После Сатурна пути близнецов разошлись. Пройдя мимо окольцованной планеты 12 ноября 1980 г., Voyager 1 направился в бесконечное путешествие к звездам. А вот Voyager 2, сблизившийся с Сатурном 26 августа 1981 г., выполнил программу изучения планет-гигантов лишь наполовину. Для него изначально была рассчитана траектория, позволяющая продолжить полет к Урану и Нептуну. Выбор ее, однако, зависел от целого ряда условий.


    Во-первых, Voyager 1 должен был изучить Титан, крупнейший спутник Сатурна, и неудача потребовала бы повторения этой программы вторым аппаратом. К счастью, в ноябре 1980 г. первый 'выжал' из Титана все, что можно, и эта проблема была снята.
    Во-вторых, нужно было убедиться в безопасности пролета на расстоянии порядка 160000 км от центра Сатурна, необходимого для гравитационного маневра с выходом на траекторию полета к Урану. Это было доказано 1 сентября 1979 г., когда Pioneer 11 прошел у Сатурна по аналогичной траектории.

Уран, телескоп Кек. 11 июля 2004 г.

"ВОЯДЖЕР-2": УРАН

    В-третьих, требовалось политическое решение - ведь при запуске 'Вояджеры' были заявлены как зонды для изучения Юпитера и Сатурна, и финансирование было заложено лишь на срок до 1981 г. Эта проблема оказалась самой неприятной, и решение ее сильно затянулось.
    В ноябре 1980 г. администрация президента Джеймса Картера разрешила продление полета Voyager 2 вплоть до встречи с Ураном, согласившись выделить дополнительно 85 млн$, необходимые для планирования, управления полетом и обработки научной информации. Увы, за неделю до встречи первого 'Вояджера' с Сатурном Картер проиграл выборы Рональду Рейгану, который имел обширные планы перестройки экономики США и пересмотра бюджетных приоритетов.
    Последний внесенный Картером в Конгресс проект бюджета (на 1982 финансовый год) предусматривал выделение NASA 6722 млн$. В начале февраля 1981 г. Дэвид Стокман, глава бюджетного управления новой администрации, предложил в порядке экономии сократить эту сумму более чем на 9%, или на 629 млн, причем если программа Space Shuttle теряла всего 5.3%, то космическая наука - 28.8%. Это означало, что невозможно будет начать ни один новый проект. 'Под нож' попали американский зонд из совместного с Европой проекта исследования Солнца ISPM и аппарат для изучения кометы Галлея. Предлагалось также отсрочить начало работ по проекту VOIR для картографирования Венеры и прекратить создание аппарата Galileo для подробного изучения системы Юпитера.
    Массовые протесты научной общественности привели к тому, что в официально внесенном 10 марта бюджете Рейгана сокращения оказались поскромнее. Проект Galieo сохранили, но космическая наука должна была получить 584 млн$ вместо 757 млн в ставшем неактуальным плане Картера.
    В те долгие месяцы, когда Конгресс рассматривал законопроект Рейгана, бюджетное управление не унималось. В октябре 1981 г. оно предложило срезать с NASA 367 млн$ сразу (в дополнение к сокращению, объявленному ранее) и еще по 1 млрд$ за каждый год из двух последующих лет. В частности, Стокман вновь предложил закрыть проект Galileo и отказаться от межпланетной программы как таковой. Но тогда автоматически становилась ненужной Сеть дальней связи DSN, и возникал соблазн прекратить ее финансирование. Это означало, что оба 'Вояджера' придется просто выключить и встреча с Ураном и Нептуном не состоится. Как сообщила 7 октября Washington Post, суммарная экономия за восемь лет должна была составить внушительную сумму - 222 млн$...
    19 октября новый администратор NASA Джеймс Беггс заявил о решительном несогласии агентства с планами 'похоронить' уникальный проект: 'К настоящему времени КА пересекли пояс астероидов и встретили гигантскую планету Юпитер, и совсем недавно Сатурн, а теперь [Voyager 2] находится в полете к Урану и, может быть, к Нептуну, -сказал он и, перефразируя Джона Кеннеди, добавил: - Я верю, что до конца этого десятилетия мы увидим Нептун'. А директор JPL Брюс Мюррей поставил вопрос так: 'Действительно ли мы настолько поражены текущими проблемами, что должны отказаться от инвестиций в будущее?'
