Путешествие к царю планет. Как полвека назад был запущен первый космический аппарат к Юпитеру

Старты двух «Пионеров» спланировали с годовым интервалом. Первое астрономическое окно, определяемое движением Земли относительно Юпитера, продолжалось с 27 февраля по 13 марта 1972 г. Этим датам старта соответствовали встречи с планетой в период с 21 ноября 1973 г. по 27 июля 1974 г.

Ракету «Атлас-Центавр» номер AC-27 собрали на стартовой площадке LC-36A мыса Кеннеди 22 декабря 1971 г. Аппарат привезли на космодром 15 января спецсамолетом MiniGuppy, протестировали в монтажно-испытательном корпусе AD, заправили, состыковали с разгонным блоком и укрыли обтекателем, после чего доставили на старт и в середине февраля установили на носитель. 22 февраля подвели итог испытаниям и назначили пуск на 27 февраля. Накануне старта, чтобы свести к минимуму облучение персонала и сооружений стартового комплекса, изделие оснастили РИТЭГами. Стартовая масса ракеты космического назначения была 146 673 кг при высоте 40,3 м.

Пуск назначили на 27 февраля в 20:52 EST, однако в этот вечер в 19:31 из-за грозы обесточило весь комплекс LC-36. Попытка восстановить питание в 19:43 была безуспешной. На проверку состояния ракеты после сбоя было нужно от часа до двух, ветер на больших высотах все равно был вне допуска, и в 20:01 старт отменили.

Вторая попытка пуска вечером 28 февраля сорвалась опять же из-за ветров и проблемы с перезакладкой программы полета носителя. На 29 февраля с мыса Кеннеди планировался пуск военного аппарата DSP F3, так что високосный день пришлось пропустить. Этот спутник запустили 1 марта, что позволило начать третий отсчет к старту «Пионера». Но и этим вечером пуск к Юпитеру не состоялся: ответственные организации не успели проверить программу выведения. Успехом увенчалась лишь четвертая попытка, хотя и с опозданием на 24 минуты из-за ложного показания датчика наземной системы обеспечения.

Пуск КА «Пионер-F» был произведен 2 марта 1972 г. в 20:49:03,575 EST, что соответствовало 3 марта в 01:49:04 UTC. Через 935 секунд после старта, набрав скорость 14 356 м/с в системе отсчета, связанной с центром Земли, станция отделилась от третьей твердотопливной ступени и получила официальное имя «Пионер-10» (Pioneer 10).

Через 26 минут после старта в сеансе через 26-метровую антенну DSS-51 в Южной Африке на борт ушла команда активации записанной программы операций. Включением на 56 секунд тормозного двигателя SCT 1 аппарат замедлил свое вращение с 53 до 20 об/мин, а развертывание двух штанг с РИТЭГами снизило его угловую скорость до штатных 4,8 об/мин. После этого расчековали и развернули штангу магнитометра. Среди других собы-тий первого сеанса можно отметить включение первых приборов — магнитометра, детектора метеоритной пыли и инструментов TRD, GTT и CPI для регистрации частиц.

Полетом «Пионера-10» управляли специалисты Центра Эймса при баллистической поддержке JPL с использованием станций Сети дальней связи DSN, обозначенных буквами DSS с числовым индексом. Именно на них принималась информация с борта и оттуда же выдавались команды.

Руководителем полета был сначала Роберт Нунамейкер, затем его сменил Норман Мартин. За траекторный анализ отвечал Роберт Хофстеттер, за служебные системы — Гилберт Шрёдер, за функционирование научной аппаратуры — Ричард Фиммел.

Отлетная скорость аппарата настолько превышала скорость освобождения, что всего через одиннадцать часов после старта он вышел за пределы орбиты Луны, и даже «на бесконечности» осталось около 9200 м/с. Траектория полета к Юпитеру представляла собой дугу гелиоцентрической орбиты со следующими параметрами:
• наклонение — 2,08°;
• перигелий — 0,991 а. е. (148,3 млн км);
• афелий — 5,857 а. е. (876,2 млн км);
• период обращения — 2314 суток (6,34 года).

