Цього року — 45-та річниця космічної подорожі двох апаратів NASA, “Вояджер-1” та “Вояджер-2”, відправлених у 1977-му у довгу місію, основною метою якої було детальне вивчення планет Сонячної системи. З моменту початку своєї місії два апарати-близнюки вже встигли лишити граничну межу геліосфери Сонця, яку називають геліопаузою. Це прикордонна область нашої Сонячної системи, в якій фронтальний потік сонячного вітру розсіюється у міжзоряне середовище.

Схема Сонячної системи з позначенням поточного положення Voyager -1
Саме геліосферою завершується наша Сонячна система, хоча її фізичним кінцем слід вважати Хмару Оорта пояс з астероїдів, які потрапляють під гравітаційну дію Сонця

Нещодавно у “Вояджера-1” почалися проблеми з його просторовою орієнтацією, що може стати першим свідченням початку кінця однієї із наймасштабніших космічних місій в історії. Ми спробували розібратися, що саме сталося з навігацією апарата, а також розглянули, як працює космічний зв’язок в умовах глибокого космосу.

Як працює зв’язок на “Вояджері-1”

Для того щоб краще розуміти, як саме працює передача зв’язку за межі Сонячної системи, слід розповісти про конструктивні особливості радіоприймального обладнання “Вояджера-1” та комп’ютерних систем, відповідальних за його обслуговування.

Почати варто з AASC — системи артикуляції та управління орієнтацією зонда, призначеної для відправки на Землю даних щодо положення “Вояджера” у просторі та його польотного курсу. Антена AASC з високим коефіцієнтом посилення постійно спрямована на нашу планету, щоб сприяти більшому підсиленню слабкої хвилі вихідного сигналу, котрий надходить від зонда в космосі.

По мірі поступового віддалення від Землі потужність сигналу “Вояджера” постійно знижується, внаслідок чого зменшується й швидкість передачі інформації з зонда на нашу планету. Згідно з даними на 2017 рік, потужність сигналу “Вояджера-1” становила близько -160.48 дБм, що приблизно в 1000 разів слабше за сигнал звичайного FM-приймача. Тим не менш, сучасні технології дозволили значно покращити чутливість мережі приймальної антени. І навіть через 44 роки спеціалістам NASA вдається не лише вловлювати слабкі радіофлуктуації, що надходять від “Вояджера-1”, але й надсилати йому відповідь із Землі за допомогою сигналу набагато більш високої потужності.

Дивно, але для прийому сигналу на такій дальній дистанції “Вояджер” використовує малопотужні радіоприймачі ємністю 23 Вт. Приймальна антена, розташована на космічному апараті, має діаметр 3,7 м, а діаметр приймальних антен на Землі, які сукупно формують комплекс Deep Space Network, становить 34 і 70 м.

Антенна для прийому сигналу Deep Space Network
Прийом сигналу антеною DSN (Deep Space Network)
Коли сигнал досягає Землі (1), великі параболічні відбивачі (2) та гіперболічні допоміжні відбивачі (3) вловлюють мікрохвильове випромінювання і фокусують його на приймачі з кріогенним охолодженням в основі антени (4)

Центри з прийому сигналу з “Вояджерів”, що встановлені на Землі, розташовані під кутом в 120° один до одного. Це зроблено для того, щоб забезпечувати зону покриття “Вояджера-1” незалежно від положення Землі відносно нього, а простіше кажучи — в будь-який час доби. Приймальні станції для спілкування з космічним апаратом розташовані в Австралії (станція Deep Space Network у Канберрі), США (станція в Голдстоуні, Каліфорнія) та Іспанії (станція стеження в Мадриді).

Підвищений коефіцієнт посилення сигналу досягається за допомогою вловлювання сигналу від “Вояджера” відразу кількома приймальними станціями на Землі. При цьому використовують принцип дії радіоінтерферометрії з наддовгою базою (VLBI), яка дозволяє отримати більш точні дані про місцезнаходження “Вояджерів” за допомогою створення осей (або ліній) інтерферометрії між двома приймальними станціями. Крім цього, у визначенні точного розташування “Вояджера” спеціалістам NASA допомагає доплерівський далекомір.

