додати матеріал


Далі - тільки зірки (про політ Вояджера-2) 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти і науки України
Національний Університет ім. Т. Г. Шевченка
Фізичний факультет, кафедра астрономії
Реферат
Тема:
Далі - тільки зірки (про політ "Вояджера-2")
Підготував: студент V курсу
Група 114 АФ
Коломієць В. П.
Київ 2010

План
Вступ
1. "Великий тур" і Вояджер
2. Домашнє господарство апарату
3. Як "Вояджер-2" було втрачено, але ненадовго
4. Продовжена місія Вояджера-2: Уран і Нептун
5. Попереду мільйони років польоту
6. Послання невідомому адресатові
Програми
Література

Вступ
У серпні 1989 р. зближенням "Вояджера-2" з Нептуном завершилася планетна частина місії "Вояджер". Ще один таємничий світ з сімейства газорідку планет постав на телевізійних екранах.
Проект "Вояджер" за тривалістю та продуктивності - один із найвидатніших експериментів, виконаних у космосі в останній чверті XX століття. Чотири планети-гіганта, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, пройшли перед об'єктивами телевізійних камер та іншої наукової апаратури "Вояджера-2". Чотири рази потік наукових даних зростав до меж, які апарат ще здатний був передати на Землю.
Відстані до планет-гігантів такі величезні, що навіть сучасні засоби наземної астрономії виявляються безсилими перед цією безмежною далиною. Але космічний апарат "Вояджер-2" через 12 років польоту зумів досягти Нептуна, віддаленого від Землі в 30 разів далі, ніж Сонце.
Автомати досліджують Сонячну систему. Їх польоти нагадують подорожі на початку історії географічних відкриттів, коли людина вперше повірив у свою здатність долати безмірну, здавалося б, широчінь земних океанів. Пройшли століття. І хай тепер, як писав І. Єфремов, безтурботні молоді люди за штурвалом надзвукового літака "долають ці відстані за час, недостатнє для здійснення обряду ранкового обмивання", але велич подвигу мореплавців минулого не меркне до цих пір. Ймовірно і наші, не настільки вже далекі нащадки жартома будуть долати відстань до орбіти Нептуна, звідки навіть радіосигнал "Вояджера-2" йшов більше чотирьох годин. Ймовірно, вони будуть знати задвірки Сонячної системи не гірше віддалених куточків Землі. І все ж остання чверть XX століття назавжди залишиться однією з найбільш яскравих епох усвідомлення людиною пристрою і природи Сонячної системи і свого в ній місця.
Звичайно, було б наївно думати, що політ двох "Вояджер" дозволив скільки-небудь глибоко розібратися в процесах, що відбуваються в надрах газорідку гігантів. Це ще попереду. Але впевнено зроблені перші кроки, і тепер в руках науковців замість хитких гіпотез (а іноді і просто домислів) виявилися тверді факти. Розвиток науки все прискорюється. Навряд чи хто-небудь з учителів астрономів-планетчіков мого покоління міг припустити, що їх студентам випаде не тільки побачити зворотний бік Місяця і працюють на Місяці космонавтів, а й поверхню супутників самих далеких планет. З моменту відкриття в 1846 р. Нептун не завершив ще й одного обороту навколо Сонця. У 1949 р. відомий дослідник планет Г. Койпер відкрив супутник Нептуна Нереїду. У 1989 р. його колишній студент К. Саган брав участь в дослідженнях Нереїди з борту "Вояджера-2". У цій статті коротко розповідається про історію проекту "Вояджер", про самих апаратах і деяких їхніх пригоди. Науковим підсумками місії присвячуються інші статті, тому основні наукові результати, отримані в дослідженнях Юпітера, Сатурна, Урана і їх супутників, винесені в додаток.