Программа экспедиции предусматривала облет Юпитера в «прямом» направлении на расстоянии от его центра в 2,85 радиуса планеты, то есть около 203 000 км, чтобы вблизи перицентра угловая скорость аппарата была близка к скорости вращения самого Юпитера. Так называемый режим коротации позволял в течение длительного времени наблюдать ту сторону планеты, где находилось таинственное Большое Красное Пятно. «Официально» оно было открыто и описано за 95 лет до этого, но на самом деле еще в 1664–1665 гг. его наблюдали Роберт Гук и Жан-Доминик Кассини. Уже более 300 лет, сначала с перерывами, а потом и постоянно оно фиксировалось над 22° ю. ш. Юпитера. Что самое поразительное, немного смещаясь по долготе туда и обратно с трехмесячным периодом, в итоге пятно обращалось чуточку медленнее, чем соседние детали поверхности, и за 200 лет отстало от них на три оборота.

Ученые хотели провести «Пионер-10» не только позади Юпитера (это как раз получалось почти автоматически), но и позади его спутника Ио — в надежде обнаружить ионосферу последнего путем радиопросвечивания. В случае прохождения точно по диаметру Ио радиосигнал должен был прерваться на 91 секунду. Что называется, сравните масштабы: диаметр спутника был чуть более 3600 км, чуть больше нашей Луны, а расчетное расстояние до него в момент захода составляло 531 700 км.

Наконец, нужно было учесть оперативные соображения: критическая фаза пролета в пределах от трех радиусов планеты и ближе планировались в пятичасовой период одновременной видимости Юпитера с двух наземных станций в Голдстоуне (Калифорния) и Канберре (Австралия). Если бы на прием работал только один пункт, какой-нибудь сбой привел бы к потере бесценной информации. Две одновременно работающие станции страховали друг друга, сводя вероятность неудачи к минимуму.

Все эти требования в сумме задавали и конкретную точку прицеливания (справа от диска Юпитера, если смотреть с Земли), и точную дату и время пролета — 4 декабря 1973 г. в 02:26 UTC по бортовому времени КА. Земле предстояло отслеживать происходящее с задержкой на время прохождения радиосигнала — 45 мин 54 с для расстояния между Юпитером и Землей в день прилета.

Стоит еще раз напомнить, что точка прицеливания — это отнюдь не высота пролета над планетой. Точка прицеливания — это идеальное понятие, место пересечения асимптоты подлетной ветви гиперболической орбиты КА относительно Юпитера и так называемой B-плоскости, которая перпендикулярна этой асимптоте и проходит через центр планеты. Расстояние между точкой прицеливания и центром планеты — это прицельная дальность. В реальности аппарат пересечет названную плоскость ближе к Юпитеру, поскольку тяготение планеты искривляет траекторию полета, а в перицентре, лежащем уже за этой плоскостью, окажется еще ближе. В баллистических расчетах при планировании маневров фигурировала точка прицеливания и ее ожидаемое смещение в результате коррекции траектории. Для прессы, естественно, называли понятный всем параметр — ожидаемую минимальную высоту пролета над вершинами облаков планеты.

5 марта 1972 г. операторы дважды включали на 30 секунд двигатели «Пионера», чтобы оценить их эффективность по доплеровскому изменению частоты радиосигнала. В первый раз двумя хвостовыми ЖРД убавили 1,22 м/с скорости, а через полчаса добавили столько же двумя носовыми. («Носом», то есть антенной HGA, аппарат смотрел примерно в сторону Земли.)

Как это делается: доплеровские измерения

Скорость электромагнитной волны постоянна и не зависит от скоростей источника и приемника, а вот ее частота будет отлична от частоты передатчика, если лучевая скорость — проекция относительной скорости движения на направление до источника — не равна нулю. Это и называется эффектом Доплера.

В первом приближении изменение частоты Δf = f · v/c, где v — лучевая скорость, f — частота передатчика, c — скорость света. При удалении источника частота снижается так же, как у звуковых сигналов в быту. Поскольку приемник находится на движущейся и вращающейся Земле, а источник — на движущемся КА, величина Δf все время плавно и предсказуемо изменяется. В случае если КА проводит коррекцию траектории, быстрый дополнительный сдвиг частоты четко проявляется на графике принимаемого сигнала.

Космические аппараты оснащаются высокостабильными генераторами сигнала с заданной частотой, что в принципе позволяет проводить односторонние доплеровские измерения. Однако на практике невозможно определить, как изменяются реальные характеристики бортового передатчика в ходе длительного полета, поэтому точность такого метода невелика.

