ее обратной стороны, станция затормозила, изменила свою траекторию на чисто эллиптическую меньшего размера и вернулась затем к Земле с направления, благоприятного для передачи изображений. Этот полет стал возможным в результате пионерских работ В. А. Егорова, М. Л. Лидова, Д. Е. Охоцимского и их коллег из Математического института АН СССР, выполненных в 1957 г. под руководством академика М. В. Келдыша.

В США к идее гравитационных маневров пришли своим путем.

Летом 1961 г. в Группе траекторий Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) стажировался 26-летний студент-математик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Майкл Эндрю Минович. Решив поставленную перед ним конкретную математическую задачу определения параметров траектории полета в поле тяготения между двумя заданными точками при фиксированном времени перелета, он заинтересовался проблемой расчета траектории КА, выполняющего облет Марса с последующим возвращением к Земле. Будучи одним из вариантов ограниченной задачи трех тел, аналитического решения она не имела, а численный расчет на имеющемся в JPL компьютере IBM 7090 сходился далеко не всегда.

Минович придумал способ приближенной оценки параметров облетной траектории, пригодных для дальнейшего численного расчета, и заметил интереснейшую вещь: энергия КА после сближения с планетой – если измерять ее в системе отсчета, связанной с Солнцем, – может очень значительно отличаться от энергии до сближения.

В августе Майкл подготовил 47-страничный доклад с алгоритмом расчета траекторий в случае последовательного пролета нескольких планет. Молодой автор показал, что, войдя с нужного направления в поле тяготения планеты, можно «позаимствовать» часть ее энергии и выйти в другом направлении со значительно большей энергией и гелиоцентрической скоростью. В частности, на выходе можно получить направление и скорость, позволяющие направить аппарат к другой, более далекой планете. При этом скорость отлета от Земли может оказаться меньше, а время перелета – короче, чем если бы аппарат сразу запускался ко второй планете. Аналогичный «фокус» можно проделать и у второй планеты – и направиться к третьей. В качестве иллюстрации Минович предложил для расчета траекторию Земля – Венера – Марс – Земля – Сатурн – Плутон – Юпитер – Земля.

Руководитель Майкла встретил эту инициативную работу без энтузиазма, и Миновичу пришлось самостоятельно программировать свои уравнения и вводить исходные данные – координаты девяти планет на 1960–1980 гг. Он проводил расчеты с января 1962 по сентябрь 1964 г. на институтском компьютере, а с июня 1962 г. и на машинах в JPL, после того как продемонстрировал руководителю Группы траекторий Виктору Кларку свои результаты расчета траектории Земля – Венера – Марс – Земля и получил поддержку.

В марте 1963 г. Минович представил в JPL официальный отчет на 130 страницах уже с конкретными вариантами траекторий Земля – Венера – Меркурий и Земля – Венера – Марс. Среди них, в частности, была и та трасса, по которой спустя десять лет проследовала американская АМС «Маринер-10» (Mariner 10). Она была запущена 3 ноября 1973 г. и совершила 5 февраля 1974 г. пролет Венеры, благодаря которому была направлена к своей главной цели – Меркурию. Это и был первый гравитационный маневр в американской космической программе.

Весной и летом 1963 г. Минович выступил с несколькими докладами, после чего его работа стала хорошо известна в профессиональной среде, а метод взят на вооружение. Практическое использование «планетной» тяги поначалу казалось затруднительным из-за высокой чувствительности метода к погрешностям траекторий, но в начале 1965 г. Эллиотт Каттинг и Фрэнсис Стёрмс показали, что с использованием существующей навигационной аппаратуры необходимые точности достижимы.

Майкл Минович и сегодня живет в Лос-Анджелесе и пребывает в полной уверенности, что именно он изобрел метод гравитационного маневра и открыл человечеству доступ к планетам Солнечной системы. Он утверждает, что все его предшественники хоть в чем-нибудь да ошиблись. Вальтер Гоманн (1925) и Гаэтано Крокко (1956) рассматривали вариант посещения одним кораблем нескольких планет, но возмущения от его сближения с планетами, скорее всего, не использовали и пытались компенсировать либо включениями бортовых двигателей, либо взаимно. Фридрих Цандер, зная об изменении энергии КА при пролете у планеты, оставался якобы «в плену» гоманновских траекторий. Дерек Лауден (1954) вычислял приращение скорости от пролета планеты, но не указывал на возможность его использования. (Ознакомившись с этими претензиями, мы не были удивлены, узнав, что Минович является держателем целого ряда патентов.) О работах советских специалистов, выполненных в конце 1950-х гг., и о полете «Луны-3» он «благоразумно» не упоминает.

Если уж говорить о предшественниках, то нужно заметить, что работа Ф. А. Цандера «Перелеты на другие планеты (Теория межпланетных путешествий)», написанная в 1925–1929 гг., была впервые опубликована на русском языке в 1961 г. – воспользоваться ею американец не мог. Но при внимательном прочтении видно, что Цандер использовал тот же принцип суммирования вектора планетоцентрической скорости КА и скорости самой планеты, что и Минович, вычислял изменение энергии и гелиоцентрической скорости после пролета, считал приращение скорости в результате гравитационного маневра важным ресурсом, оценивал соответствующую ему экономию топлива и поставил вопрос о вычислении максимально возможного удаления корабля от Солнца в результате пролета планеты. Единственное, что Цандер не сделал, – это не направил свой корабль после гравитационного маневра к другой планете.

«Большой тур» начинается

Второй и последний отчет Майкл Минович выпустил в феврале 1965 г. – он был посвящен использованию гравитационного поля Юпитера для полетов к дальним планетам, выхода из плоскости эклиптики и отправки зонда в окрестности Солнца. Все эти идеи были реализованы в период со второй половины 1970-х до начала 1990-х гг.

Автор указывал на возможность перелета по трассе Земля – Юпитер – Сатурн в 1976 г. и Земля – Юпитер – Плутон в 1977 г. с продолжительностью полета до Плутона всего в семь лет. Один из представленных в отчете вариантов предусматривал запуск КА 8 сентября 1977 г. с возможностью дальнейшего полета от Юпитера к Сатурну. Расчет этой траектории, однако, закончен не был: в распоряжении Миновича не было эфемерид планет на период после 1980 г.

Не был он, кстати, и первым, кто опубликовал предложение о гравитационном маневре у Юпитера: Максвелл Хантер, знакомый с работами Миновича, еще в 1964 г. предложил использовать такой пролет для быстрого достижения внешних планет. А осенью 1965 г. с аналогичной идеей выступил аспирант Калифорнийского технологического института Гэри Фландро, приглашенный в JPL продолжить исследования Майкла Миновича.

Он выполнил расчеты различных вариантов пролета внешних планет с использованием поля тяготения Юпитера в 1975–1981 гг. Фландро показал, в частности, что при запуске в 1976–1978 гг. можно осуществить последовательный пролет всех четырех внешних планет – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна – при весьма скромной отлетной скорости. Фландро дал этой поистине головокружительной траектории название Grand Tour («Большой тур» или «Великое путешествие»), хотя проекты с таким наименованием уже существовали³. Было ясно, что это уникальная возможность: следующего благоприятного периода для пролета всей четверки больших планет пришлось бы ждать почти 180 лет.

Наибольший интерес к «Большому туру» проявила, что неудивительно, Лаборатория реактивного движения, базирующаяся в Пасадене, в Калифорнии. Уже в декабре 1966 г. руководитель перспективного планирования JPL Хомер Стюарт, говоря современным языком, пропиарил проект «межпланетного бильярда» в журнале Astronautics & Aeronautics. Там же освещались дальнейшие этапы работы над проектом.

Детальное изучение траекторий показало, что пуски по трассе «Большого тура» в принципе возможны в период с 1976 по 1980 г. Как установил в 1967 г. Брент Силвер из Lockheed Missiles and Space Company, в наибольшей степени траектория зависела от того, на каком расстоянии от Сатурна можно будет пройти. Траектории, проходящие сквозь кольца Сатурна, нельзя было рассматривать всерьез из-за высочайшей вероятности гибели аппарата от столкновения с образующими их частицами. Пролет между нижним краем колец и поверхностью Сатурна, по так называемой внутренней траектории, увеличивал отлетную скорость и сокращал продолжительность маршрута до Нептуна на два-три года по сравнению с пролетом выше колец, но условия в этой области были неизвестны, и навскидку шансы благополучно миновать ее оценивались не более чем в 50 %.

Оптимальное время старта к Юпитеру повторялось с интервалом в 13 месяцев. Почему так? Будем считать орбиты обеих планет круговыми. Земля движется вокруг Солнца с угловой скоростью 1 оборот за год, а Юпитер – 1/12 оборота за год. Разность угловых скоростей составляет 11/12, а значит, одно и то же оптимальное взаимное положение двух планет повторяется через 12/11 года⁴. В реальности обе орбиты немного эллиптические, эллипсы несоосны, а плоскость орбиты Юпитера наклонена на 1,3° к эклиптике. Поэтому оптимальные даты слегка «плавали», а требуемые отлетные скорости заметно отличались. Минимальными они были в 1976 г., а максимальными – в 1980 г.

Разумеется, с каждым годом Сатурн и остальные внешние планеты смещались, отставая от Юпитера; отсюда вытекали дополнительные ограничения на условия встреч. Чтобы при пуске в 1976 г. пройти по «внутренней» траектории у Сатурна, нужно было сначала пролететь на высоте всего 1500 км над Юпитером. Опять же, это расценивалось как неприемлемый риск – как физический, в силу неизвестных пока опасностей, так и баллистический – такую точность прицеливания было трудно реализовать. В 1977 и 1978 гг. полеты по «внутренним» траекториям были намного более выгодными. Сходным образом лучшие из «внешних» траекторий получались в 1976 и 1977 гг.; после этого аппарат прошел бы слишком далеко от Юпитера, чтобы изучить его детально.

Дальнейшие уточнения показали, что наиболее благоприятны пуски в 1977 и 1978 гг. по «внутренней» траектории – условные обозначения 1977I и 1978I, а также в 1977 г. по «внешней» траектории 1977E. Их основные данные приведены в таблице 2.

К концу 1960-х уже не было проблемой придумать и рассчитать межпланетную траекторию с гравитационными маневрами, пусть даже очень хитроумную. Намного сложнее и дороже были следующие шаги на пути к реализации проекта. Имеет ли полет по предложенной траектории очевидную ценность? Каким должен быть облик космического аппарата, способного пройти по ней? Какую научную программу он мог бы выполнить и какие приборы нужно для этого сделать и поставить? Какой носитель потребуется для того, чтобы отправить его в долгое путешествие?

Подготовив ответы на вопросы о потенциальной реализуемости проекта, разработчики должны были доказать необходимость его осуществления, то есть убедить в этом руководство NASA и научное сообщество, которому больше импонировали малые краткосрочные миссии с быстрой отдачей, а затем и правительство, чтобы получить необходимые – и немалые – средства.

В течение нескольких лет было предложено несколько вариантов реализации «Большого тура» и других перспективных проектов изучения дальних планет с аппаратами разного класса и на носителях разной грузоподъемности.

Верхнюю планку возможностей определяла комбинация двух ступеней ракеты «Сатурн V» и третьей ядерной ступени NERVA с тягой 34 тс и удельным импульсом 825 секунд – почти вдвое бóльшим, чем у штатной кислородно-водородной ступени⁵. Вместе они могли отправить в облет Юпитера полезный груз массой 25 т, в то время как обычный «Сатурн V» – лишь примерно 9 т. Для масштаба: самым тяжелым американским межпланетным аппаратом 1970-х гг. был марсианский «Викинг» (Viking) – чуть более 3500 кг.

Центр космических полетов имени Маршалла, головной разработчик «Сатурна V», предлагал космический комплекс исключительной сложности. Он должен был не просто пройти трассу «Большого тура», но дополнить «обязательную программу» сбросом зондов в атмосферы Юпитера и Сатурна и выходом отделяемых спутников на орбиты вокруг них, а также отправкой отдельного зонда к Плутону.

«Сатурн V» вышел в 1967 г. на летные испытания. Агентство заказало 15 экземпляров носителя под программу «Аполлон» и в проекте бюджета на 1970 финансовый год (ф.г.) просило средства на начало производства еще трех летных машин, но не было уверено, что их получит⁶. Двигатель NERVA ожидался примерно в 1975 г., а ракетная ступень с ним – к 1978 г., в лучшем случае – к 1977-му. На доводку ядерного двигателя до летного статуса требовалось примерно 600 млн долларов, а на разработку ступени – 500 млн. И затем весь дорогостоящий комплекс «Большого тура» пришлось бы поставить на первую летную ступень со всеми сопутствующими рисками.

В общем, Управление космической науки и приложений NASA не могло открыто отказаться от такой возможности, не внушив законодателям сомнений в необходимости ядерной ступени, но уже в марте 1969 г. сообщило Конгрессу, что «Большой тур» можно реализовать и без нее. И хотя агентство пока не было готово предъявить ни оптимального варианта программы, ни носителя, ни оценки стоимости, заместитель администратора NASA по космической науке Джон Ногл все-таки дал понять, что NASA очень серьезно просчитывает проекты на базе ракеты «Титан-Центавр»⁷.

Выбор носителя и здесь был непрост, потому что затрагивал межведомственные интересы. Носители семейства «Титан» были созданы по заказу ВВС США для запуска военных аппаратов. NASA намеревалось запустить в 1971 г. два тяжелых межпланетных аппарата с целью мягкой посадки на Марс на своей ракете «Сатурн IB» с дополнительной ступенью «Центавр» (Centaur). Этот проект тоже назывался «Вояджер» и имел несчастливую судьбу: в октябре 1965 г. отменили разработку носителя, а в октябре 1967 г. Конгресс прекратил финансирование марсианского аппарата. Проект возродился год спустя под новым именем «Викинг» и с новым носителем: NASA договорилось с ВВС об установке ступени «Центавр» на военный носитель «Титан IIID». Правда, стоимость такой комбинации была головокружительной: 43 млн долларов на работы по интеграции и 19 млн за каждый летный экземпляр, в то время как серийный «Атлас-Центавр» обходился в 10 млн, но зато и грузоподъемность при запуске к Марсу с отлетной скоростью около 12 км/с достигала 3700 кг. Новый носитель «Титан-Центавр» получил еще два официальных обозначения – «Титан IIIE» и «Титан 23E».

Джон Ногл обещал принять решение о характере «Большого тура» в августе-сентябре 1969 г., чтобы затребовать необходимое финансирование начиная с 1971 ф.г. Он также отметил, что, помимо основной версии с пролетом всех четырех внешних планет, имеется ряд возможностей для посещения только двух или трех – эти сценарии получили название «мини-туры».

25 марта 1969 г. сенаторы заслушали доклад Дональда Харта, директора планетарных программ в управлении Ногла. Он сообщил, что не далее как в январе была найдена очень перспективная траектория Земля – Юпитер – Сатурн – Плутон со стартом в 1977 или 1978 г. продолжительностью полета семь лет. Столь же быстро можно было бы пройти маршрут Земля – Юпитер – Уран – Нептун со стартом между 1978 и 1980 гг.

В мае 1969 г. Рабочая группа по внешним планетам, созданная при Управлении космической науки и приложений NASA, поддержала идею разделить «Большой тур» надвое и исследовать двумя аппаратами все пять дальних планет. Подробное изложение нового сценария сделал Джеймс Лонг из Отдела перспективных проектов Лаборатории реактивного движения JPL в июньском номере Astronautics & Aeronautics, а, чтобы все поняли, что проект санкционирован «наверху», NASA оповестило об этой публикации специальным пресс-релизом от 2 июня 1969 г.

Предполагалось, что первый аппарат GT1 стартует в августе 1977 г., минует Юпитер в январе 1979 г. и Сатурн в августе 1980 г., а затем направится к Плутону, которого достигнет в январе 1986 г. При этом «гравитационная роль» Сатурна заключалась главным образом в повороте траектории КА под 25° к плоскости эклиптики – поскольку в момент ожидаемой встречи Плутон находился примерно в 8 а.е. над нею. Дополнительным достоинством сценария, обозначаемого JSP77 – по первым буквам названий исследуемых планет и году старта, был назван безопасный пролет Сатурна выше колец.

Далее аппарат GT2 запускается в ноябре 1979 г. и следует по маршруту JUN79, то есть Юпитер (апрель 1981 г.) – Уран (май 1985 г.) – Нептун (июль 1988 г.), завершая разведку оставшихся планет-гигантов.

За счет разделения задач максимальная продолжительность полета уменьшалась с 12 до 9 лет, что несколько упрощало реализацию. Аппараты запитывались от радиоизотопного генератора. Двигательная установка предлагалась в двух вариантах – на ЖРД или на электроракетных двигателях. Стартовая масса зонда была около 540 кг, в качестве носителя Лонг вновь назвал комбинацию «Титана» с верхней ступенью «Центавр».