1. "Великий тур" і Вояджер
"Вояджер-2" був запущений до Юпітера з космодрому космічного центру ім. Кеннеді 20 серпня 1977 ракетою "Титан ЗЕ-Центавр" зі стартовою масою близько 700 т. "Вояджер-1" послідував за ним 5 вересня 1977, але для нього була обрана коротша (і менш економічна) траса. Планети Юпітер він досяг 5 березня 1979, на 4 місяці раніше "Вояджера-2", який зблизився з Юпітером 9 липня того ж року.
Апарати "Вояджер-1" і "Вояджер-2" були створені в лабораторії реактивного руху (JPL) NASA. Цікава передісторія їх розробки. Ідея проекту "Великий тур" вперше з'явилася в кінці 60-х років, незадовго до запуску перших пілотованих апаратів до Місяця і апаратів "Піонер" до Юпітера. Роботи по проекту "Великий тур" НАСА початку в 1969 р. Вже на 1972 р. Конгрес США, як очікувалося, повинен був виділити 30 млн доларів для робіт за цим проектом. Однак ця сума затверджена не була.
Ідея проекту полягала в послідовному обльоті кожним з намічалися апаратів декількох планет. На рубежі 70-х і 80-х років усі планети-гіганти вдало розташувалися в порівняно вузькому секторі Сонячної системи ("парад планет"). Останній раз таке "збори" проходило 180 років тому. Використання гравітаційного маневру робило можливим переліт апарату від однієї планети до іншої за відносно короткий час. Без такого маневру політ, наприклад, до Нептуна, тривав би на 20 років довше, а зміна напрямку польоту вимагало б немислимого витрати пального. Суть маневру полягає в тому, що при русі апарату в гравітаційному полі впливає на нього тяжіння планети кілька змінює його траєкторію. Необхідна для цього енергія запозичується у планети і, за законом збереження, додається до кінетичної енергії апарату. Вперше астрономи зрозуміли фізику цього явища ще в XIX ст., Спостерігаючи, як сильно змінюються орбіти комет під дією масивного Юпітера. У 1989 р., рівно сто років тому, французький вчений Франсуа Тіссеран проаналізував проблему і створив відповідний математичний апарат, що дозволяє розрахувати орбіти комети до і після обурення. В епоху планетних досліджень гравітаційний маневр багато разів використовувався для управління рухом апарату. Так, апарат "Марінер-10" був виведений на орбіту зближення з Меркурієм після гравітаційного маневру у Венери; прямий висновок апарату на таку орбіту неможливий. Останнім часом цей метод настільки розроблений, що його використовують навіть для розгону апарату. Найяскравіший приклад - апарат "Галілей", який був запущений в США в жовтні 1989 р. для досліджень Юпітера. Однак після запуску апарат був спрямований не до Юпітера, а до Венери. Після маневру в її полі тяжіння в грудні 1990 р. він повернеться до Землі для наступного маневру. Але і це ще не все. У жовтні 1991 р. він зблизиться з астероїдом Гаспрі (названим на честь селища Гаспра поблизу Сімеїзькій обсерваторії у Криму), а потім ... знову повернеться до Землі (грудень 1992 р.). Лише після цього апарат "Галілей" ляже на трасу польоту до Юпітера, якого досягне через 3 роки.
У проекті "Великий тур" гравітаційний маневр відіграв визначальну роль: зміна напряму польоту апарату досягалося фактично без затрат палива. Але для цього було потрібно дуже точно вибрати відстань прольоту від центру маси: якщо апарат проходить занадто далеко від планети, злам його траєкторії виявляється надто малим, а якщо дуже близько - апарат може навіть розвернутися на 180 °. Тому в проекті Вояджер вибір відстані в зближенні з планетою ставився до найвідповідальнішим операціями.
Ймовірно, в майбутньому гравітаційний маневр буде використовуватися і в зоряній навігації. З такою пропозицією нещодавно виступив молодий радянський вчений Володимир Сурдін. Цікаво, що ідея цього маневру приходила в голову багатьом людям, навіть далеким від науки. У 1939 р. його описав письменник фантаст Лестердель Рей.
Таким чином, гравітаційний маневр не тільки змінює траєкторію апарату, а й дає виграш в енергії. Утім, щоб реалізувати "Великий тур", була потрібна особлива розташування планет, приблизно таке, як було в 80-х роках, інакше вся місія розтяглася б непомірно. Передбачалося, що для відвідування п'яти зовнішніх планет місія "Великий тур" зажадає декількох апаратів: два в 1976-1977 рр.. повинні були бути направлені послідовно до Юпітера, Сатурну і потім - до Плутона (рис. 2). До речі, вибір часу зближення з Плутоном був критичним як ніякий інший: орбіта Плутона значно нахилена до екліптики, а політ з виходом з площини екліптики представляє завдання складну і дорогу. Два інших апарату в 1979 р. намічалося послати до Юпітера, Урана та Нептуна. Розглядався навіть варіант з п'ятьма апаратами.
Однак бюджетні обмеження незабаром змусили змінити, а потім і істотно урізати проект. Місячна експедиція "Аполлон" обійшлася занадто дорого, і проект "Марінер - Юпітер - Сатурн-77", надалі перейменований в "Вояджер", виявився набагато скромніше "Великого туру". Вартість проекту склала 250 млн доларів, або 1 / 3 намічуваній вартості "Великого туру". (На сьогодні всі витрати за проектом, в які входять ракети запуску, весь наземний радіокомплекс та операції зближення, включаючи зближення з Нептуном, склали 865 млн доларів.) Новий варіант вже не передбачав ні таких складних і численних апаратів, ні відвідування Урана, Нептуна і Плутона.


"Вояджер" є досить велике спорудження (рис. 3). Це - високоавтономний робот, оснащений власними енергетичними установками, ракетними двигунами, комп'ютерами, системою радіозв'язку, управління та науковими приладами для дослідження зовнішніх планет. Маса апарату складає 815 кг.
Обмеження завдань дозволило значно знизити вимоги до надійності компонентів і вартості не тільки бортового, але і наземного устаткування. У самому справі, для радіозв'язку на фантастичні відстані (орбіта Нептуна - 30 а. Е., або 4,5 млрд км від Землі) було потрібно створити мережу гігантських радіотелескопів, кожен з яких представляє дуже дороге спорудження. (Фактично, така мережа була створена, але набагато пізніше.) Вже до моменту зближення "Вояджера-2" з Ураном радіотелескопи з діаметром поворотної антени 64 м для прийому сигналів з далекого космосу були встановлені в США, в Іспанії і в Австралії.


