Как это работает: Радиоизотопный генератор

Радиоизотопный генератор содержит искусственно созданный нестабильный изотоп, медленный распад которого сопровождается выделением тепловой энергии. Как правило, это тепло преобразуется в электроэнергию с помощью нагреваемых термопар: этот процесс имеет невысокий КПД, зато реализуется без каких-либо движущихся частей, то есть весьма надежно. В англоязычной литературе такая комбинация источника и преобразователя называется RTG, в публикациях на русском языке она получила более содержательную аббревиатуру – РИТЭГ.

В качестве активного изотопа почти всегда используется ²³⁸Pu (плутоний-238) в виде двуокиси плутония. Он самопроизвольно превращается в уран-234, испуская альфа-частицу с энергией 5,6 МэВ. Число распадов таково, что 1 г свежего плутония-238 дает примерно 0,567 Вт тепловой мощности. Необходимое количество изотопа несложно оценить, зная, что каждый из четырех генераторов «Пионеров» имел начальную тепловую мощность 650 Вт и электрическую – около 39 Вт. Избыток тепла сбрасывался излучением через шесть плоских радиаторов.

Период полураспада ²³⁸Pu составляет 87,7 года, то есть за это время количество распадов и тепловая мощность генератора, снижаясь по экспоненте, сократятся вдвое. Электрическая мощность падает быстрее, так как термоэмиссионный преобразователь со временем также теряет свои характеристики.

Система терморегулирования обеспечивала температуру от –23° до +38 ℃ в контейнере научной аппаратуры и необходимый подогрев компонентов, расположенных вне его. Исполнительными органами системы были термочувствительные жалюзи на нижнем днище корпуса, открываемые биметаллическими пружинами, электрические нагреватели и 12 одноваттных радиоизотопных нагревателей, постоянно поддерживающих тепловой режим клапанов двигателей, солнечного датчика и магнитометра. Корпус аппарата был «укутан» в многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию.

Система ориентации и стабилизации включала датчик звезды Канопус и два солнечных датчика в качестве измерительных средств, а также ЖРД на каталитически разлагаемом гидразине в качестве исполнительных органов – два двигателя SCT^[17] для изменения скорости вращения и четыре VPT^[18] для управляемой прецессии оси вращения и коррекций траектории. Двигатели были скомпонованы в три блока и размещены под вырезами на периферии антенны HGA. Два сопла (VPT 2 и 4) смотрели вдоль оси КА вниз, два (VPT 1 и 3) – вверх и два (SCT 1 и 2) – по касательной к окружности антенны в противоположные стороны. Двигатели могли работать поодиночке и попарно в непрерывном или импульсном режиме, развивая тягу от 0,52 до 0,24 кгс в зависимости от давления подачи топлива. Сферический бак заправлялся 27,2 кг гидразина и наддувался азотом.

Аппарат стабилизировался вращением с таким расчетом, чтобы антенна HGA была направлена в сторону Земли с отклонением не более 0,8°. Автоматическое наведение на Землю обеспечивала система конического сканирования CONSCAN. Облучатель антенны HGA мог принимать два положения: штатное осевое и со смещением, соответствующим отклонению основного лепестка диаграммы направленности на 1° от оси. Во втором случае мощность принимаемого с Земли сигнала модулировалась вращением аппарата. В соответствии с его амплитудой специальный бортовой процессор формировал раз в три оборота команды на кратковременное включение двигателей для разворота оси вращения в направлении Земли. Ось антенны MGA имела постоянное отклонение 9° от этой оси.

Никакого компьютера на борту не предусматривалось. В принципе бортовые ЭВМ к моменту создания КА «Пионер-F/G» уже существовали, но они были еще слишком велики и тяжелы. Отсутствие компьютера влекло необходимость выдачи с Земли большого количества команд, и в основном в реальном времени. Если, конечно, можно применить такой термин к условиям радиообмена с Юпитером, когда нужно примерно 45 минут, чтобы сигнал дошел «туда», и еще 45, чтобы вернулся «обратно».