Рабочая группа также предложила создать для скорейшего исследования внешних планет более дешевый аппарат класса «Маринер». Созванная в июне 1969 г. конференция ученых из Комиссии по космической науке поддержала эту идею и выдала на-гора план аж из пяти пусков в порядке приоритетов: один старт в 1974 г. для сброса зонда внутрь Юпитера или для отклонения Юпитером к Солнцу и изучения околосолнечной среды, запуск в 1976 г. с целью создания спутника Юпитера, две миссии «Большого тура», описанные выше, и дополнительная экспедиция к Урану и Нептуну со сбросом зондов в начале 1980-х.

В описываемое время NASA еще не имело опыта создания межпланетных аппаратов с гарантированным сроком активного существования в несколько лет. Нужно было доказать техническую реализуемость проекта с учетом большой продолжительности полета (от 7 до 13 лет в зависимости от сценария). С этой целью в JPL в июле 1968 г. была начата перспективная работа по теме TOPS: Thermoelectric Outer Planets Spacecraft, то есть «Термоэлектрический КА для внешних планет». Она предусматривала подготовку проекта, изготовление и испытание отдельных систем и инженерного макета КА, а также создание системы сертификации для длительных миссий. Сначала проработка велась по основному сценарию «Большого тура», затем – для вариантов JSP и JUN.

В декабре 1968 г. необходимый объем средств на проект TOPS был оценен в 17,5 млн долларов; фактически до декабря 1971 г. был израсходован 21 млн – 7 млн в 1970-м, 10 млн в 1971-м и 4 млн в 1972 ф.г., причем от изготовления инженерного макета по ходу реализации отказались. Предварительный проект TOPS был закончен к маю 1970 г., общее описание аппарата и его подсистем появилось в сентябрьском номере Astronautics & Aeronautics, а проект в целом представлен на брифинге для представителей промышленности в сентябре 1971 г.

Проектанты предложили аппарат, питаемый от четырех радиоизотопных генераторов типа MHW-RTG на плутонии-238 суммарной мощностью 550 Вт в начале и 439 Вт после девяти лет использования. Источники питания размещались на откидной 1,5-метровой штанге, служебная аппаратура экранировалась от их воздействия. Предусматривалась и защита от мощных радиационных полей, ожидавшихся в окрестностях Юпитера. Камеры и другие научные инструменты размещались на поворотной (сканирующей) платформе. Штанга магнитометра и детектора плазмы имела длину 9,1 м. Всего под полезную нагрузку резервировалось 107 кг массы и 115 Вт мощности.

TOPS должен был иметь трехосную систему стабилизации, измерительными устройствами которой были солнечный датчик и датчик Канопуса, используемые на АМС серии «Маринер», а исполнительными – маховики, работающие от электросети КА и требующие лишь минимального расхода гидразина в сеансах разгрузки за счет включения в импульсном режиме двигателей ориентации тягой по 0,23 кгс⁸. Коррекции траектории возлагались на однокомпонентный ЖРД тягой 25 фунтов (11,3 кгс, 110 Н) с запасом топлива, соответствующим суммарному приращению скорости 220 м/с.

Связной радиокомплекс включал командный приемник S-диапазона, передатчики диапазонов S и X с усилителями двух разных типов и четыре антенны: остронаправленную зонтичную диаметром 4,26 м, разворачиваемую после запуска КА и сходную по конструкции с антенной лунного научного комплекса ALSEP, малонаправленную и две ненаправленные. Он обеспечивал передачу от Нептуна, с расстояния 30 а.е., на скорости 2048 бит/с, что позволяло за 11 суток принять на Земле до 400 снимков размером по 5 Мбит каждый. Для промежуточного хранения данных предусматривалось два записывающих устройства на магнитной ленте емкостью по 1 Гбит и буферная память на 64 Мбит. При пролете Юпитера всю информацию можно было передавать в реальном масштабе времени со скоростью 131 072 бит/с.

Как это делается: биты и байты

Бит – это универсальная единица информации с двумя значениями – 1 («да») и 0 («нет»). Один бит в секунду можно передавать даже фототелеграфом: если в данную секунду фонарь дает вспышку, то это единица, а если нет, то ноль. Высокоскоростные оптические линии передачи информации начинают применяться на околоземных КА, но дальний космос пока остается сферой применения радиоканалов. Последовательность передаваемых битов перед отправкой кодируется так, чтобы можно было свести к минимуму ошибки на приемной стороне. До кодирования может также проводиться сжатие информации математическими методами. Лишь на Земле после приема и обработки сигнала данные (например, изображение) могут быть преобразованы в привычную нам байтовую структуру, по 8 бит в байте, и сохранены в том или ином компьютерном формате.

Учитывая продолжительность полета и большое время радиообмена (порядка восьми часов у Нептуна!), аппарат должен был обладать высокой автономностью. Отсюда необходимость установки бортового компьютера. Но что если откажет сам компьютер?

Для решения этой проблемы в JPL уже несколько лет велась разработка управляющей машины STAR⁹ с возможностями самотестирования и самовосстановления. В 1965 г. команда д-ра Альгирдаса Авижениса¹⁰ создала первую работающую модель компьютера типа STAR, а к 1969 г. – собственно компьютер из десяти модулей, способный в течение 0,01 секунды выявить неполадку и выполнить необходимую переконфигурацию. За состоянием модулей по выдаваемым ими диагностическим сообщениям следил специальный троированный процессор TARP. В виде рабочего макета этот комплекс занимал три стойки в человеческий рост, так что миниатюризация его представляла серьезную проблему.

В итоге для TOPS был создан управляющий компьютер CCS – сильно упрощенная версия STAR с сокращенным набором инструкций и лишь с четырьмя процессорами: управляющим, ввода-вывода, логики и прерываний. Память состояла из 12 288 32-битных слов, производительность достигала 28 000 операций в секунду. Компьютер вместе с блоками памяти весил 21 кг.

Носитель для TOPS по заданию представлял собой «Титан-Центавр» с дополнительной твердотопливной верхней ступенью типа Burner II. Без нее необходимая скорость отлета к Юпитеру не набиралась вообще, но и с нею для спроектированного аппарата массой 821 кг грузоподъемности не хватало, особенно в пусках 1979 г. Разработчикам предстояло искать какой-то компромисс.

Компания Martin Marietta Corp. тем временем прорабатывала зонд для спуска в Юпитер и проведения уникальных исследований в атмосфере планеты-гиганта. При использовании аппарата-носителя TOPS зонд с приборами массой 8,6 кг предстояло отделять на расстоянии 26 млн км от Юпитера. Он входил в атмосферу со скоростью 50 км/с, тормозился и осуществлял спуск на протяжении 2,5 часов до глубины 400 км, где давление в 300 раз превышает земное¹¹.

Увы, столь красивый результат получался только при целевом запуске. Если же TOPS шел по траектории «Большого тура», то после сброса с него на подлете зонд мог погрузиться лишь до отметки 10 атм. Чтобы достичь больших глубин, требовалось значительное усложнение конструкции, но так называемый двухступенчатый зонд получался слишком тяжелым и плохо вписывался в схему гравитационного маневра к Сатурну. В общем, атмосферные зонды лучше было планировать вне программы «Большого тура».

Проект «Пионер-F/G»

С самого начала проектных работ по теме «Большой тур» было очевидно, что неразумно отправлять тяжелый дорогостоящий аппарат в многолетнее путешествие со сложным заданием, не имея никакого представления об условиях пути. Нужен был аппарат-разведчик, который пересечет пояс астероидов и исследует обстановку вплоть до орбиты Юпитера. На нем можно было бы также отработать некоторые новые системы и получить опыт связи и управления на больших расстояниях.

Так это обычно описывают сегодня с позиций послезнания, но начиналось все иначе.

Началось все, как это ни парадоксально, с проекта солнечного зонда, подготовленного в июле 1960 г. в Исследовательском центре имени Эймса. В Национальном консультативном комитете по аэронавтике NACA, преобразованном в 1958 г. в NASA, этот центр, расположенный рядом с авиастанцией ВМС США Моффетт-Филд в Калифорнии, между Сан-Франциско и Сан-Хосе, специализировался на авиационных исследованиях, а теперь хотел «застолбить» за собой и долю в быстро развивающейся космической программе.

Группа сотрудников во главе с Чарльзом Холлом предложила совершить разведку ближних окрестностей Солнца – проникнуть на расстояние 0,3 а.е. (45 млн км) от светила и добыть уникальные научные результаты о состоянии межпланетной и околосолнечной среды. Мощность солнечного излучения в этой области была вдесятеро больше, чем у Земли, и достигала 15 кВт/м², однако инженеры показали, что аппарат конической формы, постоянно ориентированный острым концом на Солнце, способен выдержать нагрев.

Директор Центра Эймса Смит ДеФранс поддержал проект и в сентябре 1960 г. преобразовал неформальный коллектив разработчиков в подразделение с официальным статусом. Однако заручиться поддержкой головного офиса NASA в Вашингтоне оказалось непросто. Лишь в начале 1962 г. Холл встретился с заместителем директора Управления космической науки Эдгаром Кортрайтом, который – вполне ожидаемо – сказал, что молодая команда без реального опыта разработки космических систем взялась за слишком сложную задачу. Он предложил сначала подумать о создании простого аппарата для изучения межпланетной среды без столь опасного приближения к Солнцу.

Технико-экономическое обоснование проекта подготовила за два с половиной месяца – тогда все делалось быстро – компания Space Technology Laboratories (STL) из Редондо-Бич, пригорода Лос-Анджелеса. Результаты были представлены заместителю администратора NASA Роберту Симансу в июне 1962 г., а 9 ноября он подписал документ об утверждении проекта. Кооперация в сущности уже сложилась, но по требованию головного офиса NASA был проведен двухэтапный конкурс, который выиграла STL. В августе 1963 г. ей был выдан предварительный, а в июле 1964 г. – окончательный контракт. В июле 1965 г. STL была преобразована в TRW Systems Group, а 16 декабря 1965 г. стартовал первый из пяти изготавливаемых ею межпланетных зондов.

Проектное название этого КА было «Пионер-A» (Pioneer A). После успешного запуска ему дали имя «Пионер-6», хотя с предыдущими лунными «Пионерами» у него не было ничего общего, а с «Пионером-5», исследовавшим в марте – июне 1960 г. пространство между орбитами Земли и Венеры, новый зонд состоял разве что в идейном родстве. Следующие аппараты с буквенными индексами от B до E запускались ежегодно с 1966 по 1969 г. Три стартовали удачно и получили названия от «Пионера-7» до «Пионера-9»; последний аппарат серии, собранный ради экономии средств из запчастей, погиб из-за отказа навигационной системы ракеты-носителя.

Согласно проекту, гарантированное время работы каждого аппарата составляло шесть месяцев. В самых смелых мечтах команда Чарльза Холла не могла себе представить, сколько они проработают на самом деле! На протяжении многих лет четыре цилиндрических, стабилизированных вращением «Пионера» передавали информацию о состоянии межпланетной среды на расстояниях от 0,75 до 1,12 а.е. от Солнца. Бортовые приборы сообщали о силе межпланетного магнитного поля, об ионах и электронах солнечного ветра, о плотности электронной плазмы, о солнечных и галактических космических лучах. «Пионер-9» вышел из строя в 1983 г. Эпизодические контакты с тремя остальными аппаратами осуществлялись до 31 марта 1997 г., а последний сеанс связи с «Пионером-6» состоялся 8 декабря 2000 г., через 35 лет после запуска!

Отличная работа первых аппаратов серии свидетельствовала о хорошей продуманности проекта и качественной реализации. Появилось желание расширить зону исследования межпланетных «Пионеров», причем как во внутреннем направлении, то есть к орбите Меркурия и даже ближе к Солнцу, так и в наружном – до орбиты Юпитера.

Первую заявку на развитие проекта NASA сделало в проекте бюджета на 1969 ф.г.¹², представленном в Конгресс 29 января 1968 г. Два новых аппарата, уже тогда получившие обозначения «Пионер-F» и «Пионер-G», должны были совершить полет «за орбиту Марса, через пояс астероидов и к орбите Юпитера». В качестве научных задач были названы определение «градиента влияния Солнца на межпланетное пространство и проникновения галактического космического излучения в Солнечную систему». Запустить их планировалось в 1973–1974 гг.

Подчеркнем, что новые «Пионеры» сначала не предназначались для изучения Юпитера, а тем более Сатурна. NASA надеялось лишь выполнить облет планеты с гравитационным маневром и достичь за счет этого еще бóльших расстояний от Солнца. Совершая полет на спаде солнечной активности и в период ее минимума, эти зонды могли бы, как верили тогда ученые, «изучить положение границы между солнечной короной и межзвездной средой». Буквально этими словами Джон Ногл обосновывал сроки стартов на слушаниях в Конгрессе 19 февраля 1968 г. Говоря современным языком, речь шла о гелиопаузе – границе областей господства солнечного ветра и межзвездного вещества. Тогда ученые всерьез полагали, что она может находиться сразу за орбитой Юпитера или даже перед нею, и если это так, то «Пионеры» могли бы первыми проникнуть в межзвездную среду.

Конгресс в законе о разрешении финансирования одобрил проект «Пионер-F/G», и 20 августа 1968 г. Исследовательскому центру имени Эймса было предписано начать работу. Подрядчиком вновь стала фирма TRW Systems – уже в октябре она представила в Центр Эймса аванпроект нового зонда-разведчика по теме «Пионер-Юпитер». Внешне он был не очень похож на те, что стартовали в действительности, – достаточно сказать, что в основном варианте питание предполагалось от шести больших панелей солнечных батарей. А вот носители, годы старта и траектории выбрали уже тогда.

В январе 1969 г. в составе проекта бюджета на 1970 ф.г. впервые были запрошены средства на создание двух КА в рамках общей программы «Пионер». Теперь уже достижение Юпитера значилось официальной целью нового проекта, как и оценка потенциальных угроз для «Большого тура». Предстояло измерить свойства заряженных частиц, магнитных полей и радиоизлучения вблизи Юпитера. На основании этих данных можно было изучить состав и динамику атмосферы планеты и ее взаимодействие с межпланетной средой, а также проанализировать тепловой баланс Юпитера и разобраться с источником его внутренней энергии. Однако еще только рассматривалась возможность поставить на «Пионеры» какую-нибудь телевизионную систему для съемки планеты¹³.

Теперь два старта планировались в 1972 и 1973 гг. Аппараты проектировали под носитель «Атлас-Центавр» с дополнительной третьей ступенью, однако NASA намеревалось отправить первый из них на ракете «Титан-Центавр», чтобы испытать ее перед двумя запусками «Викингов» к Марсу весной 1973 г.

Тогда же и в рамках той же программы у Конгресса запросили деньги на совместный межпланетный проект Западной Германии и США под названием «Гелиос» (Helios) с той самой целью, с которой все началось: измерить свойства космической среды вплоть до дистанции 0,3 а.е. от Солнца. Роль головного разработчика взяла на себя ФРГ, которая в основном и финансировала два новых солнечных зонда, а США поставляли часть научной аппаратуры и обеспечивали запуски в 1974 и 1975 гг.

Средств на новые «Пионеры» и на приборы для «Гелиосов» требовалось немного, так что Конгресс не стал упрямиться и деньги выделил. Проект отправки двух «Пионеров» к Юпитеру был утвержден руководством NASA 8 февраля 1969 г. Руководили работами те же люди, что и отвечали за создание зондов предыдущей серии. Менеджером проекта остался Чарльз Холл, глава специального проектного отдела Центра Эймса. Разработку служебного борта вел Ральф Холтцклау, а комплекса научной аппаратуры – Джозеф Лепетич. Роль научного руководителя проекта взял на себя д-р Джон Вулф, он же – руководитель эксперимента по изучению солнечного ветра.

Контракт на разработку, изготовление, испытания и поставку двух одинаковых КА общей стоимостью 38 млн долларов был выдан 11 февраля 1970 г. компании TRW Systems. На фирме проект вел Бернард О'Брайен.

В январе 1970 г. старты «Викингов» были отложены с весны 1973-го на лето 1975 г. Как следствие, отпала необходимость в испытательном пуске ракеты «Титан-Центавр» в 1972 г.¹⁴, и единственным носителем «Пионеров» остался «Атлас-Центавр» компании General Dynamics/Convair с дополнительным разгонным блоком TE-M-364–4. Фактически это была верхняя ступень от ракеты «Дельта» с твердотопливным двигателем тягой 6800 кгс от фирмы Thiokol Chemical Company. Эта комбинация обеспечивала для аппарата стартовой массой 258 кг при прямом выведении (без промежуточной опорной орбиты) отлетную скорость 14,5 км/с и достижение Юпитера через 600–750 суток.

Чтобы зонд влез под головной обтекатель диаметром 3,05 м, параболическую остронаправленную антенну высокого усиления HGA¹⁵ сделали диаметром 2,74 м. В частотном диапазоне S она имела коэффициент усиления 33 дБ¹⁶ при ширине луча 3,3°. Над ее чашей на трехногой опоре на высоту 1,2 м была вынесена рупорная антенна среднего усиления MGA, дающая 12 дБ усиления в луче шириной 32°. Высота аппарата от кольца адаптера для установки на третьей ступени ракеты-носителя (РН) и до антенны MGA составила 2,9 м.