Залишимо поки питання про те, як "Вояджеру-2" вдалося все-таки дослідити Уран і Нептун і звернемося до рис. 4, на якому представлена ​​схема польоту Вояджерів. Через півтора року після Юпітера, 12 листопада 1980 р. "Вояджер-1" досяг Сатурна. Щоб зблизитися з його супутником Титаном, які мають щільну атмосферу і представляє особливий науковий інтерес, апарат пройшов порівняно низько над південним полюсом Сатурна і круто змінив свою траєкторію. Зближення з Титаном сталося, як планувалося, але це був кінець планетної місії "Вояджера-1". Апарат став все вище підніматися над площиною екліптики. На 1990 р. він пішов "вгору" вже на 19,4 а. е., або майже на 3 млрд. км (рис. 4). Як відомо, планетних тіл тут немає.
"Вояджер-2" досяг Сатурна майже на рік пізніше, 25 серпня 1981 р. і провів дослідження планети і її численних супутників. Після гравітаційного маневру в площині екліптики він був направлений до Урану. Зближення з Ураном відбулося 24 січня 1986 Знову дослідження планет і супутників, знову маневр. 24 серпня 1989 апарат досяг "останньої зупинки" - Нептуна. Подібно Титану у Сатурна, супутник Нептуна Тритон давно привертає увагу дослідників. Останній маневр "Вояджера-2" дозволив дослідити Тритон (який, як з'ясувалося, був того вартий). Тепер "Вояджер-2" теж йде з Сонячної системи (але в напрямку, іншому, ніж "Вояджер-1").
Кілька слів про наукове оснащенні апаратів. Науковий комплекс "Вояджер" дозволив (в принципі) одночасно проводити 11 наукових експериментів.
На рис. 2 показано наукове обладнання апаратів. Це встановлені на поворотній платформі "ширококутна" (поле близько 3 °) і "вузькокутова" (0,4 °) телевізійні камери з об'єктивами, фокусні відстані яких 200 і 500 мм відповідно. Камери мають високу чіткість (800 рядків); в них використовуються спеціальні відикон з пам'яттю. Зчитування одного кадру вимагає 48 с. (Тепер у таких камерах ставлять ПЗС-матриці.) При 8-розрядному кодуванні один кадр містить 5,12 Мбіт інформації. З Сатурна "Вояджер-2" передавав 1 кадр за кожні 3 хвилини.
На платформі встановлені також спектрометри, інфрачервоний і ультрафіолетовий, і фотополяріметр. Інфрачервоний прилад (спектроінтерферометр), розрахований на діапазон від 4 до 50 мкм призначений для дослідження хімічного складу і структури атмосфер планет-гігантів і Тритона. Ультрафіолетовий спектрометр діапазону 50 - 170 нм реєструє, головним чином, випромінювання атомів з відносно високими енергіями. Фотополяріметр (який працював тільки на "Вояджер-2") передавав інформацію про фізичні властивості аерозолів атмосфер і поверхні супутників.