Двусторонний доплеровский режим, еще называемый каскадным или когерентным, также возможен — и он был реализован на «Пионерах» и затем на «Вояджерах». В этом режиме частота бортового передатчика синтезируется на борту исходя из принимаемой частоты сигнала путем умножения на стандартную константу — для S-диапазона она равна 240/221. При этом доплеровский сдвиг удваивается, зато исходная и полученная частоты фиксируются с равной степенью точности, и погрешность измерений резко снижается — вплоть до 1 мм/с лучевой скорости и лучше.

Доплеровские измерения используются для определения параметров траектории и для прогноза условий последующих сеансов связи и управления.

7 марта на расстоянии 4 млн км от Земли провели первую коррекцию траектории полета. Цель операции — скомпенсировать ошибку выведения и обеспечить прибытие к Юпитеру в выбранный день, с правильной стороны и с ошибкой точки прицеливания в B-плоскости не более 25 000 км. По результатам измерений и моделирования требуемое приращение скорости составляло 13,45 м/с, но отработать его одним импульсом не получалось, так как для этого пришлось бы отвернуть ось КА от направления на Землю на угол 76°, и был риск потери связи через антенну MGA. Пришлось запланировать два последовательных разнонаправленных импульса с семичасовым интервалом. Первый проводился с предельно допустимым отклонением оси на 45°, он начался в 12:20, продолжался 487 секунд и дал приращение скорости 18,46 м/с на разгон. Второе включение, уже с ориентацией оси на Землю, выполнили в 19:31 на 256 секунд и получили 9,03 м/с на торможение. Векторная сумма двух импульсов оказалась близка к требуемой — 13,6 м/с. Время прибытия к цели приблизилось на девять часов.

Вторую коррекцию выполнили 23–24 марта, опять же, в два импульса — около 22:00 и 12:00 UTC. Их величины были 1,18 м/с в направлении от Земли и затем 2,14 м/с на торможение под предельным углом отклонения 24°, что соответствовало суммарному импульсу 1,16 м/с. Цель маневра состояла в том, чтобы свести к минимуму ошибки точки прицеливания в пространстве и желаемого момента прибытия. Коррекция сдвинула перицентр на 12 575 км ближе к планете, а время пролета сместилось на 2 ч 36 мин вперед от текущего прогноза, а именно на момент 02:33 UTC.

Стоит заметить, что маневрировать «Пионеру» приходилось в условиях значительной неопределенности. Во-первых, выбор точки прицеливания ограничивался неточностью модели движения планет Солнечной системы: в это время положение самого Юпитера, а значит, и его спутников, включая Ио, умели прогнозировать лишь с погрешностью около 1400 км. Во-вторых, специалисты пока не могли оценить, как будет меняться ожидаемое время прибытия с учетом плохо прогнозируемых факторов негравитационного характера, таких как давление солнечного света на КА. Пока отклонение на семь минут от оптимального момента устраивало навигаторов, но нужно было посмотреть, как этот прогноз будет меняться со временем. Оставшегося запаса скорости в 170 м/с было более чем достаточно для компенсации любых отклонений.

Тем временем 5 марта на КА начал работать телескоп космических лучей CRT, а 10 марта включили фотополяриметр IPP. К 13 марта функционировала уже вся научная аппаратура, за исключением ИК-радиометра, кото-рый проверили в первой половине мая. Он был особенно чувствителен к засветке Солнцем, которая на начальном этапе полета была очень значительной. Ось вращения изначально была направлена на Землю, и угол между нею и направлением на Солнце был равен 26°. Чтобы «зонтик» антенны HGA лучше затенял служебную аппаратуру и аккумуляторную батарею, ось вращения пришлось даже немного отвернуть от Земли, тем более что пока связь шла через антенну MGA с достаточно широким лучом.

Многих участников проекта беспокоила зона вблизи орбиты Марса, где в 1963 и 1965 гг. прекратили работу советские аппараты «Марс-1» и «Зонд-2», а 30 июля 1969 г. на семь часов прервалась связь с американским «Маринером-7». Последнее событие, случившееся за шесть суток до встречи с Марсом, было очень похоже на результат столкновения с крупной пылевой частицей.

С учетом прежнего опыта — причины отказов двух советских станций в США не знали — саму эту область вроде бы в шутку (но не совсем) называли местом обитания Великого галактического вампира. Если говорить всерьез, то одной частицы диаметром 0,5 мм и выше было бы достаточно, чтобы существенно повредить земной зонд.

