Как у «Вояджера-1» телеметрия сломалась, и что бы это значило
Сегодня начну с воспоминаний. Один из моих первых научно-популярных переводов в «хаброформате» вышел в начале 2014 года на сайте dev.by (сейчас https://devby.io/); назывался он «Марсокод, или как создавалось ПО для марсохода Curiosity». Суть этого интереснейшего текста заключается в том, какой неимоверный уровень надежности, долговечности, автономности и интеграции харда и софта должен достигаться при программировании космических аппаратов. Примерно год спустя я получил в работу книгу «Pale Blue Dot» Карла Сагана, вышедшую в издательстве «Альпина Нон-Фикшн» под названием «Голубая точка. Космическое будущее человечества». Эту книгу я до сих пор считаю шедевром моей переводческой работы, хотя, в литредактуре «Альпины» она выглядит существенно лучше, чем в моем черновике. Книга названа так по знаменитой фотографии, сделанной с борта «Вояджера-1» 14 февраля 1990 года, когда этот аппарат находился в районе Сатурна.
В своей книге Саган уделяет «Вояджерам» больше внимания, чем каким-либо иным космическим аппаратам, посвящая им целую главу и несколько отступлений, в том числе, весьма лирических. Но вообще в этом рассказе (глава 8, «Триумф Вояджеров») подчеркивается все та же инженерная прозорливость и смекалка, которыми гордятся авторы ПО к «Curiosity». В последнее время интерес к «Вояджерам» вновь возрос, поскольку в телеметрии «Вояджера-1» стали возникать аномалии, а сами зонды, разменявшие 45-летний юбилей, близки к отключению.
Краткая история «Вояджеров»
В 1969 году впервые появилась идея отправить автономные космические зонды к планетам-гигантам, чтобы исследовать как сами эти планеты (прежде всего, Юпитер и Сатурн), так и их спутники. Прорывная инженерная идея, обеспечившая долговечность этих аппаратов, заключалась в постепенном переходе с солнечной энергии на ядерную по мере удаления аппаратов от Солнца. В итоге два аппарата были запущены в июле 1977 года и направились к Юпитеру и Сатурну. Их конечной целью считался Титан, спутник Сатурна, но в итоге пути аппаратов разошлись. Вояджер-2, который инженеры смогли дополнительно разогнать при помощи гравитационного маневра, смог к концу 1980-х посетить окрестности всех планет-гигантов, в том числе, Оберон (спутник Урана) и Тритон (спутник Нептуна). Спутники Юпитера были красочно отсняты обоими «Вояджерами», но вскоре после этого «Вояджер-1» отклонился от курса и плоскости эклиптики, направившись на юг к выходу из Солнечной системы и гелиосферы.
В 1998 году «Вояджер-1» обогнал «Пионер-10», став самым отдаленным от Земли рукотворным объектом. К настоящему времени мощность плутониевых двигателей упала примерно на 70%. В 2017 году основные двигатели «Вояджера-1» полностью отказали, и ЦУП вновь активировал маневровые двигатели, в начале миссии позволившие зонду приближаться к спутникам планет-гигантов.
«Пионер-10» и «Вояджеры» отличаются от других космических аппаратов тем, что на них установлены послания для внеземных цивилизаций. «Пионер-10» несет табличку, на которой изображен атом водорода, мужчина и женщина без одежды, примерное положение Земли и Солнечной системы –, а также сам этот аппарат рядом с людьми, чтобы потенциальные адресаты послания по размеру аппарата могли судить о размере человека.
Золотой диск «Вояджера» значительно более известен, так как содержит не только изобразительную, но и звуковую информацию, являясь, в сущности, компакт-диском. Подробно о его наполнении рассказано в этом ЖЖ-посте.
Среди информации, переданной «Вояджерами» на Землю — фотографии действующих вулканов на Ио, фотографии ледяного покрова Европы, снимки колец Сатурна, картинки с рельефом Оберона и даже первые фотографии вихрей-циклонов на Нептуне («больших темных пятен»), напоминающих по структуре Большое Красное Пятно Юпитера, но не столь долговечное.
Таким образом, в течение последних 30 лет (после того, как «Вояджер-2» миновал Плутон), зонды работают «на истощение» и дают информацию, получать которую с их помощью не планировалось. «Вояджер-1» вышел за пределы нашей системы в 2012 году, а «Вояджер-2» — в 2018 году. Это был выход из гелиосферы (и за пределы гелиопаузы) в межзвездное пространство — то есть, сейчас оба «Вояджера» не подвергаются влиянию солнечного магнитного поля и солнечного ветра. При этом антенны обоих аппаратов до сих пор направлены в сторону Земли, поэтому «Вояджерами» можно управлять. Поскольку «Вояджер-1» по состоянию на 2020 год находился примерно в 22,3 млрд. км от Земли, на обмен данными с ним уходит примерно двое суток. «Вояджер-2» работает в обычном режиме, и в 2020 году удалился от Земли примерно на 18,5 млрд. км.