У плазмовому комплексі були детектор плазми, детектор заряджених частинок низьких енергій, детектор космічних променів. На борту були також магнітометри високою і низькою чутливості і приймач плазмових хвиль. Крім того, "безкоштовним додатком" до наукового комплексу було радіосистема апарату. Без будь-яких спеціальних приладів, за характером зміни радіосигналу при заходах апарату за планету, визначаються основні параметри атмосфери небесного тіла.
У додатках I, II і III підсумовані основні підсумки досліджень Юпітера, Сатурна і Урана.
Таким чином, подвійна планета Плутон - це єдиний з світів Сонячної системи, який поки не дочекався земних гостей (в. мабуть, вже не дочекається до XXI ст.). Зауважимо, що через велику ексцентриситету орбіти Плутона до кінця XX ст. він буде знаходитися ближче до Сонця, ніж Нептун. Як видно зі схеми рис. 4, Плутон зараз недосяжний для обох "Вояджер".
2. Домашнє господарство апарату
Майже всі основні відомості про планети-гіганти та їх супутники були або отримані, або істотно оновлено в польотах "Вояджер". Для цих досліджень апарати були оснащені досить ефективним набором наукових інструментів. Але поряд з науковими інструментами, важливу роль грали системи самого апарату. Так, розвиток космічної технології дозволило вирішити одну з найбільш важливих проблем - енергозабезпечення апарату. Щоб підкреслити цю особливість, один з перших варіантів проекту навіть мав спеціальну назву - TOPS - "термоелектричний апарат для зовнішніх планет". Радіоізотопні термоелектричні генератори встановлювалися й раніше як на радянських, так і на американських космічних апаратах, але для Вояджерів вони мали особливе значення. Якщо для супутників "малого каботажу", призначених для дослідження Меркурія, Венери, Землі та Марса цілком достатньо фотоелектричних (сонячних) батарей, то для далеких планет, де низька щільність сонячної радіації, потрібні інші джерела енергії. На "Вояджера" встановлено три радіоізотопних термоелектробатареі з ефективністю близько 5%, що нагріваються тепловиділяючими елементами з окису плутонію. Загальна потужність такої батареї спочатку становила майже півкіловата електроенергії, проте у міру розпаду плутонію потужність падала (як теплова, так і електрична). Це позначалося вже в період зближення з Ураном (коли потужність впала до 400 Вт) і створювало обмеження у виконанні наукової програми; наприклад, не можна було проводити всі експерименти одночасно.
Природно, не тільки енергетика визначає можливості апарату. Безліч систем, які називають "службовими" (а частіше - просто "домашнім господарством"), дозволяють апарату вести самоконтроль, управляти своїм становищем, розраховувати свої дії, посилати і приймати радіоповідомлення. "Мозок" Вояджера - це два комп'ютери, які утворюють так звану "підсистему польотних даних". Комп'ютери можуть працювати як в дублюючому, так і в незалежному режимі. У їх функції входить контроль стану наукових приладів і керування ними, збір та редагування наукової інформації перед радіопередачею її на Землю, контроль і управління становищем апарату і багато інших завдань. Головним достоїнством керуючого комплексу "Вояджера", як з'ясувалося в багаторічному польоті, виявилася надзвичайно гнучка програма, яка не тільки допускала радикальні зміни в дослідницьких планах або в принципах обробки вхідної інформації, але дозволяла також обійти неминуче виникають під час тривалої подорожі несправності то в у одному, то в іншому з численних вузлів апарату, включаючи навіть самі комп'ютери. До речі, в бортовий обчислювальної машини "Вояджера-1" відмовила одна з систем пам'яті, але виконання наукових завдань це не завадило.
Правильне положення апарата в просторі визначає можливість радіозв'язку з Землею, так як велика параболічна чаша його антени діаметром 3,65 м жорстко скріплена з апаратом (див. рис. 3). Під час радіозв'язку вона повинна бути точно націлена на Землю. Комп'ютери "дізнаються" положення апарата за допомогою датчиків Сонця і зірок, які також використовуються для навігації. Але цього недостатньо. Необхідно знати положення апарата на небесній сфері. Зрозуміло, побачити апарат із Землі неможливо, але замість цього можна використовувати телевізійні знімки, одержувані з самого апарата перед зближенням з небесним тілом. На них планета і її супутники видно на тлі зірок з відомими координатами. Після обробки телевізійних зображень положення апарата вдається визначити з дуже високою точністю. Наприклад, в Урана похибка такого визначення становила 20-25 км. Цей метод називається оптичною навігацією. Дуже високу точність дає радіонавігація. Для цього методами радіоінтерферометрії з реєстрації сигналу радіопередатчка апарату визначається його положення на небі щодо "маяків Всесвіту" - квазарів.
Апарат може, при необхідності, змінити своє становище. Для цього він оснащений малими ракетними двигунами (двигунами малої тяги, або верньернимі двигунами). Двигуни працюють на гідразину, який зберігається в паливному баку (див. рис. 3). Невелике, контрольоване комп'ютером кількість рідкого гідразину надходить на каталізатор, який перетворює його в газ, що викидається з сопла двигуна. Реактивна тяга повертає апарат. Паливо використовується також у тих випадках, коли необхідна корекція траєкторії апарату. У цілому, гідразин витрачався так економно, що після зустрічі з Ураном в паливному баку залишалося ще близько половини запасу (62 кг).
Цікаво назвати головні причини, які злегка порушують параметри руху апарата. Перш за все, це гравітаційні впливу планет Сонячної системи на тіло, що знаходиться у вільному польоті. Потім - дуже малі сили, які виникають під дією падаючого на апарат сонячного випромінювання та його власного теплового випромінювання. Нарешті, це механічні впливу власних пристроїв апарату (поворотною платформи). При зближенні з Ураном і Нептуном доводилося виключати навіть такі незначні впливу, які викликало включення бортового магнітофона. Із Землі вдається з досить високою точністю знайти швидкість апарату. Променева швидкість (проекція швидкості на лінію візування) визначається за ефектом Доплера з точністю до 2 см / с при швидкості апарату близько 16 км / с. Чутливість методу така висока, що, наприклад, задовго до зближення з планетою вчені зрозуміли, що прийняту масу Урана, закладену в розрахунки, необхідно збільшити на 0,3%, щоб привести розрахунки у відповідність з спостерігаються доплерівськими приростами.
У верхній частині рис. 3, на гратчастої фермі показана поворотна платформа. На ній знаходяться оптичні прилади, включаючи обидві телевізійні камери. Платформа дозволяє направляти прилади у бік досліджуваної планети, не повертаючи сам апарат. Вона прекрасно працювала до зближення з Сатурном. Але в момент перетину площини кілець рух по одній з двох її площин - азимутальній - раптово припинилося. Апарат у цей час не було видно з Землі і знаходився далеко від кільця, тому було малоймовірно, що платформу пошкодили частки кільця. Після виходу з-за планети намічалася зйомка південної півкулі Сатурна, а також отримання мозаїчних, з безлічі окремих знімків високого дозволу, зображень поверхні супутників Тефії і Енцелада. На жаль, цю частину програми виконати не вдалося, а коли, після декількох днів напруженої роботи фахівців, платформа стала потроху реагувати на радіокоманди, було вже пізно. Втім, втрата була відносно невелика, але проблема не на жарт стривожила вчених: вже тоді було ясно, що політ до Урану - справа вирішена. Нехай з якоюсь часткою ризику, але апарат його витримає. Але що робити, якщо платформа не буде виправлена?
Щоб зрозуміти, в чому несправність, в JPL були терміново виготовлені 86 (!) Макетів силового приводу платформи, на яких і провели всебічні дослідження. Висновки були обнадійливі: причиною заклинювання виявилася велике навантаження, яка припала на платформу в роботі у Сатурна, і несправність можна усунути (хоча надалі з платформою слід звертатися акуратніше). Передбачили й аварійну програму, але вона так і не знадобилася.
За хорошу роботу треба добре платити. "По-яджер-2" добре попрацював в Сонячній системі. Його телевізійні камери виявилися кращими, ніж у "Вояджера-1". Але й клопоту він доставив чимало, починаючи від старту. Перед запуском потрібен ремонт бортовий підсистеми комп'ютера. Після запуску включилася система орієнтації. Незабаром з'ясувалося, що вона працює, як люблять говорити радянські фахівці, "нештатно". Були труднощі зі штангою, на якій знаходиться платформа (див. рис. 3), - її спочатку не вдавалося розгорнути. Словом "Вояджер-2" виявився з характером. Поступово його приводили в порядок, але найбільша неприємність сталася на борту апарату навесні 1978 р., на першому етапі його шляху.

