Тайны шестой планеты

Несмотря на то что космические корабли роем вьются вокруг Земли и летают к Марсу чуть ли не по расписанию (См. www.mars.jpl.nasa.gov/missions/log ), в исследовании внеземного пространства еще остаются события редкие и даже эпохальные.

Несмотря на то что космические корабли роем вьются вокруг Земли и летают к Марсу чуть ли не по расписанию (См. www.mars.jpl.nasa.gov/missions/log ), в исследовании внеземного пространства еще остаются события редкие и даже эпохальные. Последний раз космический аппарат пролетал поблизости от Сатурна в августе 1981 года, когда «Вояджер 2» промчался на всех парах на пути от Юпитера к Урану. За прошедшее с тех пор время к тому же Марсу десяток раз посылали различные исследовательские аппараты (До цели, правда, добрались немногие), к Сатурну же отправился лишь один.

Почти шеститонный «Кассини», размером с автобус, самый большой и тяжелый межпланетный корабль всех времен, был запущен 15 октября 1997 года. Мощи даже такой ракеты, как Titan IV/Centaur, не хватало, чтобы отправить громоздкий аппарат непосредственно к Сатурну, поэтому для начала он взял курс на… Венеру. Ученым пришлось продумывать довольно сложную траекторию движения. Пролетев в апреле 1998-го и июне 1999-го мимо Венеры, «Кассини» вновь сблизился с Землей, после чего устремился к Юпитеру. Курс был проложен так, чтобы при каждом сближении с той или иной планетой аппарат разгонялся ее гравитационным полем. Незначительные по космическим меркам массы Земли и Венеры не смогли обеспечить нужной скорости, поэтому и было запланировано свидание с Юпитером. Под занавес тысячелетия, 30 декабря 2000 года, проследовав мимо газового гиганта, «Кассини» совершил последний гравитационный маневр и устремился к Сатурну.

Через три с половиной года Сатурн, увешанный, как новогодняя елка, спутниками и кольцами, попал под пристальное внимание доброй дюжины научных инструментов «Кассини». Но свой путь «Кассини» проделал не в одиночку. На его «плечах» к планете прибыл зонд «Гюйгенс», назначение которого — исследование атмосферы Титана, крупнейшего спутника Сатурна и единственного спутника Солнечной системы, обладающего заметной атмосферой. Зонд расстанется с «Кассини» 25 декабря 2004 года и три недели спустя попытается совершить мягкую посадку на поверхность Титана.

Проект от начала до конца выполнялся так, чтобы вероятность неудачи была минимальной — ошибка обошлась бы слишком дорого. Многие важные системы на корабле продублированы. Были предусмотрены два запасных временных коридора для запуска аппарата и рассчитаны две запасные траектории движения. В самом худшем случае «Кассини» мог стартовать в 2001 году и достичь Сатурна к 2011-му. Все завязывалось на невозможности часто и на длительное время включать двигатели аппарата. «Кассини» несет на себе очень много полезной нагрузки, и запасы топлива пришлось урезать до предела. Тем не менее, в промежутках между рандеву с той или иной планетой, да и после, когда «Кассини» уже нарезал круги возле Сатурна, траектория аппарата порой требовала корректировки. Для этого корабль оснастили двумя дублирующими друг друга основными двигателями и шестнадцатью вспомогательными, разбитыми на четыре группы. Удел последних — мелкие маневры, связанные, как правило, с изменением ориентации «Кассини». Запас топлива на момент старта составлял 3132 кг, что превышает половину общей массы.

Для безошибочной навигации использовалась довольно сложная система. Кроме гироскопов, есть так называемый астрокомпас, призванный определять положение аппарата относительно звезд. Астрокомпас замечает попадающие в его поле зрения светила и сверяется с хранящимся в памяти каталогом на 5 тысяч звезд. Но и это не все. Чтобы отслеживать положение «Кассини» относительно нашей планеты, конструкторы предусмотрели радиоустройство, обменивавшееся сигналами с Землей. Системные часы на аппарате и в центре управления синхронизированы, поэтому ЦУПу всегда известно, в какое именно мгновение был послан сигнал с «Кассини», а исследуя временные задержки, можно узнать точное расстояние до аппарата. Скорость корабля определяется на основе эффекта Доплера. Аналогичные расчеты автоматически проводит и сам «Кассини». Все это помогает маневрировать, правильно ориентировать передающую антенну и научные приборы.