Базові осі інтерферометрії для зв’язку з "Вояджером"
Базові осі інтерферометрії для зв’язку з Вояджером

Для того щоб забезпечити стабільний рівень зв’язку на такій дистанції, несуча хвильова частота висхідної лінії зв’язку повинна дорівнювати 2114 МГц. Зворотний зв’язок — від Землі до “Вояджера” — відбувається, коли його приймачі синхронізуються за фазою з частотою несучої висхідної лінії зв’язку. Потім зонд перетворює її на двосторонній когерентний несучий сигнал низхідної лінії зв’язку, і передає його назад на Землю за допомогою передавачів, що функціонують у X та S частотних діапазонах.

схема ширини вихідного променя космічного зонда Вояджер
Спрямованість висхідного від Вояджера сигналу в X та S частотному діапазоні

Для живлення джерела змінного струму, що подається на кожну з підсистем, використовуються радіоізотопні термоелектричні генератори. Вкрай важливим для коректного сполучення космічного апарата із Землею є використання радіочастот із мінімальною кількістю техногенних перешкод.

Що пішло не так

18 травня NASA заявило, що у космічного апарата “Вояджер-1” почалися проблеми з визначенням свого становища у просторі. Дані телеметрії, які апарат передавав на Землю через свою систему артикуляції та управління орієнтацією зонда, не мали нічого спільного з розрахунковою траєкторією та швидкістю його польоту. Модуль почав відправляти на Землю випадково згенеровані просторові координати, і NASA це неабияк спантеличило.

На сьогодні відомо, що збій, який стався в системі AASC, не спровокував переведення апарата в “безпечний режим”. Перейшовши в нього, “Вояджер” виконував би тільки основні функції, тоді як інженери NASA отримали б час, аби розібратися, що конкретно з ним сталося.

На те, що “Вояджер-1” все ще подорожує заданим маршрутом, побічно вказує і стабільність радіосигналу, який випромінює зонд — він не став загасати і все так же працює на заданих робочих частотах. Усе це може свідчити лише одне — антени “Вояджера-1” таки спрямовані точно на Землю, отже, його фактичний курс не змінився.

Наразі апарат перебуває приблизно за 23,3 млрд км (14,5 млрд миль) від Землі. З огляду на колосальність дистанції, світлу необхідно понад 20 годин і 33 хвилини на те, щоб дістатися від Землі до “Вояджера-1”, тому повний цикл прийому-передачі сигналу займає майже дві доби. Зонд продовжує віддалятися від Сонячної системи зі швидкістю 48 280 км/год, постійно збільшуючи кількість часу, потрібного для спілкування із ним. 

графічний формат траєкторії руху "Вояджера-1
Траєкторія руху Вояджера-1 за кордони Сонячної системи
Коротка гіфка демонструє 45-річну подорож космічного апарата

Сьюзен Додд, головна керівниця проєктів обох “Вояджерів”, стримано оцінила цю ситуацію, зауваживши, що на даному етапі місії апарата такі проблеми не викликають подиву, оскільки обидва зонди вже давно перевищили свій експлуатаційний термін придатності. Додд також припустила, що аномалію у системах телеметрії “Вояджера-1” міг спричинити постійний вплив на зонд космічної радіації.

Проте команда фахівців NASA, яка відповідає за зв’язок з “Вояджером-1”, не впадає у відчай. “Я думаю, якщо є спосіб вирішити цю проблему за допомогою AACS, наша команда його знайде”, — переконана Додд. Можливим рішенням може стати як зміна програмного забезпечення AASC, так і перезапуск усієї системи положення в просторі за допомогою однієї з резервних апаратних систем “Вояджера”.

Незважаючи на загадку систем телеметрії “Вояджера-1”, фахівці NASA залишаються оптимістичними. Вони нагадують, що навіть якщо система AASC на “Вояджері-1” і не повернеться в норму, апарат все одно продовжить свою діяльність тільки до 2025 року, коли радіоізотопні термоелектричні генератори перевищать власний термін експлуатації і більше не зможуть виробляти достатньої кількості електроенергії для функціонування наукового обладнання зонда.

Утім, обидва “Вояджери” разом із своїми командами вже й так зробили занадто багато для того, щоб назавжди увійти в космічну історію людства. Про результати космічних місій кожного із зондів ми розповімо докладніше у двох інших статтях нашого триптиху, присвяченого 45-річчю космічної програми “Вояджер”.