3. Як "Вояджер-2" було втрачено, але ненадовго
Зв'язок апарату з Землею ведеться у вигляді двох радіопередавачів з частотами 2295 МГц (довжина хвилі 13,1 см) та 8418 МГц (3,56 см). Кожен з них для надійності дубльований. Потужність кожного передавача дуже невелика, всього 23 Вт Це приблизно дорівнює потужності переносний автомобільної лампи. Вся ця потужність, завдяки великій антени, збирається в гостронаправлених радиолуч і посилається на Землю. Потужність тут радіосигналу обернено пропорційна квадрату віддаленості апарату. З Нептуна сигнал був у 33 рази слабкіше, ніж з Юпітера. З іншого боку, при одній і тій же антени з діаметром D сигнал залежить від довжини хвилі, тому що ширина радіопроменя, що посилається на Землю, становить 1,22 λ / D. (Утворювані таким променем пляма на рівні орбіти Землі перевищує 50 млн. км для сантиметрового передавача.) Тому легко бачити, що потужність прийнятого сигналу буде обернено пропорційна квадрату довжини хвилі передавача. Але тут виникає інша трудність: щоб радиолуч не пішов із Землі, система орієнтації апарата повинна підтримувати направлення на Землю з точністю в кілька кутових хвилин. Є складнощі і на Землі: сантиметрове випромінювання сильно поглинається дощем (і менше - хмарами).
Радіосистема "Вояджер" передавала потік інформації зі швидкістю 115,2 кбіт / с з Юпітера і 45 кбіт / с з Сатурна. Нижче ми зупинимося на деяких хитрощах інженерів, що дозволили "обдурити природу" і передавати з цього каналу з Нептуна в 3-4 рази більше інформації, ніж намічалося спочатку. Але спочатку про одну історії, яка показує, що несуттєвих компонентів на борту космічного апарата не буває.
Далеко не найскладніші пристрою на борту "Вояджер" - командні приймачі. Вони приймають і декодують (розшифровують) вступники із Землі радіокоманди. По суті, це "вуха" апарата. Приймачів два, основний і резервний. Втім, якби інженери JPL заздалегідь знали, що чекає "Вояджер-2" у польоті, вони, напевно, поставили б і чотири. Все почалося з того, що після чергового сеансу радіозв'язку оператори забули послати на борт спеціальну команду, призначену для самого приймача. Через довгий ланцюг причинно-наслідкових зв'язків це призвело до виходу приймача з ладу. Несподівано виявилося, що і перехід на резервний приймач не дає результату. Апарат оглух. На вирішення проблеми були кинуті кращі фахівці - адже справа йшла до фактичної втрати апарату. І ось, після довгої серії експериментів вдалося встановити, що апарат все-таки щось чує, але чує одну-єдину "ноту". На всі інші частоти, що їх посилають наземним передавачем, він не реагує, у тому числі і на ті, на які він розрахований. Вдалося з'ясувати, що у резервного командного приймача через пошкодження конденсатора не працює автоматичне підстроювання частоти гетеродина - нескладний, але дуже важливий електронний вузол. Справа в тому, що частота сигналу, що приймається апаратом із Землі, постійно змінюється через доплерівських зрушень, що досягають дуже великих значень. Без автоматичного підстроювання приймач може приймати лише сигнали в межах власної смуги пропускання, що становить менше 1 / 1000 нормального її значення. Навіть доплерівські зрушення від добового обертання Землі перевищують її у 30 разів. Залишався єдиний вихід з положення - кожен раз розраховувати нове значення переданої частоти і підстроювати наземний передавач так, щоб, після всіх зрушень, сигнал як раз потрапляв у смугу пропускання приймача. Це й було зроблено - комп'ютер тепер включений у контур передавача. І так - усі 12 років польоту. Тривалість щоденної зв'язку з апаратом складає від 8 до 16 год, а у зближеннях зв'язок йде цілодобово. До речі, сигнали на апарат зазвичай посилає 400-кіловатний передавач у Голдстоуні з його 64-метрової (тепер 70-метрової) антеною. Фахівці JPL розповідають, що час від часу апарат втрачає сигнал і знову "глухне" на кілька днів. Але є люди, які якимось "шостим почуттям" вгадують, на яку частоту пішов приймач. Положення ускладнюється тим, що крім доплерівських зрушень на налаштування приймача сильно впливає температура апарату, яку доводиться контролювати дуже ретельно: від її зміни на чверть градуса налаштування йде на 100 Гц. Є й інші чинники, старіння деталей, наприклад. І все-таки жодне зближення не було втрачено! Втім, в пам'яті бортового комп'ютера перебуває ще одна "аварійна" програма, яка наказує апарату думати самому, якщо таке трапиться. У зближенні з Нептуном на консультації з Землею часу не залишалося: час поширення радіосигналу "туди і назад" становило 8,2 ч.
4. Продовжена місія Вояджера-2: Уран і Нептун
У 1981 р. було ухвалено рішення доповнити місію Вояджера-2 зближенням з Ураном, а в 1986-з Нептуном. Ці зближення були включені в програму польоту й апарат стали готувати до нових, більш складним завданням.
