21 Мая 2022
Поделиться:

Как «Пионеры» и «Вояджеры» покоряли космос: интервью с Игорем Лисовым

В 1970-е годы ученые запустили «Пионеры»-10 и 11 и «Вояджеры» для изучения Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Сегодня эти космические аппараты продолжают покорять космос — второй «Вояджер» уже покинул Солнечную систему и исследует межзвездное пространство. О ходе полетов, научных достижениях и будущем зондов в интервью издательству рассказал историк космонавтики и автор книги «Разведчики внешних планет» Игорь Лисов.

Как сегодня ученые изучают космос? Какие возможности перед человеком открывают автоматические космические аппараты (далее — КА)?

Изучение космоса можно вести телескопами с Земли, но это не всегда удобно. Все-таки дифракционный предел не переплюнешь — многие вещи физика не позволяет рассмотреть с большого расстояния, не говоря уже об исследованиях атмосферы и поверхности планет. Если вы смотрите на Нептун с Земли, то получите изображение размером в 10–20 пикселей. Межпланетные космические аппараты позволяют подобраться ближе и узнать больше. Кроме того, еще есть человеческий разум, способный теоретически рисовать модели и потом пытаться их проверить. Это самый сложный инструмент, конечно.

Почему полеты КА к дальним планетам так сложны в реализации, а подготовка к ним длится многие годы?

После отправки космического аппарата с Земли физически с ним больше ничего не сделаешь. Если «посланец» ушел с дефектом, исправить это невозможно. По этой причине первые десятилетия космической эры ушли на то, чтобы научиться делать надежные долгоживущие космические аппараты. Далее ученые нарабатывали определенные принципы проектирования и реализации проектов, при строгом следовании которым вероятность успешного полета очень высока; 100%, конечно, не будет никогда.


Создание космического зонда «Вояджер». Источник: NASA

Что такое гравитационный маневр и какую роль он сыграл при полете «Пионеров»-10 и 11 и «Вояджеров» к внешним планетам?

Гравитационный маневр — это забавная небесно-механическая игра. Когда космический аппарат пролетает мимо планеты, между ними происходит обмен энергией. В зависимости от того, с какой стороны подлетит аппарат, результат будет один из двух. Либо скорость аппарата увеличится, а скорость планеты уменьшится (совсем немного, во внешнем мире никто этого не заметит), либо наоборот — зонд тормознет и слегка ускорит планету. На этом обмене энергией и работают современные схемы полетов к планетам, и не только к далеким.

Для того чтобы долететь до Юпитера, используются схемы с многократными пролетами Венеры и Земли. При этом происходит постепенный разгон аппарата, благодаря чему он достигает Юпитера с существенно меньшими затратами, чем если бы летел напрямую. В этом случае используется более легкая ракета и, соответственно, проект становится дешевле.

То есть гравитационный маневр позволяет увеличить скорость космического аппарата и это сокращает время его пути до следующего небесного объекта?

Да, хотя речь не всегда идет только о скорости. Например, при существующих сегодня средствах выведения отправить к Нептуну аппарат нужной массы невозможно. Это можно сделать через Юпитер, но для прямого полета нужны ракеты, которых у нас нет. Но важнее всего, конечно, сокращение времени; обычным путем до Нептуна лететь около 30 лет, а с учетом гравитационного маневра — 12. Согласитесь, это большая разница.

При полете «Пионеров» и «Вояджеров» было важно определенное расположение планет — в следующий раз такое же будет не раньше 2154 года. Расскажите, как ученые используют астрономическое окно в межпланетных полетах.

Обычно астрономическое окно определяется для полетов к Марсу и Венере, то есть к близким планетам. Для этого берутся периоды обращения Земли и другой планеты вокруг Солнца, а также угловые скорости, которые им обратно пропорциональны, и одно вычитается из другого. На выходе получается некий период, когда повторяется взаимное положение Земли и Марса или Земли и Венеры. Для Венеры это примерно полтора года, для Марса — два с копейками. По этой причине межпланетные станции по сей день отправляются на Марс с интервалом в два с небольшим года.

Для полетов к дальним планетам необходимы более хитрая схема и более сложное расположение планет. Чтобы повторилось взаимное положение Юпитера и Сатурна, нужно около 60 лет. Если аппарату также необходимо добраться до Урана и Нептуна, все еще сложнее, и траекторию полета придется строить с учетом возможной корректировки. Так, можно немного увеличить скорость аппарата при помощи горючего, но и здесь всегда есть жесткие пределы — космическая техника не позволяет отправить в полет большие объемы топлива. Поэтому приходится очень аккуратно рассчитывать траектории, подстраивая их под реальное положение планет.


Изображение Урана, полученное вторым «Вояджером» 14 января 1986 года с расстояния около 12,7 млн км. Источник: NASA

Какие данные о планетах и других небесных телах собирают КА? Как эти данные передаются на Землю?

