Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ. – мат. наук

Редактор Ирина Сисейкина

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Ассистент редакции М. Короченская

Корректоры Е. Чудинова, И. Астапкина

Компьютерная верстка А. Ларионов

Арт-директор Ю. Буга

Дизайн обложки А. Бондаренко

© Лисов И., 2022

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2022

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Ане Горелышевой

Предисловие

5 ноября 2018 г. американский космический аппарат «Вояджер-2» пересек на расстоянии 17,8 млрд км от Солнца границу, отделяющую вещество Солнечной системы от межзвездного. Шел 42-й год с момента запуска самого знаменитого межпланетного зонда, который отправился в космос с мыса Канаверал 20 августа 1977 г. На его счету были пионерские исследования всех четырех планет-гигантов Солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, – выполненные за 12 первых лет полета. Следующие 30 лет «Вояджер-2» пунктуально передавал на Землю данные о солнечном ветре и об обстановке в ударной волне и гелиослое, и вот теперь он прошел гелиопаузу и оказался в потоке межзвездного вещества.

Никто в обозримой перспективе не сможет повторить этот научно-технический подвиг. «Вояджер-2» использовал уникальное расположение внешних планет, подобного которому не случится до 2154 г. Если бы не это обстоятельство, первая разведка газовых гигантов случилась бы намного позднее и обошлась бы в несколько раз дороже. И хотя позднее земные аппараты изучили подробно системы Юпитера и Сатурна и достигли Плутона, «Вояджер-2» до сих пор остается единственным посланцем человечества, который побывал вблизи Урана и Нептуна.

Пионерский этап исследования внешних планет занял 17 лет, с 1972 по 1989 г., и был реализован всего четырьмя американскими космическими аппаратами: двумя «Пионерами» с номерами 10 и 11 и двумя более сложными и совершенными «Вояджерами». Их жизнь и судьба от идеи до старта и на протяжении всего полета является темой книги, которую вы держите в руках. В основу ее положены материалы о «Пионерах» и серия статей о «Вояджерах», опубликованные нами в 2007–2017 гг. в журнале «Новости космонавтики». В подготовке некоторых из них участвовали Анатолий Копик и Павел Шаров, чей вклад автор отмечает с благодарностью. История «Вояджеров», однако, потребовала значительной доработки, а несколько глав по «Пионерам» были по существу написаны заново.

Читатель вправе спросить, почему мы ограничились двумя проектами и четырьмя аппаратами и не включили в повествование детективную историю зонда «Новые горизонты», впервые достигшего Плутона в июле 2015 г. Краткий ответ состоит в том, что в полет к Плутону отправился аппарат совсем другого поколения и другой эпохи и что сам Плутон является не большой планетой, а лишь одним из самых крупных астероидов занептунного пояса (известного также как пояс Койпера), хотя и самым известным из них и очень интересным. Кроме того, это обязало бы нас рассказать и о трех других аппаратах, исследовавших дальние планеты, – о «Галилео» и «Кассини», в течение многих лет успешно работавших на орбитах вокруг Юпитера и Сатурна, и о новой юпитерианской станции «Джуно». К счастью, история «Новых горизонтов» уже описана руководителем этого проекта д-ром Аланом Стерном и издана в отличном переводе Виктории и Александра Краснянских^[1].

Среди источников необходимо в первую очередь назвать описания проектов «Пионер» и «Вояджер», изданные Национальным управлением по аэронавтике и космосу NASA: The Pioneer Mission to Jupiter (SP-268), Pioneer Odyssey: Encounter with a Giant (SP-349), Pioneer Odyssey (SP-396), Pioneer: First to Jupiter, Saturn, and Beyond (SP-446), Voyage to Jupiter (SP-439), Voyages to Saturn (SP-451). Все содержащиеся в них данные были перепроверены, дополнены и исправлены по пресс-релизам NASA и его центров за период с 1969 г., по отчетам Сети дальней связи DSN о сопровождении межпланетных аппаратов и реконструкции ее технических средств, по научным статьям о результатах исследований в области планетологии, физики космической среды и небесной механики.

Автор считает своим долгом предупредить, что вы держите в своих руках сложную книгу, полную технических терминов, сокращений из трех и более букв, а также дат, диаграмм и таблиц. Тем большей будет радость читателя, который с нашей помощью сумеет разобраться в исторических и технических деталях этой удивительной и героической истории.