«Пионер-10», однако, нашел между орбитами Земли и Марса лишь мельчайшие пылевые частицы, распределенные довольно равномерно, но с «провалом» концентрации между отметками 1,14 и 1,34 а. е. К 5 мая 1972 г. они повредили 41 ячейку прибора MD из 108 имеющихся. Число пробоев было вдвое больше, чем ожидали постановщики, но быстро уменьшалось с расстоянием от Солнца. Четыре телескопа прибора AMD тем временем зафиксировали первые 20 объектов.

Фотополяриметр IPP подтвердил, что именно эти вездесущие пылинки, а не какой-то особый пылевой хвост Земли, ответственны за противосияние — слабое свечение области неба, противоположной Солнцу. Доказательство было вполне наглядным — светящаяся область смещалась по мере движения аппарата и не была привязана к Земле, ушедшей вперед по орбите. Помимо этого, уже в мае провели пробные наблюдения Меркурия и Юпитера в режиме поляриметра, то есть с измерениями интенсивности и поляризации света.

25 мая 1972 г. станция благополучно вышла за орбиту Марса, покинув уже знакомую земным аппаратам зону Солнечной системы, а 15 июля пересекла условную границу пояса астероидов в 1,8 а. е. от Солнца. Вероятность его успешного прохождения в проекте оценивалась в 90%, хотя реальной обстановки в этой области никто еще не знал. Первая задача «Пионера-10» как раз и состояла в том, чтобы изучить потенциальные опасности на месте.

Никаких попутных съемок не планировали, чтобы не добавлять ненужного риска, а потому «Пионер-10» спокойно прошел на расстоянии 8,8 млн км от ближайшего известного астероида. Первой на пути ему встретилась безымянная планетка диаметром 1 км из Паломар-Лейденского обзора неба — это произошло уже 2 августа. Вторым был довольно крупный (24 км) астероид Ника — станция миновала его 2 декабря.

6 августа 1972 г. выстроились в одну линию Солнце и аппараты «Пионер-9» и «Пионер-10», что позволило проследить, как солнечный ветер распространяется в пространстве между рубежами 0,8 и 2,2 а. е. от светила. В первый раз подобные наблюдения провели в апреле, только тогда напарником был «Пионер-6», а повторили в октябре вместе с «Пионером-8». Случилось так, что именно августовское соединение наложилось на серию солнечных вспышек 2 и 7 августа.

Последняя была особенно мощной: всего за час выделилась энергия, которой можно было бы питать все предприятия и дома США в течение 100 млн лет!

В результате скорость солнечного ветра вблизи земной орбиты достигла рекордной величины 1000 км/с, а плотность частиц увеличилась в 4000 раз. Через 76 часов, когда этот «порыв» достиг «Пионера-10», солнечный ветер стал вдвое медленнее, а вот энергия частиц соответствовала температуре 2 млн кельвинов и была в 20 раз выше нормы. Иначе говоря, солнечный ветер каким-то образом «преобразовал» половину скорости своего движения в тепловую энергию. Сила магнитного поля, измеренного на «Пионере-10», увеличилась в это время на два порядка. Приборы CPI и CRT показали поток заряженных частиц, в 500 раз превышающий обычный, а на датчиках GTT рост был от 10 до 300 раз. Научный руководитель проекта Джон Вулф писал, что Солнце излучает как быстрые, так и медленные потоки плазмы. Плотность энергии солнечного ветра в 100 раз выше, чем у межпланетного магнитного поля, поэтому солнечный ветер тащит магнитное поле с собой. Это магнитное поле не только экранирует приходящие космические лучи и не позволяет лучам низкой энергии извне проникать во внутреннюю часть Солнечной системы, но и не дает быстрым потокам плазмы проникать в медленные потоки.

В августе 1972 г. антенна среднего усиления MGA уже не обеспечивала качественную передачу данных даже на единственную в своем роде 64-метровую калифорнийскую антенну, так что все последующие сеансы проводились только через остронаправленную антенну HGA. Соответственно, аппарат был вновь развернут осью к Земле.