Корпус станции был выполнен в виде шестиугольной призмы высотой 0,36 м и диаметром описанной окружности 1,42 м – стороны соответственно были по 0,71 м, то есть ровно по одному аршину в ширину. С одного бока к корпусу крепился контейнер с научной аппаратурой, тоже шестиугольный, толщиной 0,49 м, с другого – блок оптических датчиков космической пыли. Между корпусом и антенной HGA располагалась третья антенна – всенаправленная низкого усиления LGA (5 дБ).

В проекте «Пионер-F/G» впервые в практике автоматических межпланетных КА был применен радиоизотопный источник питания. Как известно, мощность, приходящая от Солнца на единицу площади, ослабевает как квадрат расстояния, и уже у Юпитера она в 26 раз меньше, чем у Земли. Сейчас существуют высокоэффективные фотоэлементы, способные давать достаточное питание на таком расстоянии от светила. В начале 1970-х это еще было фантастикой.

Поэтому аппарат был запитан от радиоизотопных генераторов SNAP-19 на плутонии-238, изготовленных компанией Teledyne Isotopes из топливных дисков Лос-Аламосской лаборатории и оснащенных термоэлектрическими преобразователями. Четыре таких генератора вместе выдавали 155 Вт электрической мощности при запуске и 140 Вт к моменту достижения Юпитера. Для питания систем КА было нужно 100 Вт, для научной аппаратуры – еще 26 Вт. Избытком мощности заряжали серебряно-кадмиевую аккумуляторную батарею либо излучали его через шунт-радиатор. Бортовая сеть работала при напряжении 28 В.

Чтобы генераторы создавали как можно меньше помех научной аппаратуре, их установили попарно на концах двух ферменных штанг, отводимых в сторону от корпуса на 2,7 м. На третьей штанге длиной 5,2 м разместили датчик магнитометра, так что он отстоял на 6,6 м от оси. Таким образом, аппарат был не вполне симметричен, и ось вращения его отстояла от оси антенны HGA примерно на 20 см.

Как это работает: Радиоизотопный генератор

Радиоизотопный генератор содержит искусственно созданный нестабильный изотоп, медленный распад которого сопровождается выделением тепловой энергии. Как правило, это тепло преобразуется в электроэнергию с помощью нагреваемых термопар: этот процесс имеет невысокий КПД, зато реализуется без каких-либо движущихся частей, то есть весьма надежно. В англоязычной литературе такая комбинация источника и преобразователя называется RTG, в публикациях на русском языке она получила более содержательную аббревиатуру – РИТЭГ.

В качестве активного изотопа почти всегда используется ²³⁸Pu (плутоний-238) в виде двуокиси плутония. Он самопроизвольно превращается в уран-234, испуская альфа-частицу с энергией 5,6 МэВ. Число распадов таково, что 1 г свежего плутония-238 дает примерно 0,567 Вт тепловой мощности. Необходимое количество изотопа несложно оценить, зная, что каждый из четырех генераторов «Пионеров» имел начальную тепловую мощность 650 Вт и электрическую – около 39 Вт. Избыток тепла сбрасывался излучением через шесть плоских радиаторов.

Период полураспада ²³⁸Pu составляет 87,7 года, то есть за это время количество распадов и тепловая мощность генератора, снижаясь по экспоненте, сократятся вдвое. Электрическая мощность падает быстрее, так как термоэмиссионный преобразователь со временем также теряет свои характеристики.

Система терморегулирования обеспечивала температуру от –23° до +38 ℃ в контейнере научной аппаратуры и необходимый подогрев компонентов, расположенных вне его. Исполнительными органами системы были термочувствительные жалюзи на нижнем днище корпуса, открываемые биметаллическими пружинами, электрические нагреватели и 12 одноваттных радиоизотопных нагревателей, постоянно поддерживающих тепловой режим клапанов двигателей, солнечного датчика и магнитометра. Корпус аппарата был «укутан» в многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию.

Система ориентации и стабилизации включала датчик звезды Канопус и два солнечных датчика в качестве измерительных средств, а также ЖРД на каталитически разлагаемом гидразине в качестве исполнительных органов – два двигателя SCT¹⁷ для изменения скорости вращения и четыре VPT¹⁸ для управляемой прецессии оси вращения и коррекций траектории. Двигатели были скомпонованы в три блока и размещены под вырезами на периферии антенны HGA. Два сопла (VPT 2 и 4) смотрели вдоль оси КА вниз, два (VPT 1 и 3) – вверх и два (SCT 1 и 2) – по касательной к окружности антенны в противоположные стороны. Двигатели могли работать поодиночке и попарно в непрерывном или импульсном режиме, развивая тягу от 0,52 до 0,24 кгс в зависимости от давления подачи топлива. Сферический бак заправлялся 27,2 кг гидразина и наддувался азотом.

Аппарат стабилизировался вращением с таким расчетом, чтобы антенна HGA была направлена в сторону Земли с отклонением не более 0,8°. Автоматическое наведение на Землю обеспечивала система конического сканирования CONSCAN. Облучатель антенны HGA мог принимать два положения: штатное осевое и со смещением, соответствующим отклонению основного лепестка диаграммы направленности на 1° от оси. Во втором случае мощность принимаемого с Земли сигнала модулировалась вращением аппарата. В соответствии с его амплитудой специальный бортовой процессор формировал раз в три оборота команды на кратковременное включение двигателей для разворота оси вращения в направлении Земли. Ось антенны MGA имела постоянное отклонение 9° от этой оси.

Никакого компьютера на борту не предусматривалось. В принципе бортовые ЭВМ к моменту создания КА «Пионер-F/G» уже существовали, но они были еще слишком велики и тяжелы. Отсутствие компьютера влекло необходимость выдачи с Земли большого количества команд, и в основном в реальном времени. Если, конечно, можно применить такой термин к условиям радиообмена с Юпитером, когда нужно примерно 45 минут, чтобы сигнал дошел «туда», и еще 45, чтобы вернулся «обратно».

Радиосистема включала, помимо трех упомянутых антенн, два передатчика мощностью 8 Вт на лампах бегущей волны и два приемника. Аппарату F выделили в S-диапазоне литер частоты 6, что соответствовало передаче на частоте 2292,037 МГц и приему на 2110,584 МГц, а аппарату G – литер 7 (2292,407 и 2110,925 МГц). Любой передатчик можно было подключить к антенне HGA либо к паре MGA/LGA.

Блок цифровой телеметрии мог готовить данные в 11 разных форматах для передачи на Землю со скоростью от 16 до 2048 бит/с, в том числе с конволюционным кодированием и с возможностью выявления и коррекции сбойных битов. Самая высокая скорость предназначалась для начального этапа полета при приеме на Земле на 26-метровую антенну. Прием от Юпитера планировался уже на 64-метровые антенны со скоростью 512 бит/с для некодированного сигнала или 1024 бит/с при использовании конволюционного кодирования.

Для временного хранения информации на борту служило запоминающее устройство DSU¹⁹ на ферритовых сердечниках емкостью 49 152 бит, или, если угодно, шесть килобайт. (Вдумайтесь в эти числа – в начале 2000-х гг., в дни, когда аппараты мультиспектрального зондирования уже оснащались запоминающими устройствами емкостью в десятки гигабит, жил, работал и вел передачи с расстояния 12 млрд км аппарат, имеющий в миллионы раз меньшую память!)

По командной радиолинии теоретически можно было передать 255 разных команд, из которых лишь 222 были нужны в реальности: 149 предназначались для управления системами КА и 73 для научной аппаратуры. Два декодера и блок распределения команд определяли достоверность каждой посылки и ее адресата. Так как команда состояла из 22 бит и передавалась со скоростью 1 бит/с, на ее прием на борту требовалось 22 секунды. Аппарат имел программную память на целых пять команд (!), которые могли быть выполнены друг за другом с заданными временными интервалами. Вот с такими средствами NASA в первый раз отправилось штурмовать Юпитер…

Чтобы обеспечить работу КА в течение 24 месяцев, разработчики максимально упростили борт за счет усложнения наземной части. Общий принцип проектирования состоял в том, чтобы никакой единичный отказ не был катастрофичным для выполнения полетного задания. Главные компоненты задублировали, остальные ставили на борт только при наличии опыта использования в космосе. Электронные компоненты подвергли предварительной отработке на Земле, чтобы избежать ранних отказов.

Научные задачи «Пионеров» в межпланетном полете включали картирование межпланетного магнитного поля (и поэтому аппараты сделали «магнитно чистыми» в максимальной возможной степени), солнечного ветра и космических лучей местного и галактического происхождения, а также межпланетной пыли. Во время встречи с Юпитером предстояло измерение магнитного поля, исследование радиационных поясов, поиск источников радиоизлучения планеты, измерение температуры и изучение структуры ее атмосферы, съемка самого Юпитера и его спутников.

Из 150 полученных предложений для установки на КА «Пионер-F/G» в марте 1969 г. были выбраны 11 научных инструментов:

1) видовой фотополяриметр IPP (Imaging Photopolarimeter) для фотометрической и поляриметрической съемки с четырьмя детекторами на два диапазона длин волн (390–500 и 595–720 нм) и две поляризации, способный также формировать цветные изображения Юпитера и его спутников размером примерно 500 × 500 элементов;

2) ультрафиолетовый фотометр UVP (Ultraviolet Photometer) для регистрации рассеяния света атмосферой Юпитера в линиях водорода и гелия (121,6 и 58,4 нм), а также для оценки количества межзвездного нейтрального водорода и гелия, проникающего в гелиосферу извне, и концентрации водорода в межзвездной среде;

3) инфракрасный радиометр IRR (Infrared Radiometer) – двухканальный прибор (14–25 и 29–56 мкм) для измерения теплового потока от диска Юпитера и его распределения по поверхности.

4) анализатор плазмы PA (Plasma Analyzer) для измерения плотности потока, направления движения и энергии протонов и электронов солнечного ветра. Анализатор высокого разрешения имел 26 каналов с фотоумножителями на диапазон энергий от 0,1 до 8 кэВ. Анализатор среднего разрешения включал пять электрометров для регистрации ионов с энергиями 0,01–18,0 кэВ и электронов 1–500 эВ;

5) прибор для регистрации заряженных частиц CPI (Charged Particle Composition Instrument). Два телескопа частиц межпланетной среды были рассчитаны на ионы с энергией 1–500 МэВ, протоны от 0,4 до 10 МэВ и альфа-частицы. Два датчика захваченных частиц радиационных поясов Юпитера были представлены твердотельной ионной камерой для регистрации электронов от 3 МэВ и детектором протонов с энергией выше 30 МэВ на основе ториевой фольги;

6) телескоп космических лучей CRT (Cosmic Ray Telescope) для регистрации энергетического спектра частиц солнечного и галактического происхождения имел в своем составе два твердотельных телескопа на диапазоны энергий протонов 56–800 МэВ и 3–22 МэВ и третий, измеряющий поток электронов от 0,05 до 1,0 МэВ и протонов от 0,05 до 20 МэВ;

7) гейгеровский телескоп GTT (Geiger Tube Telescope) объединял в своем составе семь датчиков на трубках Гейгера – Мюллера для регистрации потока, энергетического спектра и углового распределения протонов и электронов радиационных поясов с энергиями выше 5 МэВ и от 2 до 50 МэВ соответственно, а также электронов низких энергий (от 40 кэВ);

8) детектор электронов и протонов радиационных поясов Юпитера TRD (Trapped Radiation Detector) – прибор аналогичного назначения, включавший расфокусированный черенковский счетчик электронов высоких энергий (0,5–12 МэВ), детектор электронов низких энергий (100–400 кэВ) и три устройства для дискриминации электронов и протонов: всенаправленный счетчик на твердотельном диоде (частицы до 3 МэВ, протоны 50–350 МэВ) и два сцинтилляционных детектора, позволяющие отличить электроны с энергиями до 5 кэВ от протонов до 50 кэВ;

9) гелиевый векторный магнитометр HVM (Helium Vector Magnetometer) для измерения трех компонент межпланетного магнитного поля в пределах от 0,01 до 140 000 нТл, то есть до 1,4 Гс²⁰;

10) детектор астероидных и метеороидных частиц AMD (Asteroid-Meteoroid Detector﹚ – блок из четырех фотометров, каждый с 20-сантиметровым основным зеркалом и полем зрения 8°, для регистрации объектов размером от астероида до пылинки и определения расстояний до них и скоростей движения;

11) детектор метеороидных частиц MD (Meteoroid Detector) использовал 13 панелей размером 15 × 30 см, которые в сумме занимали площадь 0,605 м² на задней стороне остронаправленной антенны. Каждая панель состояла из 18 ячеек, заполненных аргоном и азотом, так что всего их было 234. Попадание частицы массой от 10^–9 г и выше фиксировалось по пробою стальной мембраны толщиной 25 мкм, а скорость падения давления указывала на ее массу.

Масса научной аппаратуры составила 30 кг. Большая ее часть размещалась в специальном боковом отсеке в нижней части корпуса, за исключением двух датчиков микрометеоритов, анализатора плазмы и телескопа космических лучей. Два эксперимента проводились вообще без размещения специальных приборов на борту – определение массы Юпитера и четырех галилеевых спутников по траекторным измерениям и радиопросвечивание атмосфер Юпитера и Ио сигналом бортового передатчика.

Стоимость двух летных зондов вместе с научной аппаратурой и обработкой данных была оценена в 100 млн долларов. В эту сумму входило также изготовление до конца 1970 г. одного технологического аппарата для наземных испытаний. Носители, запуски и услуги по управлению и приему информации Сетью дальней связи DSN оплачивались отдельно.

Сеть DSN²¹ находилась в подчинении Лаборатории реактивного движения и обеспечивала полет аппаратов «Пионер-F/G» по соглашению с Центром Эймса. Для этого использовались антенны и аппаратура обработки трех комплексов дальней связи в Калифорнии, Австралии и Испании, одна из антенн в Южно-Африканской Республике²² и некоторые привлеченные средства.

Глава 2
Первое путешествие к царю планет

Через пояс астероидов

Старты двух «Пионеров» спланировали с годовым интервалом. Первое астрономическое окно, определяемое движением Земли относительно Юпитера, продолжалось с 27 февраля по 13 марта 1972 г. Этим датам старта соответствовали встречи с планетой в период с 21 ноября 1973 г. по 27 июля 1974 г.

Ракету «Атлас-Центавр» номер AC-27 собрали на стартовой площадке LC-36A мыса Кеннеди²³ 22 декабря 1971 г. Аппарат привезли на космодром 15 января спецсамолетом MiniGuppy, протестировали в монтажно-испытательном корпусе AD, заправили, состыковали с разгонным блоком и укрыли обтекателем, после чего доставили на старт и в середине февраля установили на носитель. 22 февраля подвели итог испытаниям и назначили пуск на 27 февраля. Накануне старта, чтобы свести к минимуму облучение персонала и сооружений стартового комплекса, изделие оснастили РИТЭГами. Стартовая масса ракеты космического назначения была 146 673 кг при высоте 40,3 м.

Пуск назначили на 27 февраля в 20:52 EST²⁴, однако в этот вечер в 19:31 из-за грозы обесточило весь комплекс LC-36. Попытка восстановить питание в 19:43 была безуспешной. На проверку состояния ракеты после сбоя было нужно от часа до двух, ветер на больших высотах все равно был вне допуска, и в 20:01 старт отменили.

Вторая попытка пуска вечером 28 февраля сорвалась опять же из-за ветров и проблемы с перезакладкой программы полета носителя. На 29 февраля с мыса Кеннеди планировался пуск военного аппарата DSP F3, так что високосный день пришлось пропустить. Этот спутник запустили 1 марта, что позволило начать третий отсчет к старту «Пионера». Но и этим вечером пуск к Юпитеру не состоялся: ответственные организации не успели проверить программу выведения. Успехом увенчалась лишь четвертая попытка, хотя и с опозданием на 24 минуты из-за ложного показания датчика наземной системы обеспечения.

Пуск КА «Пионер-F» был произведен 2 марта 1972 г. в 20:49:03,575 EST, что соответствовало 3 марта в 01:49:04 UTC. Через 935 секунд после старта, набрав скорость 14 356 м/с в системе отсчета, связанной с центром Земли²⁵, станция отделилась от третьей твердотопливной ступени и получила официальное имя «Пионер-10» (Pioneer 10).

Через 26 минут после старта в сеансе через 26-метровую антенну DSS-51 в Южной Африке на борт ушла команда активации записанной программы операций. Включением на 56 секунд тормозного двигателя SCT 1 аппарат замедлил свое вращение с 53 до 20 об/мин, а развертывание двух штанг с РИТЭГами снизило его угловую скорость до штатных 4,8 об/мин. После этого расчековали и развернули штангу магнитометра. Среди других событий первого сеанса можно отметить включение первых приборов – магнитометра, детектора метеоритной пыли и инструментов TRD, GTT и CPI для регистрации частиц.

Полетом «Пионера-10» управляли специалисты Центра Эймса при баллистической поддержке JPL с использованием станций Сети дальней связи DSN, обозначенных буквами DSS с числовым индексом. Именно на них принималась информация с борта и оттуда же выдавались команды.

