Зонды "Вояджер"

Зонд Voyager со сканирующей платформой (вверху), параболической антенной (посередине), радионуклидными батареями (внизу, голубой) и приемными антеннами для слабых магнитных полей, плазмы и радиоволн

В зондов Voyager два в основном одинаковые космические зонды из в США космического агентства NASA , которые пересекают на внешнюю планетарную систему , как Voyager 1 и Voyager 2 . С 1977 года они собирают данные о внешней части Солнечной системы в рамках программы « Вояджер» .

История развития

Вояджер с описанием

Зонды "Вояджер" являются преемниками космических аппаратов проекта "Термоэлектрический космический корабль космических планет" (TOPS), которые были отменены по соображениям стоимости. Исходя из этого, конструкторы переняли ряд новых технологий, разработанных для TOPS. Они надеялись расширить свою миссию с помощью этих технологий. Строительство двух зондов "Вояджер" началось в середине 1975 года.

строительство

Зонды Voyager по существу состоят из центральной кольцевой алюминиевой ячейки с десятиугольным поперечным сечением, в которой находится большая часть электроники. Он имеет диаметр 1,78 м и высоту 0,47 м. Параболическая антенна с диаметром 3,66 м прикреплен к нему. Большинство научных приборов установлено на штанге длиной 2,5 м. Центральная ячейка построена вокруг резервуара с гидразином и разделена на десять отдельных отсеков шириной 0,43 м каждое. Каждый зонд имеет общую массу 825,5 кг, 104,8 кг из которых составляют научные инструменты.

электроника

Большинство электронных систем размещено в центральной ячейке и основано на архитектуре датчиков Pioneer 10 и 11 . Зонды Voyager имеют три полностью резервированных компьютерных системы, которые отвечают за связь (система связи и управления ; CCS), выравнивание и управление орбитой (система управления ориентацией и артикуляцией ; AACS) и хранение данных ( подсистема полетных данных ; FDS). Для защиты от излучения эти компоненты защищены оболочкой из тантала и титана .

Первоначально система связи CCS должна была быть полностью передана зондам Viking , хотя производительность последних была значительно увеличена из-за более требовательного профиля миссии. Тактовая частота 1,9 МГц, его вычислительная мощность составляет 0,73  MIPS , что в 64 раза больше, чем у датчиков Viking. Свободно делимая кольцевая память ядра вмещает 4000 слов данных по 18 бит каждое  . В первый раз, встроенный самопроверки было установлен на зонд , который , как предполагается , чтобы обнаружить серьезные проблемы: потеря приемника для команд, выход из строя передатчика или генератор для несущей волны , аномалии в AACS, аномалии в аппаратном или программном обеспечении CCS и необычные колебания напряжения или тока.

Вид на разводку в центральной ячейке

Подсистема полетных данных

Система управления AACS требуется для правильного выравнивания зонда и инструментов из-за очень высоких скоростей пролета. Хотя он имеет такую ​​же тороидальную память ядра, что и CCS, на него приходится всего около 5 процентов вычислительной мощности. AACS имеет два режима работы: режим гироскопа для высокоточного выравнивания инструментальной платформы во время облета и режим звезды для астрономической навигации . В гироскопах показать отклонение 0,05 ° в час после калибровки. В звездном режиме используются один датчик солнца и один датчик звезды, которые прикреплены к кончику параболической антенны. Датчик солнечного света представляет собой потенциометр на основе сульфида кадмия с точностью измерения 0,01 °. Звездный датчик представляет собой фотоэлектронный умножитель с цезиевым детектором, нацеленный на звезду Канопус . Оба инструмента стараются удерживать свои эталонные объекты в середине поля зрения и поэтому активируют двигатели с отклонением 0,05 °.

Из-за высокой скорости передачи данных для их обработки также требовалась отдельная подсистема - FDS. Вместо обычной памяти с тороидальным сердечником пробников Viking в нем используется КМОП- память, которая была новой в то время и более устойчива к колебаниям напряжения. Имея емкость 8000 слов данных, он вдвое больше, чем вариант с кольцевой памятью, и поэтому также использовался CCS для сложных операций. Прямой доступ к памяти (DMA), возможный с памятью CMOS, также значительно снизил нагрузку на процессор (вычислительная мощность 0,08 MIPS). Оба компьютера FDS могут работать параллельно, но в случае отказа могут возникнуть серьезные проблемы, поскольку выделенной резервной системы больше нет. FDS весит 16,3 кг и требует 10 Вт электроэнергии.

Поскольку полученные данные не могут быть немедленно отправлены на Землю из-за ограниченной пропускной способности, была установлена ​​система массового хранения . Это магнитная лента длиной 328 м, на которой можно в цифровом виде хранить до 536 Мбит (100 изображений). Максимальная скорость записи составляет 115,2 кбит / с, а скорость чтения - 57,6 кбит / с.

источник питания

Две из трех радионуклидных батарей

Солнечные батареи для энергоснабжения не подходят для подобных задач (большое расстояние от солнца) . Таким образом, три пришли радионуклид используется с кремния - германия - термоэлементы путем спонтанных распадов в результате тепло непосредственно в электрическую энергию преобразуется. В начале каждая батарея содержала по 4,5 кг плутония-238 , α-излучателя с периодом полураспада 87,7 года. Каждая отдельная батарея находится в бериллиевом корпусе массой 39 кг , длиной 50 см и диаметром 40 см. Во время взлета было доступно постоянное напряжение 30 В и выходная мощность 470 Вт. Из-за распада плутония тепловая мощность снижается на 0,79% ежегодно. По мере того, как температура радионуклидной батареи падает, эффективность также падает, и термопары также стареют, так что ежегодные потери мощности составляют около 1,38%. Следовательно, все больше и больше научных устройств и функций приходится отключать, чтобы оставить достаточно энергии для систем управления и связи.

Батареи прикреплены к стреле, чтобы бортовая электроника и научные эксперименты подвергались минимальному воздействию излучения. В частности, это относится к тормозному излучению, которое возникает, когда α-частицы проникают в корпус батареи, и которое не может быть полностью экранировано.

коммуникация

Схематический разрез антенны с высоким коэффициентом усиления

Практически все коммуникации с зондом через поразительную параболическую антенну смотанные, который установлен на центральную клетку и из графита - эпоксидная смола производятся. Он имеет диаметр 3,66 м и усиление антенны 48 дБи в X-диапазоне и 36 дБи в S-диапазоне. Поскольку он может двигаться только в ограниченной степени, зонд должен быть точно совмещен с землей, чтобы можно было установить соединение. Для передачи данных используются два частотных диапазона : S-диапазон (2295 МГц) и X-диапазон (8418 МГц). Есть два передатчика для обоих диапазонов, которые не могут работать параллельно (они в основном используются в качестве резервных). Вместе они имеют массу 21,7 кг.

S-диапазон используется только для отправки и приема команд или небольших пакетов данных, так как скорость передачи данных составляет всего от 60 до 160 бит / с. Два передатчика имеют выходную мощность 9,4 и 28,3 Вт каждый и также использовались для освещения планетных атмосфер. Антенна с низким коэффициентом усиления (7 дБи) также доступна в качестве резервной . Практически все научные данные передаются через X-диапазон, поскольку здесь доступна гораздо более высокая скорость передачи данных (от 2,5 до 115,2 кбит / с). Минимально возможная скорость передачи - 10 бит / с.

В Голея и коды Рида-Соломона были реализованы для исправления ошибок . Несмотря на значительно более высокие скорости передачи данных по сравнению с предыдущими миссиями, ошибок передачи было заметно меньше.

Блок-схема системы связи

Управление полетом

Восемь полностью дублирующих форсунок, каждая с тягой 0,89 Н , используются для регулирования положения и направления зонда и создания необходимой отдачи за счет каталитического разложения гидразина . Соответствующий резервуар выполнен из армированного стекловолокном пластика и расположен в середине центральной ячейки. Он вмещает 90 кг гидразина и должен нагреваться, чтобы предотвратить его замерзание. Для регулирования оси крена доступны четыре дополнительных упорных сопла, каждое из которых обеспечивает усилие в 22,2 Н. Точные управляющие импульсы рассчитываются компьютером AACS.

Научные инструменты

обзор

Настройка и приборы зондов "Вояджер"

Зонды "Вояджер" несут в общей сложности одиннадцать научных инструментов общей массой 104,8 кг, что значительно больше, чем в предыдущих планетарных миссиях. Инструментам требуется в общей сложности 90 Вт электроэнергии, из которых 10 Вт используются для соответствующих нагревательных элементов.

Инструменты делятся на две категории: прямое измерение (например, детекторы частиц) и дистанционное зондирование (например, камеры). Все приборы последней категории прикреплены к подвижной сканирующей платформе, которая расположена на штанге в 2,5 м от центральной камеры. Платформа может быть точно выровнена по определенной точке в космосе (например, планетам) с помощью нескольких электродвигателей, управляемых системой AACS. Точность позиционирования составляет 2,5 мрад.

Система космических лучей (CRS)

Система космических лучей

Этот инструмент используется для изучения солнечного ветра и радиационных поясов планет, особенно Юпитера. Он состоит из трех различных счетчиков частиц, которые подсчитывают угол, количество и энергию падающих частиц. Детектор высокоэнергетических частиц (HET) может обнаруживать протоны и ионы с атомными номерами от 1 ( водород ) до 30 ( цинк ) в диапазоне от 6 до 500 МэВ на нуклон . Эти частицы серьезно повреждают электронные компоненты, поэтому результаты имели большое значение для будущих миссий. HET состоит из 11 датчиков, которые определяют энергию по глубине проникновения частиц. Погрешности измерения составляют от 5 до 7 процентов. Электронный детектор (ТЕТ) работает по тому же принципу и может обнаружить электроны в диапазоне от 3 до 110 МэВ. Детектор частиц с низкой энергией (ЛПЭ) также определяет энергию с помощью определенной глубины проникновения и обнаруживает частицы в диапазоне от 1,8 МэВ до 30 МэВ.

Система визуализации науки (ISS)

НАК (вверху) и ВАК (внизу)

ISS объединяет две оптические камеры, работающие в диапазоне видимого и ультрафиолетового света, а именно узкоугольную телеобъективную камеру (NAC) и широкоугольную камеру (WAC). Оба инструмента могут экспонировать изображения от 0,005 до 61 секунды .

В телекамеру установлен телескоп Кассегрена с апертурой 176,5 мм и фокусным расстоянием 1500 мм. Передача оптики составляет 60 процентов , а теоретическое разрешение составляет 1,18  угловых секунд . Для получения изображений используется видиконовая трубка на основе сульфида селена шириной 11 мм . Сенсор имеет 800х800 пикселей. Датчик работает в спектральном диапазоне от 280 до 640 нм (от УФ-В до красного) и оснащен оранжевым, зеленым, синим, фиолетовым и УФ- фильтрами для получения цветных и ложных цветных изображений . Камера весит 22,06 кг и имеет размеры 25 см × 25 см × 98 см.

В широкоугольной камере используется Petzval - рефрактор с фокусным расстоянием 202 мм и диаметром 57,2 мм a. Он состоит из шести радиационно-стойких линз, одна из которых используется для защиты от пыли. Пропускание оптики составляет 84%, а теоретическое разрешение составляет 2,87 угловых секунды при использовании того же датчика, что и NAC. Единственное отличие заключается в немного меньшем спектральном диапазоне (400–620 нм), что связано с фильтрующими свойствами линз. WAC также использует все фильтры телекамеры, за исключением УФ-фильтра. Также существуют специальные фильтры для обнаружения натрия и метана . Камера весит 13,30 кг и имеет размеры 20 см × 20 см × 55 см.

Для полного считывания показаний датчиков изображения, которые идентичны в обеих камерах, требуется не менее 48 секунд. Также есть режимы, позволяющие увеличить это время в 10 раз. Чтобы обеспечить быстрое считывание, можно считывать только 10% пикселей. Квантование выполняется с помощью 8 бит.

Инфракрасный интерферометрический спектрометр (IRIS)

IRIS определяет температуру и структуру атмосферы планет и лун, оценивая их инфракрасное излучение. В частности, он должен измерить соотношение водорода и гелия на Юпитере и Сатурне. Это телескоп Кассегрена с диаметром 50,0 см, фокусным расстоянием 303,5 мм и полем зрения 0,25 °. Два датчика подключен: Интерферометр / спектрометр и радиометр. Первый работает в спектральном диапазоне от 2,5 до 50 мкм и достигает спектрального разрешения 0,094 мкм. Радиометр определяет тепло наблюдаемых объектов и использует для этого спектральный диапазон от 0,33 до 2 мкм. Источник неонового излучения, излучающий монохроматическое излучение 585,2448 нм, служит эталоном . IRIS синхронизируется с двумя камерами МКС и обеспечивает шесть измеренных значений для 48-секундной записи (скорость считывания 1x).

Заряженные частицы с низкой энергией (LECP)

Инструмент LECP

Этот прибор используется для изучения электрически заряженных частиц с низкой энергией и, таким образом, дополняет CRS, изучающий частицы с высокой энергией. Для измерения используются два датчика: «Телескоп низкоэнергетических частиц» (LEPT) и «Анализатор частиц низкоэнергетической магнитосферы» (LEMPA). Они изучают взаимодействие частиц с магнитными полями лун и планет, а также с космическими лучами и солнечными ветрами.

LEPT анализирует электроны в диапазоне энергий от 0,01 до 11 МэВ и протоны от 0,015 до 150 МэВ, благодаря чему в секунду может быть обнаружено от 10 ^-5 до 10 ¹² частиц. LEMPA работает только вблизи планет и лун. Он обнаруживает альфа-частицы , ионы и протоны в диапазоне энергий от 0,05 до 30 МэВ. Два датчика размещаются один над другим, так что они всегда исследуют одну и ту же область. Они имеют поле зрения 45 ° и могут вращаться на 360 ° с помощью 8- шагового двигателя , что занимает не менее 48 секунд. Двигатель должен иметь возможность совершить полный оборот не менее 500000 раз, что для того времени было уже очень амбициозно. Несмотря на ожидаемые проблемы с износом, к 2008 году было успешно выполнено более 5 миллионов вращений. Для измерений используются различные типы датчиков: полупроводниковые детекторы толщиной от 2 до 2450 мкм, восемь счетчиков частиц с разрешением 24 бита и анализатор амплитуды импульсов на 256 каналов. Калибровка проводится со слаборадиоактивным источником.

Фотополяриметрическая система (PPS)

PPS измеряет эффекты поляризации , которые часто возникают из-за взаимодействия света с веществом. Поскольку каждое вещество ведет себя в этом отношении по-разному, можно сделать выводы о химической структуре планетных поверхностей, кольцевых систем и атмосфер. PPS имеет телескоп Кассегрена диаметром 20,32 см, фокусным расстоянием 280 мм и переменным полем зрения от 0,12 ° до 3,5 °. Он исследует поляризацию света в 8 спектральных диапазонах от 235 до 750 нм. В качестве сенсора используется фотоэлектронный умножитель с многощелочным фотокатодом . Падающий свет может проходить через восемь различных фильтров. Полный рабочий цикл, в котором выполняется 40 измерений с различной поляризацией и настройками фильтра, занимает 24 секунды.

Плазменный спектрометр (PLS)

PLS исследует поведение солнечного ветра и горячих ионизированных газов в открытом космосе, а также их взаимодействие с магнитными полями планет. Он также проанализировал плазменное поле вокруг спутника Юпитера Ио и смог определить предел гелиопаузы . Для этого в нем используются два датчика, которые работают по принципу закона Фарадея . Один детектор ориентирован на землю и может регистрировать электроны в диапазоне энергий от 4 эВ до 6 кэВ, другой расположен перпендикулярно ему и измеряет в диапазоне от 5 эВ до 10 кэВ.

Система плазменных волн (PWS)

Прибор PWS / PRA и его антенная система

Этот прибор особенно примечателен двумя антеннами длиной 10 метров, которые отходят от центральной ячейки под углом 90 °. Они имеют диаметр 1,27 см и изготовлены из бериллиевой меди . PWS использует его как дипольную антенну , эффективная длина которой составляет 7 м. Прибор исследует взаимодействие частиц с магнитными полями планет и электрическую составляющую плазменных волн в диапазоне частот от 15 Гц до 56 кГц. Приемник (с восходящим усилителем 40 дБи) предлагает 16 различных каналов, при этом шумовой фильтр устраняет помехи от переменного напряжения бортовых систем на частотах 2,4 и 7,2 кГц.

Частью PWS является частотный анализатор, который может генерировать полный спектр каждые четыре секунды. Полоса пропускания составляет ± 15% для нижнего диапазона частот и ± 7,5% для верхнего диапазона. Скорость передачи данных очень низкая - 32 бит / с. Другая часть PWS - это анализатор формы волны , который в то время был главным нововведением в космических путешествиях. Для анализа форм сигналов требуется относительно большое количество измеряемых значений (28 800 в секунду), что обеспечивает очень высокую скорость передачи данных 115 200 бит / с. Поскольку эти данные не могут быть сжаты или вырезаны, после выхода из системы Jupiter из-за постоянно уменьшающейся полосы пропускания передачи данные были вынуждены сначала сохранить измерения на ленточных накопителях, а затем отправить их.

Планетарная радиоастрономия (PRA)

Этот инструмент использует две антенны PWS как монополию . Он принимает радиоволны от планет в частотном диапазоне от 20,4 до 1300 кГц и от 2,3 до 40,5 МГц.

Подсистема радиологии (RSS)

RSS также использует модули из других систем, в данном случае из коммуникационной системы. Во время связи он может измерять доплеровский сдвиг принимаемых сигналов и, таким образом, делать выводы о массе близлежащих планет и лун. В другом режиме работы диапазоны X и S используются одновременно для определения различных частотных сдвигов при прохождении через атмосферу или облака пыли. Их строение и химический состав можно определить по полученным данным. Однако в этом режиме связь невозможна. Высокостабильная частота передачи важна для хороших результатов измерений, поэтому был встроен особенно стабильный генератор, который все еще может выдавать очень точную частоту даже по прошествии длительного времени.

Трехосный феррозондовый магнитометр (MAG)

MAG состоит из четырех датчиков, которые измеряют магнитные поля разной силы в трех направлениях. Два из них прикреплены к зонду и измеряют сильные магнитные поля до 2  мТл с точностью до 6 пТл (1/10000 магнитного поля Земли ). Два датчика слабых магнитных полей прикреплены к заметной стреле длиной 13 м, которая из-за очень легкого бериллиевого сплава весит всего 2,3 кг. Большое расстояние необходимо для уменьшения помех от магнитного поля зонда, его электроники и радионуклидных батарей. Максимальное измеряемое магнитное поле составляет около 500 мкТл, максимальная точность - 2 пТл.

Ультрафиолетовый спектрометр (UVS)

Боковое сечение через UVS

Этот прибор выполняет те же анализы, что и IRIS, но в диапазоне высоких ультрафиолетовых частот от 40 до 160 нм. По сути, он имеет два рабочих режима. С одной стороны, он может идентифицировать источники излучения в атмосфере лун и планет, а с другой стороны, он может анализировать специфическое поведение внешнего УФ-излучения (например, от Солнца) при прохождении через атмосферы. УФС также был очень важен, когда зонд не находился вблизи небесных тел. В то время не было ни на Земле, ни в космосе телескопа, который бы охватывал чрезвычайно высокий УФ-диапазон. Следовательно, этот инструмент также использовался для многих других научных наблюдений.

Вояджер Золотой Рекорд

Вояджер Золотой Рекорд

"Voyager Golden Record" - это медный диск с данными, покрытый золотом для защиты от коррозии . На нем хранится графическая и звуковая информация о человечестве. На лицевой стороне есть своего рода инструкция по эксплуатации и карта, показывающая положение Солнца по отношению к 14 пульсарам .

Сопровождение программного обеспечения

Программное обеспечение датчиков все еще дорабатывается и поддерживается. В конце 2015 года НАСА искало преемника Ларри Зоттарелли, который до этого отвечал за программное обеспечение зонда.

изображений

• 

  Полноразмерная модель зонда "Вояджер"

• 

  Эд Стоун, ученый-зонд "Вояджер" 1972 года, позже директор Лаборатории реактивного движения , перед полноразмерной моделью

• 

  Платформа сканирования (детальный чертеж)

• 

  Вояджер 1 в космическом симуляторе

литература

• Йенс Беземер, Джоэл Метер, Саймон Филлипсон, Делано Стинмейер, Тед Стрик: Вояджер - фотографии величайшего путешествия человечества . teNeues , Kempen 2020, ISBN 978-3-96171-292-2 . 
• Бен Эванс: миссии НАСА "Вояджер" . Springer-Verlag , Лондон 2004, ISBN 1-85233-745-1 . 
• Райнер Клингхольц : Гранд-тур "Вояджеров" . Пресса Смитсоновского института, 2003, ISBN 1-58834-124-0 . 
• Уильям Э. Берроуз: Миссия в глубокий космос: Путешествие открытий путешественника . WH Freeman & Co. Ltd., 1993, ISBN 0-7167-6500-4 . 

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Бернд Лейтенбергер: Миссия Путешественников: История .
2. ↑ ^{б с д е е г ч я J} Бернд Leitenberger: Вояджеры: Зонд. Проверено 19 мая 2012 года . 
3. ↑ ^{б с д е е г ч я J к л м н О р} Бернд Leitenberger: Voyagers инструменты. Проверено 19 мая 2012 года . 
4. ↑ НАСА ищет программистов для зондов Вояджер , Heise online , 31 октября 2015 г.
5. ↑ Почему НАСА нужен программист, свободно владеющий языками 60-летней давности , Popular Mechanics , 29 октября 2015 г.
6. ↑ Последний оригинальный инженер НАСА «Вояджер» уходит на пенсию , CNN , 27 октября 2015 года.

веб ссылки

• Описание зондов "Вояджер"
• Проект "Вояджер" НАСА (английский)
• Ульф фон Рауххаупт: " Вояджер зонды: самое длинное путешествие" , faz.net, 5 сентября 2017 г., по состоянию на 6 сентября 2017 г.
• Документ «Термоэлектрический космический корабль для внешних планет (TOPS)» на сервере технических отчетов НАСА (PDF, английский, 154,9 МБ).
• Время безотказной работы 15 364 дня: Лекция о компьютерах Voyager, в частности об электронике зондов на YouTube.