Данные бывают самые разные, и проще всего их классифицировать по тому, что мы исследуем: поверхность планеты, ее атмосферу и т.д. В конце концов, что вы делаете, приезжая куда-нибудь? Хватаетесь за фотоаппарат. Так же и в космонавтике — добравшись до неизвестного тела, первым делом мы стараемся отснять его со всех возможных сторон.

А вот передача данных с космических аппаратов действительно очень сложна. Она требует больших затрат на содержание наземной системы, которая принимает и обрабатывает эти данные. Пока в дальнем космосе используются только радиосигналы, которые, ослабевая, доходят до нас через миллиарды километров. Также есть возможность передавать сигналы в оптическом диапазоне, то есть лазерным лучом. Пока это опробовано на небольших расстояниях от Луны до Земли. Возможно, получится «растянуть» их до Марса, но пока мешают проблемы с наведением — не так просто попасть в телескоп диаметром 2,5 метра.

КА могут находиться в миллионах километров от Земли. Как осуществляется управление ими на таких огромных расстояниях?

Передать радиосигнал с Земли на космический аппарат проще, чем получить его обратно. На Земле мощность передатчика намного больше. Главное, чтобы на борту работала аппаратура, которая принимает сигналы: дешифратор команд и бортовой компьютер. Пока они в строю, команды с Земли будут проходить и аппарат будет их выполнять.

Какие опасности поджидали «Пионеров» и «Вояджеров» на пути к газовым гигантам? Как ученые решали непредвиденные проблемы за долгие годы полета?

Опасности могли быть внутренние и внешние. В первом случае что-то могло сломаться на самом аппарате — со вторым «Вояджером» так и случилось, сгорел один из приемников, необходимый для получения команд с Земли; ученые спасли зонд с большим трудом. Во втором случае аппарат мог столкнуться с метеоритами или мелким мусором. При запуске «Пионеров» ученые опасались, что аппараты не смогут пройти пояс астероидов, однако те его спокойно преодолели. Тогда стало понятно, что внешних угроз для межпланетных полетов нет.

После запуска «Пионеров»-10 и 11 и «Вояджеров» в 1970-е прошло не одно десятилетие. «Пионеры» больше не выходят на связь, «Вояджеры» продолжают передавать сигналы на Землю. Мы можем предположить, где они сейчас находятся?

«Вояджеры» успели покинуть Солнечную систему и сейчас находятся на расстоянии около 150 астрономических единиц от Земли. Сначала они дошли до границы, где свободно распространяется солнечный ветер (поток ионизированных частиц, один из основных компонентов межпланетной среды. — Прим. ред.). Затем пересекли зону, где он замедляется под напором межзвездной среды, и покинули гелиосферу. Сложно сказать, межзвездное вещество обтекает нашу Солнечную систему, или Солнечная система пробивается сквозь него. На границах этих двух миров происходят очень интересные вещи, и «Вояджеры» могут нам о них рассказать. Сейчас они передают уникальные данные, получаемые из этой области пространства впервые.


Граница между Солнечной системой и межзведным пространством. Источник: NASA

Как КА работают автономно десятилетиями? Мы можем просчитать, сколько они еще смогут исследовать космос?

Срок полета определяет мощность, которая осталась в бортовых генераторах электроэнергии — это ядерный источник, радиоизотопный преобразователь. Генератор работает на распаде изотопа плутония-238. Этот источник невозобновимый и конечный, его мощность постепенно падает. Лет через пять, видимо, придется отключить большую часть бытовых приборов. Вскоре после 2027 года и 50-й годовщины запуска «Вояджеры» больше не смогут передать информацию на Землю.

Какие уникальные данные «Пионеры» и «Вояджеры» передали на Землю?

С их помощью ученые получили лучшие на тот момент фотографии Юпитера, Сатурна и их спутников. Уран и Нептун по-прежнему остаются исследованы только вторым «Вояджером», больше ни один космический аппарат до них не долетал. Исследование космоса за пределами Солнечной системы тоже их заслуга.

С помощью этих аппаратов ученые попытались передать послание внеземным цивилизациям. На «Пионерах» находятся пластинки с символьной информацией о человеке, Земле и Солнечной системе, на «Вояджерах» — пластинки с записью звуковых и видеосигналов. Как вы думаете, эти послания могут представлять опасность для землян в случае их обнаружения?

Судя по тому, что мы не получаем никаких радиосигналов искусственного происхождения, ближайшие цивилизации либо слишком далеки, либо не интересуются исследованиями космоса. И первое, и второе снимает проблему с внешней угрозой. Но в качестве истории для широких масс — это красиво.


Футляр с пояснениями и золотая пластинка с композициями и звуками Земли. Источник: NASA 

Беседу вела Анастасия Горбатенко.

Рубрики

Серии

Разделы

Издательство