    Конгресс выдержал второй натиск крохоборов и выделил NASA на начавшийся финансовый год 6020 млн$, хотя отстоять экспедицию к комете Галлея не смог. Однако в ноябре стали известны наметки бюджета-1983: его составители по-прежнему хотели избавиться от Galileo и VOIR, хотя уже не ставили вопрос о ликвидации сети DSN и закрытии миссии Voyager. 4 января советник Рейгана по науке Джордж Киуорт подтвердил, что такой шаг не планируется: 'Сеть DSN, необходимая для приема данных с 'Вояджера', будет по-прежнему получать средства на прием и анализ данных, - сказал он. - Отказавшись от финансирования этих работ, мы бы выбросили на ветер миллиарды, сэкономив несколько миллионов'.
    Окончательно угроза проекту отступила 3 февраля 1982 г., когда Рейган направил в Конгресс проект бюджета-1983. Документом предусматривалось дальнейшее финансирование Galileo, санкционировались совместные работы с ЕКА над европейским зондом проекта ISPM и выделялись средства на эксплуатацию сети DSN, включая работу с 'Вояджерами' до марта 1986 г.
    В-четвертых, вызывало опасения техническое состояние КА. За четыре года полета Voyager 2 испытал серьезный, почти смертельный отказ бортового радиокомплекса и частичный отказ привода сканирующей платформы - застревание по азимуту. Первую неисправность операторы научились обходить, со второй тоже удалось справиться, а в случае повторения ее в принципе можно было компенсировать разворотами всего 'Вояджера' вокруг продольной оси. На это, конечно, пришлось бы тратить драгоценное топливо, но его хватило бы по крайней мере на 150 разворотов - и на вполне достойную программу съемки Урана и его спутников.
    Когда же в свете всего сказанного выше было принято и реализовано решение о полете к Урану? Парадоксально, но - намного раньше!
    Определяющим обстоятельством стал отказ в апреле 1978 г. командного приемника на борту 'Вояджера-2'. В любой момент могла быть утрачена способность принимать команды с Земли, а значит желаемую траекторию нужно было выбрать как можно раньше. Только при этом условии аппарат смог бы выполнить хотя бы 'аварийную' версию программы в автономном режиме.
    Фактически траектория полета 'Вояджера-2' мимо Сатурна к Урану была сформирована коррекциями 10 и 23 июля 1979 г' сразу после пролета Юпитера. Именно тогда время встречи с Сатурном приблизили примерно на 33 часа, на один орбитальный период Энцелада, по сравнению с первоначальным планом полета GB23/TB20 (эти обозначения расшифровывались так: КА встречается с Ганимедом ранее Юпитера и с Титаном ранее Сатурна через 23 и 20 витков после определенных базовых дат соответственно. Траектория, по которой проследовал Voyager 1, имела обозначение IA19/TB2, что соответствовало пролету Ио после Юпитера и встрече с Титаном ранее Сатурна). Как следствие, была сохранена встреча с Энцеладом вблизи перицентра и улучшены условия наблюдений Тефии; пожертвовать же, помимо Титана, пришлось близким (30000 км) пролетом Мимаса.
    Однаколишь в ноябре 1980 г. штаб-квартира NASA утвердила предложение руководителей проекта Voyager продлить работу второй станции и направить ее от Сатурна к Урану. Официальное сообщение о выборе траектории в системе Сатурна и последующем полете к Урану было опубликовано еще позже - 8 января 1981 г. В нем говорилось, что Voyager 2 продолжит идти по существующей трассе и что если бы потребовался второй пролет Титана, с нее пришлось бы уходить, причем не позднее начала 1981 г. Теперь же прибытие к Урану было намечено на 24 января 1986 г. с пролетом на минимальном расстоянии 107 000 км.
    Вот почему между 23 июля 1979 г. и 26 февраля 1981 г. не было проведено ни одной коррекции траектории 'Вояджера-2'. Руководители проекта изначально 'поставили на Уран', и, к счастью, никакие последующие события не заставили от этого отказаться.
    Сближение с Сатурном прошло успешно, и в результате гравитационного маневра - пролета 26 августа 1981 г. на высоте около 101000 км над вершинами его облаков - Voyager 2 изменил направление движения почти на 90њ, а его гелиоцентрическая скорость увеличилась с 16.5 км/с на подлете до 20.7 км/с на отлете. Так аппарат вступил в новую стадию своего полета, названную не без пафоса 'межзвездной миссией 'Вояджера' к Урану'.