Руководителем полета был сначала Роберт Нунамейкер, затем его сменил Норман Мартин. За траекторный анализ отвечал Роберт Хофстеттер, за служебные системы – Гилберт Шрёдер, за функционирование научной аппаратуры – Ричард Фиммел.

Отлетная скорость аппарата настолько превышала скорость освобождения, что всего через одиннадцать часов после старта он вышел за пределы орбиты Луны, и даже «на бесконечности» осталось около 9200 м/с. Траектория полета к Юпитеру представляла собой дугу гелиоцентрической орбиты со следующими параметрами:

● наклонение – 2,08°;

● перигелий – 0,991 а.е. (148,3 млн км);

● афелий – 5,857 а.е. (876,2 млн км);

● период обращения – 2314 суток (6,34 года).

Программа экспедиции предусматривала облет Юпитера в «прямом» направлении на расстоянии от его центра в 2,85 радиуса планеты, то есть около 203 000 км, чтобы вблизи перицентра угловая скорость аппарата была близка к скорости вращения самого Юпитера. Так называемый режим коротации позволял в течение длительного времени наблюдать ту сторону планеты, где находилось таинственное Большое Красное Пятно. «Официально» оно было открыто и описано за 95 лет до этого, но на самом деле еще в 1664–1665 гг. его наблюдали Роберт Гук и Жан-Доминик Кассини. Уже более 300 лет, сначала с перерывами, а потом и постоянно оно фиксировалось над 22° ю.ш. Юпитера. Что самое поразительное, немного смещаясь по долготе туда и обратно с трехмесячным периодом, в итоге пятно обращалось чуточку медленнее, чем соседние детали поверхности, и за 200 лет отстало от них на три оборота.

Ученые хотели провести «Пионер-10» не только позади Юпитера (это как раз получалось почти автоматически), но и позади его спутника Ио – в надежде обнаружить ионосферу последнего путем радиопросвечивания. В случае прохождения точно по диаметру Ио радиосигнал должен был прерваться на 91 секунду. Что называется, сравните масштабы: диаметр спутника был чуть более 3600 км, чуть больше нашей Луны, а расчетное расстояние до него в момент захода составляло 531 700 км.

Наконец, нужно было учесть оперативные соображения: критическая фаза пролета в пределах от трех радиусов планеты и ближе планировались в пятичасовой период одновременной видимости Юпитера с двух наземных станций в Голдстоуне (Калифорния) и Канберре (Австралия). Если бы на прием работал только один пункт, какой-нибудь сбой привел бы к потере бесценной информации. Две одновременно работающие станции страховали друг друга, сводя вероятность неудачи к минимуму.

Все эти требования в сумме задавали и конкретную точку прицеливания (справа от диска Юпитера, если смотреть с Земли), и точную дату и время пролета – 4 декабря 1973 г. в 02:26 UTC по бортовому времени КА. Земле предстояло отслеживать происходящее с задержкой на время прохождения радиосигнала – 45 мин 54 с для расстояния между Юпитером и Землей в день прилета.

Стоит еще раз напомнить, что точка прицеливания – это отнюдь не высота пролета над планетой. Точка прицеливания – это идеальное понятие, место пересечения асимптоты подлетной ветви гиперболической орбиты КА относительно Юпитера и так называемой B-плоскости, которая перпендикулярна этой асимптоте и проходит через центр планеты. Расстояние между точкой прицеливания и центром планеты – это прицельная дальность. В реальности аппарат пересечет названную плоскость ближе к Юпитеру, поскольку тяготение планеты искривляет траекторию полета, а в перицентре, лежащем уже за этой плоскостью, окажется еще ближе. В баллистических расчетах при планировании маневров фигурировала точка прицеливания и ее ожидаемое смещение в результате коррекции траектории. Для прессы, естественно, называли понятный всем параметр – ожидаемую минимальную высоту пролета над вершинами облаков планеты.

5 марта 1972 г. операторы дважды включали на 30 секунд двигатели «Пионера», чтобы оценить их эффективность по доплеровскому изменению частоты радиосигнала. В первый раз двумя хвостовыми ЖРД убавили 1,22 м/с скорости, а через полчаса добавили столько же двумя носовыми. («Носом», то есть антенной HGA, аппарат смотрел примерно в сторону Земли.)

Как это делается: доплеровские измерения

Скорость электромагнитной волны постоянна и не зависит от скоростей источника и приемника, а вот ее частота будет отлична от частоты передатчика, если лучевая скорость – проекция относительной скорости движения на направление до источника – не равна нулю. Это и называется эффектом Доплера.

В первом приближении изменение частоты Δf = f ∙ v/c, где v – лучевая скорость, f – частота передатчика, c – скорость света. При удалении источника частота снижается так же, как у звуковых сигналов в быту. Поскольку приемник находится на движущейся и вращающейся Земле, а источник – на движущемся КА, величина Δf все время плавно и предсказуемо изменяется. В случае если КА проводит коррекцию траектории, быстрый дополнительный сдвиг частоты четко проявляется на графике принимаемого сигнала.

Космические аппараты оснащаются высокостабильными генераторами сигнала с заданной частотой, что в принципе позволяет проводить односторонние доплеровские измерения. Однако на практике невозможно определить, как изменяются реальные характеристики бортового передатчика в ходе длительного полета, поэтому точность такого метода невелика.

Двусторонний доплеровский режим, еще называемый каскадным или когерентным, также возможен – и он был реализован на «Пионерах» и затем на «Вояджерах». В этом режиме частота бортового передатчика синтезируется на борту исходя из принимаемой частоты сигнала путем умножения на стандартную константу – для S-диапазона она равна 240/221. При этом доплеровский сдвиг удваивается, зато исходная и полученная частоты фиксируются с равной степенью точности, и погрешность измерений резко снижается – вплоть до 1 мм/с лучевой скорости и лучше.

Доплеровские измерения используются для определения параметров траектории и для прогноза условий последующих сеансов связи и управления.

7 марта на расстоянии 4 млн км от Земли провели первую коррекцию траектории полета. Цель операции – скомпенсировать ошибку выведения и обеспечить прибытие к Юпитеру в выбранный день, с правильной стороны и с ошибкой точки прицеливания в B-плоскости не более 25 000 км. По результатам измерений и моделирования требуемое приращение скорости составляло 13,45 м/с, но отработать его одним импульсом не получалось, так как для этого пришлось бы отвернуть ось КА от направления на Землю на угол 76°, и был риск потери связи через антенну MGA. Пришлось запланировать два последовательных разнонаправленных импульса с семичасовым интервалом. Первый проводился с предельно допустимым отклонением оси на 45°, он начался в 12:20, продолжался 487 секунд и дал приращение скорости 18,46 м/с на разгон. Второе включение, уже с ориентацией оси на Землю, выполнили в 19:31 на 256 секунд и получили 9,03 м/с на торможение. Векторная сумма двух импульсов оказалась близка к требуемой – 13,6 м/с. Время прибытия к цели приблизилось на девять часов.

Вторую коррекцию выполнили 23–24 марта, опять же, в два импульса – около 22:00 и 12:00 UTC. Их величины были 1,18 м/с в направлении от Земли и затем 2,14 м/с на торможение под предельным углом отклонения 24°, что соответствовало суммарному импульсу 1,16 м/с. Цель маневра состояла в том, чтобы свести к минимуму ошибки точки прицеливания в пространстве и желаемого момента прибытия. Коррекция сдвинула перицентр на 12 575 км ближе к планете, а время пролета сместилось на 2 ч 36 мин вперед от текущего прогноза, а именно на момент 02:33 UTC.

Стоит заметить, что маневрировать «Пионеру» приходилось в условиях значительной неопределенности. Во-первых, выбор точки прицеливания ограничивался неточностью модели движения планет Солнечной системы: в это время положение самого Юпитера, а значит, и его спутников, включая Ио, умели прогнозировать лишь с погрешностью около 1400 км. Во-вторых, специалисты пока не могли оценить, как будет меняться ожидаемое время прибытия с учетом плохо прогнозируемых факторов негравитационного характера, таких как давление солнечного света на КА. Пока отклонение на семь минут от оптимального момента устраивало навигаторов, но нужно было посмотреть, как этот прогноз будет меняться со временем. Оставшегося запаса скорости в 170 м/с было более чем достаточно для компенсации любых отклонений.

Тем временем 5 марта на КА начал работать телескоп космических лучей CRT, а 10 марта включили фотополяриметр IPP. К 13 марта функционировала уже вся научная аппаратура, за исключением ИК-радиометра, который проверили в первой половине мая. Он был особенно чувствителен к засветке Солнцем, которая на начальном этапе полета была очень значительной. Ось вращения изначально была направлена на Землю, и угол между нею и направлением на Солнце был равен 26°. Чтобы «зонтик» антенны HGA лучше затенял служебную аппаратуру и аккумуляторную батарею, ось вращения пришлось даже немного отвернуть от Земли, тем более что пока связь шла через антенну MGA с достаточно широким лучом.

Многих участников проекта беспокоила зона вблизи орбиты Марса, где в 1963 и 1965 гг. прекратили работу советские аппараты «Марс-1» и «Зонд-2», а 30 июля 1969 г. на семь часов прервалась связь с американским «Маринером-7». Последнее событие, случившееся за шесть суток до встречи с Марсом, было очень похоже на результат столкновения с крупной пылевой частицей. С учетом прежнего опыта – причины отказов двух советских станций в США не знали – саму эту область вроде бы в шутку (но не совсем) называли местом обитания Великого галактического вампира. Если говорить всерьез, то одной частицы диаметром 0,5 мм и выше было бы достаточно, чтобы существенно повредить земной зонд.

«Пионер-10», однако, нашел между орбитами Земли и Марса лишь мельчайшие пылевые частицы, распределенные довольно равномерно, но с «провалом» концентрации между отметками 1,14 и 1,34 а.е. К 5 мая 1972 г. они повредили 41 ячейку прибора MD из 108 имеющихся²⁶. Число пробоев было вдвое больше, чем ожидали постановщики, но быстро уменьшалось с расстоянием от Солнца. Четыре телескопа прибора AMD тем временем зафиксировали первые 20 объектов.

Фотополяриметр IPP подтвердил, что именно эти вездесущие пылинки, а не какой-то особый пылевой хвост Земли, ответственны за противосияние – слабое свечение области неба, противоположной Солнцу. Доказательство было вполне наглядным – светящаяся область смещалась по мере движения аппарата и не была привязана к Земле, ушедшей вперед по орбите. Помимо этого, уже в мае провели пробные наблюдения Меркурия и Юпитера в режиме поляриметра, то есть с измерениями интенсивности и поляризации света.

25 мая 1972 г. станция благополучно вышла за орбиту Марса, покинув уже знакомую земным аппаратам зону Солнечной системы, а 15 июля пересекла условную границу пояса астероидов в 1,8 а.е. от Солнца. Вероятность его успешного прохождения в проекте оценивалась в 90 %, хотя реальной обстановки в этой области никто еще не знал. Первая задача «Пионера-10» как раз и состояла в том, чтобы изучить потенциальные опасности на месте.

Никаких попутных съемок не планировали, чтобы не добавлять ненужного риска, а потому «Пионер-10» спокойно прошел на расстоянии 8,8 млн км от ближайшего известного астероида. Первой на пути ему встретилась безымянная планетка диаметром 1 км из Паломар-Лейденского обзора неба – это произошло уже 2 августа. Вторым был довольно крупный (24 км) астероид Ника – станция миновала его 2 декабря.

6 августа 1972 г. выстроились в одну линию Солнце и аппараты «Пионер-9» и «Пионер-10», что позволило проследить, как солнечный ветер распространяется в пространстве между рубежами 0,8 и 2,2 а.е. от светила. В первый раз подобные наблюдения провели в апреле, только тогда напарником был «Пионер-6», а повторили в октябре вместе с «Пионером-8». Случилось так, что именно августовское соединение наложилось на серию солнечных вспышек 2 и 7 августа. Последняя была особенно мощной: всего за час выделилась энергия, которой можно было бы питать все предприятия и дома США в течение 100 млн лет!

В результате скорость солнечного ветра вблизи земной орбиты достигла рекордной величины 1000 км/с, а плотность частиц увеличилась в 4000 раз. Через 76 часов, когда этот «порыв» достиг «Пионера-10», солнечный ветер стал вдвое медленнее, а вот энергия частиц соответствовала температуре 2 млн кельвинов и была в 20 раз выше нормы. Иначе говоря, солнечный ветер каким-то образом «преобразовал» половину скорости своего движения в тепловую энергию. Сила магнитного поля, измеренного на «Пионере-10», увеличилась в это время на два порядка. Приборы CPI и CRT показали поток заряженных частиц, в 500 раз превышающий обычный, а на датчиках GTT рост был от 10 до 300 раз. Научный руководитель проекта Джон Вулф писал, что Солнце излучает как быстрые, так и медленные потоки плазмы. Плотность энергии солнечного ветра в 100 раз выше, чем у межпланетного магнитного поля, поэтому солнечный ветер тащит магнитное поле с собой. Это магнитное поле не только экранирует приходящие космические лучи и не позволяет лучам низкой энергии извне проникать во внутреннюю часть Солнечной системы, но и не дает быстрым потокам плазмы проникать в медленные потоки.

В августе 1972 г. антенна среднего усиления MGA уже не обеспечивала качественную передачу данных даже на единственную в своем роде 64-метровую калифорнийскую антенну, так что все последующие сеансы проводились только через остронаправленную антенну HGA. Соответственно, аппарат был вновь развернут осью к Земле.

В конце мая траекторные измерения показывали, что «Пионер-10» прибудет к Юпитеру с опозданием более чем на 9 минут; вскоре оценка ухудшилась до 14 минут, а это означало, что желаемый проход позади Ио не получится. Чтобы убрать возрастающую ошибку, 19–20 сентября 1972 г. провели специальную коррекцию траектории, небольшую по величине (0,227 м/с) и состоящую из 14 отдельных импульсов длительностью по 1/2 секунды и еще 11 по 1/8 секунды, которые выдавались на протяжении четырех часов между 22:05 и 02:10 UTC. Это ускорило движение КА и сместило время прибытия на 17,2 минуты назад – на 02:23:30 UTC.

15 февраля 1973 г. на расстоянии 3,7 а.е. от Солнца «Пионер-10» вышел из пояса астероидов – неповрежденным. Лишь однажды – в течение недели на отметке 2,7 а.е. – телескопы AMD отметили увеличение концентрации видимых частиц. Всего на пути от Земли до Юпитера они засекли пролеты 250 частиц, половину из них – в поясе. Ни одна из частиц не превышала в размере 1 мм.

Частота попаданий в газовые ячейки прибора MD была невелика. С 5 мая по 10 июля 1972 г. было пробито 12 ячеек из 67 остававшихся, причем шесть из них – за одну неделю (19–26 июня), а четыре – всего лишь за пятнадцать часов. Еще десять вскрылись к 9 августа, а к 20 октября пыль повредила очередные 20 ячеек, так что общий счет потерь достиг 83 из 108. Д-р Уильям Кинард и другие члены научной группы были немало удивлены: они полагали, что к этому моменту микрометеориты уже полностью покончат с их прибором.

По скорости падения давления после пробоя можно было судить о массе и размере попавшей пылинки. Выяснилось, что частиц размером от 0,1 до 1 мм в поясе астероидов втрое больше, чем вне его. Концентрация более мелких частиц, от 0,01 до 0,1 мм, оставалась неизменной на всем пути от Земли до внешней границы пояса. Самые же мелкие частицы в поясе астероидов практически отсутствовали.

Яркость противосвечения до входа в пояс снижалась довольно быстро, в поясе астероидов это падение замедлилось, а за его пределами противосвечение исчезло, как и зодиакальный свет, наблюдаемый в плоскости планетных орбит по бокам от Солнца. Иначе говоря, после выхода из пояса межпланетная пыль почти пропала.

Лишь позднее и значительно ближе к Юпитеру прибор Кинарда обнаружил пылевой пояс с концентрацией частиц в 300 раз выше нормы. Вблизи планеты было пробито десять ячеек MD из 25 уцелевших, а к 20 февраля 1974 г. – еще две. Итоговый счет составил 95 поврежденных ячеек из 108.

Статистику по частицам средней массы постановщики привели отдельно: на пути от Земли до входа в пояс астероидов они попали в 25 ячеек детектора MD, в пределах пояса – в 17 и на дальнейшем пути к Юпитеру – в 12.

Как и ожидалось, с удалением от Солнца сила межпланетного магнитного поля, плотность вещества солнечного ветра и число солнечных частиц высоких энергий снижались обратно пропорционально квадрату расстояния. На расстоянии порядка 4 а.е. быстрые потоки начинали стихать, превращаясь в случайное тепловое движение частиц.

Подводя итоги наблюдений солнечного ветра уже после Юпитера, ученые пояснили, что при столкновениях быстрых и медленных потоков возникают сильные градиенты магнитного поля, и как раз в этих зонах рассеиваются галактические космические лучи. Поэтому частицы низких энергий внесолнечного происхождения почти не встречались вплоть до рубежа 5 а.е. и не должны были быть заметны ближе 20–30 а.е.