У якійсь мірі це був ризик, тому що ймовірність його надійної роботи на наступні 5 років у 1981 р. оцінювалася в 60-70%. З іншого боку, експлуатаційні характеристики апарату, як не дивно, покращилися. За минулі після запуску роки стали до ладу нові 34-метрові антени, а величезні 64-метрові чаші в США, Іспанії та Австралії нарощені до 70 м. В результаті при тій же надійності радіолінії швидкість передачі даних з Нептуна удалося збільшити з 4,6 до 30 кбіт / с (для підвищення надійності використовувалася швидкість 21,6 кбіт / с). Фактичний виграш був набагато більше. З часу запуску істотно просунулася прикладна математика, що дозволило удосконалити техніку "стиснення даних" на борту апарата, для чого знадобилося повністю перепрограмувати бортовий комп'ютер за допомогою радіокоманд. До речі, цей процес не завжди проходив гладко. Чим планета далі, тим більше про неї хочуть дізнатися вчені. Обсяг інформації входить в протиріччя з її достовірністю. Але надійність даних можна збільшити тільки збільшуючи надмірність інформації. У Юпітера й Сатурна інформація перед радіопередачею на Землю кодувалася і стискалася так, що вихідний її обсяг майже не збільшувався. Але в зближенні з Ураном і Нептуном учені перейшли на більш потужне кодування Ріда - Соломона, яке дозволяє стиснути інформацію в декілька разів, але несе в собі певний ризик.
Залишалося всього шість днів до зближення з Ураном, коли з'ясувалося, що всі зображення, передані з оновленим кодом, спотворені сіткою чорних і білих ліній. Фахівці кинулися шукати помилку. Одна група, не довіряючи комп'ютера, опрацювала вручну всі пікселі. (Пиксел - це один елемент, одна точка зображення). Результат виявився той самий. Інша група підготувала нове завдання апарату: прочитати і передати на Землю все, що він записав у пам'ять. Минуло багато годин, але нарешті відповідь була отримана. Порівняння показало, що серед багатьох кілобайт програми в одному восьмирозрядному слові один з нулів заміщений одиницею. Запит із Землі і відповідь Вояджера-2 показали, що перевести цю клітинку в "нульовий" стан не вдається. Тоді програмісти так переписали цю частину програми, щоб дефектний тригер не викликав спотворень. За чотири дні до зближення програма була послана на борт. Телеметрична інформація стала поступати без спотворень.
Цікаво, що підготовлені для "Вояджера-2" рішення після лабораторних випробувань випробувалися на "Вояджер-1" і тільки потім включалися у програми "Вояджера-2".
Дуже великі складнощі викликала телевізійна зйомка Нептуна, а особливо його темних супутників. Ще у зближенні з Ураном інженери нарікали на недостатню освітленість планети і супутників. "Це все одно, що в сутінки фотографувати шматок вугілля на чорному тлі", - сказав один з них. У самому справі, освітленість від Сонця на Урані в 370 разів нижче, ніж на Землі. Але на Нептуні вона вже в 900 разів нижче! Єдина можливість отримати нормальне зображення - це, як знає кожен фотограф, збільшити тривалість експозиції. Для Нептуна вона становить 15 с і більше, а для темних супутників і кілець - від 2 до 10 хв.
Але збільшити експозицію було не так-то просто. Швидкість апарату близька до 16 км / с, а щодо Нептуна і Тритона - ще більше. Оскільки апарат пройшов близько від нього, 3900 км від хмарного шару над північним полюсом Нептуна і 39 000 км від Тритона, тривала експозиція неминуче призводила б до змазування зображення. Такий же результат дає робота двигунів системи орієнтації, виправляють невеликі відхилення "Вояджера-2" від заданого положення. Імпульси від двигунів злегка похитують апарат.
Як вдалося фахівцям подолати ці труднощі? Перш за все, була вдвічі скорочена тривалість імпульсів включення верньерних двигунів системи орієнтації. Виявилося, що і таких укорочених імпульсів для орієнтації достатньо, а похитування апарату значно зменшилися. Під час експозиції включення двигунів заборонено. Крім того, включення і виключення стрічкопротяжного механізму пам'яті (магнітофона) дозволяється тільки разом з включенням верньерних двигунів. Все це призвело до того, що під час накопичення експозиції телевізійними камерами дрейф положення осей апарату став в 10 разів повільніше руху годинникової стрілки. Надалі, у міру наближення до Нептуна, цей дрейф вдалося зменшити ще в 2,5 рази (0,2 кут. Хв / с). Для усунення змазування зображення камери повільно повертаються за об'єктом зйомки так щоб компенсувати його відносний рух. Точність приводів платформи для цього недостатня тому її виставляють в потрібне положення і фіксують, а далі за об'єктом зйомки повільно повертається весь апарат.


