Что происходит с зондом "Вояджер-1"?
Вояджер-1 — зонд, которому принадлежит рекорд по расстоянию, достигнутому от Земли, — 21337 миллиардов километров, и по времени, проведенному в космосе за время работы: 45 лет. Однако с некоторых пор у нее возникла странная и парадоксальная проблема.
Подсистема управления ориентацией и артикуляцией (AACS) посылает на наземные станции данные, которые на данный момент кажутся абсолютно бессмысленными. В течение 45 лет AACS успешно контролирует ориентацию космического аппарата в космосе; то есть следит за тем, чтобы все приборы были направлены правильно. В частности, антенна, которая для обеспечения связи всегда должна быть расположена так, чтобы основной лепесток излучения электромагнитной энергии был направлен в сторону Земли.
Другими словами, если бы данные, которые в настоящее время принимаются и генерируются AACS, действительно были описанием положения зонда, то мы не смогли бы их принять или получили бы, по крайней мере, более слабый сигнал. Более того, ни одна система, похоже, не перешла в "безопасный режим", своего рода спящий режим на случай чрезвычайной ситуации.
Как работает AACS
AACS "Вояджера" работает по критерию трехосевой стабилизации: ориентация зонда фактически фиксируется в пространстве относительно некоторых внешних ориентиров. Для "Вояджера" ориентирами являются Солнце и набор "неподвижных" звезд, определенных так потому, что они находятся достаточно далеко, чтобы их относительное движение по отношению к Солнечной системе было небольшим или пренебрежимо малым.
Поэтому, зная положение Солнца и звезд, компьютер AACS способен вычислить положение "Вояджера" и угол наклона каждого из его приборов, включая антенну связи. В случае ошибки дается команда гидразиновым движителям (16 основных плюс 8 резервных) включиться, чтобы изменить положение приборов.
JPL участвует в разработке технологии трехосевого управления с 1959 года; однако реальное развитие, после экспериментов с космическими аппаратами "Маринер" и "Викинг", произошло в ходе двух миссий "Вояджер". В 1975 году, в условиях огромного сокращения бюджета НАСА, необходимо было найти экономичные и эффективные решения для проблем, которые уже были более сложными, чем в прошлом. На самом деле, по сравнению с предыдущими зондами, "Вояджер" имеет гораздо меньшую жесткость конструкции.
РИТЭГи, работающие на полонии, установлены на кронштейнах вне основной конструкции, чтобы избежать утечки радиоактивных веществ вблизи научных приборов. Кроме того, магнитометр располагается в стороне от основного корпуса, чтобы избежать помех от магнитных полей, искусственно создаваемых приборами зонда.
Наконец, платформа для сканирования и получения изображений также была закреплена таким образом, чтобы иметь лучшее поле зрения. Во время маневров эти вытянутые руки слегка сгибаются, вызывая возвратное напряжение, что делает требования AACS гораздо более жесткими на этапе маневрирования, чем на этапе полета. В частности, AACS должна одновременно обрабатывать манёвр и помехи, вызванные самим маневром.
Именно по этой причине были добавлены резервные двигатели с единственной целью - выдержать маневры во время встречи с планетами (Юпитер, Сатурн и Титан). Можно с уверенностью сказать, что JPL сработала на отлично, поскольку резервные двигатели были снова введены в эксплуатацию в 2017 году из-за износа номинальных и безупречно функционировали после 37 лет неиспользования и воздействия космической среды.
Бортовой компьютер
AACS продолжает прекрасно функционировать в течение 45 лет благодаря управляющему компьютеру HYPACE, которому тоже 45 лет. HYPACE означает Hybrid Programmable Attitude Control Electronics и состоит из одной из первых цифровых схем, когда-либо созданных, в сочетании с классической аналоговой схемой; она состоит из той же 4K-28bit платы, что и Viking Orbiter, в сочетании с транзисторно-транзисторной (TTL) логикой интегральных схем для создания процессора с 28 микросекундными (10 МГц) циклами, таким образом, способного выполнять один миллион циклов (операций/вычислений) в секунду.
Вояджер стал первым зондом, достигшим такой расчетной мощности, и его длительная работа является еще одним доказательством обоснованности этой системы. Еще одной причиной длительного срока службы этого зонда является его высокая избыточность, как на аппаратном, так и на программном уровне.
Первая причина, почему так трудно найти ответ на недавние загадочные аномалии AACS, заключается именно в нашем незнании среды, в которой летит "Вояджер": каждая прошедшая секунда расширяет наши знания о космосе на 16 км. Сейчас, по сути, "Вояджер" находится в межзвездном пространстве за пределом так называемого "терминационного шока", пройденного в 2004 году, т.е. там, где частицы солнечного ветра достигают дозвуковой скорости, и за пределом гелиопаузы, пройденной в 2012 году, т.е. в зоне, где солнечный ветер полностью останавливается межзвездной средой, уравновешивая ее по давлению. Межзвездная среда - это термин, используемый для описания разреженного материала, состоящего из газа и пыли, который находится между звездами.
Межзвездное пространство
Помимо неизвестности, межзвездное пространство является чрезвычайно радиоактивной средой, что, безусловно, создает нагрузку на аппаратуру (разрушая термооптические свойства) и программное обеспечение. В частности, очень энергичное излучение, попадая на электронный компонент внутри спутника, может вызвать так называемую битовую ошибку: изменение в двоичном коде 0 на 1 или наоборот, что создает непредсказуемые проблемы.
Второй причиной, затрудняющей выявление причины ошибки, является задержка связи на 20 ½ часов. То есть, чтобы отправить сообщение и получить ответ, требуется около двух дней. Однако, учитывая все это, Сюзанна Додд, руководитель проектов "Вояджер 1 и 2" в JPL, сохраняет позитивный настрой:
Возраст обоих зондов составляет 45 лет, что намного превышает их первоначальные планы. [...]. Перед командой инженеров стоят огромные задачи, но я думаю, что если есть способ решить проблему с AACS, они его найдут.
На самом деле, совершенно удивительно думать, что до сих пор есть инженеры, обладающие огромным опытом работы с программным и аппаратным обеспечением, которое было разработано почти 50 лет назад и которое позволяет продолжать эти экстремальные миссии.
РИТЭГи "Вояджера-1" будут обеспечивать достаточную мощность до 2025 года, когда он достигнет расстояния 25 миллиардов километров, и мы надеемся, что они будут отправлять полезные данные до той даты, когда он должен достичь водородной стены до головной ударной волны. Потом, где-то в 2042 году, когда уж точно уже не получится, дойдет до удара носовой части.
Это область, где межзвездная среда становится дозвуковой по эффекту, подобному солнечному ветру, врезающемуся в магнитосферу Земли. Через 30 000 лет "Вояджер-1" полностью выйдет из Облака Оорта и войдет в гравитационное поле другой звезды. Наконец, через 38 000 лет он перенесет свой золотой диск примерно на 1,7 световых года от звезды Глизе 445 в созвездии Жирафа.