Неожиданно выяснилось, что межзвездные нейтральные атомы водорода проникают в гелиосферу примерно в плоскости планетных орбит, а не с направления движения Солнца относительно внешней межзвездной среды под 60° к этой плоскости, как предполагали ученые. С помощью УФ-фотометра в составе межзвездного газа впервые был выявлен гелий.

Приблизившись к Юпитеру на расстояние 1,5 а.е., «Пионер-10» начал регистрировать пучки частиц высоких энергий, исходящие от планеты. Как потом выяснилось, для энергичных электронов, выброшенных из магнитосферы Юпитера, это был не предел: они доходили до земной орбиты (и регистрировались там уже несколько лет) и даже до орбиты Меркурия. Источник их, однако, оставался загадкой.

Декабрь 1973 года. «Пионер-10»

21 июня 1973 г. провели еще одну коррекцию «Пионера-10» с включением двигателей на четыре секунды и импульсом 0,127 м/с на торможение, чтобы отсрочить время прибытия до оптимального. Все было сделано правильно, однако система Юпитера оказалась чуть тяжелее, чем закладывалось в баллистические расчеты: сама планета – примерно на массу нашей Луны, ее спутники – еще на одну Луну. Притяжение было чуть-чуть сильнее расчетного, и в результате станция пришла к цели на минуту раньше назначенного времени. Все ее подсистемы работали штатно и на основных комплектах – необходимости переключиться на дублирующее устройство нигде не возникло.

31 июля Земля прошла между «Пионером-10» и Солнцем. Чтобы солнечный датчик не ослеплялся и мог отсчитывать обороты КА, ось антенны отклонили на 1,5° от направления на Солнце. Как следствие, она ушла на 1° и более от Земли, что затруднило связь.

К осени 1973 г. на Земле вступили в строй, в дополнение к первой, еще две 64-метровые антенны, обеспечившие круглосуточное сопровождение полета и считывание служебной и научной информации. Первую в серии антенну DSS-14 в Голдстоуне (Калифорния) изначально построили для приема снимков Марса с «Маринеров», и она штатно работала с 1966 г.²⁷ Сооружение аналогичной антенны DSS-43 в долине Тидбинбилла²⁸ в Австралии, вблизи Канберры, началось в декабре 1969 г. и было закончено в июле 1972 г. В период тестирования эта станция работала с пилотируемым кораблем «Аполлон-17» как дублер радиотелескопа Паркс. В апреле 1973 г. она была введена в строй и с июля несла регулярную службу. На площадку Робледо-де-Чавела в Испании строители пришли в июне 1970 г. и сдали работу в январе 1973 г.; в сентябре станция DSS-63 также была введена в эксплуатацию. Пролет «Пионера-10» у Юпитера стал боевым крещением для этих двух объектов наземного комплекса.

Объект исследования: Юпитер

Пятая и крупнейшая планета Солнечной системы.

Известна со времен древних цивилизаций Ближнего Востока, Индии и Китая.

Большая полуось орбиты – 5,20 а.е.

Период обращения – 11,86 года.

Масса – 317,8 M_E (масс Земли).

Радиус экваториальный – 71 372 км.

Период вращения – 9 ч 55 мин.

Наклон оси к плоскости орбиты – 3°.

Спутники – было известно 12, в 1974 г. открыт 13-й.

К 2020 г. известно 79 спутников и система колец.

Период встречи начался 4 ноября 1973 г. – за четыре дня до пересечения орбиты внешнего спутника Синопе, который тогда еще носил имя Аид²⁹. За 60 суток, до 2 января 1974 г., на борт было передано 17 286 команд, главным образом для «ручного» управления работой фотополяриметра IPP. Интересно, что на борт не прошло лишь семь команд.

Опытные съемки планеты начались 6 ноября с расстояния 25 млн км. Всего до 31 декабря с борта планировали получить более 500 кадров фотополяриметра, в том числе 336 изображений планеты и десять – ее спутников: пять кадров Ио, один снимок Европы, по два – Ганимеда и Каллисто.

При разработке программы исследований изучение радиационной обстановки имело больший приоритет, чем съемка. Разработчики знали, что аппарат может погибнуть, выполняя их задание по измерениям в магнитосфере и радиационных поясах планеты. Поэтому все основные сеансы IPP планировались до момента пролета Юпитера, а уж дальше – как получится. Кстати, и траекторию выбрали так, чтобы на подлете планета и ее спутники были освещены полностью, а на отлете – лишь частично.

Прибор работал по восемь часов в сутки до 26 ноября – в тот день провели последний перед встречей маневр ориентации антенны HGA на Землю, а до 12 декабря – уже круглосуточно. На самом деле не совсем круглосуточно. Несколько сеансов на 64-метровой калифорнийской антенне и, в частности, 27 ноября и 10 декабря, пришлось уступить полностью или на почасовой основе команде «Маринера-10». Их аппарат стартовал 3 ноября 1973 г. и должен был проверить свою камеру в съемках Земли и Луны на отлете. Еще немного ресурсов «отщипнул» проект «Викинг» – на ноябрь пришелся оптимальный период радиолокационной съемки выбранных мест посадки на Марсе.

Без участия Земли фотополяриметр IPP работать просто не мог. Инструмент, созданный в Аризонском университете под руководством Томаса Герелса, представлял собой фотометр и поляриметр на базе телескопа апертурой 25,4 мм и фокусным расстоянием 86,4 мм. В режиме планетной съемки использовалась оптическая схема с мгновенным полем зрения 0,5 мрад (1,7´) и с регистрацией в двух каналах, красном и синем³⁰. Каждая линия сканирования формировалась за счет вращения аппарата в пределах угла 14°. Так как «Пионер» летел «на боку» относительно планеты, эта линия была вертикальной по отношению к экватору Юпитера, но ее все равно называли строкой.

За 0,5 секунды, необходимые для поворота на указанный угол, снимались 1015 отдельных измерений – 508 в синем канале и 507 в красном. Они оцифровывались с 6-битным разрешением (64 градации яркости) и записывались в буфер длиной 6144 бита, откуда за оставшуюся часть оборота считывались и передавались на Землю. С учетом периода вращения КА вокруг оси – около 12,5 секунд – скорости в 1024 бит/с хватало для передачи и видовой информации из буфера фотополяриметра, и всех остальных данных примерно такого же объема.

Поперечную развертку изображения обеспечивали либо шаговый двигатель прибора, постепенно поворачивающий телескоп в пределах 14° по углу места, либо пространственное движение самого «Пионера». Но какое же это было медленное дело… пять строк в минуту, от 25 до 110 минут на один кадр, в зависимости от сюжета!

Специальная наземная система, созданная группой Ральфа Бейкера из Аризонского университета, собирала отдельные пиксельные линии в снимки планеты. Из красного и синего кадров искусственно синтезировался зеленый, а из всех трех – цветной снимок. За демонстрацию фотографий Юпитера в реальном времени, пусть даже с пропусками строк, сбоями и искажениями, сан-францисское отделение Национальной академии телевизионных искусств присудило проекту «Пионер» премию Emmy.

Угловое разрешение IPP было лишь немного хуже, чем у человеческого глаза. Поэтому прибор показывал планету примерно такой же, какой увидел бы ее человек на борту «Пионера-10». Число линий и, соответственно, необходимое время съемки кадра определялись угловым размером Юпитера в заданный день и час. Так, 16 ноября видимый размер планеты сравнялся с Луной, и ее диск разрешался примерно на 18 строк, а к 24 ноября он уже соответствовал 30 строкам разложения.

26 ноября в 20:30 UTC на расстоянии 109 радиусов Юпитера³¹ аппарат вошел в ударную волну, которая формировалась в солнечном ветре при встрече с планетой и ее магнитосферой. Шесть приборов из 11 в это время резко изменили свои показания. Скорость солнечного ветра сразу снизилась вдвое, с 450 до 250 км/с, а вот энергия частиц подскочила на порядок – с 50 000 до 500 000 К, если характеризовать ее абсолютной температурой плазмы³². Размеры возмущенного Юпитером пространства потрясали – порядка 25 млн км в плоскости эклиптики!

Ровно сутки потребовались «Пионеру-10», чтобы пересечь магнитослой – зону за ударной волной, где солнечный ветер постепенно меняет направление и отворачивает в стороны. 27 ноября в 20:30 на отметке 96 радиусов Юпитера аппарат прошел магнитопаузу – границу магнитосферы планеты. Давление магнитного поля Юпитера и плазмы в нем сравнялось с давлением солнечного ветра, который уже не мог проникнуть ближе к планете.

29 ноября аппарат миновал все внешние спутники и вступил во внутреннюю область системы Юпитера. Однако на следующий день случился резкий спад магнитного поля и радиационных измерений: это солнечный ветер усилился и оттеснил магнитопаузу ближе к планете!

3 декабря около 04:30 UTC на отметке 20 R_J «Пионер-10» наконец проник в дипольную область, где магнитное поле вращалось вместе с планетой. Оно оказалось в восемь – десять раз мощнее, а запасенная в нем энергия была в 20 000 раз больше, чем в земном. Поле было обратной полярности – северный магнитный полюс находился вблизи южного географического полюса Юпитера. Ось магнитного диполя оказалась наклонена на 11° и смещена относительно оси вращения планеты, из-за чего данные магнитометра колебались с десятичасовым периодом, и вообще структура магнитного поля была довольно сложной. На уровне облаков оно имело силу от 2 до 15 гаусс против 0,35 гаусс земного поля.

За шесть часов до пролета планета перестала умещаться в кадре IPP, и тогда же на полчаса прервалась передача «картинки» фотополяриметра, которая приходила на Землю с задержкой на 45 мин 55 с. Пресса потом придумала, что какой-то гость в центре управления случайно нажал на кнопку и отключил сразу восемь приборов, хотя на самом деле сбой произошел на борту. Чтобы обезопасить аппарат от выполнения случайных команд, вызванных радиацией вблизи Юпитера, на борт раз в несколько минут отправлялась «лечебная» посылка; кроме того, специальная последовательность команд восстанавливала работу фотополяриметра в случае сбоя. Первое такое нарушение случилось 3 декабря около 18:00 UTC на расстоянии 9 R_J, а всего за время встречи они произошли десять раз. Один из сбоев пришелся на лучший из запланированных кадров Ио. Досадно: вулканы на этом спутнике могли быть обнаружены на семь лет раньше!

На лучшем снимке Ганимеда различались детали размером 400 км. В них угадывалась пара 800-километровых «морей», одно у южного полюса, другое вблизи экватора, и яркая северная полярная часть.

На Европе удалось разглядеть темные детали в северном полушарии, напоминающие лунные моря, и большой и очень яркий регион в южном. Была выдвинута гипотеза, что в этом месте удар крупного астероида обнажил 50-километровый слой льда – который залегает в остальных местах на глубине 10 км и более.

Последний снимок планеты на подлете «Пионер-10» сделал с расстояния 203 000 км, а первый на отлете – удалившись уже на 504 000 км. Из-за насыщения блока контроля усиления несколько близких видов Юпитера были пересвечены до полной негодности. Тем не менее на снимках, принятых в течение суток до пролета и суток после него, можно было увидеть детали размером порядка 200 км. Всего же за период с 30 ноября по 7 декабря Земля получила 153 хороших изображений планеты.

4 декабря 1973 г. в 02:25:11 UTC по бортовому времени станция пронеслась на минимальном расстоянии 202 756 км от центра Юпитера и на высоте 131 358 км над границей облаков планеты³³. Наклонение гиперболической траектории к плоскости эклиптики составило 13,8°, скорость в перицентре достигла 36,7 км/с.

Как это делается: определение времени пролета

Оценка точного времени сближения «Пионера-10» с Юпитером непосредственно по измерениям с Земли была невозможна. Хотя эта точка траектории и была видна с Земли, график доплеровского смещения частоты сигнала отражал только продольную (лучевую) компоненту скорости, но не боковую. Кроме того, измерения велись с движущейся и вращающейся Земли, и анализ требовал точного знания ее эфемерид (текущего положения относительно Солнца в каждый момент времени) и параметров вращения.

Дальность до КА типа «Пионер-10» можно было измерить лишь импровизированным путем, за счет искусственного внесения в частоту отправляемого сигнала ступенек или треугольной «волны» и регистрации этих форм в принимаемом когерентном сигнале. Точность была невелика – порядка 10 км, да и таких измерений было всего три: 24 и 26 ноября, примерно за десять суток до пролета, и через семь дней после него – 11 декабря.

Для определения обстоятельств сближения требовалось совместное решение двух задач: уточнение теории движения планет и спутников и оптимальное наложение на нее имеющихся данных сопровождения КА. Делалось это многократно с каждым новым пролетом «Пионеров» и «Вояджеров» у больших планет, после чего предыдущие результаты уточнялись и пересматривались. Данные, приведенные в таблице 4 (и последующих таблицах 5, 8 и 9), основаны на докладе Роберта Джейкобсона, представленном в 2002 г.

Поэтому не стоит удивляться, что в первых публикациях 1974 г. приводилось точное время встречи «десятого» с Юпитером 02:25:19 UTC, а в отчете JPL за апрель 1974 г. уже фигурировало время 02:25:28 UTC. В статье, опубликованной в феврале 1985 г., Джеймс Кэмпбелл и Стивен Синнотт назвали 02:26:03 UTC – если честно, такое большое отклонение выглядело очень странно. Наконец, в ноябре 2006 г. Кэмпбелл, Джон Андерсон и Майкл Нието опубликовали окончательную оценку: 02:25:11 UTC.

Как оказалось, максимальные энергии заряженных частиц радиационных поясов Юпитера в 10 000 раз больше, чем в земных поясах, причем электронов в них в 100 раз больше, чем протонов – 400 млн против 4 млн на 1 см² в секунду. Хорошо еще, что спутники планеты – и особенно Ио – поглощали до 99 % энергичных частиц!

Часть приборов «Пионера» ушла в насыщение еще за сутки до пролета. На тех, что были способны выдержать такие потоки, уровень счета частиц вышел на максимум и начал снижаться за 12 минут до перииовия. Полученная доза облучения оказалась в 100 раз выше смертельной для человека и близкой к пределу стойкости КА и его аппаратуры. Под действием радиации частота генератора бортового радиокомплекса изменилась на 0,0003 %, а величины токов усилителя сигнала «плавали» на 3–10 %. Заметно снизилась выходная мощность электрической системы. Пострадал звездный датчик системы ориентации, ультрафиолетовый фотометр получил повреждения (к счастью, обратимые), нарушилась работа телескопа космических лучей CRT, а датчики детектора пыли AMD были выведены из строя полностью – оптика помутнела.

Примерно через 16 минут после перицентра «Пионер-10» скрылся за Ио, в 03:43 UTC зашел на 65 минут за Юпитер, а в 04:19 погрузился на 51 минуту в тень планеты.

Заход зонда за планету произошел над параллелью 26° с.ш., восход – над 58° с.ш., в первом случае вблизи вечернего терминатора, а во втором – примерно над утренним. В результате радиопросвечивания слои ионосферы Юпитера были обнаружены до высоты 4000 км, плотность заряженных частиц достигала 0,3 млн в 1 см³, а их энергия превышала ожидаемую впятеро.

В ходе радиозатмения Ио (а оно получилось!) была обнаружена собственная ионосфера спутника – простирающаяся на 700 км, с максимумом концентрации заряженных частиц между 60 и 140 км, а вдоль орбиты Ио – водородное облако. Из наличия и плотности ионосферы вывели, что спутник имеет и слабую атмосферу высотой до 110 км. По отражающим свойствам Ио специалисты Центра космических полетов имени Маршалла заключили, что вещество, ответственное за ее аномальную яркость и сильные линии поглощения, – это сера. Доказательства пришлось ждать шесть с лишним лет.

Навигационные измерения показали, что Ио тяжелее табличного значения примерно на 23 % и имеет среднюю плотность 3,5 г/см³. Плотность Европы определили в 3,07, Ганимеда – в 1,93, а Каллисто – в 1,65 г/см³. Это означало, что с удалением от планеты галилеевы спутники содержат все меньше силикатных пород и все больше льда.

Масса Юпитера превышала земную в 317,8 раза и была распределена равномерно, как у жидкого тела, быть может, с небольшим твердым ядром. Основным материалом планеты был жидкий водород, приобретающий с глубиной металлические свойства, с добавкой примерно 15 % гелия. Глубина атмосферы была примерно 1000 км.

Съемки и регистрация радиосигнала при заходе и выходе позволили уточнить размеры планеты. Полярный радиус до вершин облаков на уровне давления 0,8 атм оказался равен 67 758 км, а экваториальный получился 71 398 км вместо прежней оценки 71 372 км.

«Пионер-10» исследовал состав верхней атмосферы Юпитера, в которой нашел ожидаемые и известные водород, гелий, аммиак, метан и ряд малых компонентов – дейтерий, этилен и ацетилен. Соотношение гелия к водороду определили в 0,14, то есть близкое к 0,11 у Солнца. Теоретической модели структуры Юпитера эти и другие результаты не противоречили.

