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

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.