Вояджер-1, зонд, установивший рекорд по удаленности от Земли (21337 миллиардов километров) и продолжительности полета (45 лет), столкнулся с необычной проблемой.
Подсистема управления ориентацией и артикуляцией (AACS) передает наземным станциям данные, которые пока кажутся неразборчивыми. 45 лет AACS успешно управляет ориентацией космического аппарата: следит за тем, чтобы все приборы были повернуты правильно. Антенна для связи всегда должна быть направлена в сторону Земли — основным лепестком излучения электромагнитной энергии.
Если бы данные, обрабатываемые AACS, были описанием положения зонда, мы бы либо не смогли их принять, либо получили бы слабый сигнал. Ни одна система не перешла в защитный режим.
Как работает AACS
Система стабилизации «Вояджера» основана на трехосевом принципе: ориентация зонда фиксируется в пространстве относительно внешних ориентиров. Для «Вояджера» таковыми выступают Солнце и группа «неподвижных» звезд, выбранных за их удаленность от Солнечной системы, вследствие чего их относительное движение по отношению к ней минимально.
Зная местоположение Солнца и звезд, компьютер AACS определяет положение «Вояджера» и угол наклона каждого из его приборов, включая антенну связи. При ошибке команда дается гидразиновым двигателям (16 основных и 8 резервных), чтобы изменить положение приборов.
С 1959 года JPL разрабатывает технологию трехосевого управления. Реальное развитие произошло после экспериментов с космическими аппаратами «Маринер» и «Викинг», а особенно в ходе двух миссий «Вояджер». В 1975 году при сокращении бюджета НАСА понадобились экономичные и эффективные решения для уже сложных проблем. По сравнению с предыдущими зондами, «Вояджер» имеет гораздо меньшую жесткость конструкции.
Измерительные приборы на полонии размещены на кронштейнах вне основной конструкции для предотвращения утечки радиоактивных веществ рядом с научными приборами. Магнитометр также находится в отдалении от корпуса основного блока, чтобы избежать помех от магнитных полей, генерируемых приборами зонда.
Платформа для сканирования и получения изображений была закреплена таким образом, чтобы обеспечить лучший обзор. Во время маневров слегка сгибаются вытянутые руки, вызывая возвратное напряжение, что предъявляет к AACS более высокие требования на этапе маневрирования, чем на этапе полета. AACS должна одновременно обрабатывать манёвр и помехи, возникающие в процессе самого маневра.
Из-за необходимости выполнять маневры во время сближений с планетами (Юпитер, Сатурн и Титан) были установлены резервные двигатели. JPL успешно выполнила свою работу: в 2017 году из-за износа основных двигателей резервные были вновь запущены после 37 лет простоя и воздействия космической среды и исправно функционировали.
Бортовой компьютер
Система AACS успешно работает уже 45 лет благодаря управляющему компьютеру HYPACE, которому тоже 45 лет. HYPACE расшифровывается как Hybrid Programmable Attitude Control Electronics и сочетает в себе одну из первых цифровых схем с классической аналоговой схемой. В её состав входит та же платы 4K-28bit, что и у космического аппарата Viking Orbiter, а также транзисторно-транзисторовая (TTL) логика интегральных схем для создания процессора с циклами в 28 микросекунд (10 МГц), позволяющего выполнять один миллион циклов (операций/вычислений) в секунду.
Вояджер стал первым зондом с расчетной мощностью такого уровня, а продолжительная работа служит доказательством правильности выбранной системы. Высокая избыточность аппаратуры и программного обеспечения также способствуют длительному сроку службы этого зонда.
Главный повод сложности поиска ответа заключается в недавние загадочные аномалииТайна ААС кроется в нашем незнании среды обитания «Вояджера»: каждая минута расширяет наши знания о космосе на 16 километров. Сейчас «Вояджер» находится за пределом «терминационного шока», пройденного в 2004 году, где частицы солнечного ветра достигают дозвуковой скорости, и за пределами гелиопаузы, пройденной в 2012 году, зона, где солнечный ветер полностью останавливается межзвездной средой, уравновешивая её по давлению. Межзвездная среда — это термин для описания разреженного материала из газа и пыли, находящегося между звёздами.
Межзвездное пространство
Кроме таинственности межзвездное пространство отличается высокой радиоактивностью, что негативно сказывается на аппаратуре (нарушается работа термооптических свойств) и программном обеспечении. Сильное излучение может повлиять на электронные компоненты спутника, вызывая битовую ошибку: преобразование в двоичном коде 0 в 1 или наоборот, что приводит к непредвиденным трудностям.
Задержка связи в 20 ½ часов затрудняет выявление причины ошибки, так как на отправку сообщения и получение ответа уходит около двух дней. Тем не менее, Сюзанна Додд, руководитель проектов «Вояджер 1 и 2» в JPL, сохраняет оптимистичный настрой.
Возраст обоих зондов — 45 лет, что в разы больше изначально запланированного срока. Перед группой инженеров — масштабные задачи, но я полагаю, что если существует решение проблемы с AACS, специалисты его обнаружат.
Вне всякого сомнения, поразительно, что всё ещё существуют специалисты, владеющие огромным опытом работы с программным и аппаратным обеспечением, созданным примерно полвека назад, и способные благодаря этому выполнять такие сложные задачи.
Роторы «Вояджера-1» обеспечат достаточную мощность до 2025 года, когда он достигнет 25 миллиардов километров, и мы надеемся, что будут отправлять полезные данные до достижения водородной стены головной ударной волной. Потом, где-то в 2042 году, дойдет до удара носовой части.
Здесь межзвездная среда становится дозвуковой из-за эффекта, подобного солнечному ветру, врезающемуся в магнитосферу Земли. Через 30 тысяч лет «Вояджер-1» полностью покинет Облако Оорта и войдет в гравитационное поле другой звезды. Наконец, через 38 тысяч лет он перенесет золотой диск примерно на 1,7 световых года от звезды Глизе 445 в созвездии Жирафа.