Аппарат составил тепловую карту планеты, выявив области более теплые (136 К) и более холодные (127 К). Более яркие, окрашенные розово-желтым, зоны предстали областями подъема теплого и влажного воздуха из глубины, а более темные, коричнево-серые, пояса – областями опускания холодного воздуха. Большое Красное Пятно оказалось гигантским атмосферным вихрем – антициклоном, сформировавшимся не менее 400 лет назад. На снимках было найдено еще одно подобное образование на той же широте в северном полушарии, несколько вихрей поменьше, а также отдельные облака гигантских размеров.

Измерение яркостной температуры дало 145 К как на дневной, так и на ночной стороне. Не стоит удивляться нестыковке с предыдущим абзацем: разные приборы давали температуру для разных слоев атмосферы. Потом их данные свели воедино и записали, что на уровне давления 1 атм температура атмосферы составляет 165 К, при подъеме на 150 км до отметки 0,1 атм она снижается до 108 К, а затем начинает расти и на уровне верхушек облаков при давлении 0,03 бар достигает 150 К. Все как на Земле: тропосфера, тропопауза, стратосфера.

Удалось подтвердить уже известные данные о том, что Юпитер излучает больше энергии, чем получает от Солнца. ИК-радиометр дважды просканировал планету и дал соотношение излучаемой тепловой энергии к поступающей солнечной на уровне 1,9 ± 0,2, немного меньше, чем давали до того наземные измерения. Избыток между тем был внушителен – примерно 10¹⁷ Вт.

Температура поверхности Ганимеда по данным ИК-радиометра составила 125 К. Увы, никакого парникового эффекта не наблюдалось…

«Пионер-10» пересек магнитопаузу в направлении «наружу» 10 декабря и ударную волну – 12 декабря. Однако уже на следующий день Юпитер вновь «накрыл» его своей переменчивой магнитосферой, и так повторялось много раз. Лишь 18 декабря после 17 (!) погружений в ударную волну планета «отпустила» земной зонд окончательно.

Почтительной высоты пролета над планетой оказалось вполне достаточно для гравитационного маневра. Гелиоцентрическая скорость аппарата увеличилась с 9,9 км/с на подлете до примерно 22,3 км/с на отлете. Траектория стала гиперболической относительно Солнца, ее асимптота упиралась в точку в созвездии Тельца с галактическими координатами 83° долготы и +3° широты. «Пионер-10» первым из земных аппаратов отправился в бесконечное межзвездное путешествие.

Президент Ричард Никсон направил Исследовательскому центру имени Эймса поздравление с крупным научным достижением сразу после пролета, поздним вечером 3 декабря по американскому времени. «Пионер-10», по его словам, продемонстрировал, что возможности человека по исследованию небес находятся на пороге бесконечности.

Бернард О'Брайен от имени разработчиков с удовлетворением отметил, что радиационное воздействие оказалось близким к предсказанному и что отказы произошли как раз в тех системах, где их следовало ожидать, а затем добавил, что чувствует себя примерно как профессор Хиггинс из «Пигмалиона». Ричард Фиммел, шеф научной программы, сказал: «Это был самый волнующий день в моей жизни!» Практически любой из его коллег мог подписаться под этими словами.

Директор планетарных программ NASA Роберт Кремер назвал полет стопроцентным успехом и отметил, что «Пионер» отправили, чтобы ущипнуть дракона за хвост, а он сделал не только это, но и намного больше. Он от души дернул дракона и умудрился остаться в живых.

NASA подвело итог первой встречи с Юпитером 9 января 1974 г. и объявило о продлении работы «Пионера-10» на пять лет – вплоть до орбиты Урана.

14 августа 1974 г. участникам юпитерианского проекта были вручены награды космического агентства. Медаль «За выдающиеся заслуги» получил Чарльз Холл. Пятнадцать человек, в том числе Фиммел, Хофстеттер, Холтцклау, Лепетич и Нунамейкер, были удостоены медали «За исключительные заслуги». Восемь научных руководителей экспериментов получили медали «За исключительные научные достижения»; еще троих наградили ранее, а повторное вручение не допускалось. Джон Симпсон из Чикагского университета, руководитель эксперимента CPI, был номинирован одновременно за «Пионер-10» и «Маринер-10» и предпочел взять медаль за полет к Меркурию. Шести представителям подрядчиков и сотрудничающих организаций достались медали «За общественные заслуги».

Декабрь 1974 года. «Пионер-11»

Старт второго зонда необходимо было выполнить в период с 5 по 26 апреля 1973 г., что гарантировало прибытие к Юпитеру между 5 декабря 1974 г. и 30 июля 1975 г.

В части служебных систем «Пионер-11» был точной копией предшественника, если не считать усовершенствованного звездного датчика. Доработки коснулись также некоторых научных приборов. Отладили блок контроля усиления фотополяриметра, что снизило потребность в командах реального времени. Одну из семи трубок Гейгера – Мюллера в составе гейгеровского инструмента GTT заменили твердотельным детектором – тонкой кремниевой подложкой с коллиматором для регистрации протонов в диапазоне энергий от 0,61 до 3,41 МэВ. Сделали менее чувствительным детектор микрометеоритов MD, заменив в нем 25-микронные мембраны из нержавеющей стали на 50-микронные. Дополнительно установили 12-й прибор – трехкомпонентный феррозондовый магнитометр HFM, рассчитанный на измерение особо сильных магнитных полей у Юпитера – в пределах до 10 Гс в каждом направлении.

«Пионер-11» был доставлен на мыс Кеннеди 15 февраля 1973 г., смонтирован на носителе 20 марта и стартовал с площадки LC-36B без всяких задержек в первый день астрономического окна, 5 апреля в 21:11:00,117 EST (6 апреля в 02:11:00 UTC). Носитель «Атлас-Центавр» за номером AC-30 и дополнительная ступень TE-M-364–4 отработали штатно, придав аппарату при отделении на 935-й секунде требуемую начальную скорость около 14 400 м/с. А вот начало полета станции выдалось горячим.

Когда начальную скорость вращения уже снизили тангенциальным двигателем SCT 1 и на 39-й минуте выдали команды на развертывание штанг с РИТЭГами, телеметрия показала, что одна встала в штатное положение, а вторая повернулась лишь частично. Работу бортового программно-временного устройства заблокировали и стали разбираться в ситуации.

После бурного обсуждения решили продолжить запланированные операции и выполнить разворот оси вращения, спасая от перегрева приборы в хвостовой части аппарата. Для этого несколько сотен раз на одной и той же фазе оборота вокруг оси включались два двигателя VPT, направленные вверх и вниз. Создаваемая ими пара сил воздействовала на аппарат, и ось вращения разворачивалась в нужном направлении. Операция прошла успешно, а от полученной встряски вторая штанга с РИТЭГами сама встала на место. После этого успешно развернули штангу магнитометра, подрегулировали скорость вращения, снизив ее с 5,4 об/мин до номинала, и началась обычная работа по проверке систем и включению научной аппаратуры. С 16 апреля центр управления полетом переместился из JPL в Центр Эймса.

Параметры орбиты станции «Пионера-11» на 16 апреля составили:

● наклонение – 3,07°;

● перигелий – 1,001 а.е. (149,7 млн км);

● афелий – 6,010 а.е. (899,2 млн км);

● период обращения – 2397 суток (6,56 года).

Второй аппарат шел поначалу по той же трассе, что и «Пионер-10», в точности исполняя роль дублера. Калибровку двигателей провели 10 апреля. Первая коррекция с приращением скорости 38,04 м/с состоялась 11 апреля с 11:50 до 12:09 UTC. Второй импульс 26 апреля был намного меньше – 1,06 м/с. Два маневра обеспечили пролет у Юпитера 4 декабря 1974 г. в 10:13 UTC на расстоянии 1,3 радиуса планеты, то есть примерно в 20 000 км над облаками, правее и ниже диска Юпитера, если смотреть с Земли.

Позднее эту траекторию предполагалось скорректировать. Рассматривались разные варианты сближения «Пионера-11» с Юпитером в зависимости от того, насколько безопасной и успешной окажется встреча с этой планетой первого аппарата. Помимо обычного пролета примерно в экваториальной плоскости на той или иной дистанции предлагались специальные варианты трассы с осмотром южного полюса планеты или с подробным изучением одного из спутников, а также гравитационные маневры с целью скругления гелиоцентрической орбиты, или для выхода КА из плоскости эклиптики, или же для сближения с Сатурном в 1980 г.

К середине мая, когда аппарат все еще использовал антенну среднего усиления MGA, операторы заметили медленное и нерегулярное снижение мощности бортового передатчика. Они заподозрили отказ работающего усилителя TWT-A в радиокомплексе КА и переключили передатчик на запасной TWT-B. Последующий анализ показал, что причина проблемы в чем-то другом, но запасной усилитель так и остался в работе.

18 мая станцию повернули на 4°, нацелили антенной HGA точно на Землю и переключили радиообмен на нее, увеличив его скорость вчетверо – до 2048 бит/с. К 5 июня опробовали все 12 инструментов, хотя ИК-радиометр и второй магнитометр HFM пока не были нужны.

На отлете от Земли детектор метеороидных частиц MD фиксировал вдвое меньше попаданий, чем на «Пионере-10». В первые недели было отмечено 12 событий, а затем, с отметки 1,2 а.е. от Солнца и до 2,3 а.е., – всего лишь одно. Это не означало, конечно, что пыли в Солнечной системе стало меньше, чем год назад. Так как регистрирующие ячейки прибора MD были защищены более толстой металлической фольгой, ее могли пробить частицы массой от 6 × 10^–9 г и размером от 0,021 мм. На «Пионере-10» предельные параметры составляли 8,3 × 10^–10 г и 0,010 мм. Пока можно было лишь заключить, что более крупных частиц примерно столько же, сколько и более мелких.

С 18 августа 1973 г. по 20 марта 1974 г. «Пионер-11» шел через пояс астероидов и получил в нем семь пробоев – вшестеро меньше, чем первопроходец этой трассы. Теперь получилось, что более мелкая пыль, к которой новый прибор нечувствителен, все-таки сохраняется в поясе, в то время как более крупной становится меньше. Впрочем, это был уже чисто научный вопрос: с точки зрения практики стало очевидно, что пояс астероидов не представляет угрозы для полетов.

Успешный пролет «Пионера-10» у Юпитера в декабре 1973 г. доказал, что второй аппарат действительно можно провести значительно ближе к поверхности и за счет этого перенаправить к Сатурну. Особенно настаивал на близком пролете Джеймс Ван Аллен, патриарх американской космической физики и постановщик эксперимента с гейгеровским телескопом GTT.

19 марта 1974 г. NASA объявило, что план Ван Аллена принят. Правда, первоначально выбранную новую траекторию с точкой прицеливания слева от Юпитера сочли слишком опасной. Было решено идти в облет значительно южнее. «Местная» гиперболическая орбита осталась обратной по отношению к вращению планеты, но ее наклонение составляло 51,8° к эклиптике и 55° к экватору Юпитера. Минимальную высоту утвердили на уровне 42 000 км – втрое ниже, чем у предшественника.

Большое наклонение позволяло, во-первых, быстро пересечь неширокую экваториальную зону интенсивной радиации (несмотря на низкий перицентр, суммарная доза ожидалась даже немного меньше, чем у «Пионера-10»), а во-вторых – впервые взглянуть на полярные области Юпитера. Среди прочего успех пролета должен был подтвердить реализуемость проекта изучения планеты орбитальным аппаратом, который тогда планировалось запустить в 1981 г.³⁴

15 марта и 16 апреля 1974 г. провели два небольших маневра с целью калибровки двигателей, а 19 апреля состоялась двухимпульсная коррекция для изменения точки прицеливания и времени прибытия «Пионера-11». Операция началась в 19:00 UTC, основные импульсы были выданы около 21:35 и 06:45 UTC. За 42 мин 36 с работы двигатели сожгли 7,7 кг гидразина (28 % первоначальной заправки) и увеличили скорость КА на 63,7 м/с. Время прибытия приблизилось примерно на 29 часов – на 3 декабря в 05:21 UTC. Сближение с Сатурном при полете по новой схеме получалось 5 сентября 1979 г.

Уже за шесть месяцев до встречи бортовые приборы почувствовали «дыхание» Юпитера – счетчики протонов и электронов стали выдавать пик раз в десять часов в ритме вращения планеты.

23 августа по просьбе Джеймса Ван Аллена операторы увеличили скорость вращения «Пионера» с 4,87 до 5,05 об/мин, впервые включив двигатель SCT 2 – он выдал восемь импульсов по полсекунды и еще несколько по 1/8 секунды. Более высокая скорость позволяла получить более качественные данные о радиационных поясах. Заодно немного улучшилось пространственное разрешение снимков.

Сближение с планетой продолжалось с 3 ноября 1974 г. по 3 января 1975 г. За это время на борт было передано 12 358 команд – на 28 % меньше, чем при пролете «Пионера-10». Сбои были отмечены лишь по восьми командам.

Съемка Юпитера началась 18 ноября с дистанции 14,8 млн км и продолжалась до 9 декабря. Всего за это время «Пионер-11» сделал 460 снимков планеты и ее спутников.

Ближняя фаза встречи, когда расстояние до планеты не превышало 95 R_J, а станции сети DSN работали с «Пионером» круглосуточно, была с 26 ноября по 9 декабря. Как раз 26 ноября около 06:00 UTC земной зонд стал проникать в магнитосферу Юпитера. На этот раз она оказалась очень «трепетной». «Пионер» погружался в ударную волну, она отступала, аппарат вновь оказывался в невозмущенном солнечном ветре, и так трижды. Похожая история вышла и с магнитопаузой: «Пионер-11» пересек эту границу 27 ноября в 05:00 в 7 млн км от планеты, в тот же день в 18:20 оказался снаружи и лишь через 5,5 часов вновь попал внутрь магнитосферы.

Менее чем за 12 часов до пролета мощный поток электронов довел электрический заряд КА до 4000 В. Возникла электрическая дуга, от которой включились нагреватели, забирая мощность радиоизотопного источника и ослабляя радиосигнал. В течение трех часов операторы разобрались в ситуации и выдали команды на выключение нагревателей. Аппарат вернулся к норме.

Удивительно, но проблемы подстерегали «Пионер-11» не только в космосе, но и на Земле. В Австралии профсоюз дизельных операторов объявил забастовку, что угрожало сорвать важнейший сеанс связи с потерей шести – восьми часов данных сразу после пролета. В итоге специалистов все-таки пропустили на рабочие места, но команда в Голдстоуне успела перепрограммировать работу своей антенны DSS-14 вплоть до захода КА за горизонт, чтобы взять с него максимум возможного.

3 декабря 1974 г. в 05:21:38,9 UTC по бортовому времени «Пионер-11» выполнил второй в истории пролет Юпитера, пройдя на расстоянии 113 850 км от его центра и на высоте 42 450 км над поверхностью облаков на фантастической, еще никем не достигнутой скорости – 48,06 км/с.

Информация с «Пионера» шла с задержкой на 40 мин 40 с. На этот раз перииовий проходился в тени и за планетой с точки зрения Земли. Сигнал КА затих в 05:41:56 UTC с опозданием на 11 секунд относительно последнего прогноза. Операторы и ученые напряженно ждали, выйдет ли он на связь спустя 43 минуты. В 06:24:16, опять же, на 11 секунд позже графика, станция в Тидбинбилле вновь приняла сигнал, а еще через 10 секунд его услышали в Голдстоуне. Близкий пролет Юпитера удался!

С помощью видового фотополяриметра «Пионер-11» сделал 70 снимков в течение трех суток до пролета и 51 кадр за следующие трое суток – с разрешением вплоть до 150 км. Опять, как и при пролете «Пионера-10», передавались «лечебные» посылки с командой включения передатчика, заданием правильного формата данных и правильной скорости передачи и активацией приборов. Опять для IPP периодически задавалось начальное положение, с которого он должен начинать сканирование в случае сбоя.

В итоге почти все получилось! Потеряли лишь семь снимков за сутки до пролета с номерами от C16 до C10 из-за сбоя в работе шагового двигателя под действием радиации. Положение удалось исправить, и была сделана серия из 22 качественных изображений Юпитера, включающая ряд кадров северной полярной области планеты. Детальный снимок Большого Красного Пятна был специально спланирован, а затем перепланирован в пожарном порядке, когда обнаружилась ошибка во времени выдачи команд.

Восемь ближайших снимков Юпитера с дистанции от 657 000 до 375 000 км делались без наведения IPP по углу места – развертку обеспечивало движение КА. Ближе не получилось бы и этого – строки изображения перестали бы прилегать друг к другу.

Фотографии выдавались на экраны в нескольких переполненных публикой общественных зданиях и демонстрировались по кабельному телевидению в городах вокруг залива Сан-Франциско. Комментировал их бывший астронавт Альфред Уорден, откомандированный в Центр Эймса после скандальной истории с продажей подпольно провезенных к Луне и обратно на «Аполлоне-15» почтовых конвертов.

Вершины облаков в полярных районах Юпитера оказались ниже, чем на экваторе, причем в южной полярной области – ниже, чем в северной. Над ними еще на 50–65 км простиралась довольно плотная, но прозрачная аммиачно-метановая атмосфера, напоминающая голубое небо Земли и увенчанная слоем аэрозолей.