Складене з отриманих таким чином кадрів мозаїчне зображення виходить забавно спотвореним. Приклад - показане на рис. 5 зображення супутника Нептуна Міранди. Звичайно, вона має форму сфери, а не яйця. Такі перекручування легко усунути обробкою.
Завдяки всім вжитим заходам, при зближенні з Нептуном вдалося уникнути тривалих перерв у передачі наукових даних на Землю, як це було при зближенні з Ураном.
Так закінчилася планетна місія "Вояджера-2". Як заключний акорд, апарат передав зображення Тритона (рис. 6). Незвичайний вид поверхні супутника, мабуть, пов'язаний з виявленим на ньому новим типом вулканізму (ймовірно - водно-крижаного). І це при температурі 37 К (-236 ° С)!

5. Попереду мільйони років польоту
Після зустрічі з Нептуном траєкторія "Вояджера-2" відхилилася на південь. Тепер його політ проходить під кутом 48 ° до екліптики, у південній півсфері. А "Вояджер-1" піднімається над екліптикою (початковий кут 38 °). Що очікують учені від подальшого їхнього польоту і що чекає апарати в майбутньому? З наукових досліджень "Вояджер" на першому місці - очікуване перетин геліопаузой (межі між міжзоряного і сонячної плазмою). Як відомо, сонячний вітер має швидкість близько 400 км / с. Де його динамічний напір врівноважується міжзоряним магнітним полем - поки ніхто не знає, але передбачається, що геліопаузой буде пересічена близько 2012 Плазмовий комплекс залишиться працездатним до 2015 р. Цілий ряд приладів вимикається назавжди, - це телевізійний і спектрофотометричний комплекси, - крім ультрафіолетового спектрометра , який буде застосовуватися для дослідження зірок і галактик. Будуть продовжені плазмові дослідження та дослідження космічних променів. Скорочено і самі програми комп'ютерів. У їх пам'ять закладаються фіксовані програми, які для простоти будуть викликатися просто за номером. Адміністрація NASA має намір скоротити штат наземної служби Вояджера з 200 до 40 осіб. Технічні можливості апарату такі. Енергії в радіоізотопних термоелектричних батареях вистачить для роботи апарату по мінімальній програмі приблизно до 2025 р., коли потужність впаде до 240 Вт Паливо не буде представляти проблеми, а корекції траєкторії в міжзоряному фазі польоту не передбачені. Повноцінне управління апаратом можна буде вести до 2000 р. і навіть пізніше. Проблемою може стати можлива втрата Сонця сонячним датчиком, так як з великої відстані Сонце стає все більш тьмяним. Тоді спрямований радиолуч піде з Землі і апарат замовкне. Це може статися близько 2030 р. Якщо швидкість передачі знизити до 43 біт / с, прийом сигналів на Землі буде можливий до 2015 р. з антеною 34 м і не менше, ніж до 2030 р. з 70-метровою антеною. Інженерів турбує, що основна генераторна лампа свій ресурс вже виробила, передавач перейшов на резервну. Заміни для неї вже немає.

А далі ... У 8571 апарат буде на відстані 0,42 світлового року від Сонця і в 4 світлових роках від Зірки Барнарда. У 20319 р. він пройде на мінімальній відстані, 3,5 світлових роки від зірки Проксіма Центавра. У 296036 р. "Вояджер-2" підійде до Сіріусу на відстань 4,3 світлових роки. Майже через мільйон років він піде від Сонця на відстань 47,4 світлових роки ...

6. Послання невідомому адресатові
На видному місці на "Вояджер" розміщений позолочений диск із записом всілякої інформації про Землю. До диску прикладена інструкція із застосування (в картинках) і читаюча голівка. У двійковому коді зроблені необхідні роз'яснення та вказано місце розташування Сонячної системи щодо 14 потужних пульсарів. У якості "мірної лінійки" вказана надтонка структура молекули водню (1420 МГц). Вірогідність зіткнення з чим-небудь в міжзоряному середовищі дуже мала, тому передбачається, що апарат зможе летіти в непошкодженому стані мільярди років. І якщо будь-якої цивілізації доведеться його перехопити (що дуже сумнівно), вони отримають послання від нас нинішніх. На диску записані 118 кольорових зображень ландшафтів Землі (і нас самих), 90 хвилин записів музичних шедеврів, наука, код ДНК і інші відомості. 3 / 4 диска займають звуки, в тому числі звуки поцілунку і виверження вулкана. На диску записано також звернення до НИМ Д. Картера, який у 1977 р. був президентом США. Він говорить про те, що апарат створений у США, країні з населенням 240 млн чоловік серед 4-мільярдного населення Землі. Людство, каже він, все ще розділене на окремі нації і держави, але країни швидко йдуть до єдиної земної цивілізації. "Ми направляємо в космос це послання, - продовжує він. - Воно, ймовірно, виживе протягом мільярдів років нашого майбутнього, коли наша цивілізація зміниться і повністю змінить образ Землі ... Якщо яка-небудь цивілізація перехопить" Вояджер "і зможе зрозуміти сенс цього диску, - ось наше послання. Це-подарунок від маленького далекого світу: наші звуки, наша наука, наші зображення, наша музика, наші думки і почуття. Ми намагаємося вижити в наш час, щоб жити і у вашому. Ми сподіваємося, настане день, коли будуть вирішені проблеми, перед якими ми стоїмо сьогодні, і ми приєднаємося до галактичної цивілізації. Ці записи представляють наші надії, нашу рішучість і нашу добру волю у цьому Всесвіті, величезної і вселяє благоговіння ".

Додаток I
Головні наукові результати зближення "Вояджер" з Юпітером
1.Детальние зображення Юпітера показують складну динаміку атмосфери з потужними зональним год течіями, до 300 км / ч. Велика Червона пляма представляє одиночний довгоживучий вихор складного характеру і антіціклоніческого напряму з підвищеним тиском. В атмосфері присутні надблискавки.
2.Состав атмосфери: гелій 11% (об'ємні), або 20% маси, майже все інше водень. Це дуже близько до складу Сонця і подібних йому зірок. Підтверджено присутність метану, аміаку, водяної пари та деяких складних молекул.
3.Магнітосфера Юпітера, найдовша в Сонячній системі, в 10 разів більше діаметра Сонця. Вона містить в основному іони водню, але присутні також іони кисню і сірки, що викидаються, по видимому, з супутника Іо. На орбіті останнього знаходиться більш щільний плазмовий тор, що випромінює ультрафіолетові і радіоеміссіі. Іо пов'язаний сильними електричними струмами з іоносферою Юпітера. Магнітне поле планети має складний характер. Максимальна напруженість поля досягає 12-14 Е (біля полюсів).
4.Юпітер випромінює в космос набагато більше енергії, ніж отримує від Сонця. Джерело - реліктова тепло. Його потужність близька до 10 18 Вт.
5.Обнаружено слабке кільце Юпітера. Детально досліджено Галілеєві супутники. Іо має понад десять діючих вулканів, поверхню планети складається, мабуть, з сірки та діоксиду сірки. Супутник Європа (рис. 7) покритий потужною крижаною корою, під якою, можливо, існує глобальний океан. Ганімед, найбільший супутник в Сонячній системі, має розвинену тектоніку, подібну тектоніці плит Землі. По діаметру він більше Меркурія.


