"Вояджеры" ушли к звездам

Немногим более тридцати лет назад со стартового комплекса LC-41 на мысе Канаверал с разницей в 16 суток — 20 августа и 5 сентября 1977 г. — стартовали два тяжелых ракето-носителя (РН) Titan 23E.

На их дополнительных четвертых ступенях были смонтированы две идентичные автоматические межпланетные станции Voyager ("Вояджер" — "мореплаватель").

Первая из них получила имя Voyager-2, а вторая — Voyager-1, так как была запущена по более "быстрой" траектории и должна была вскоре обогнать первую. Это произошло в поясе астероидов 15 декабря 1977 г. на расстоянии около 125 млн. км от Земли. С тех пор Voyager-1 идет впереди своего "собрата" и по сей день остается самым далеким космическим аппаратом, когда-либо запущенным в космос человеком. И конкурентов ему, по крайней мере в ближайшие десятилетия, не предвидится. 

За 30 лет на Землю с двух АМС было передано такое количество информации о Солнечной системе, какого не было накоплено за всю историю (!) ее исследования со времен Средневековья. Конечно, рассказать в краткой статье подробно о 30 годах полета двух «Вояджеров» нереально. Но к прошедшей «круглой дате» мы постарались просуммировать основные открытия и наиболее важные результаты их исследований. 

Гравитационный маневр — ключ к Солнечной системе 

Путешествие «Вояджеров» было бы невозможным без серии гравитационных (пертурбационных) маневров в поле тяготения одной планеты с набором скорости для полета к другой. Стоит отметить, что первый пертурбационный маневр в истории космонавтики был выполнен в ходе полета советской АМС Е-2А («Луна-3»), запущенной 4 октября 1959 г. 

Вояджери
"Наука и техника"
КА «Вояджер» на испытательном стенде в центре космических полетов им. Кеннеди
Выполнив облет Луны с фотографированием ее обратной стороны, станция изменила свою траекторию, вернулась к Земле с направления, благоприятного для передачи изображений, и стала спутником Земли. Этот полет стал возможным в результате пионерских работ В.А. Егорова, М.Л. Лидова, Д. Е. Охоцимского и их коллег (1957 г.) из Математического института АН СССР, выполненных под руководством М.В. Келдыша. 

В США к идее гравитационных маневров пришли своим путем. 

Летом 1961 г. в группе траекторий Лаборатории реактивного движения (JPL) стажировался 25-летний студент-математик из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе Майкл Эндрю Минович (Michael Andrew Minovitch). 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. По сути 25-летний 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. 

Вояджери
"Наука и техника"
Проверка раскрытия штанги магнитометров в ангаре ВВС на мысе Канаверал
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. 

Весной и летом 1963 г. Минович выступил с несколькими докладами, и после этого 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 (Elliott Cutting) и Фрэнсис Стермс (Francis M. Sturms Jr.) показали, что необходимые точности достижимы с использованием существующей навигационной аппаратуры.

«Большой тур» 

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

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, проведен не был: в распоряжении Миновича не было эфемерид планет после 1980 г. 

Осенью 1965 г. с аналогичной идеей выступил аспирант Калифорнийского технологического института Гэри Фландро (Gary A. Flandro), приглашенный в JPL продолжить исследования Майкла Миновича. 

Фландро выполнил расчеты различных вариантов пролета внешних планет с использованием поля тяготения Юпитера в 1975-1981 гг. и показал, в частности, что при запуске в 1976-1978 гг. можно было 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 именем уже существовали. Ясно было, что это уникальная возможность: следующего благоприятного периода для пролета всей четверки пришлось бы ждать около 175 лет. 