Введение

Историю пионерских исследований ближайших к Земле планет Солнечной системы – Венеры и Марса – можно рассматривать через призму напряженного соперничества США и СССР. Хотя советские станции были первыми отправлены к Венере (февраль 1961 г.) и Марсу (ноябрь 1962 г.), заданную программу изучения этих планет первыми смогли выполнить американские космические аппараты (КА). «Маринер-2» был запущен 27 августа 1962 г. и впервые исследовал Венеру с пролетной траектории 14 декабря того же года. «Маринер-4» стартовал 5 ноября 1964 г. и впервые отснял на пролете с близкой дистанции планету Марс 15 июля 1965 г.

«Венера-7» первой сумела достичь в рабочем состоянии поверхности Венеры 15 декабря 1970 г. Последующие советские аппараты внесли определяющий вклад в изучение этой негостеприимной планеты, хотя американские станции «Маринер-5» и «Пионер-Венера» (орбитальный аппарат и атмосферные зонды) тоже выступили неплохо. «Марс-3» первым совершил мягкую посадку на Марс 2 декабря 1971 г., но, к несчастью, сразу после этого прекратил работу. Основные «сливки» в первоначальном изучении Марса сняли американцы – «Маринер-9» долго и плодотворно работал на орбите вокруг планеты, а два «Викинга» летом и осенью 1976 г. выполнили успешные посадки на Марс, изучили грунт планеты и попытались найти признаки жизни.

К сожалению, ни одно из предложений советских разработчиков по созданию КА для исследования дальних планет не было принято к реализации. На изучение Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна отправлялись только американские и позднее европейские аппараты.

«Пионер-10», запущенный 3 марта 1972 г., выполнил первый пролет и исследования Юпитера 2 декабря 1973 г.

«Пионер-11», который стартовал 6 апреля 1973 г., прибыл к Юпитеру 3 декабря 1974 г., а от него направился к Сатурну, которого впервые достиг 1 сентября 1979 г.

«Вояджер-1» был запущен 5 сентября 1977 г. и провел более подробное изучение систем Юпитера и Сатурна в ходе пролетов 5 марта 1979 г. и 12 ноября 1980 г.

«Вояджер-2» отправился в путь 20 августа 1977 г. и последовательно посетил все четыре гигантские планеты: 9 июля 1979 г. – Юпитер, 26 августа 1981 г. – Сатурн, 24 января 1986 г. – Уран и 25 августа 1989 г. – Нептун. Практически все, что мы знаем о двух последних, основано на данных приборов «Вояджера-2».

Подсчитано, что уже к моменту пролета «Вояджера-2» у Нептуна на Землю было передано около 5 трлн бит научных данных. Но это – бесстрастные числа, а по сути именно «Пионеры» и «Вояджеры» открыли нам внешние планеты Солнечной системы. На потрясающих воображение снимках мы увидели новые, неизвестные миры. Многие загадки планет-гигантов и их спутников будоражат умы ученых и по сей день.

Все четыре КА в результате встреч с планетами развили скорости, достаточные для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. «Вояджер-1» является лидером этого парада. 6 августа 2020 г. он ушел от Солнца на 150 астрономических единиц, то есть оказался от него в 150 раз дальше, чем Земля. Это самый далекий космический аппарат, когда-либо запущенный в космос человеком (см. таблицу 1), и конкурентов ему, по крайней мере в ближайшие десятилетия, не предвидится.

Оба «Вояджера» уже вышли за пределы той области околосолнечного пространства, где доминирует истекающий от Солнца поток вещества, проникли в межзвездную среду и регулярно сообщают нам сведения о ней. Руководители полета надеются, что вплоть до 50-летней годовщины запуска аппараты все еще будут передавать научную информацию.

Глава 1
«Пионеры» Юпитера

Гравитационный маневр – ключ к Солнечной системе

Главной идеей при создании «Пионеров» и «Вояджеров» было использование гравитационного маневра в поле тяготения одной планеты с набором скорости для полета к другой. Если бы аппараты летели по «классическим» полуэллипсам Вальтера Гоманна, описанным им в 1925 г., то перелет до Нептуна, например, занял бы почти 31 год вместо 12, не говоря уже о том, что одна станция смогла бы исследовать лишь одну планету.

Вся история космонавтики – это история достижения все более высоких скоростей. Спутник на низкой околоземной орбите высотой 200 км имеет скорость 7790 м/с. Чтобы долететь до Луны, нужно увеличить ее как минимум до 10 920 м/с. Если добавить еще чуть-чуть – какие-то 100 м/с, то полная энергия относительно Земли станет положительной, а значит, ваш космический аппарат уйдет в бесконечность по гиперболе и не вернется.

Но всякая прибавка скорости в космонавтике оплачивается расходом топлива в соответствии с формулой Циолковского. Когда стартовали «Пионеры» и «Вояджеры», высокоэффективные электроракетные двигатели только создавались и не было опыта длительного разгона с характерной для них малой тягой, обретенного в самом конце XX в. В 1970-е гг. можно было рассчитывать лишь на традиционные жидкостные (ЖРД) или твердотопливные (РДТТ) ракетные двигатели.

