To najbardziej oddalone od Ziemi obiekty stworzone przez człowieka. Oto historia programu Voyager

Założenia programu

W 1965 roku pracownik NASA Gary Flandro odkrył, że korzystna wzajemna konfiguracja planet zewnętrznych w drugiej połowie lat 70. XX wieku umożliwi odwiedzenie wszystkich gazowych olbrzymów Układu Słonecznego. Dzięki wykorzystaniu asysty grawitacyjnej, przelot do Neptuna byłby skrócony o około 20 lat.

NASA zdecydowała się wykorzystać tę okazję. Najpierw zaplanowano program „Grand Tour” zakładający budowę i wystrzelenie czterech sond, jednak okazał się on zbyt kosztowny. W 1972 roku stwierdzono, że program zostanie zrealizowany w skromniejszej formie jako część programu Mariner.

Program rozrósł się i zmienił nazwę na Voyager w 1977 roku. Zbudowano dwie identyczne sondy, które miały przelecieć obok Jowisza i Saturna w celu zbadania tych dwóch gazowych olbrzymów. Dodatkowo przygotowano się na ewentualne skierowanie jednej z sond do pozostałych dwóch olbrzymów – Urana i Neptuna. Zadanie to spełnił Voyager 2.

20 sierpnia wystrzelono sondę Voyager 2, natomiast 5 września wystrzelono sondę Voyager 1.

Wyposażenie sond

Sondy zostały tak samo wyposażone.
Łączność z sondami utrzymuje się za pośrednictwem anteny o wysokim zysku. Wypromieniowuje ona sygnał z dwóch nadajników – jednym pracującym w paśmie S i drugim pracującym w paśmie X. Sygnał wysyłany przez sondę ma moc 20 W. Odbiornik odbiera sygnał w paśmie S.


Podsystem kontroli położenia i artykulacji (AACS) kontroluje orientację sondy. Utrzymuje antenę o wysokim zysku skierowaną w stronę Ziemi, kontroluje zmiany nastawienia i kieruje platformę skanującą. Sterowany przez AACS system napędowy składa się z 16 silników o ciągu 0,889 N każdy. Dla porównania, przerośnięte kurze jajko na Ziemi wywiera podobny nacisk. Jednak w przestrzeni kosmicznej nie trzeba bardzo się siłować.


Dane magazynuje się za pomocą cyfrowego napędu taśmowego o pojemności 536 Mb:

Problemy

5 marca 1979 roku sonda Voyager 1 przeleciała obok Jowisza. Okazało się, że siła sygnału docierającego na Ziemię drastycznie spada i w tym momencie wynosi 10−^16 W. Przy małej dostępnej pamięci oznaczało to, iż zdjęcia Urana i Neptuna mogą zająć całą pamięć zanim zostaną wysłane, co uniemożliwi zapisywanie nowych zdjęć.

Nieskompresowane obrazy Voyagera zawierają 800 linii, 800 punktów (pikseli) na linię i 8 bitów na piksel (aby wyrazić jeden z 256 poziomów szarości). Licząc tylko różnice między sąsiednimi poziomami szarości pikseli, a nie pełne wartości 8-bitowe, kompresja danych obrazu zmniejszyła liczbę bitów dla typowego obrazu o 60% bez nadmiernego narażania informacji. Dodatkowo nie zapisywano fragmentów przedstawiających pustą przestrzeń kosmiczną, aby dalej kompresować obraz (wypełnienie go jednolitym czarnym kolorem daje ten sam efekt końcowy). Efekt widać poniżej na przykładzie serii zdjęć Saturna wysłanych przez sondę:


Jednak nie był to koniec problemów. Jakość transmisji dalej spadała. Przy Jowiszu wynosiła ona 115 200 b/s, a naukowcy z NASA oszacowali, że spadnie ona czterokrotnie przy Saturnie.

Deep Space Network

DSN to międzynarodowa sieć stacji naziemnych, wyposażonych głównie w anteny, nadajniki, odbiorniki i systemy powiązane. Stacje naziemne znajdują się w USA, Hiszpanii oraz Australii. Umieszczone są pod kątem 120 stopni od siebie.


