К далеким пределам: От Солнца до самых до окраин

В 1974—1976 годах американо-германские аппараты Helios 1 и Helios 2 подошли на рекордно близкие расстояния к Солнцу, а спускаемые аппараты двух станций Viking благополучно сели на Марс. В 1977 году были запущены Voyager 1, который детально исследовал Юпитер и Сатурн, и Voyager 2, совершивший пролет мимо Урана и Нептуна. И наконец, еще через год Pioneer Venus 1 произвел радиолокационное картирование поверхности Венеры, а Pioneer Venus 2 отправил в ее атмосферу четыре зонда с измерительной аппаратурой.

Особое место в этой плеяде занимают сверхдальние полеты. Исследования Марса и Венеры с помощью космических аппаратов начались еще в 1960-х, а вот рывок за пояс астероидов оказался революционным. Полеты «Пионеров» и «Вояджеров» заложили основы для миссий аппаратов Galileo, Cassini и New Horizons. Первая миссия уже завершена, вторая в самом разгаре, а третья вступит в активную фазу лишь в 2015 году, когда корабль приблизится к Плутону.

Американская космонавтика освоила название Pioneer в самом начале космической эры. Тогда его носили шесть небольших аппаратов, сконструированных в Лаборатории космических технологий ВВС в основном для полетов к Луне. Первый из них стартовал 17 августа 1958 года (еще до учреждения NASA), но ракета-носитель взорвалась, едва оторвавшись от земли. Символом этой неудачи стала необычная нумерация эксперимента — Pioneer 0. Запуск 23-килограммового зонда Pioneer 1 стал первой миссией NASA (спустя всего 11 дней после официального рождения космического ведомства). Он удалился от Земли на рекордное по тем временам расстояние 113 800 км и сгорел в атмосфере при возвращении. «Пионеры» с номерами 2, 3 и 4 также не выполнили своей задачи. Зато последний аппарат серии, 43-килограммовый Pioneer 5, весной 1960 года с успехом осуществил серию измерений магнитных полей, солнечного ветра и космических лучей в пространстве между Землей и Венерой.

«Пионеры» второго поколения выполняли работу солнечных сторожей. В 1965—1968 годах четыре таких зонда весом от 138 до 147 кг были выведены на околосолнечные орбиты, не слишком отличающиеся от земной. Они проводили те же измерения, что и Pioneer 5, но с помощью более совершенных приборов. Pioneer 9 вышел из строя в 1983 году, остальные продержались много дольше (последний телеметрический контакт с зондом Pioneer 6 имел место в декабре 2000 года).

А позже случилась забавная история, имеющая отношение не только к науке, но и к бюрократии. NASA планировало запустить еще два «Пионера», предназначенных для мониторинга солнечного ветра на расстояниях до 4 а.е. (астрономических единиц) от нашего светила. Эти проекты, как и предыдущие, находились под эгидой Отдела космической физики и астрономии. Однако в конце 1967 года их передали Отделу лунных и планетарных программ, просто чтобы чем-нибудь занять его сотрудников, не имевших заданий на 1970-е годы. Руководители этого подразделения NASA Дон Хирт и Роберт Кремер решили отправить зонды подальше, более чем на 5 а.е., и не в пустой космос, а в окрестности Юпитера. После долгих обсуждений это предложение было утверждено 8 февраля 1969 года. На той стадии предполагалось, что зонды получат одинаковые задания и второй по времени запуска «Пионер» будет дублером первого.

Конструкцию зондов, естественно, пришлось разрабатывать заново. Прежде всего встал вопрос об источнике электричества. Солнечные панели, которые обеспечивали энергией прежние «Пионеры», вблизи Юпитера давали бы слишком слабый ток, а емкости аккумуляторов явно было бы мало. Конструкторы сделали выбор в пользу новейших радиоизотопных термоэлектрических генераторов SNAP-19, работающих от тепла, выделяющегося при распаде плутония-238. Комиссия по атомной энергии предоставила их NASA бесплатно, поскольку хотела испытать эти устройства в открытом космосе. Каждый зонд нес четыре генератора, попарно установленных на двух трехметровых штангах (это было сделано во избежание воздействия радиации на измерительные приборы). На старте они давали в сумме около 155 Вт, на пролете вблизи Юпитера на 10% меньше, но этого было вполне достаточно.

Оба «Пионера», изготовленные корпорацией TRW, были почти одинаковы и по массе (258 и 259 кг) и по начинке. Каждый нес 11 научных инструментов (плазменный анализатор, детектор космической пыли и т. п.). Однако бортовых компьютеров они не имели (эпоха микропроцессоров еще не настала!) и потому работали исключительно по командам с Земли.