Проблемы с телеметрией
Для приема телеметрических данных «Вояджеров» на Земле используется радиотелескоп, естественно, обладающий более новым и мощным радиолокационным и передающим оборудованием, чем зонд. Поэтому восходящий сигнал от ЦУП более силен и точен, чем ответ от зонда:
Передача данных телеметрии с «Вояджера» состоит из трех основных этапов:
Получение данных: датчики и аналогово-цифровые преобразователи
Обработка: компьютер
Нисходящая радиосвязь: передатчик/антенна
В телеметрию, поступающую от «Вояджера» в ЦУП, входят следующие данные:
Контроль направления: крен, тангаж, рысканье
Электропитание: напряжение в аккумуляторах и солнечных батареях, степень разрядки батарей
Температурный контроль: температура, использование нагревателя
Реактивное движение: уровень топлива, давление, длительность горения
Полезная нагрузка: научные измерения
В телеметрию, передаваемую от ЦУП «Вояджеру», входят следующие данные:
Контроль направления: переключение оборудования между основными и резервными узлами (A/B)
Электропитание: ориентация солнечных батарей
Температурный контроль: как приводятся в движение заслонки
Реактивное движение: операции сжигания/реактивной тяги
Полезная нагрузка: научная, экспериментальная
Сьюзен Доддс из JPL (Лаборатории реактивного движения НАСА) сообщила в официальном Твиттере НАСА, что данные, поступающие от «Вояджера-1», кажутся бессмысленными. Очевидно, он находится не в той точке, координаты которой дает. Один из трех компьютеров «Вояджера-1», отвечающий за ориентацию аппарата (в частности, контролирующий двигатели и управляющий антенной) позволил усилить сигнал антенны, поэтому данные об обстановке в межзвездном пространстве продолжают поступать в ЦУП. Кроме того, пока этот компьютер поддерживает правильную ориентацию антенны. Но в качестве данных об ориентации аппарата компьютер передает всего два значения: либо последовательность нулей, либо 377.
Причины сбоя поясняются туманно. Он связан с AACS (подсистемой пространственной ориентации и управления маневрированием). Поскольку аппарат хорошо принимает входящие команды, ЦУП может вручную направлять «Вояджер-1». При этом никакие системы аварийной защиты на зонде не срабатывают. Таким образом, логично предположить, что зонд цел и пока обладает запасом энергии, но «не представляет, где находится». Официальное и наиболее вероятное объяснение заключается в выходе навигационной системы из строя под действием жесткого излучения.
Парадоксальное, но логичное и интересное объяснение сбоя «Вояджера-1» предложил Эммануил Маркулакис из Греческого Средиземноморского университета; пока его статья существует только в виде препринта. Автор считает, что на расстоянии 156 а.е. от Солнца, где сейчас находится «Вояджер-1», может располагаться ближайший к Солнцу регион с высокой концентрацией темной материи либо вещества с отрицательной массой. Подобные гипотетические субстанции — предмет активного научного поиска, так как позволили бы получить антигравитацию или надуть пузырь Алькубьерре.
При этом он ссылается на статью Эдварда Бельбруно и Джеймса Грина из Королевского Астрономического Общества. Согласно их гипотезе, темная материя в гравитационном отношении должна действовать прямо противоположно обычной материи — то есть, огромная масса темной материи должна оказывать сильное отталкивание на большие массы обычной материи (планеты, звезды). Столь маленькое физическое тело как «Вояджер» также испытает отталкивание со стороны темной материи, но, чем больше объем темной материи — тем слабее будет это отталкивание. Соответственно, под действием темной материи «Вояджер-1» мог бы отклониться от курса на считанные метры (и с Земли мы бы это не зафиксировали), но датчики могли бы воспринять это воздействие именно так, как следует из нынешних наблюдений НАСА.
Эта публикация может быть обновлена, если НАСА удастся починить «Вояджер-1» или выяснить точную причину сбоя. Пока же я закончу ее знаменитым афоризмом Айзека Азимова:
Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, — фраза, возвещающая о новых открытиях, — вовсе не «Эврика!», а «Вот забавно…»