Впрочем, следить на борту межпланетного корабля приходится за всем, и делать это надо тщательно. Количество ежесекундно перелопачиваемой информации огромно, приборы и датчики зонда могут измерить до 13 тысяч различных величин, многие из которых требуют не просто учета, а мгновенной обработки. У компьютерной подсистемы аппарата, как и у любого компьютера, тоже есть подобие материнской платы и шины, к которой подключены «периферийные» устройства. Подсистема команд и данных обрабатывает и сохраняет информацию от всех приборов «Кассини». Она не только принимает команды с Земли, но и сама способна безотлагательно решить некоторые проблемы.

Общая схема главного бортового компьютера не претерпела серьезных изменений по сравнению с уже древними «Вояджерами».

Усовершенствования по большей части носят лишь «количественный» характер, а крупные нововведения коснулись в основном записывающих устройств. Для хранения научных данных, телеметрии, информации о состоянии электроники корабля используется массив флэш-памяти. Кстати, «Кассини» — первый космический межпланетный корабль, где была задействована эта технология (вспомним, что проектировался аппарат в начале 1990-х). Ранее использовалась магнитная запись, уязвимая для разного рода электромагнитных излучений, коими изобилует открытый космос. Устройство хранения данных разделено на две страхующие друг друга части емкостью по 2 Гбайт.

Поскольку «Кассини» не вернется на Землю, всю полученную информацию приходится пересылать в центр управления. Радиопередатчик корабля узконаправленным лучом передает модулированный по фазе сигнал на частоте 8,4 ГГц мощностью всего 20 Вт, при этом максимальная скорость передачи составляет 82950 бит/с. Данные передаются в сжатом и кодированном для защиты от ошибок виде. Кодирование сигнала мультиплексное, что позволяет передавать одновременно несколько независимых потоков. Это особенно ценно, когда нужно собрать информацию сразу с нескольких приборов. Наибольшие нагрузки возникают в тех случаях, когда один и тот же объект (скажем, спутник) изучается единовременно чуть ли не всеми научными инструментами: «Кассини» не может остановить свое движение по орбите вокруг Сатурна, и время, благоприятное для детальных исследований, ограничено минутами, а то и секундами.

Зонд может себе позволить заниматься несколькими делами одновременно, потому что его питает собственный достаточно мощный источник энергии. Если читатель интересовался межпланетными путешествиями, он, возможно, помнит, какими беспомощными могут оказаться роботы в условиях энергодефицита. Так, первый марсоход, питавшийся от своих солнечных батарей, порой мог перемещаться всего на несколько сантиметров в день. Солнечные батареи хоть и черпают энергию из бездонного колодца, но сами по себе весьма капризны. Стоит случиться пасмурной погоде, или пылевой буре, или, не дай бог, загрязнится рабочая поверхность, как отдача от них резко падает. Ко всему прочему по мере удаления от Солнца световой поток стремительно ослабевает. «Кассини», разумеется, не грозят ни бури (разве что, магнитные), ни пасмурная погода, но Сатурн в 9,5 раза дальше от нашего светила, чем Земля. Чтобы вырабатывать необходимую для работы аппаратуры «Кассини» энергию, пришлось бы захватить с собой несколько сотен квадратных метров солнечных батарей, многократно превосходящих по размерам и массе сам аппарат.

Естественно, было принято решение использовать другой источник энергии — три элемента на основе диоксида плутония. Суммарная мощность, которую обеспечивают эти «батарейки» размером в несколько сантиметров и общим весом 10 кг, составляет 30 Вт, около двух третей из которых может расходоваться на передачу данных. Кроме того, часть энергии тратится на поддержание рабочей температуры систем корабля (ключевые устройства оснащены и собственными средствами обогрева — на борту размещено полторы сотни небольших термоэлементов, тоже содержащих диоксид плутония). Существует также целая система теплоизоляционных покрытий и защитных экранов. Последние были актуальны в те месяцы, когда «Кассини» летал во внутренних областях Солнечной системы, где тепла было в избытке. Именно энергетический вопрос ограничивает продолжительность нынешней эпопеи. По предварительным расчетам, запасов радиоактивного топлива батарей должно хватить, по крайней мере, до июня 2008 года. За это время ученые постараются выжать из Сатурна максимум информации. Что же конкретно подлежит исследованию?