Радиосистема включала, помимо трех упомянутых антенн, два передатчика мощностью 8 Вт на лампах бегущей волны и два приемника. Аппарату F выделили в S-диапазоне литер частоты 6, что соответствовало передаче на частоте 2292,037 МГц и приему на 2110,584 МГц, а аппарату G – литер 7 (2292,407 и 2110,925 МГц). Любой передатчик можно было подключить к антенне HGA либо к паре MGA/LGA.

Блок цифровой телеметрии мог готовить данные в 11 разных форматах для передачи на Землю со скоростью от 16 до 2048 бит/с, в том числе с конволюционным кодированием и с возможностью выявления и коррекции сбойных битов. Самая высокая скорость предназначалась для начального этапа полета при приеме на Земле на 26-метровую антенну. Прием от Юпитера планировался уже на 64-метровые антенны со скоростью 512 бит/с для некодированного сигнала или 1024 бит/с при использовании конволюционного кодирования.

Для временного хранения информации на борту служило запоминающее устройство DSU^[19] на ферритовых сердечниках емкостью 49 152 бит, или, если угодно, шесть килобайт. (Вдумайтесь в эти числа – в начале 2000-х гг., в дни, когда аппараты мультиспектрального зондирования уже оснащались запоминающими устройствами емкостью в десятки гигабит, жил, работал и вел передачи с расстояния 12 млрд км аппарат, имеющий в миллионы раз меньшую память!)

По командной радиолинии теоретически можно было передать 255 разных команд, из которых лишь 222 были нужны в реальности: 149 предназначались для управления системами КА и 73 для научной аппаратуры. Два декодера и блок распределения команд определяли достоверность каждой посылки и ее адресата. Так как команда состояла из 22 бит и передавалась со скоростью 1 бит/с, на ее прием на борту требовалось 22 секунды. Аппарат имел программную память на целых пять команд (!), которые могли быть выполнены друг за другом с заданными временными интервалами. Вот с такими средствами NASA в первый раз отправилось штурмовать Юпитер…

Чтобы обеспечить работу КА в течение 24 месяцев, разработчики максимально упростили борт за счет усложнения наземной части. Общий принцип проектирования состоял в том, чтобы никакой единичный отказ не был катастрофичным для выполнения полетного задания. Главные компоненты задублировали, остальные ставили на борт только при наличии опыта использования в космосе. Электронные компоненты подвергли предварительной отработке на Земле, чтобы избежать ранних отказов.

Научные задачи «Пионеров» в межпланетном полете включали картирование межпланетного магнитного поля (и поэтому аппараты сделали «магнитно чистыми» в максимальной возможной степени), солнечного ветра и космических лучей местного и галактического происхождения, а также межпланетной пыли. Во время встречи с Юпитером предстояло измерение магнитного поля, исследование радиационных поясов, поиск источников радиоизлучения планеты, измерение температуры и изучение структуры ее атмосферы, съемка самого Юпитера и его спутников.

Из 150 полученных предложений для установки на КА «Пионер-F/G» в марте 1969 г. были выбраны 11 научных инструментов:

1) видовой фотополяриметр IPP (Imaging Photopolarimeter) для фотометрической и поляриметрической съемки с четырьмя детекторами на два диапазона длин волн (390–500 и 595–720 нм) и две поляризации, способный также формировать цветные изображения Юпитера и его спутников размером примерно 500 × 500 элементов;

2) ультрафиолетовый фотометр UVP (Ultraviolet Photometer) для регистрации рассеяния света атмосферой Юпитера в линиях водорода и гелия (121,6 и 58,4 нм), а также для оценки количества межзвездного нейтрального водорода и гелия, проникающего в гелиосферу извне, и концентрации водорода в межзвездной среде;

3) инфракрасный радиометр IRR (Infrared Radiometer) – двухканальный прибор (14–25 и 29–56 мкм) для измерения теплового потока от диска Юпитера и его распределения по поверхности.