Севернее 50° широты кольцевые ветровые структуры «разваливались». Там наблюдалось довольно много отдельных атмосферных вихрей, небольших в масштабах Юпитера, но намного более крупных, чем ураганы Земли. Похоже было, что работает обычный земной механизм погоды: атмосферная конвекция и конденсация водяного пара. Вообще же циркуляция у полюсов была намного слабее – ученые на всякий случай отметили, что эти области Юпитера в принципе более благоприятны для жизни, чем экваториальные. В 1974 г. надежды вскоре найти внеземные бактерии – не на Венере, так на Марсе, на Титане или в атмосфере Юпитера – были еще очень сильны.

Большое Красное Пятно и окружающие его вихри удалось рассмотреть более детально, чем год назад. По-прежнему присутствовали экваториальные области подъема газа из глубины. Была также найдена необычная кольцевая структура с зоной опускания у центра и ярким кольцом поднимающегося вещества снаружи.

Ученые окончательно убедились, что своим «полосатым» обликом Юпитер обязан градиенту сил Кориолиса, весьма значительных с учетом большого размера и высокой скорости вращения планеты. Из-за него обычные конвективные ячейки растут, растягиваются в широтном направлении и окружают всю планету, образуя розово-желтые зоны подъема влажного теплого воздуха и коричнево-серые пояса опускания холодного и сухого, причем первые оказываются на 20 км выше вторых.

Судя по характеристикам отраженного света, верхний слой облачности Юпитера представлял собой аммиачные облака с характерным размером частиц 1 мкм. Ниже залегали облака из гидросульфида аммония, а еще ниже – ледяные и водяные.

Водяной пар был впервые обнаружен в атмосфере Юпитера при наблюдениях с самолетной ИК-обсерватории Центра Эймса в октябре 1974 г. В сочетании с данными обоих «Пионеров» получалось, что в атмосфере могут формироваться органические соединения, окрашивающие облака планеты в красный, оранжевый и бурый цвета. В частности, буроватый оттенок приписывался примеси соединений фосфора.

ИК-радиометр показал температуру у полюсов Юпитера около 125 К – всего на 3 К ниже, чем в экваториальной зоне. Это было странно: полярные области получали значительно меньше солнечного тепла, чем экваториальные, а поток тепла изнутри планеты, дающий более 40 % нагрева, по умолчанию представлялся равномерным. Д-р Эндрю Ингерсолл, отвечавший за обработку ИК-данных, заключил, что существует какой-то механизм перекачки внутреннего теплового потока в более холодные приполярные области – либо в жидком теле планеты, либо в нижних слоях 1000-километровой водородно-гелиевой атмосферы. В верхних слоях, судя по картинам облачности, никаких потоков в сторону полюсов не было.

«Пионер-11» передал один качественный снимок Ио со стороны северного полюса, где были видны и почти белая экваториальная часть, и обширные оранжево-бурые полярные области. Цвет последних приписали радиационному воздействию на поверхностный материал.

В ИК-диапазоне Ио отражала практически такую же долю света, что и в видимом, – около 60 %. Планетолог Дэвид Моррисон заметил, что такими свойствами обладают солончаки штата Юта, и предположил, что поверхность спутника сложена солями калия и натрия и определенными видами сульфатов.

Поступило также одно хорошее изображение Ганимеда и несколько снимков Каллисто, которая продемонстрировала обширную белую южную полярную шапку.

Ультрафиолетовый фотометр при выбранной геометрии пролета не мог наблюдать Юпитер, однако отснял галилеевы спутники. Он подтвердил существование водородного облака, связанного с Ио, но не обнаружил аналогичных структур на орбитах Ганимеда и Каллисто.

Сближение с Европой позволило уточнить ее массу и плотность, которая оказалась на уровне 3,28 г/см³. Была также точно определена масса Каллисто, но оценки плотности ее и двух остальных галилеевых спутников почти не изменились по сравнению с результатами «Пионера-10»: 3,52 г/см³ у Ио, 1,95 у Ганимеда и 1,63 у Каллисто.

Спустя несколько лет удалось установить, что «Пионер-11» прошел через внешнюю зону неизвестного в тот момент кольца Юпитера – и не заметил его! Детектор MD на пути до планеты зафиксировал 53 пробоя в канале 0 и 29 в канале 1, всего лишь 2 и 3 события вблизи Юпитера и позднее – 2 и 2 у Сатурна. Тем не менее исследователи определили, что Юпитер работает как гигантский «пылесос», собирая частицы космической пыли из обширной зоны, прилегающей к его орбите. Их поток был в 170 раз выше, чем приходится на единицу поверхности Земли.

«Пионер-11» продолжил исследование сложной структуры магнитного поля и процессов в магнитосфере планеты. Измерения новым магнитометром показали, что магнитное поле Юпитера, ось которого наклонена на 11° и смещена на 7100 км от центра планеты, формируется не единственным кольцевым током «динамо-машины» в его недрах, как у Земли, а одним главным и несколькими второстепенными. Величина поля превысила земную на порядок – 4,2 Гс у вершин облаков на экваторе против 0,35 Гс на Земле. На полюсах все было еще серьезнее – 14,8 Гс у северного и 11,8 Гс у южного. Магнитный момент планеты оказался в 19 000 раз больше, чем у Земли.

На отлете аппарат проходил ударную волну трижды, как и на подлете. Условия в магнитосфере планеты во многом отличались от увиденных «Пионером-10», но стала в целом понятна ее структура. В центральной части радиусом до 20 R_J доминировало магнитное поле Юпитера. В средней, от 20 до 60 R_J, его существенно искажали захваченные заряженные частицы, формирующие токовый слой со своим собственным магнитным полем. Во внешней области как величина, так и направление магнитного поля вели себя весьма нерегулярно. У ученых сложилось впечатление, что магнитосфера Юпитера все время колышется и пульсирует, словно гигантская медуза, реагируя на переменное давление солнечного ветра и «перемешивание» большими спутниками, и в максимуме может иметь до 21 млн км в диаметре.

Радиационные пояса Юпитера аппарат пронзил быстро и получил меньшую дозу, чем «Пионер-10», причем при подлете она была значительно выше, чем при отлете. Максимум интенсивности протонов на высотной отметке 1,9 R_J был в десять раз ниже прогноза, но в то же время в 20 раз выше, чем у «десятого»: их число достигало 150 млн на 1 см² в секунду. Первый аппарат прошел выше и выявил другой максимум – на высоте 3,4 R_J. Примерно посередине между этими отметками проходила орбита Амальтеи, которой и приписали роль «чистильщика». Было замечено, что Ио и другие большие спутники также «выметают» заряженные частицы со своего пути, снижая концентрацию протонов на два порядка.

Количество электронов с энергиями до 30 МэВ выросло незначительно. Ио смогла поглотить почти все электроны низких энергией между ею и Юпитером. Вообще же электронов вблизи планеты оказалось на порядок больше, чем нужно было для объяснения ее радиоизлучения. Ценность этого результата Джон Симпсон объяснил так: Юпитер – это «звезда бедного человека», массивное быстро вращающееся тело с сильным магнитным полем. Закономерности радиоизлучения этой планеты распространяются и на «нормальные» звезды, а также на пульсары, межзвездные газопылевые облака и прочие объекты и позволяют предметно судить и о них.

И все же операторы и ученые не зря опасались воздействия радиационных поясов. Пострадала система электропитания, хотя и меньше, чем на «Пионере-10». На борту сформировалось несколько десятков ложных команд, из-за которых ИК-радиометр не смог выполнить намеченную съемку северного полушария – ему пришлось срочно отправить блок из 108 команд, чтобы спасти хотя бы половину программы. Детектор астероидных и метеороидных частиц AMD, называемый также «Сизиф» (Sisyphus), был так поврежден радиацией, что сам стал генерировать ложные команды, из-за чего был окончательно выключен 16 августа 1975 г.

Хуже того, в ходе поиска источника ложных команд путем последовательного отключения всех подозреваемых прекратил выдавать какие-либо данные анализатор плазмы солнечного ветра – его выключили 12 апреля 1975 г. и к моменту повторного включения 16 апреля попросту «заморозили». Долгие попытки восстановления были безуспешны, пока 29 октября 1977 г. на борт не отправили команду включить высоковольтный источник, чтобы дать инструменту «тепловую встряску». И это сработало: 3 декабря прибор вновь начал формировать данные и откликаться на команды, то есть вернулся во вполне рабочее состояние.

Баллистический результат встречи с Юпитером полностью соответствовал плану. Планета сыграла земным зондом в гравитационный «футбол» и, если так можно выразиться, нанесла «удар в падении через себя». Аппарат изменил направление движения на 167°, а его скорость относительно Солнца увеличилась с 10,6 до 18,1 км/с. «Пионер-11» «подбросило» к северу от эклиптики, так что от Юпитера он пошел вверх и назад, наискосок через внутреннюю область Солнечной системы на другой ее край по огромной дуге длиной 2,4 млрд км. Наклонение новой гелиоцентрической орбиты было 15,32°, а перигелий – 3,718 а.е. – находился на треть ближе к Солнцу, чем Юпитер.

Так «Пионер-11» стал вторым американским аппаратом, использовавшим гравитационный маневр у одной планеты для достижения новой цели. И пока он неторопливо двигался к Сатурну, на старт к Юпитеру вышли два аппарата следующего поколения.

Глава 3
Рождение «Вояджера»

«Большого тура» не будет

NASA намеревалось запросить средства на начало полномасштабных работ по программе «Большой тур» в 1971 ф.г., однако летом 1969 г. при «верстке» бюджетного запроса новая администрация Ричарда Никсона дала понять, что это преждевременно. В проект бюджета вообще не попала ни одна новая разработка в области космической науки. Финансирование «Большого тура» шло пока из бюджетного раздела «Обеспечивающие исследования и технологии».

7 марта 1970 г. президент Никсон опубликовал заявление о Национальной космической программе. Он подвел черту под эпохой чрезвычайных усилий, связанных с пилотируемой высадкой на Луну, и заявил, что впредь космическая программа будет одной из областей внутренней политики на равных правах с другими. Трудно было не увидеть в этих словах перспективы дальнейшего сокращения космического бюджета, но в то же самое время Никсон пообещал: исследование планет и Вселенной продолжится, «Большой тур» с целью исследования пяти внешних планет будет реализован, подготовка к этой программе начнется в 1972 г.

Воодушевленное такой поддержкой, NASA решило продублировать каждый из пусков и отправить первую пару аппаратов в 1977 г. по трассе Земля – Юпитер – Сатурн – Плутон, а вторую – со стартом в 1979 г. – через Юпитер к Урану и Нептуну.

20 октября агентство выпустило запрос к научному сообществу об участии в предпроектной проработке и составлении плана научных исследований в миссиях «Большого тура». На него откликнулось более 500 ученых, из которых к апрелю 1971 г. была сформирована команда из 108 исследователей, представляющих 36 научных учреждений США и еще десять из Британии, Германии, Дании, Канады, Франции и Швеции. В составе команды были выделены 13 научных групп по конкретным направлениям исследований – от съемки планет и спутников до изучения метеороидов.

Однако у «Большого тура» неожиданно обнаружились конкуренты.

Весной 1970 г., ввиду начавшегося сокращения бюджета космической науки, президент Национальной академии наук Филип Хэндлер предложил администратору NASA Томасу Пейну провести оценку и расставить приоритеты в научных программах агентства, включая исследования Луны и планет, космическую астрономию и изучение Земли из космоса. Пейн принял это предложение, и в июле – августе 1970 г. на специальной конференции в Вудс-Хоуле почти 90 ученых анализировали программы NASA на следующее десятилетие. Исполнительный комитет во главе с Гербертом Фридманом из Военно-морской исследовательской лаборатории должен был свести их мнения и предложения воедино.

Участники совещания рекомендовали увеличить объем планетных исследований – а значит, и перераспределить в их пользу финансирование, отобрав средства у проектов по изучению магнитосферы. Правда, немедленно последовали конфликты: одни отстаивали «Большой тур», а другие агитировали за детальное изучение Юпитера с борта специализированного спутника. Оставив творческую дискуссию незаконченной, ученые образовали единый фронт в пользу астрофизики высоких энергий и в ущерб классической оптической астрономии и солнечной физике.

Глава исполнительного комитета Герберт Фридман, ветеран космических исследований, начавший свою карьеру в 1949 г. с регистрации рентгеновского излучения Солнца при пуске трофейной германской ракеты A-4 (V-2), был в шоке от поступивших предложений. Он встал в оппозицию к «Большому туру», опасаясь, что в борьбе за финансирование тот отберет средства у множества других важных научных проектов и, в частности, у уникального космического телескопа с трехметровым зеркалом. В области планетологии Фридман высказался в пользу углубленного изучения Юпитера.

9 января 1971 г. содержание подготавливаемого Фридманом отчета утекло в прессу, спровоцировав публичную стычку противников и сторонников «Большого тура».

В конце января администрация Никсона направила в Конгресс бюджетный запрос на 1972 ф.г., в котором появилась в статусе «нового старта» программа «Миссии к внешним планетам» с финансированием первого года работ в размере 30 млн долларов. Новое название придумали не зря: под ним, по сути, скрывались два предложения, отчасти конкурирующие друг с другом, – «Большой тур» и искусственный спутник Юпитера.

Представляя новый план 22 марта на заседании подкомитета по космической науке комитета по ассигнованиям Палаты представителей, и. о. администратора NASA Джордж Лоу сообщил, что первый пуск по маршруту Земля – Юпитер – Сатурн – Плутон состоится уже в июле 1976 г. Без лишних слов было понятно, что агентство решило приурочить столь волнующий старт к 200-летию американской революции и образования США. Далее планировались три пуска в соответствии с ранее заявленным графиком – один в августе 1977 г. по такой же трассе и два в октябре – ноябре 1979 г. к Урану и Нептуну.

Отдельным пунктом в плане Лоу стоял запуск к Юпитеру орбитального аппарата для продолжительных планетологических исследований. С него должен был начаться этап углубленного изучения планеты, включающий также доставку зондов в атмосферу Юпитера. Агентство заявило, что рассматривает возможность запустить спутник Юпитера на базе проекта TOPS вместо первого старта по трассе JSP.

Председатель подкомитета Делвин Клоусон, республиканец от Калифорнии, попросил докладчика уточнить, насколько критичны немедленное начало работ и названные сроки запусков «Большого тура». Лоу ответил, что столь благоприятное положение всех внешних планет повторится только через 179 лет. Если точнее, то маршрут JSP вновь открывался в 2076 г., а вот трасса JUN – в 2155 г.

Итак, NASA предложило реализовать всю программу изучения внешних планет на долгоживущих тяжелых многоцелевых аппаратах, обладающих возможностями адаптивного контроля, самотестирования и восстановления. В обосновании бюджетного запроса NASA рекламировало свой TOPS как универсальную платформу, создание которой заодно позволит увеличить срок службы других космических изделий и в качестве побочного эффекта породит обширные коммерческие приложения в электронной технике.

Конгресс просили «подписаться» на программу, в которой на четыре КА «Большого тура» нужно было от 750 до 900 млн долларов, а на ракеты-носители для них – еще 106 млн долларов. Необходимые расходы составляли 95 млн в 1973 ф.г. и по 140 млн в два следующих года, и лишь после этого они начинали снижаться.

Вот тут-то и «сыграл» отчет Фридмана! Выраженная в нем официальная позиция научного сообщества оказалась такова: при любом уровне доступного финансирования рекомендуются исследования Юпитера пролетными или орбитальными зондами на базе «Пионеров», а вот создание платформы TOPS и пуски по программе «Большой тур» можно профинансировать только при высоком уровне бюджетных расходов. В начале марта документ поступил в Бюджетное управление (OMB – Office of Management and Budget), и оно с радостью ретранслировало NASA пожелание Белого дома сделать выбор в пользу более скромного аппарата.

Что же касается 30 млн, которые успели включить в бюджетный запрос на 1972 ф.г., то и на них нашелся претендент – сенатор Клинтон Андерсон. 12 мая 1971 г. его комитет по авиации и космической науке сократил финансирование «Большого тура» в пользу ядерного ракетного двигателя NERVA, и когда после всех согласований бюджет поступил на подпись президенту, от 30 миллионов осталось только десять.

Лаборатория реактивного движения дала ответ на новые вводные в июле 1971 г. Замену двух из четырех аппаратов «Большого тура» на спутники Юпитера на базе TOPS в Пасадене сочли нецелесообразной, так как оснащение пролетных аппаратов дополнительной тормозной двигательной установкой для выхода на орбиту вокруг планеты удорожало проект с 750 до 925 млн долларов. В JPL считали, что, если средства, необходимые для осуществления оригинального проекта, не будут выделены, можно будет вписаться в сокращенный бюджет, используя вместо TOPS существующую платформу «Маринер» с необходимыми доработками.

В августе 1971 г. в Вудс-Хоуле состоялась еще одна конференция Комиссии по космическим наукам Национальной академии наук США, полностью посвященная теме исследования внешних планет. Ученые еще раз поддержали создание платформы TOPS и использование ее в четырех пусках по программе «Большой тур» в конце 1970-х гг., включая погружение в Юпитер двух атмосферных зондов, но при условии, что до этого и независимо от этого будет обеспечено создание аппаратов более легкого класса³⁵ для исследования Юпитера, Сатурна и их спутников раз в два года.