Rozwiązaniem problemu z jakością transmisji było ulepszenie anten na Ziemi.
Najważniejszym ulepszeniem DSN, na którym skorzystał Voyager, było ulepszenie 64-metrowych anten do 70 m.
Następnie, w latach 1986-1989, wprowadzono technikę łączenia sygnałów z wielu anten naziemnych w jeden, silniejszy sygnał, za pomocą szyku antenowego. Łączenie pasma podstawowego zwiększyło wydajność o 0,8 dB poprzez połączenie anteny o średnicy 70 m z 34-metrową anteną o wysokiej wydajności (HEF) i 1,2 dB przez połączenie jej z dwiema 34-metrowymi antenami. Zastosowanie tej technologii pomogło zrekompensować ogromną odległość radiową od Neptuna do Ziemi.

Dzięki tym działaniom udało się znacznie poprawić jakość sygnału z obu sond, która wynosiła:

• 115 200 b/s przy Jowiszu
• 44 800 b/s przy Saturnie
• 29 900 b/s przy Uranie
• 21 600 b/s przy Neptunie

Bez środków zaradczych jakość byłaby znacznie niższa i wynosiłaby ok.:

• 29 000 b/s przy Saturnie
• 9000 b/s przy Uranie
• 3200 b/s przy Neptunie

Obecnie moc odbierana z Voyagerów wynosi 10-^21 W, jednak dokładność urządzeń na Ziemi pozwala na skuteczne odbieranie sygnału z sond.

Losy programu

Sondy zdołały przekazać wszystkie dane dotyczące gazowych gigantów, włącznie ze zdjęciami. Voyager 1 przeleciał obok Saturna 12 listopada 1980 roku, jego bliźniacza sonda znalazła się w okolicach Saturna w następnym roku 26 sierpnia.
Następnie Voyager 1 kontynuował swoją podróż w kierunku przestrzeni międzygwiezdnej. W 1990 roku wykonał serię zdjęć ukazujących zarówno Słońce, jak i planety Układu Słonecznego. W 2004 roku Voyager 1 przekracza szok końcowy heliosfery, a w 2012 roku przekracza heliopauzę, aby ostatecznie znaleźć się w przestrzeni międzygwiezdnej:



Voyager 2 przeleciał w okolicach Urana 24 stycznia 1986 roku. Przelot obok Neptuna nastąpił 25 sierpnia 1989 roku. Voyager 2 również przekroczył heliosferę, nastąpiło to jednak 3 lata później. Przekroczenie heliopauzy nastąpiło 6 lat po przekroczeniu jej przez Voyagera 1 – w 2018 roku.


Obecnie większość urządzeń pomiarowych obu sond albo nie działa, albo została wyłączona, aby oszczędzać energię. Stan sprzętu podsumował pracownik NASA Ralph McNutt:

Mamy 44 i pół roku [wykorzystania sprzętu], więc gwarancja na te cholerne rzeczy minęła dziesięć razy.

W 2011 roku poziom mocy wyniósł 57% i szacuje się, że w 2032 roku będzie on niewystarczający do utrzymania komunikacji.

Koniec programu planowany jest na 2025 rok – wymienione zostaną wtedy obecne anteny wykorzystywane przez DNS, które nie będą emitować sygnału w paśmie S.

Nie przeszkadza to jednak sondzie Voyager 1 lecieć z prędkością ok. 61 000 km/h. Oddaliła się ona już na 23,3 miliarda kilometrów i nie zamierza zwalniać.

„Witajcie istoty z zaświatów” – Golden Record

W obu sondach umieszczono pozłacane dyski z różnymi zapisanymi informacjami – danymi Układu Słonecznego, muzyką, zdjęciami naszej planety i cywilizacji itd.
Zapisano tam wiadomości w 55 językach, polskie przywitanie brzmi „Witajcie istoty z zaświatów”.

Film, który polecam, przedstawiający najciekawsze elementy dysku, znajdziecie tutaj. Osobiście najciekawszym elementem dla mnie jest przedstawienie systemu dziesiętnego od podstaw:


Aktualny status misji można śledzić na stronie NASA.