В конце мая траекторные измерения показывали, что «Пионер-10» прибудет к Юпитеру с опозданием более чем на 9 минут; вскоре оценка ухудшилась до 14 минут, а это означало, что желаемый проход позади Ио не получится. Чтобы убрать возрастающую ошибку, 19–20 сентября 1972 г. провели специальную коррекцию траектории, небольшую по величине (0,227 м/с) и состоящую из 14 отдельных импульсов длительностью по 1/2 секунды и еще 11 по 1/8 секунды, которые выдавались на протяжении четырех часов между 22:05 и 02:10 UTC. Это ускорило движение КА и сместило время прибытия на 17,2 минуты назад — на 02:23:30 UTC.

15 февраля 1973 г. на расстоянии 3,7 а. е. от Солнца «Пионер-10» вышел из пояса астероидов — неповрежденным. Лишь однажды — в течение недели на отметке 2,7 а. е. — телескопы AMD отметили увеличение концентрации видимых частиц. Всего на пути от Земли до Юпитера они засекли пролеты 250 частиц, половину из них — в поясе. Ни одна из частиц не превышала в размере 1 мм.

Частота попаданий в газовые ячейки прибора MD была невелика. С 5 мая по 10 июля 1972 г. было пробито 12 ячеек из 67 остававшихся, причем шесть из них — за одну неделю (19–26 июня), а четыре — всего лишь за пятнадцать часов. Еще десять вскрылись к 9 августа, а к 20 октября пыль повредила очередные 20 ячеек, так что общий счет потерь достиг 83 из 108. Д-р Уильям Кинард и другие члены научной группы были немало удивлены: они полагали, что к этому моменту микрометеориты уже полностью покончат с их прибором.

По скорости падения давления после пробоя можно было судить о массе и размере попавшей пылинки. Выяснилось, что частиц размером от 0,1 до 1 мм в поясе астероидов втрое больше, чем вне его. Концентрация более мелких частиц, от 0,01 до 0,1 мм, оставалась неизменной на всем пути от Земли до внешней границы пояса. Самые же мелкие частицы в поясе астероидов практически отсутствовали.

Яркость противосвечения до входа в пояс снижалась довольно быстро, в поясе астероидов это падение замедлилось, а за его пределами противосвечение исчезло, как и зодиакальный свет, наблюдаемый в плоскости планетных орбит по бокам от Солнца. Иначе говоря, после выхода из пояса межпланетная пыль почти пропала.

Лишь позднее и значительно ближе к Юпитеру прибор Кинарда обнаружил пылевой пояс с концентрацией частиц в 300 раз выше нормы. Вблизи планеты было пробито десять ячеек MD из 25 уцелевших, а к 20 февраля 1974 г. — еще две. Итоговый счет составил 95 поврежденных ячеек из 108.

Статистику по частицам средней массы постановщики привели отдельно: на пути от Земли до входа в пояс астероидов они попали в 25 ячеек детектора MD, в пределах пояса — в 17 и на дальнейшем пути к Юпитеру — в 12.

Как и ожидалось, с удалением от Солнца сила межпланетного магнитного поля, плотность вещества солнечного ветра и число солнечных частиц высоких энергий снижались обратно пропорционально квадрату расстояния. На расстоянии порядка 4 а. е. быстрые потоки начинали стихать, превращаясь в случайное тепловое движение частиц.

Читайте также

NASA официально подтвердило, что люди открыли уже более 5000 экзопланет

Подводя итоги наблюдений солнечного ветра уже после Юпитера, ученые пояснили, что при столкновениях быстрых и медленных потоков возникают сильные градиенты магнитного поля, и как раз в этих зонах рассеиваются галактические космические лучи. Поэтому частицы низких энергий внесолнечного происхождения почти не встречались вплоть до рубежа 5 а. е. и не должны были быть заметны ближе 20–30 а. е.

Неожиданно выяснилось, что межзвездные нейтральные атомы водорода проникают в гелиосферу примерно в плоскости планетных орбит, а не с направления движения Солнца относительно внешней межзвездной среды под 60° к этой плоскости, как предполагали ученые. С помощью УФ-фотометра в составе межзвездного газа впервые был выявлен гелий.

Приблизившись к Юпитеру на расстояние 1,5 а. е., «Пионер-10» начал регистрировать пучки частиц высоких энергий, исходящие от планеты. Как потом выяснилось, для энергичных электронов, выброшенных из магнито-сферы Юпитера, это был не предел: они доходили до земной орбиты (и регистрировались там уже несколько лет) и даже до орбиты Меркурия. Источник их, однако, оставался загадкой.