    Путешествие к седьмой планете предстояло долгое - более четырех лет. По оценке руководителей полета, оглашенной после визита в систему Сатурна, вероятность сохранения работоспособности станции до пролета Урана в январе 1986 г. составляла 65%, а до встречи с Нептуном в августе 1989 г. - не более 40%. Вряд ли они поверили бы летом 1981-го, что пройдет тридцать лет и три года, а оба 'Вояджера' все еще будут работать на благо науки!
    29 сентября 1981 г. аппарат успешно выполнил коррекцию ТСМ-В10, целью которой было скомпенсировать полученное у Сатурна отклонение от расчетной траектории и направить ее в точку прицеливания у Урана. Выбор траектории пролета предопределял условия гравитационного маневра для дальнейшего полета к Нептуну. Поскольку необходимое расстояние от центра Урана было близким к радиусу орбиты Миранды, оставалось лишь подобрать удобное время прибытия, чтобы заснять с близкой дистанции саму Миранду, а заодно и Ариэль. Все это было сделано в ходе длительного (на 5754 секунды) включения двигателей, обеспечившего приращение скорости около 15 м/с.
    20 октября в память компьютера FDS была заложена новая версия аварийной программы BML (Back-up Mission Load), позволяющая аппарату провести съемку Урана и его спутников и доложить результаты на Землю в случае полного отказа командной радиолинии. Аппарат должен был активировать ее по факту отсутствия новых команд с Земли в течение четырех недель.
    Уран, новая цель 'Вояджера', был первой планетой, открытой в эпоху телескопов. Его обнаружил в 1781 г. британский астроном сэр Уилльям Гершель, но за прошедшие 200 лет узнать о седьмом спутнике Солнца удалось немного. Зеленовато-голубая планета из группы газовых гигантов имела период обращения 84.014 года при среднем расстоянии от Солнца 19.18 а.е. (2870 млн км). Удивительным оказалось положение оси вращения Урана - она почти лежала в плоскости ее орбиты, будучи отклоненной на 98њ от 'вертикального' направления, и во время предстоящего сближения 'Вояджера' с планетой должна была смотреть почти точно на Солнце. Период вращения не был достоверно установлен: кривая блеска давала 10 час 50.4 мин, допплеровские измерения - что-то близкое к 24 часам, а самые последние наблюдения дали третий вариант - 16-17 часов. Для планирования пролета был принят период 15.57 час.
    Радиус Урана оценивался разными авторами в 25400-26200 км (4.0-4.1 земного). Благодаря наличию спутников масса была известна точнее - 14.54 земных. Средняя плотность получалась в диапазоне 1.19-1.27 г/см³, что заставляло предположить в составе планеты значительную долю аммиака и метана наряду с водородом и гелием. Водород и метан уверенно определялись спектроскопическими методами. В отличие от Юпитера, Сатурна и даже Нептуна, собственное излучение Урана было слабее, чем приток энергии от Солнца.

Выписка из программы работы КА за 6 сентября - 17 октября 1983 г.