Отчет за подписью председателя комиссии д-ра Фрэнсиса Джонсона из Техасского университета в Далласе и остальных ее членов под названием «Исследование внешних планет, 1972–1985» (Outer Planets Exploration: 1972–1985) вышел в январе 1972 г. В нем вновь предлагались варианты программы исследования внешних планет в зависимости от уровня финансирования. При расходах на уровне 400 млн долларов ежегодно можно было бы запустить все четыре аппарата «Большого тура» на платформе TOPS. Имея 250 млн на каждый год, NASA было бы способно выполнить компромиссную программу, объединяющую два пуска «Большого тура» и миссии «пионеровского» класса. Наконец, предлагались различные варианты изучения внешних планет «Пионерами» в самом худшем случае, если будет выделено лишь 400 млн на все десятилетие.

Судьба перспективных проектов решилась в ходе подготовки бюджета на 1973 ф.г. Новый администратор NASA Джеймс Флетчер заявил 20 мая 1971 г., что в ближайшие годы агентство сконцентрируется на двух новых программах: на космической транспортной системе Space Shuttle и на «Большом туре», которому он явно симпатизировал. В проект бюджета, который Флетчер передал в OMB 30 сентября, были заложены расходы на обе программы. Однако в декабре глава агентства узнал, что президент Никсон – хозяин своего слова, он намерен утвердить создание шаттла в любом случае и не готов финансировать обе программы одновременно. Флетчер сдался и согласился заменить «Большой тур» запуском двух аппаратов класса «Маринер» в 1977 г.

Решение о закрытии «Большого тура» было объявлено 22 января 1972 г. одновременно с представлением проекта бюджета на 1973 ф.г. Однако еще до этого в Лаборатории реактивного движения JPL началось планирование нового проекта с целью исследования Юпитера, Сатурна и их наиболее интересных спутников – Ио и Титана. Неофициально его называли Mini Grand Tour, а по документам он проходил как MJS-77, то есть Mariner Jupiter Saturn 1977. В феврале новую программу стоимостью «всего» 360 млн долларов единогласно поддержала Комиссия по космической науке, а вскоре и Конгресс проголосовал за выделение средств в размере 7 млн на первый год работ.

По решению Джона Ногла контракт на MJS-77 промышленности не выдавался – проект остался внутренней разработкой JPL. 18 мая был оформлен соответствующий заказ, а 3 июня 1972 г. подписали утверждающие документы по проекту. Официальной датой его начала стало 1 июля – первый день 1973 ф.г.

Кипящий бульон

«Цели ясны, задачи определены, за работу, товарищи!»?

Как бы не так.

Проекту MJS-77 с этого момента уже ничего не угрожало, и он благополучно дошел до запуска. Но параллельно с разработкой двух пролетных аппаратов класса «Маринер» обсуждались, рассматривались и отчасти даже делались еще с десяток проектов исследования дальних планет, два из которых «выстрелили» лишь в 1990-е гг. «Линии судьбы» их переплетались самым замысловатым образом.

В августе 1971 г. в Вудс-Хоуле ученые рекомендовали использовать два подготавливаемых тогда к старту «Пионера» для всестороннего изучения радиационных поясов Юпитера на предмет их опасности, даже если это создаст риск потери аппаратов-разведчиков, а также переделать технологический экземпляр в летное изделие «Пионер-H» для исследования магнитосферы и радиационной обстановки у Юпитера на случай, если с заданием не справятся два предшествующих.

Очень похожее предложение подготовил в том же августе 1971 г. по заданию NASA Отдел перспективных проектов Центра Эймса. Третий «Пионер» предполагалось отправить в облет Юпитера с выходом из плоскости эклиптики. Основной целью экспедиции было изучение солнечного ветра и магнитного поля на больших эклиптических широтах, а также космических лучей солнечного и галактического происхождения.

Запуск предполагался в мае 1974 г. на носителе «Титан-Центавр» с дополнительной ступенью TE-M-364–4 – по условиям встречи с планетой нужна была высокая отлетная скорость. В июне 1975 г. аппарат должен был пройти под южным полюсом Юпитера и, отсняв его полярные районы, отправиться к Солнцу по орбите наклонением 92,5° с прохождением спустя два года над северным полюсом светила и пересечением эклиптики за Солнцем в августе 1977 г. на дистанции 1,2 а.е.

Это красивое предложение не было реализовано, но идею не забыли. В феврале 1974 г. NASA и Европейская организация космических исследований ESRO провели «ревизию» научных космических программ и в числе возможных совместных начинаний назвали запуск спутника Юпитера и создание внеэклиптического зонда. В апреле 1977 г. был учрежден совместный с Европой проект ISPM³⁶, предусматривавший запуск в 1983 г. на шаттле двух вновь разработанных аппаратов – американского и европейского – с выходом из плоскости эклиптики в результате гравитационного маневра у Юпитера и облетом Солнца по полярным орбитам во встречных направлениях. В феврале 1981 г. новая администрация Рейгана в порыве крохоборства «зарубила» свою часть проекта, но согласилась запустить европейский зонд. Он стартовал под названием «Улисс» (Ulysses) в октябре 1990 г. и блестяще выполнил свою программу.

Весной 1972 г. учрежденная NASA Научная консультативная группа по полетам во внешнюю часть Солнечной системы поддержала, среди прочих, идею запуска в 1981–1982 гг. двух спутников Юпитера на базе «Маринера». Агентство поручило Лаборатории реактивного движения проработать такой проект, причем уже с запуском на шаттле. Научным руководителем был Уильям Хаббард из Аризонского университета.

При разработке программы исследований в системе Юпитера был предложен «тур по спутникам» – схема многократных изменений орбит путем гравитационных маневров у больших лун планеты. От аппарата требовался лишь небольшой расход топлива на коррекции перед очередной встречей, так что при довольно скромной начальной массе можно было долго и продуктивно работать в разных областях системы Юпитера. Эту удивительную траекторию просчитали сотрудники Группы перспективных проектов JPL Джон Бекман, Пол Робертс, Чонси Апхофф и Луис Фридман, будущий президент Планетарного общества.

Пролет «Пионера-10» у Юпитера в декабре 1973 г. показал, что радиационные пояса планеты представляют собой лишь умеренную опасность. Оказалось, что атмосферные зонды, которые проектанты прикидывали «на перспективу» для Сатурна и Урана, в принципе выдержат и погружение в Юпитер. Центр Эймса при поддержке TRW подготовил альтернативный проект спутника Юпитера с зондом с забавным обозначением PJOP по первым буквам английского названия³⁷. Научную группу возглавлял Джеймс Ван Аллен.

За основу вновь взяли «Пионер-H», а в партнеры выбрали европейское ESRO. На совещании американских и европейских специалистов 17–18 июня 1974 г. в Центре Эймса была сформулирована концепция миссии с основной задачей изучения магнитного поля планеты. Рабочая группа рекомендовала выделить из лимита в 40 кг полезной нагрузки 70 % под аппаратуру для регистрации энергичных частиц и магнитных полей, а остальное – на съемку в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

Комиссия по космической науке Национальной академии наук летом 1974 г. поддержала оба проекта спутника Юпитера, но тут же усомнилась в возможности изыскать необходимые средства на все рекомендуемые ею начинания. NASA организовало изучение различных концепций в рабочих группах, которые представили свои выводы Консультативной группе по стратегии исследования внешних планет. Последняя в феврале 1975 г. заключила, что эймсовский спутник на базе «Пионера» с атмосферным зондом следует запустить раньше пасаденовского аппарата класса «Маринер». Академическая комиссия также поддержала проект нового «Пионера», и агентство перевело его на фазу разработки B, то есть на этап детального обоснования.

Новый «Пионер» получался довольно тяжелым – из 1092 кг стартовой массы 691 кг пришелся на тормозную двигательную установку на двухкомпонентном топливе. Ее обещали сделать европейские партнеры на базе бортовой ДУ экспериментального геостационарного спутника «Симфония», но и TRW готова была взять разработку на себя. Массу научной аппаратуры определили в 50 кг.

Запуск на носителе «Титан-Центавр» с дополнительной ступенью TE-M-364–4 намечался на 6 декабря 1980 г., а прибытие к Юпитеру – на 14 февраля 1983 г. На подлете сбрасывался атмосферный зонд массой 150 кг с 20 кг научной аппаратуры, который проектировала компания McDonnell Douglas Corporation. Он должен был осуществлять спуск в атмосфере Юпитера в течение 30 минут до глубины, соответствующей давлению 10 атм. Как и в основном проекте, для маневрирования в системе Юпитера и максимального охвата измерениями различных областей предлагались гравитационные маневры у спутников планеты.

К сожалению, Германия не смогла заручиться поддержкой остальных членов ESRO. Организация вышла из совместного проекта, и судьба «Пионера» повисла в воздухе.

Осенью 1975 г. NASA приняло окончательное решение и оставило в разработке только один искусственный спутник Юпитера – тот, который компоновали в JPL на базе «Маринера» под запуск на шаттле. Центру Эймса было поручено сопровождать проект атмосферного зонда. Так родился объединенный проект JOP (Jupiter Orbiter/Probe – Спутник Юпитера и зонд), который, пройдя еще множество кризисов и переделок, увенчался запуском КА «Галилео» (Galileo) в октябре 1989 г.

Неприкаянный «Пионер-H» в январе 1977 г. был выставлен в Национальном аэрокосмическом музее США как память о первых путешествиях к Юпитеру и горячих спорах о дальнейшем развитии программы изучения внешних планет.

Проект MJS-77

В апреле 1972 г. NASA выпустило новый запрос к научному сообществу по аппаратуре для полета к Юпитеру и Сатурну и получило 77 откликов: 31 от научных групп, предлагающих проекты бортовых приборов, и 46 от отдельных ученых, желающих участвовать в формируемых научных командах. Всего вызвалось участвовать в экспедиции к дальним планетам более 200 специалистов. Агентство выбрало 19 индивидуальных ученых, 11 областей исследований и 9 инструментов. Стоящие за ними научные группы включали еще 90 человек из 32 институтов США, Британии, Германии, Франции и Швеции. Направления исследований и списки ученых во многом повторяли выбранные в апреле 1971 г. для «Большого тура».

Состав бортовой аппаратуры MJS-77, объявленный 10 декабря 1972 г., скорректировали после пролета «Пионера-10» у Юпитера. В окончательном варианте он выглядел так.

Съемочная система ISS (Imaging Subsystem) фактически состояла из двух телекамер. Камера WAC была построена на широкоугольном объективе на базе телескопа-рефрактора с фокусным расстоянием 200 мм, относительным отверстием 1:3,3 и полем зрения 3,2 × 3,2°. Камера NAC имела в своем составе длиннофокусный телескоп-рефлектор с фокусным расстоянием 1500 мм, относительным отверстием 1:8,5 и полем зрения 0,424 × 0,424°. Ее угловое разрешение – 9,25 мкрад, что соответствует линейному разрешению 9 км при съемке с 1 млн км. Приемным устройством в обоих случаях являлась видиконовая трубка с чувствительным слоем из селена и серы, преобразующая изображение в телевизионную «картинку» размером 800 × 800 точек с 256 градациями яркости. Для съемки в отдельных спектральных линиях и синтеза цветных изображений было предусмотрено по восемь фильтров для каждой камеры: узкоугольная NAC располагала двумя прозрачными, красно-оранжевым (618,4 нм), двумя зелеными, синим, фиолетовым и ультрафиолетовым (346 нм); широкоугольная WAC – прозрачным, двумя метановыми (541 и 618 нм), оранжевым, желтым (на дублет натрия, 589 нм), зеленым, синим и фиолетовым.

Фотополяриметр PPS (Photopolarimeter Subsystem), измеряющий поляризацию отраженного или рассеянного света для получения информации о пылевых и аэрозольных частицах в атмосферах планет и в кольцах Сатурна, а также о структуре поверхности спутников и натриевом торе Ио. Прибор был построен на базе 200-миллиметрового телескопа системы Кассегрена с рабочим диапазоном 265–750 нм с фильтрами, анализаторами и фотоумножительной трубкой в качестве выходного устройства. В отличие от одноименного прибора на «Пионерах», построения изображений от него не требовали.

Инфракрасный спектрометр-интерферометр и радиометр IRIS (Infrared Interferometer Spectrometer and Radiometer) для измерения температур и теплового картирования поверхностей планет и спутников был изготовлен на базе телескопа системы Кассегрена с первичным зеркалом диаметром 0,5 м. Интерферометр работал в диапазоне 4,0–55 мкм, радиометр – от 0,3 до 2,0 мкм. Прибор предназначался для построения температурных профилей и исследования энергетического баланса атмосфер планет и спутников, определения состава и физических характеристик поверхностей и атмосфер планет, спутников и колец.

УФ-спектрометр UVS (Ultraviolet Spectrometer Subsystem), регистрирующий излучение в диапазоне 50–170 нм, где находятся линии атомарного и молекулярного водорода, гелия, метана, этана, ацетилена и других углеводородов. Назначение – исследование температуры и химического состава верхних слоев атмосфер планет и спутников, определение концентрации ионов и атомов различных элементов, изучение межпланетной и межзвездной среды, а также астрономические наблюдения.

Детектор межпланетной плазмы PLS (Plasma Subsystem), выполненный в виде двух чаш Фарадея и регистрирующий электроны с энергией от 0,01 до 5,95 кэВ и ионы от 0,02 до 11,9 кэВ. Инструмент предназначался для исследования свойств солнечного ветра и его взаимодействия с планетными системами, для изучения магнитосфер планет и их возмущений спутниками, а также для поиска ударной волны и гелиопаузы – границы околосолнечной среды с межзвездной.

Детектор заряженных частиц низких энергий LECP (Low Energy Charged Particle Subsystem) для измерения состава и энергетического спектра заряженных частиц, включающий анализатор магнитосферных частиц LEMPA и телескоп низкоэнергичных частиц LEPT. Первый предназначался для исследования энергетического спектра и углового распределения протонов от 20 кэВ до 150 МэВ и электронов с энергией от 15 кэВ до 11 МэВ в магнитосферах Юпитера и Сатурна, второй был ориентирован на регистрацию в межпланетном пространстве ионов с энергией от 47 кэВ до 200 МэВ на нуклон и определение их изотопного состава.

Детектор энергичных космических лучей CRS (Cosmic Ray Subsystem) – комплект из семи телескопов, измеряющих спектр электронов с энергиями 3–110 МэВ (телескоп TET), протонов и ядер с энергиями 0,5–9,0 МэВ и 4–500 МэВ на нуклон (четыре телескопа LET и два HET соответственно).

Две пары трехосных индукционных магнитометров MAG (Magnetometer Subsystem) с датчиками на 13-метровых штангах, регистрирующих слабые (8–50 000 нТ) и сильные (от 0,5 до 20 Гс) магнитные поля.

Детектор плазменных волн PWS (Plasma Wave Subsystem), позволяющий регистрировать низкочастотные осцилляции тепловой плазмы у Юпитера и Сатурна, определять профили ее плотности, а также исследовать взаимодействие спутников этих планет с их магнитосферами. Этот прибор был введен в комплекс аппаратуры в середине 1974 г. и имел в своем составе спектроанализатор с 16 узкими каналами с центральными частотами от 10 Гц до 56,2 кГц и широкополосный канал с полосой от 50 Гц до 12 кГц.

Приемник PRA (Planetary Radio Astronomy Subsystem) для регистрации радиоизлучения Юпитера и других источников в 198 каналах в частотных диапазонах от 1,2 до 1326 кГц и от 1,53 до 40,55 МГц. Прибор имел две взаимно перпендикулярные штыревые антенны длиной по 10 м; их также использовал детектор PWS как эквивалент одной семиметровой антенны.

Все приборы, кроме трех последних, находились на специальной штанге длиной 2,3 м, причем камера, оба спектрометра и фотополяриметр были установлены на поворотной платформе массой 102,5 кг. Ее двухстепенной привод позволял наводить приборы на цель независимо от ориентации самого КА в пределах 360° по азимуту и 210° по углу места. Максимальная скорость разворота составляла 1° в секунду, но были доступны еще три: 1/3, 1/12 и 1/192 градуса в секунду. Точность наведения была близка к 0,1°.

Датчики магнитометров размещались на отдельной штанге длиной 13 м и массой 2,3 кг.

Общая масса научной аппаратуры «Вояджера» в стартовом варианте составила 105 кг, а ее общее электропотребление – 105 Вт (см. таблицу 7).

Кроме этого, как и в проекте «Пионер-F/G», была предусмотрена возможность радиозондирования атмосфер Юпитера, Сатурна и их спутников. Также были запланированы исследования в области небесной механики по траекторным измерениям лучевой скорости и дальности – это должно было помочь определить массы и параметры гравитационных полей планет и их спутников и характеристики орбитального движения. Два эти исследования проводились с использованием штатной радиотехнической системы RSS³⁸, но описывались как отдельные эксперименты – по радиоастрономии и по небесной механике.