Не несли они и фотокамер. Для хороших съемок корабль нужно стабилизировать по всем трем осям, что требует установки гироскопов и корректирующих двигателей, а это означает лишнюю массу и лишний расход электроэнергии и топлива. Было решено, что в полете каждый из кораблей может вращаться вокруг продольной оси, но его параболическая радиоантенна должна неизменно смотреть на Землю. Научных руководителей проекта не слишком интересовали снимки Юпитера, им была нужна информация о его магнитосфере и прочие физические характеристики, которые можно замерить при любом положении датчиков. Тем не менее в NASA понимали, что публика не простит отсутствия эффектных картинок. Проблему разрешил Том Герелс из Аризонского университета, который сконструировал специально для «Пионеров» так называемый изображающий фотополяриметр — хитрый оптический прибор, способный работать на вращающейся платформе. На Земле его сигналы расшифровывались с помощью компьютерной программы, трансформирующей их в фотоизображения, правда не самого лучшего качества.

2 марта 1972 года ракета Atlas/Centaur вознесла в небо Pioneer 10. Он благополучно пересек пояс астероидов (который, как выяснилось, содержит ненамного больше микрочастиц, чем его окрестности) и 3 декабря прошел в 200 000 км над облачным покровом Юпитера. Фотополяриметр Герелса работал безупречно, зонд сделал четыре сотни снимков, многие из которых публика с удовольствием лицезрела и на телеэкранах, и на страницах газет и журналов. Остальные приборы собрали гораздо более ценную информацию о частицах и полях вблизи планеты, но интересной она была исключительно для специалистов.

Pioneer 11 покинул стартовый стол 5 апреля 1973 года. 4 декабря он прошел в 34 тысячах километров от Юпитера и отправил на Землю превосходные изображения Красного пятна и невозможные для съемки с Земли фотографии южной полярной зоны планеты, а заодно и «взвесил» ее спутник Каллисто. Однако на этом его миссия не закончилась. Совершив гравитационный маневр вблизи Юпитера, Pioneer 11 отправился на рандеву с Сатурном по длинной дуге, огибающей Солнце. 1 сентября 1979 года зонд подошел к окольцованной планете на 21 000 км. Изотопные генераторы не подвели — даже тогда они вырабатывали около 100 Вт. Приборы определили характеристики магнитного поля Сатурна и отправили на Землю эффектные снимки, на которых было обнаружено неизвестное ранее кольцо (кольцо Е).

Аппаратура кораблей сохраняла исправность еще долгие годы после рандеву с планетами. Pioneer 11 перестал выходить на связь в ноябре 1995 года, после того как удалился от Солнца на 6,5 млрд. км. Pioneer 10 продержался дольше, в марте 1997-го NASA отметило его 25-летие и сообщило о завершении его исследовательской программы (официальная версия — мощность генераторов так упала, что приборы не могут работать). Однако сигналы с зонда поступали еще очень долго (в последний раз — 23 января 2003 года). Сейчас Pioneer 10 ушел от Солнца примерно на 93 а.е. Он мчится сквозь космическую пустоту к любимой фантастами звезде Альдебаран и приблизится к ней через 1,7 млн. лет.

Отсылка последнего «Пионера» к Сатурну с помощью гравитационного маневра в поле тяготения Юпитера была результатом эксперимента, даже не включенного в первоначальную программу. Зато использование Юпитера для отправки «Вояджеров» к дальним планетам планировалось с самого начала, и даты запуска выбирались именно с таким расчетом.

Пусть космический аппарат огибает планету по разомкнутой (гиперболической) траектории. Приближаясь к небесному телу, корабль разгоняется за счет его притяжения, а отдаляясь — тормозится. Из законов механики следует, что его скорость по отношению к планете изменится лишь по направлению, но не по величине. Но ведь и планета не стоит на месте, а обращается вокруг Солнца. Траекторию подхода можно рассчитать так, чтобы планета «потащила» корабль за собой и относительно Солнца его скорость возросла. В максимуме прирост равен удвоенной орбитальной скорости планеты (для Юпитера чуть больше 13 км/с). Это и есть гравитационная праща, она же рогатка. Ее эффективность можно увеличить с помощью маршевого двигателя корабля, включать который выгодней всего на минимальной дистанции от планеты.