Вояджери
"Наука и техника"
Первопроходцами трассы «Большого тура» послужили КА серии «Pioneer»
Наибольший интерес к «Большому туру» проявила Лаборатория реактивного движения (что неудивительно). В декабре 1966 г. руководитель перспективного планирования JPL Хомер Стюарт (Homer J. Stewart), говоря современным языком, «пропиарил» проект в журнале Astronautics and Aeronautics. Однако нужно было убедить в его необходимости руководство NASA и научное сообщество (которому больше импонировали малые краткосрочные миссии с быстрой отдачей), а затем и правительство, чтобы получить необходимые (и немалые) средства. 

Конец «Большого тура» 

В начале 1969 г. созданная в NASA Рабочая группа по внешним планетам предложила пересмотреть концепцию «Большого тура», разделив его надвое. Было решено действовать в два приема, но исследовать не четыре, а пять дальних планет. Соответствующий сценарий был опубликован в июне 1969 г. Джеймсом Лонгом (James E. Long) из Отдела перспективных проектов JPL. 

Предполагалось, что первый аппарат GT1 стартует в августе 1977 г., в январе 1979 г. минует Юпитер и в августе 1980 г. — Сатурн, а затем направляется к Плутону, которого достигает в январе 1986 г. При этом «гравитационная роль» Сатурна состоит главным образом в выводе КА из плоскости эклиптики — поскольку в момент встречи Плутон будет находиться примерно в 8 а.е. над нею. Аппарат GT2 запускается в ноябре 1979 г. и следует по маршруту Юпитер (1981) — Уран (1985) — Нептун (1988). Дополнительным достоинством этого сценария стали более легкие условия пролета Сатурна — не под кольцами, а выше их. 

В качестве носителя Дж. Лонг предложил комбинацию Titan IIID + Centaur. Рабочая группа также предложила создать для скорейшего исследования внешних планет аппарат класса Mariner. Созванная в июне 1969 г. конференция ученых из Комиссии по космической науке поддержала эту идею и выдала на-гора план из пяти проектов: две миссии «Большого тура», один аппарат исключительно для исследования Юпитера, один для отклонения Юпитером к Солнцу и один для полета через Юпитер к Урану. 

Судьба проекта решилась окончательно в ходе подготовки бюджета на 1973 ф.г. Администратор NASA Джеймс Флетчер сначала включил в проект расходы на два новых больших проекта — Grand Tour и Space Shuttle. В декабре 1971 г. он узнал, что президент Никсон намерен утвердить проект Space Shuttle, но не готов финансировать обе программы одновременно. Флетчер сдался и согласился заменить «Большой тур» запуском двух аппаратов класса Mariner в 1977 г. 

MJS-77 

Вояджери
"Наука и техника"
Траектория полета к внешним планетам с гравитационным маневром в поле тяготения Юпитера для «Вояджер-1» и с пролетом четырех внешних планет для «Вояджер-2»
Решение о закрытии проекта «Большой тур» было объявлено 22 января 1972 г., но еще до этого в JPL началось планирование новой программы с целью исследования Юпитера, Сатурна и их наиболее интересных спутников — Ио и Титана. Неофициально ее называли Mini Grand Tour, а по документам она проходила как Mariner Jupiter Saturn 1977 (MJS-77). Стоимость ее оценивалась «всего» в 360 млн . В феврале программу единогласно поддержала комиссия по космической науке, и вскоре Конгресс проголосовал за выделение средств на нее. 

По решению заместителя администратора NASA по космической науке Джона Ногла (John E. Naugle), контракт на MJS-77 промышленности не выдавался — проект остался внутренней разработкой JPL. 18 мая был оформлен соответствующий заказ, а 3 июня документы по проекту были официально утверждены.

Полную еврсию статьи читайте в журнале "Наука и Техника".

Узнавайте главные новости первыми — подписывайтесь на наши push-уведомления.
Обещаем сообщать только о самом важном.

Отправить другу Напечатать Написать в редакцию © По материалам "Наука и техника" / П. Шаров, И. Лисов
Увидели ошибку - контрол+энтер
Всего комментариев: 0
Выбор редакции