Сатурн — удивительная планета. Обыватель выделяет ее из череды других только из-за хорошо «разрекламированных» колец. Главное, однако, не в их наличии, а в их грандиозности. У других планет-гигантов кольцевые системы не столь велики, массивны и сложны. Кольца почти целиком состоят из водяного льда, который непрерывно испаряется под воздействием всевозможных излучений, поэтому в данный момент особенно интересно, существуют ли уравновешивающие процессы, которые бы, наоборот, поставляли вещество в кольца. Вопросы, связанные с происхождением и судьбою, строением и составом колец, взаимодействием их частиц со спутниками и ионосферой планеты, занимают значительную часть программы исследований. Для этого «Кассини» оснащен прибором Cosmic Dust Analyzer, который способен регистрировать попадающие в него частицы, определять их скорость, направление движения и даже примерный химический состав.

Кроме колец, Сатурн может похвастаться и необычным, до конца неясным строением. Это единственная планета Солнечной системы, средняя плотность которой меньше плотности воды. Каковы обстоятельства рождения этой потенциально «водоплавающей» планеты, возможно, позволит узнать кропотливое изучение атмосферы и магнитосферы. Для этого на «Кассини» установлено целых семь приборов, позволяющих исследовать видимый, инфракрасный, ультрафиолетовый и радиодиапазоны волн. Особенно эффективно совместное исследование одного и того же объекта, когда каждый диапазон приносит свою уникальную информацию.

Не менее важны сведения о магнитном поле, ведь оно у Сатурна тоже особенное: в отличие от остальных планет, ось симметрии магнитного поля совпадает с осью вращения — ни на какой другой планете не был бы так полезен компас. Впрочем, Сатурн — газовый гигант, и поверхности, на которой можно было бы ориентироваться, у него нет. И это не упрощает понимание строения планеты. Некоторые особенности строения атмосферы пока необъяснимы. Как известно, на Земле все движения в атмосфере питает Солнце. То же можно сказать о Марсе и, в большой мере, о Юпитере. Сатурн же, получая крохи солнечного тепла, обладает столь бурной и подвижной атмосферой, что объяснить это с помощью привычных моделей нельзя. Ветры в видимых слоях атмосферы Сатурна достигают ужасных 500 м/с. На изучение всех видимых и косвенно определяемых движений в атмосфере отведена целая серия экспериментов с разными инструментами «Кассини».

Сатурн — обладатель огромной свиты спутников. Неповторимый Титан со своей атмосферой, спутники внутри колец, внешние спутники, захваченные когда-то в далеком прошлом астероиды, — все они сильно отличаются строением и происхождением. Для изучения спутниковой системы все средства хороши: и радиолокация, и спектрометрия, и замеры напряженности магнитного поля. Фотографировать объекты будет The Imaging Science Subsystem (ISS), состоящая из двух камер, одна из которых широкоугольная, а другая предназначена для крупных планов. Каждая камера имеет чувствительную мегапиксельную ССD-матрицу и оснащена цветными фильтрами. А разрешение их столь высоко, что позволяет рассмотреть монету с расстояния 4 км!

Как и в любой сложной системе, в системе Сатурна все переплетено. Спутники взаимодействуют друг с другом и фрагментами колец, выбрасываемые в ходе этих гравитационных передряг частицы попадают в ионосферу планеты и взаимодействуют с солнечным ветром, а в неспокойной атмосфере зажигаются полярные сияния и вспыхивают молнии. Взбаламученная ионосфера воздействует на Титан и Сатурн, и в атмосферах обоих небесных тел начинаются химические реакции, в ходе которых образуются сложные углеводородные соединения. Во всех этих хитросплетениях и предстоит за четыре года разобраться «Кассини» и «Гюйгенсу», и на этом пути уже сделаны первые шаги.