4) анализатор плазмы PA (Plasma Analyzer) для измерения плотности потока, направления движения и энергии протонов и электронов солнечного ветра. Анализатор высокого разрешения имел 26 каналов с фотоумножителями на диапазон энергий от 0,1 до 8 кэВ. Анализатор среднего разрешения включал пять электрометров для регистрации ионов с энергиями 0,01–18,0 кэВ и электронов 1–500 эВ;

5) прибор для регистрации заряженных частиц CPI (Charged Particle Composition Instrument). Два телескопа частиц межпланетной среды были рассчитаны на ионы с энергией 1–500 МэВ, протоны от 0,4 до 10 МэВ и альфа-частицы. Два датчика захваченных частиц радиационных поясов Юпитера были представлены твердотельной ионной камерой для регистрации электронов от 3 МэВ и детектором протонов с энергией выше 30 МэВ на основе ториевой фольги;

6) телескоп космических лучей CRT (Cosmic Ray Telescope) для регистрации энергетического спектра частиц солнечного и галактического происхождения имел в своем составе два твердотельных телескопа на диапазоны энергий протонов 56–800 МэВ и 3–22 МэВ и третий, измеряющий поток электронов от 0,05 до 1,0 МэВ и протонов от 0,05 до 20 МэВ;

7) гейгеровский телескоп GTT (Geiger Tube Telescope) объединял в своем составе семь датчиков на трубках Гейгера – Мюллера для регистрации потока, энергетического спектра и углового распределения протонов и электронов радиационных поясов с энергиями выше 5 МэВ и от 2 до 50 МэВ соответственно, а также электронов низких энергий (от 40 кэВ);

8) детектор электронов и протонов радиационных поясов Юпитера TRD (Trapped Radiation Detector) – прибор аналогичного назначения, включавший расфокусированный черенковский счетчик электронов высоких энергий (0,5–12 МэВ), детектор электронов низких энергий (100–400 кэВ) и три устройства для дискриминации электронов и протонов: всенаправленный счетчик на твердотельном диоде (частицы до 3 МэВ, протоны 50–350 МэВ) и два сцинтилляционных детектора, позволяющие отличить электроны с энергиями до 5 кэВ от протонов до 50 кэВ;

9) гелиевый векторный магнитометр HVM (Helium Vector Magnetometer) для измерения трех компонент межпланетного магнитного поля в пределах от 0,01 до 140 000 нТл, то есть до 1,4 Гс^[20];

10) детектор астероидных и метеороидных частиц AMD (Asteroid-Meteoroid Detector﹚ – блок из четырех фотометров, каждый с 20-сантиметровым основным зеркалом и полем зрения 8°, для регистрации объектов размером от астероида до пылинки и определения расстояний до них и скоростей движения;

11) детектор метеороидных частиц MD (Meteoroid Detector) использовал 13 панелей размером 15 × 30 см, которые в сумме занимали площадь 0,605 м² на задней стороне остронаправленной антенны. Каждая панель состояла из 18 ячеек, заполненных аргоном и азотом, так что всего их было 234. Попадание частицы массой от 10^–9 г и выше фиксировалось по пробою стальной мембраны толщиной 25 мкм, а скорость падения давления указывала на ее массу.

Масса научной аппаратуры составила 30 кг. Большая ее часть размещалась в специальном боковом отсеке в нижней части корпуса, за исключением двух датчиков микрометеоритов, анализатора плазмы и телескопа космических лучей. Два эксперимента проводились вообще без размещения специальных приборов на борту – определение массы Юпитера и четырех галилеевых спутников по траекторным измерениям и радиопросвечивание атмосфер Юпитера и Ио сигналом бортового передатчика.

Стоимость двух летных зондов вместе с научной аппаратурой и обработкой данных была оценена в 100 млн долларов. В эту сумму входило также изготовление до конца 1970 г. одного технологического аппарата для наземных испытаний. Носители, запуски и услуги по управлению и приему информации Сетью дальней связи DSN оплачивались отдельно.

Сеть DSN^[21] находилась в подчинении Лаборатории реактивного движения и обеспечивала полет аппаратов «Пионер-F/G» по соглашению с Центром Эймса. Для этого использовались антенны и аппаратура обработки трех комплексов дальней связи в Калифорнии, Австралии и Испании, одна из антенн в Южно-Африканской Республике^[22] и некоторые привлеченные средства.