7. Передано 33 000 зображень Юпітера і його супутників.

Додаток II
Головні наукові результати зближення "Вояджер" з Сатурном
1. Атмосферні деталі подібні спостерігаються на Юпітері. Вони представляють чергуються темні пояса і світлі зони. Швидкість на екваторі досягає 1500 км / ч. Є "овал", подібний Великому Червоному плямі на Юпітері. Виявлено швидкі течії "стрічкового" вигляду.
2. Склад атмосфери: 6% (об'ємних) гелію, майже все інше - водень. Передбачається, що "відсутня" половина гелію потонула в ядрі планети, як більш важка складова. На це ж вказує більш потужніше, ніж у Юпітера, власне теплове випромінювання Сатурна. У числі малих компонентів атмосфери: аміак, метан, фосфін, етан, ацетилен, метилацетилен і пропан.
3. Період обертання, знайдений за періодичністю радіошумів, становить 10 год 39 хв 15 с. Магнітне поле кілька сильніше земного. Вісь диполя майже паралельна осі обертання планети. Є північні сяйва, а також потужні емісії в ультрафіолеті (у більш низьких широтах).
4. Шість кілець, відомих ще до польоту "Вояджер" складаються з незліченних індивідуальних "колечок" (рис. 8). Спостерігалися Спока - особливі освіти на кільцях. Кільця мають складної, мінливої ​​динамікою. Виявлено "пастухи" кільця F і інших кілець.
5. Відкрито вісім нових супутників. Раніше відомі супутники Сатурна складаються, в основному, з льоду.
6. Супутник Титан з щільною азотно-метанової атмосферою має діаметр 5150 км. У його атмосфері (і, по видимому, на поверхні) присутні гідрокарбонати. Тиск у поверхні близько 1,5 бар, температура близько 100 До



Додаток III
Головні наукові результати зближення "Вояджера-2" з Ураном
1. Хмарний шар Урана містить дуже мало контрастних деталей. Динаміка атмосфери утворює зональні течії, симетричні відносно осі обертання планети. Температури полярного і екваторіальних районів майже однакові (56 К). Це вказує на переважну роль внутрішніх джерел енергії. Швидкість зональних течій дуже висока. На широті - 70 ° спостерігалося протягом прямого напрямку (в бік обертання планети) зі швидкістю 700 км / ч. Поблизу екватора відзначені вітри зворотного напрямку, зі швидкістю до 300 км / ч.
2. Період обертання планети, знайдений за пульсації радіовипромінювання, коротше були оцінок і становить 17 год 14 хв 24 с.
3. Магнітне поле Урану нахилене на 60є по відношенню до осі обертання (якщо вважати його дипольним), причому вісь диполя зміщена від центру на 1 / 3 радіуса планети. Напруженість поля близька до земної, але полярність зворотна.
4.Планета володіє протяжної магнітосферою з радіаційними поясами, в основному з іонів водню і електронів. Через складне характеру обертання магнітосфери поле в просторі постійно змінює напрямок (ефект "штопора"), обертаючись з періодом планети.
5. Виявлено інтенсивне так зване "електросвеченіе" атмосфери на денній стороні планети і радіовипромінювання з нічного боку. Щільність екзосфери досягає 100 см -3 на рівні самого зовнішнього кільця.
6. Склад атмосфери: 15% (об'ємні) гелію (в 2,5 рази більше, ніж на Сатурні); приблизно 2% метану нижче верхнього шару хмар; інше - водень. Хмарний шар знаходиться на рівні тиску 1,2 бар.
7. Отримано перші зображення вузьких кілець Урана. Виявлено 2 нових слабких кільця. Зовнішнє кільце (епсилон) складається з великих шматків, розмірами більше 10 см.
8. Виявлено 10 нових супутників. Розміри найбільшого з них більше 170 км. З п'яти раніше відомих супутників найсвітлішим є Аріель, самим темним - Умбріель. Найбільші супутники - Титанія (1580 км) і Оберон (1516 км), найменший - Міранда (472 км). Щільності їх вказують на велику частку кам'яних порід, ніж у супутників Сатурна. Геологічна історія та тектоніка супутників різняться дуже сильно. Міранда (див. рис. 5) представляє собою тіло з найбільш складною для розуміння історією.

Література
1. Звіт NASA JPL про політ "Вояджер-2", 1980 р (переклад на російську мову).
2. Н. В. КСАНФОМАЛИТИ. Стрибок у всесвіт. М., "Наука", 1981.
3. Астрономічний календар на 1991 рік. М., "Наука", 1990.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Астрономія | Реферат
84.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Далі - тільки зірки (про політ Вояджера-2) 3
Далі - тільки зірки (про політ Вояджера-2) 4
Далі - тільки зірки (про політ Вояджера-2)
Далі тільки зірки про політ Вояджера2
Самі зірки тільки серця не стискали
Про Сальвадора Далі
Про цінкодефіцітах і не тільки
Я хочу розповісти про книгу За романом А Б Чаковський Світло далекої зірки
Кривавий захід зірки римської слави про можливий зв`язок текстів Ф І Тютчева і Цицерона
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru