Разведчик внешних планет: как Pioneer-11 потерялся в космосе
Космический зонд Pioneer-11 потерял связь с Землей целых 30 лет назад, но ученые не исключают, что он может продолжать посылать сигналы на Землю — только вот все они пролетают мимо. Почему аппарат перестал подавать «голос», какие открытия он успел совершить и какое влияние это оказало на следующие миссии, разобрал эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев.
Последний радиосигнал от зонда Pioneer-11 на Земле получили 30 сентября 1995 года. Этот момент стал концом активной фазы одной из важнейших миссий в истории космических исследований. Аппарат, запущенный в 1973 году, был частью программы, которая открыла новую страницу в изучении дальних планет Солнечной системы.
История программы Pioneer
NASA начало программу изучения Луны и околоземного пространства с помощью автоматических аппаратов в 1958 году. Постепенно задачи программы эволюционировали от исследования ближнего межпланетного пространства, солнечного ветра и внутренних планет до полетов к границам Солнечной системы и изучения межзвездной среды.
В конце 1960-х NASA было готово запустить аппараты для близкого пролета мимо планет-гигантов Юпитер и Сатурн. Проект инициировал Центр Эймса (Ames Research Center), а реализацией занялась компания TRW (Thompson Ramo Wooldridge Inc.).
Ключевыми целями программы стали:
изучение атмосфер, магнитных полей, спутников и колец Юпитера и Сатурна;
анализ межпланетного пространства, включая солнечный ветер, космические лучи и пыль;
проверка технологий для будущих миссий, таких как Grand Tour (позднее Voyager);
оценка опасности пояса астероидов для космических полетов.
Для решения этих задач планировалось использовать две автоматические межпланетные станции, или «зонды», как их называют в американской терминологии. Чтобы достичь дальних планет, при старте с Земли им нужно было набрать скорость более 14 км/с. Это делало их самыми быстрыми искусственно созданными объектами на тот момент. Чтобы уложиться в бюджет, разработчики предложили использовать ракеты-носители Atlas-Centaur с кислородно-водородной верхней ступенью и дополнительным твердотопливным разгонным блоком. Характеристики средства выведения определяли массу и размеры аппаратов.
Устройство зонда Pioneer-11
В рамках программы инженеры приступили к созданию зондов-близнецов Pioneer-10 и Pioneer-11. У них были одинаковые характеристики: максимальная высота составляла 2,9 м, диаметр — 2,75 м, а масса — 258 кг. Они имели аналогичную конструкцию и стабилизировались вращением (около 5 об/мин). Нужная ориентация (например, антенной в сторону Земли) контролировалась с помощью шести гидразиновых двигателей малой тяги. Впервые в качестве основного источника энергии система электропитания оснащалась радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ) типа SNAP-19, работающими на плутонии-238. Это позволяло аппаратуре функционировать на максимальном удалении от Солнца, где солнечные батареи бесполезны. Выходная электрическая мощность РИТЭГ при запуске составляла 155 Вт, вблизи планет назначения — 140-130 Вт.
Связь осуществлялась с помощью приемопередатчиков, которые принимали и передавали данные с использованием частот S-диапазона. Полоса 2110 МГц использовалась для восходящей линии связи с Землей, 2292 МГц — для нисходящей линии связи. Связная аппаратура работала на остронаправленную антенну с диаметром отражателя 2,75 м. Коммуникация с зондами осуществлялась с помощью американской сети дальней космической связи с пунктами, разбросанными по всему земному шару.
Оба аппарата оснастили инструментами для изучения планет и межпланетного пространства, включая датчики магнитного поля, оборудование для исследования космической плазмы, детекторы частиц и фотополяриметр для съемки. Основной задачей Pioneer-10 была оценка Юпитера и гелиосферы, а Pioneer-11 — исследование Сатурна, его оснастили дополнительным магнитометром и фотонным гравиметром. Таким образом, он имел приборы, которые позволяли ему выполнять более сложные научные задачи.
Детектор микрометеоров на зонде Pioneer 11 включал два канала с 234 ячейками, заполненными газом. Метеороиды повреждали ячейки, что фиксировалось электроникой, осуществляющей подсчет ударов. Ячейки находились на обратной стороне антенны, а усреднённые поля зрения каналов были идентичны.
Вероятность обнаружения метеороида зависела от числа активных ячеек, а не от направления потока. Пробитая ячейка выходила из строя, уменьшая чувствительность детектора.
Бортовой компьютер был способен удерживать в памяти до пяти команд из 222, которые вводились диспетчерами на Земле.
Особенностью зондов стали золотые пластинки с посланием человечества: изображением мужчины и женщины, схемой Солнечной системы и координатами Земли относительно 14 пульсаров. Это был первое «космическое письмо в бутылке» для инопланетян.
Запуск и полет зонда Pioneer-11
Первым 3 марта 1972 года с мыса Канаверал стартовал Pioneer-10. Он стал первым аппаратом, пересекшим орбиту Марса и пояс астероидов. Путешествие к Юпитеру заняло 21 месяц. 4 декабря 1973 года зонд приблизился к планете на 132 252 км. Из-за высокой радиации оборудование зонда выходило из строя; несколько раз прерывалась связь, в результате были потеряны снимки спутника Ио, а также часть фотографий самого газового гиганта. Используя его гравитацию, Pioneer-10 ускорился и ушел по направлению к границам Солнечной системы.
Вторым 6 апреля 1973 года стартовал Pioneer-11. Его траекторию скорректировали для пролета мимо Юпитера (произошла 3 декабря 1974 года на расстоянии 42760 км от планеты) с последующей гравитационной помощью для полета к Сатурну. Зонд передал подробные снимки Юпитера, полюсов и Большого красного пятна. С его помощью ученые определили массу Каллисто, второго спутника планеты-гиганта.
1 сентября 1979 года зонд пролетел на 20900 км от облачного слоя Сатурна, став первым аппаратом, достигшим этой планеты. Он произвел различные измерения и передал изображения планеты и ее спутника Титана. Во время пролета он также передал снимок небольшого спутника Сатурна, мимо которого прошел на расстоянии 4000 км. Первоначально считалось, что это был Эпиметей, открытый аппаратом днем ранее, но гораздо позже, после пролета «Вояджеров», выяснилось, что этим неизвестным объектом мог быть также Янус — другая луна Сатурна. Аппарат также пролетел мимо Мимаса на расстоянии 103000 км.
Как Pioneer-11 впервые в истории пролетел вблизи Сатурна
Два космических аппарата успешно пересекли пояс астероидов без каких-либо повреждений, что подтвердило безопасность их прохождения для подобных миссий. После выполнения гравитационных маневров зонды вышли на эллиптические орбиты, которые ведут их за пределы Солнечной системы. Pioneer-10 направляется к созвездию Тельца со скоростью 12 км/с, а Pioneer-11 — к созвездию Щита со скоростью 11,36 км/с. По состоянию на 2025 год, первый находится в 130, а второй — в 110 астрономических единицах от Солнца.
Открытия зонда Pioneer-11
Зонды Pioneer внесли значительный вклад в наше понимание Солнечной системы, сделав множество открытий:
Юпитер: были подтверждены мощные магнитные поля, которые в 20000 раз сильнее земных, и радиационные пояса. В атмосфере обнаружены темные пояса, которые теплее светлых. Также зафиксировано, что вращение Великого Красного Пятна занимает шесть дней. Зонды сделали фотографии спутников Юпитера (Ганимед, Ио, Европа), зафиксировали наличие полярных сияний и радиоволн.
Сатурн: обнаружена магнитосфера, а также кольца F и D. Температура атмосферы составляет -180°C. Ветры на Сатурне очень сильные, даже быстрее, чем на Юпитере. Сделаны фотографии Титана, и, по всей видимости, открыта новая луна — Эпиметей. Примечательно, что радиационный фон в окрестностях Сатурна оказался ниже ожидаемого.
Межпланетное пространство: зонды измерили параметры солнечного ветра, космических лучей и космической пыли. Пояс астероидов признан безопасным для космических аппаратов. Детектор микрометеороидов за период наблюдения с 1973 по 1983 годы зарегистрировал всего 115 столкновений, большая часть которых приходилась на частицы пыли. Данные о гелиосфере показали, что она имеет огромные размеры.
Конкретно зонд Pioneer-11 во время своей миссии выполнял следующие задачи:
исследовал межпланетную среду за орбитой Марса;
изучал пояс астероидов и оценивал его опасность для миссий к внешним планетам;
исследовал Юпитер, составлял карту его полярных областей и определял массу спутника Каллисто;
составлял карту магнитного поля Сатурна, определял его интенсивность, направление и структуру;
измерял температуру атмосферы Сатурна и его крупнейшего спутника Титана;
изучал верхние слои атмосферы Сатурна;
составлял карту тепловой структуры атмосферы Сатурна, используя инфракрасные наблюдения и данные радиосвязи;
исследовал кольцевую систему и атмосферу Сатурна с помощью радиосигналов S-диапазона;
определял массы Сатурна и его крупных спутников, анализируя влияние их гравитационных полей на движение аппарата.
Все о Сатурне: из чего состоит, сколько лететь и другие факты
Последняя передача сигнала Pioneer-11
Последний сигнал от Pioneer-11 пришел 30 сентября 1995 года. После этого аппарат потерял ориентацию и не смог самостоятельно навести антенну на Землю. Pioneer-10 продержался дольше. Радиосвязь с ним оборвалась из-за истощения РИТЭГ. Последний контакт состоялся 22–23 января 2003 года, когда зонд был на расстоянии 12 млрд км от Земли. Попытки связаться с ним после этого не увенчались успехом.
При наблюдении за первыми космическими аппаратами, достигшими внешних пределов Солнечной системы, — Pioneer-10 и Pioneer-11 — ученые обнаружили аномалию: траектории зондов отклонялись от ожидаемых, рассчитанных по текущей модели движения. По мере приближения к границам Солнечной системы аппараты замедлялись под воздействием неизвестной силы. Каждый год они отставали от плана на пять тысяч километров.
Десятилетиями исследователи не могли объяснить это явление. Некоторые даже предположили, что законы физики неправильно интерпретированы. Но в 2012 году группа ученых из Лаборатории реактивного движения JPL под руководством Вячеслава Турышева нашла ответ. Причиной замедления «Пионеров» оказались тепловые потоки, которые неравномерно исходили от аппаратов во многих направлениях. Основной вклад вносили РИТЭГи — электроэнергии они производили все меньше и меньше, но продолжали излучать тепло.
Последователи зондов Pioneer
Полеты аппаратов Pioneer-10 и Pioneer-11 стали важным этапом в освоении космоса, заложив основу для будущих межпланетных миссий. Зонды Voyager-1 и Voyager-2, запущенные в 1977 году, использовали гравитационные маневры у Юпитера и Сатурна, чтобы достичь Урана и Нептуна. Они передали на Землю детальные снимки и научные данные о дальних планетах Солнечной системы. Voyager-1 стал первой автоматической станцией, вышедшей за пределы гелиосферы в 2012 году, а Voyager-2 достиг этой точки в 2018-м.
В 2006 году был запущен космический зонд New Horizons, который в 2015 году достиг Плутона и сделал его детальные снимки. В 2019 году New Horizons стал первым аппаратом, исследовавшим объект пояса Койпера Аррокот. Этот зонд продолжает свой путь за пределы гелиосферы.
Как и «Пионеры» и «Вояджеры», «Новые горизонты» несут на борту послания к внеземным цивилизациям, надеясь, что их найдут разумные существа в далеком будущем.
В будущем NASA планирует запустить аппарат, который будет исследовать гелиопаузу и межзвездную среду. Эта миссия станет продолжением изучения границ Солнечной системы и поможет ученым лучше понять, как наша звезда взаимодействует с окружающим космическим пространством.
Годовщина последнего сигнала станции Pioneer 11 напоминает нам о достижениях человеческой науки. В этот момент зонд находился в 44,7 астрономической единицы от Солнца и продолжал свой путь в космос. Данные, полученные им и его собратом, стали важной основой для современной планетологии. Возможно, через миллионы лет зонды найдут другие цивилизации. Космос до сих пор скрывает множество загадок.
Главное о Pioneer-11
Pioneer-11 — это космический зонд NASA, предназначенный для изучения Юпитера и Сатурна;
Pioneer-11 впервые в истории пролетел вблизи Сатурна 1 сентября 1979 года, пройдя от него на расстоянии 20900 км. Он произвел измерения и передал снимки планеты и ее спутника Титана;
После завершения исследований Сатурна Pioneer-11 вышел на траекторию, которая ведет его за пределы Солнечной системы;
Pioneer-11 передал последний сигнал на Землю 30 сентября 1995 года, после чего замолчал, причиной стала потеря ориентации — аппарат не смог самостоятельно навести антенну на Землю;
Сейчас Pioneer-11 направляется к созвездию Щита со скоростью 11,36 км/с;
По состоянию на 2025 год, Pioneer-11 находится в 110 астрономических единицах от Солнца.
Зонды Voyager, в отличие от Pioneer, продолжают поддерживать связь с Землей. В то же время их ресурсы тоже на исходе: на них отключают научные приборы.
