экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Четыре планеты-гиганта: Юпитер, Сатурн, Урани Нептун, прошли перед объективами телевизионных камер и другой научной аппаратуры «Вояджера-2». Четыре раза поток научных данных возрастал до пределов, которые аппарат еще способен был передать на Землю. Расстояния до планет-гигантов так огромны, что даже современные средства наземной астрономии оказываются бессильными перед этой беспредельной далью. Но космический аппарат «Вояджер-2» через 12 лет полета сумел достичь Нептуна, удаленного от Земли в 30 раз дальше, чем Солнце.
…
«Большой тур» и Вояджер. «Вояджер-2» был запущен к Юпитеру с космодрома космического центра им. Кеннеди 20 августа 1977 г. ракетой «Титан 3Е-Центавр» со стартовой массой около 700 т. «Вояджер-1» последовал за ним 5 сентября 1977 г., но для него была выбрана более короткая (и менее экономичная) трасса. Планеты Юпитер он достиг 5 марта 1979 г., на 4 месяца раньше «Вояджера-2», который сблизился с Юпитером 9 июля того же года. Аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» были созданы в лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА. Интересна предыстория их разработки. Идея проекта «Большой тур» впервые появилась в конце 60-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемых аппаратов к Луне и аппаратов «Пионер» к Юпитеру. Работы по проекту «Большой тур» НАСА начала в 1969 г. Уже на 1972 г. Конгресс США, как ожидалось, должен был выделить 30 млн. долларов для работ по этому проекту. Однако эта сумма утверждена не была.
Рисунок 16 – Схема полётов «Вояджеров»
Идея проекта заключалась в последовательном облете каждым из намечавшихся аппаратов нескольких планет. На рубеже 70-х и 80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы («парад планет»). Последний раз такое «собрание» проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра делало возможным перелет аппарата от одной планеты к другой за относительно короткое время. Без такого маневра полет, например, к Нептуну, продолжался бы на 20 лет дольше, а изменение направления полета потребовало бы немыслимого расхода горючего.
Суть маневра заключается в том, что при движении аппарата в гравитационном поле воздействующее на него притяжение планеты несколько изменяет его траекторию. Необходимая для этого энергия заимствуется у планеты и, по закону сохранения, добавляется к кинетической энергии аппарата. Впервые астрономы поняли физику этого явления еще в XIX в., наблюдая, как сильно изменяются орбиты комет под действием массивного Юпитера. В 1889 г., ровно сто лет назад, французский ученый Франсуа Тиссеран проанализировал проблему и создал соответствующий математический аппарат, позволяющий рассчитать орбиты кометы до и после возмущения. В эпоху планетных исследований гравитационный маневр много раз использовался для управления движением аппарата.
Так, аппарат «Маринер-10» был выведен на орбиту сближения с Меркурием после гравитационного маневра у Венеры; прямой вывод аппарата на такую орбиту невозможен. В последнее время этот метод настолько разработан, что его используют даже для разгона аппарата. Самый яркий пример – аппарат «Галилей», который был запущен в США в октябре 1989 г. для исследований Юпитера. Однако после запуска аппарат был направлен не к Юпитеру, а к Венере. После маневра в ее поле тяготения в декабре 1990 г. он вернется к Земле для следующего маневра. Но и это еще не все. В октябре 1991 г. он сблизится с астероидом Гаспра (названным в честь поселка Гаспра вблизи Симеизской обсерватории в Крыму), а затем… снова вернется к Земле (декабрь 1992 г.). Лишь после этого аппарат «Галилей» ляжет на трассу полета к Юпитеру, которого достигнет через 3 года. В проекте «Большой тур» гравитационный маневр играл определяющую роль: изменение направления полета аппарата достигалось фактически без затрат топлива. Но для этого требовалось очень точно выбрать расстояние пролета от центра массы: если аппарат проходит слишком далеко от планеты, излом его траектории оказывается слишком малым, а если очень близко – аппарат может даже развернуться на 180°. Поэтому в проекте Вояджер выбор расстояния в сближении с планетой относился к самым ответственным операциям.
…
Таким образом, гравитационный маневр не только изменяет траекторию аппарата, но и дает выигрыш в энергии. Однако чтобы реализовать «Большой тур», требовалось особое расположение планет, примерно такое, как было в 80-х годах, иначе вся миссия растянулась бы непомерно. Предполагалось, что для посещения пяти внешних планет миссия «Большой тур» потребует нескольких аппаратов: два в 1976-1977 гг. должны были быть направлены последовательно к Юпитеру, Сатурну и затем – к Плутону. Кстати, выбор времени сближения с Плутоном был критичным как никакой другой: орбита Плутона значительно наклонена к эклиптике, а полет с выходом из плоскости эклиптики представляет задачу сложную и дорогостоящую. Два других аппарата в 1979 г. намечалось послать к Юпитеру, Урану и Нептуну. Рассматривался даже вариант с пятью аппаратами.
Однако бюджетные ограничения вскоре заставили изменить, а затем и существенно урезать проект. Лунная экспедиция «Аполлон» обошлась слишком дорого, и проект «Маринер – Юпитер – Сатурн – 77», в дальнейшем переименованный в «Вояджер», оказался намного скромнее «Большого тура». Стоимость проекта составила 250 млн. долларов, или 1/3 намечавшейся стоимости «Большого тура». (На сегодня все расходы по проекту, в которые входят ракеты запуска, весь наземный радиокомплекс и операции сближения, включая сближение с Нептуном, составили 865 млн. долларов.) Новый вариант уже не предусматривал ни таких сложных и многочисленных аппаратов, ни посещения Урана, Нептуна и Плутона. «Вояджер» представляет собой довольно крупное сооружение. Это высокоавтономный робот, оснащенный собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системой радиосвязи, управления и научными приборами для исследования внешних планет. Масса аппарата составляет 815 кг.
Ограничение задач позволило значительно снизить требования к надежности компонентов и стоимости не только бортового, но и наземного оборудования. В самом деле, для радиосвязи на фантастические расстояния (орбита Нептуна – 30 а. е., или 4,5 млрд. км от Земли) требовалось создать сеть гигантских радиотелескопов, каждый из которых представляет очень дорогое сооружение. (Фактически, такая сеть была создана, но намного позднее.) Уже к моменту сближения «Вояджера-2» с Ураном радиотелескопы с диаметром поворотной антенны 64 м для приема сигналов из дальнего космоса были установлены в США, в Испании и в Австралии.
Оставим пока вопрос о том, как «Вояджеру-2» удалось все-таки исследовать Уран и Нептун, и обратимся к рисунку, на котором представлена схема полета Вояджеров. Через полтора года после Юпитера, 12 ноября 1980 г. «Вояджер-1» достиг Сатурна. Чтобы сблизиться с его спутником Титаном, имеющим плотную атмосферу и представляющим особый научный интерес, аппарат прошел сравнительно низко над южным полюсом Сатурна и круто изменил свою траекторию. Сближение с Титаном произошло, как намечалось, но это был конец планетной миссии «Вояджера-1». Аппарат стал все выше подниматься над плоскостью эклиптики. На 1990 г. он ушел «вверх» уже на 19,4 а. е., или почти на 3 млрд. км. Как известно, планетных тел здесь нет.
«Вояджер-2» достиг Сатурна почти на год позже, 25 августа 1981 г. и провел исследования планеты и ее многочисленных спутников. После гравитационного маневра в плоскости эклиптики он был направлен к Урану. Сближение с Ураном произошло 24 января 1986 г. Снова исследования