"ВОЯДЖЕР-2": УРАН

    Уилльям Хаббард (William В. Hubbard) и Дж. МакФарлейн (J.J.MacFarlane) в 1980 г. предложили такую модель внутреннего строения Урана: железосиликатное ядро размером примерно с Землю, в котором сконцентрировано 24% массы планеты, ледяная и жидкая мантия из воды, метана и аммиака глубиной около 10500 км (65% массы) и плотная атмосфера толщиной порядка 7600 км (11%, преимущественно из молекулярного водорода и гелия).
    О наличии магнитного поля и магнитосферы в 1981 г. еще ничего не было известно, но спутник IUE зафиксировал на Уране свечение водорода, которое связывали с полярными сияниями.
    Два самых далеких и крупных спутника Урана - Титания и Оберон - были замечены Гершелем в 1787 г. Две луны поменьше и поближе - Ариэль и Умбриэль - нашел Уилльям Лассел в 1851 г. Еще более миниатюрная Миранда обязана своим открытием в 1948 г. Герарду Койперу. Всем им были даны имена героев пьес Шекспира (Г. Стейгманн (G.A.Steigmann) в 1978 г. предположил существование шестого спутника, малютки диаметром всего 30 км, на орбите радиусом 105221 км, но эта гипотеза не нашла подтверждения).
    10 марта 1977 г. Джеймс Эллиотт (James L. Elliott) с коллегами вылетели из Перта на борту самолетной обсерватории имени Койпера, чтобы на высоте 12 300 м над Индийским океаном в 2000 км юго-западнее Австралии пронаблюдать с помощью ИК-телескопа покрытие Ураном звезды 9-й величины в созвездии Весов с обозначением SAO 158687. К удивлению ученых, на кривой блеска звезды было пять отчетливых провалов до начала покрытия и пять симметричных им - после. Это могло означать только одно: Уран имеет кольца, как и Сатурн, но узкие и очень темные - настолько, что с Земли они не видны. Внешнее, самое заметное кольцо имело в ширину 50-60 км, а внутренние и того уже - вплоть до 0.5 км. На фоне великолепного 'ожерелья' Сатурна они выглядели очень бледно... если, конечно, так можно говорить об объектах, которые удалось впервые увидеть лишь семью годами позже.
    Кольца занумеровали греческими буквами от α до ε, но позднее более точная обработка данных выявила шестое кольцо между вторым и третьим. Переименовывать их не стали, и кольцо η 'незаконно' прописалось между β и γ. Другая группа астрономов при наблюдении покрытия 10 апреля 1978 г. увидела уже девять колец; три из них оказались круглыми, а остальные были слегка эксцентричны. Трем внутренним кольцам были даны числовые обозначения: 6, 5 и 4. Почему не буквенные, тем более что они предлагались? Потому что так они были занумерованы в первой публикации. Астрономы чтут право первооткрывателей...
    Объем знаний о системе Урана ровно через 200 лет после открытия планеты был очень наглядно описан руководителем фотографической группы проекта Voyager Брэдфордом Смитом (Bradford A. Smith). На пресс-конференции после пролета Сатурна он заявил буквально следующее: 'Теперь мы летим вслепую. Мы не знаем даже, какие вопросы можно задать нашим камерам. И не уверены в том, какие фильтры использовать'. Правда, научный руководитель проекта Эдвард Стоун (Edward С. Stone) видел в этом не проблему, а возможность: 'Мы определенно сможем увидеть новые явления, которые невозможно наблюдать с Земли'.
    Научное сообщество проекта Voyager надеялось, что на часть вопросов об Уране успеет ответить Космический телескоп имени Хаббла, запуск которого на шаттле ожидался тогда в январе 1985 г. По первым наблюдениям орбитальной обсерватории предполагалось откорректировать программу наблюдений в системе Урана. В действительности 'Хаббл' не помог 'Вояджеру' исследовать ни Уран, ни даже Нептун - он был выведен на орбиту лишь в апреле 1990 г. Поэтому существенные данные для подготовки программы изучения Урана удалось получить лишь наземными средствами.