В 1961 году сотрудник Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института Майкл Минович рассчитал этот гравитационный маневр для многократных «перескоков» между планетами. Спустя четыре года аспирант Калтеха Гэри Фландро показал, что в конце 1970-х планеты-гиганты будут расположены таким образом, что Юпитер сможет перебросить корабль к Сатурну, тот — к Урану, а Уран — к Плутону. Этот маршрут с тройным использованием гравитационного маневра назвали Большим туром (Grand Tour). Ширина расчетного окна для запуска составляла всего три года (1976−1979), а очередная возможность такого рода маячила лишь в середине XXII столетия.

Рекомендации Фландро были услышаны. В 1969 году Хирт и Кремер организовали группу по изучению внешних планет, которая рекомендовала отправить в дальний космос сразу две автоматические станции, одну — в Большой тур, а другую — сначала к Сатурну, а потом к Плутону (этот маршрут тоже вычислил Фландро). Утверждение программы затянулось из-за бюджетных проблем NASA, так что ее претворение в жизнь началось лишь в 1972 году. Научно-техническая проработка проекта и монтаж станций производились в Лаборатории реактивного движения. Ее сотрудники даже устроили конкурс (приз — ящик шампанского) на лучшее название кораблей. Победил вариант Voyagers — «Путешественники», который NASA официально утвердило в марте 1977 года.

20 августа (Voyager 2) и 5 сентября (Voyager 1) 1977 года корабли ушли в космос. Нумерация подразумевала, что Voyager 1 первым достигнет Юпитера: он завершил этот пролет 5 марта 1979 года, а его партнер Voyager 2 — 9 июля того же года. Уже тогда экспедиция дала богатейшие результаты. В общей сложности корабли сделали 52 000 фотографий и выполнили множество физических измерений. Они первыми наблюдали неразличимое с Земли юпитерианское кольцо, выявили три неизвестных дотоле луны, Адрастею, Метиду и Фебу, и, что стало подлинной сенсацией, обнаружили действующие вулканы на Ио, одном из четырех спутников, открытых Галилеем. Затем настала очередь Сатурна, который зонды посетили в ноябре 1980 года и в августе 1981-го. Они определили протяженность сатурнианских суток (10 часов 39 минут 44 секунд), состав атмосферы (7% гелия, остальное — водород), обнаружили, что скорость ветра на экваторе планеты достигает 500 м/с. Voyager 1 уделил особое внимание Титану, самой крупной из сатурнианских лун, которая, как выяснилось, окружена плотной атмосферой, в основном азотной.

После Сатурна пути кораблей разошлись. Первый «Вояджер» после сближения с Титаном покинул плоскость эклиптики (и посему не смог уйти на рандеву с Плутоном), а второй отправился к внешним планетам-гигантам. 24 января 1986 года он совершил пролет мимо Урана, прислал уникальные снимки пяти его крупнейших спутников и открыл еще десяток сателлитов меньшего калибра.

Еще в 1977 году астрономы узнали, что Уран окружен кольцами, хотя и не идущими ни в какое сравнение с кольцами Сатурна. Voyager 2 прояснил множество тонких деталей структуры уже известных колец, обнаружил два новых и установил, что Уран делает полный оборот вокруг своей оси за 17 часов 14 минут. Однако, как рассказал «ПМ» главный научный руководитель проекта Эдвард Стоун, самым большим сюрпризом оказались результаты магнитометрических измерений. Давно известно, что Уран вращается «на боку», поскольку его ось почти точно лежит в плоскости эклиптики. Теперь оказалось, что его магнитные полюса расположены не в сравнительной близости от географических, как на Земле, Юпитере и Сатурне, а отстоят от них примерно на 60 градусов по широте. По словам Стоуна, планетологов также чрезвычайно поразили каньоны глубиной до 20 км на Миранде, одной из лун Урана, диаметр которой и составляет всего-то пять сотен километров.

25 августа 1989 года Voyager 2 прошел в 4950 км над северным полюсом Нептуна. Он обследовал его «старые» луны Тритон и Нереиду и добавил к списку его спутников еще шесть (диаметром от 400 до 50 км). Он заметил также, что Нептун окружен тройкой совсем уж разреженных колец, и углядел на Тритоне мощные газовые гейзеры высотой в несколько километров. Профессор Стоун особо отметил, что Нептун оказался абсолютным рекордсменом Солнечной системы по части скорости ветров, которая там достигает 2200 км/ч. Это особенно странно, если учесть, что эта планета получает в расчете на единицу площади в 900 раз меньше солнечного тепла, нежели Земля. Магнитные полюса Нептуна тоже удалены от географических, хотя и не так значительно, как на Уране.

Об отправке на Марс пилотируемой миссии читайте на сайте специального проекта журнала: «Наш Марс».