Ракета «Союз» выводила на низкую орбиту КА массой около 7000 кг. «Молния» – тот же «Союз» с четвертой ступенью – отправляла к Луне до 1600 кг при стартовой массе 305 т. На этом примере можно увидеть и цену выхода на орбиту, и плату за добавку в 3100 м/с, от скорости спутника до скорости освобождения.

Достижение планет требует намного бóльших скоростей.

Земля обращается вокруг Солнца со средней скоростью 29,78 км/с. Среднее расстояние до светила называется астрономической единицей (а.е.), которая в привычных нам единицах равна 149,6 млн км. Более строгое описание гласит, что Земля обращается по эллипсу, в одном из двух фокусов которого находится Солнце, и что одна а.е. – это большая полуось ее орбиты^[2]. Однако этот эллипс довольно близок к окружности, и для оценочных расчетов различием между ними можно пренебречь.

Рассмотрим абстрактную задачу перелета от Земли к Нептуну. Для простоты будем считать орбиту Нептуна круговой с радиусом 30 а.е. и лежащей в той же плоскости, что и земная орбита. (Эта плоскость называется также плоскостью эклиптики – она пересекает небесную сферу по линии видимого годового движения Солнца.) Можно доказать, что среди всех возможных траекторий перелета минимальную скорость отправления имеет половинка эллипса, касающегося земной орбиты в своей ближайшей к Солнцу точке – в перигелии – и орбиты Нептуна в самой далекой точке – в афелии. Простые формулы небесной механики позволяют вычислить скорость в перигелии, необходимую для удаления на 30 а.е., – это 41,43 км/с. Это значит, что к имеющейся средней орбитальной скорости Земли надо добавить еще 11,65 км/с. Естественно, в правильном направлении – в том же, в котором летит наша планета. Если две скорости имеют различные направления, нужно будет выполнить векторное сложение, осознавая при этом, что сумма окажется меньше ожидаемой. И естественно, нужно стартовать в совершенно определенную дату – иначе после 30,6 года пути окажется, что Нептун находится не там, куда мы прилетели, а в абсолютно иной точке своей орбиты.

Величина 11,65 км/с ужасает, тем более что это не отлетная, а остаточная скорость КА – уже после того, как он преодолел притяжение Земли и ушел от нее «на бесконечность». На самом деле не все так страшно. Нам не потребуется добавлять к типичной скорости освобождения 11,02 км/с еще столько же и даже больше.

Из закона сохранения энергии следует, что, если из квадрата начальной скорости у Земли вычесть квадрат скорости освобождения на этой же высоте, получится квадрат остаточной скорости объекта. (В баллистических расчетах указанную величину называют характеристической энергией и обозначают символом C₃.)

Вот почему для нашего условного гоманновского перелета к Нептуну достаточно уйти с низкой орбиты в правильный момент и в правильном направлении со скоростью 16,04 км/с, которая «всего» на 5,02 км/с выше скорости освобождения. И тогда не исключено, что через 30,6 года КА будет еще жив и что-нибудь сообщит. Конечно, можно немного распрямить траекторию и сократить время перелета – но за счет увеличения отлетной скорости, которая, конечно, меньше той, что мы вообразили, но все же очень велика.

За всю историю космонавтики только один раз была реализована отлетная скорость выше рассчитанной нами – 19 января 2006 г. при отправке КА «Новые горизонты» к Плутону. Получив начальную геоцентрическую скорость 16,21 км/с, этот аппарат достиг цели после 9,5 лет полета. «Вояджер-2» отправился в путь, имея лишь 15,20 км/с, и все же за 12 лет добрался до Нептуна. Согласитесь, 9,5 или 12 лет – это намного лучше, чем 31 год. Волшебное средство сокращения продолжительности межпланетного полета и называется гравитационным (пертурбационным) маневром.

Зададим себе такой вопрос: что значит «уйти на бесконечность» после старта с Земли? Он имеет смысл для ограниченной задачи трех тел – двух центров притяжения, Солнца и Земли, и движущегося под их действием объекта. В первом приближении можно говорить о пересечении некой границы, до которой мы еще должны рассматривать гиперболическое движение КА относительно родной планеты, пусть и возмущаемое Солнцем, а после уже имеем право считать его спутником Солнца, хотя и испытывающим остаточное возмущение Земли. Эта граница имеет форму, близкую к сфере радиусом 1 млн км, которая называется сферой действия Земли. Так как Юпитер намного массивнее, его сфера действия обширнее, ее радиус – 55 млн км.