    Так, 23 июня 1982 г. были анонсированы данные наблюдений спутников планеты на ИК-телескопе IRTF на горе Мауна-Кеа на Гавайях, выполненных по гранту NASA. Проведя фотометрию и радиометрические измерения в ИК-диапазоне, Хэмилтон Браун (R. Hamilton Brown), Дейл Круйкшенк (Dale Р. Cruikshank) и Дэвид Моррисон (David Morrison) определили с погрешностью не более 5%, что диаметр Оберона достигает 1690 км, при том что предыдущая оценка составляла лишь 900 км. Титания получилась немного меньше - 1590 км вместо 1000 км. Диаметр Ариэля исчислили в 1410 км, а Умбриэля - в 1160 км, чуть ли не вдвое увеличив предыдущие оценки. О сложности измерений с дистанции в почти 3 млрд км наглядно говорил такой факт: к моменту официальной публикации 2 декабря в Nature авторы пересмотрели уже объявленные данные - почти 'уравняли' в размерах Оберон и Титанию (1630 и 1600 км) и сделали 'усушку' двум остальным спутникам до 1330 и 1110 км. Надежно определить размер Миранды не удалось вообще.
    Стоит заметить, что прежние оценки делались исходя из видимой звездной величины в предположении об определенном альбедо вещества поверхности спутников. Теперь были получены независимые данные о размерах и соответственно пересчитана отражательная способность. Она оказалась весьма низкой: Умбриэль, Титания и Оберон были сходны со спутником Юпитера Каллисто, а Ариэль яркостью и цветом походил на Гиперион, самый темный в системе Сатурна. Природа того агента, который затемнил ледяные поверхности лун Урана, оставалась загадкой.
    В апреле 1984 г. Ричард Террайл (Richard J.Terrile) и Брэдфорд Смит (Bradford A. Smith) впервые смогли сфотографировать кольца Урана. Добиться этого удалось, так как наблюдения проводились на высокогорной обсерватории Лас-Кампаньяс в Чили, а изображения регистрировались на ПЗС-матрицу с последующей компьютерной обработкой. Кольца оказались чернее угля: они отражали всего 2% солнечного света. В октябрьской публикации исследователи предположили, что ответственность за это несет 'темное органическое вещество, распространенное во внешней части Солнечной системы'. Как вариант они были готовы рассматривать налет из замерзшего метана.
    С учетом всех доступных данных на специальной конференции в феврале 1984 г. ученые скомпоновали программу изучения системы Урана из четырех основных разделов (планета и ее атмосфера, спутники, кольца, магнитосферу, космическая среда), сформулировали 30 основных целей исследований и взялись вместе с инженерами за превращение всех этих 'хотелок' в расписанную поминутно программу наблюдений. Помимо выполнения очевидных ограничений на токопотребление и скорость передачи данных, они должны были использовать только медленные развороты сканирующей платформы.
    Как мы помним, ее азимутальный привод застрял во время съемки Сатурна на отлете. Моделирование на Земле и осторожное тестирование на борту выявило проблему со смазкой механизма привода, решением которой оказалось изменение теплового режима вместе с ограничением на угловую скорость разворотов. Режим максимальной скорости (1њ в секунду) просто запретили, а среднюю скорость (0.33 њ/с) разрешалось задействовать лишь при самой крайней необходимости. А она была: Voyager 2 подходил к Урану со стороны его условно южного полюса, почти перпендикулярно к плоскости колец, и оптимальные условия для съемки всех объектов наступали практически одновременно, на протяжении каких-то пяти часов. С учетом всех обстоятельств пришлось все-таки ввести в программу восемь разворотов самого КА, заменив ими повороты платформы на большие углы.
    Конкретная программа работы механизмов и приборов КА должна была храниться в свободных словах памяти компьютерной командной подсистемы CCS (Computer Command Subsystem) - суммарно их было около 2500 в двух запоминающих устройствах емкостью по 4096 слов. Пожелания ученых материализовались примерно в 18000 слов кода, которые пришлось поделить на девять последовательных программ на четырех временных этапах сближения и пролета. Они включали получение примерно 7000 снимков, в том числе около 500 непосредственно на этапе пролета. Основные съемки вблизи момента встречи с Ураном были скомпонованы в восьмичасовой 'подвижный блок', время начала которого можно было смещать с шагом 48 секунд с учетом реальной баллистической ситуации. В свою очередь, время начала радиозондирования атмосферы планеты выбиралось отдельно уже в пределах 'подвижного блока' с точностью до секунды.
    Резервные программы готовились на случай отказа CCS или одного из каналов компьютера подсистемы летных данных FDS (Flight Data System), ответственного за сбор и форматирование данных научных приборов. Кроме того, если бы азимутальный привод сканирующей платформы заклинило вновь в ходе 'генеральной репетиции', пришлось бы использовать резервную программу съемки с разворотами самого КА.
    А тем временем Voyager 2 взял за опорную звезду Канопус и продвигался к Урану. Текущие программы его работы, каждая на несколько недель, готовились на Земле и загружались на борт для исполнения в оперативном режиме. Загрузка программы занимала около 90 минут, не включая время ожидания 'квитанции' борта об ее приеме.
    Например, программа В602 действовала с 26 октября по 23 ноября 1981 г. и предусматривала 'малый научный маневр' 29 октября и калибровку УФ-спектрометра UVS и фотополяриметра PPS 2-5 ноября. Маневр Mini-CRSMVR (Mini Cruise Science Maneuver) включал два последовательных разворота КА - сначала на 1440њ по рысканью, затем на 1440њ по крену, то есть по четыре кувырка в каждом направлении. Записанные научные данные были переданы на Землю на следующие сутки. При калибровке опорными звездами были Вега и Канопус, а сканирующая платформа последовательно наводила приборы на Вегу, Сириус, Регул и звезду δ Скорпиона.
    Следует отметить, что астрономические наблюдения с использованием UVS велись регулярно в течение всех 4.5 лет полета к Урану. За это время были открыты два новых белых карлика, наблюдались катаклизмические переменные и цефеиды, изучалось распределение звезд по энергиям в диапазоне от 91.2 нм до видимого спектра.
    В 1982 г. активность аппарата была минимальна. Voyager 2 выполнял программы с В602 по В607. 13 апреля был проведен 'большой научный маневр' CRSMVR - 10 оборотов по рысканью и 25 по крену, а 20 октября - еще один 'малый'. (Разница между ними состояла в основном в объеме записанных данных: большой занимал ленту записывающего устройства почти полностью, а малый - лишь на 40%.) Кроме того, 20 сентября проводилась пробная съемка Урана и Нептуна узкоугольной телекамерой в составе съемочной системы ISS.
    29 апреля состоялся тест механизма фильтров фотополяриметра в ходе наблюдений δ Скорпиона. Ученые надеялись, что воздействие энергичных электронов за время полета могло улучшить его поведение, однако проба показала, что доступным остался все тот же неполный набор фильтров.
    6-7 декабря в память компьютера подсистемы летных данных FDS (канал В) был загружен и 8 декабря испытывался алгоритм кодирования данных Рида-Соломона.

Расчетная траектория пролета КА Voyager 2 в системе Урана

"ВОЯДЖЕР-2": УРАН

    Год 1983-й начался с тестирования гироскопов 20-21 января, дополненного калибровкой фотополяриметра по α Лиры и УФ-спектрометра по σ Стрельца, с возвращением в штатную ориентацию по Канопусу. 6-16 июня после временной переориентации КА на Фомальгаут проводилась калибровка спектрометров по ε Персея, а вот еще одна серия калибровочных снимков 19 октября не получилась. 12 мая и 9 ноября были выполнены малые научные маневры, а 7 июля - калибровка магнитометра (четыре оборота КА по крену). В сентябре также проводился тест приводов сканирующей платформы при малой скважности управляющих импульсов - это был вновь разработанный метод контроля их фактического состояния. Все перечисленные операции содержались в рабочих программах от В607 до В612.
    В 1984 г. разворотов для калибровки магнитометра было проведено два, 20 января и 24 июля, причем в первом случае было сделано четыре полных оборота, а во втором шесть. Дважды проводился и малый научный маневр - 24 мая и 20 ноября; после первого из них считать записанную информацию удалось лишь 10 июля,