Технико-экономическое обоснование проекта подготовила за два с половиной месяца тогда все делалось быстро компания Space Technology Laboratories (STL) из Редондо-Бич, пригорода Лос-Анджелеса. Результаты были представлены заместителю администратора NASA Роберту Симансу в июне 1962 г., а 9 ноября он подписал документ об утверждении проекта. Кооперация в сущности уже сложилась, но по требованию головного офиса NASA был проведен двухэтапный конкурс, который выиграла STL. В августе 1963 г. ей был выдан предварительный, а в июле 1964 г. окончательный контракт. В июле 1965 г. STL была преобразована в TRW Systems Group, а 16 декабря 1965 г. стартовал первый из пяти изготавливаемых ею межпланетных зондов.
Проектное название этого КА было «Пионер-A» (Pioneer A). После успешного запуска ему дали имя «Пионер-6», хотя с предыдущими лунными «Пионерами» у него не было ничего общего, а с «Пионером-5», исследовавшим в марте июне 1960 г. пространство между орбитами Земли и Венеры, новый зонд состоял разве что в идейном родстве. Следующие аппараты с буквенными индексами от B до E запускались ежегодно с 1966 по 1969 г. Три стартовали удачно и получили названия от «Пионера-7» до «Пионера-9»; последний аппарат серии, собранный ради экономии средств из запчастей, погиб из-за отказа навигационной системы ракеты-носителя.
Согласно проекту, гарантированное время работы каждого аппарата составляло шесть месяцев. В самых смелых мечтах команда Чарльза Холла не могла себе представить, сколько они проработают на самом деле! На протяжении многих лет четыре цилиндрических, стабилизированных вращением «Пионера» передавали информацию о состоянии межпланетной среды на расстояниях от 0,75 до 1,12 а.е. от Солнца. Бортовые приборы сообщали о силе межпланетного магнитного поля, об ионах и электронах солнечного ветра, о плотности электронной плазмы, о солнечных и галактических космических лучах. «Пионер-9» вышел из строя в 1983 г. Эпизодические контакты с тремя остальными аппаратами осуществлялись до 31 марта 1997 г., а последний сеанс связи с «Пионером-6» состоялся 8 декабря 2000 г., через 35 лет после запуска!
Отличная работа первых аппаратов серии свидетельствовала о хорошей продуманности проекта и качественной реализации. Появилось желание расширить зону исследования межпланетных «Пионеров», причем как во внутреннем направлении, то есть к орбите Меркурия и даже ближе к Солнцу, так и в наружном до орбиты Юпитера.
Первую заявку на развитие проекта NASA сделало в проекте бюджета на 1969 ф.г.[12], представленном в Конгресс 29 января 1968 г. Два новых аппарата, уже тогда получившие обозначения «Пионер-F» и «Пионер-G», должны были совершить полет «за орбиту Марса, через пояс астероидов и к орбите Юпитера». В качестве научных задач были названы определение «градиента влияния Солнца на межпланетное пространство и проникновения галактического космического излучения в Солнечную систему». Запустить их планировалось в 19731974 гг.
Подчеркнем, что новые «Пионеры» сначала не предназначались для изучения Юпитера, а тем более Сатурна. NASA надеялось лишь выполнить облет планеты с гравитационным маневром и достичь за счет этого еще бóльших расстояний от Солнца. Совершая полет на спаде солнечной активности и в период ее минимума, эти зонды могли бы, как верили тогда ученые, «изучить положение границы между солнечной короной и межзвездной средой». Буквально этими словами Джон Ногл обосновывал сроки стартов на слушаниях в Конгрессе 19 февраля 1968 г. Говоря современным языком, речь шла о гелиопаузе границе областей господства солнечного ветра и межзвездного вещества. Тогда ученые всерьез полагали, что она может находиться сразу за орбитой Юпитера или даже перед нею, и если это так, то «Пионеры» могли бы первыми проникнуть в межзвездную среду.
Конгресс в законе о разрешении финансирования одобрил проект «Пионер-F/G», и 20 августа 1968 г. Исследовательскому центру имени Эймса было предписано начать работу. Подрядчиком вновь стала фирма TRW Systems уже в октябре она представила в Центр Эймса аванпроект нового зонда-разведчика по теме «Пионер-Юпитер». Внешне он был не очень похож на те, что стартовали в действительности, достаточно сказать, что в основном варианте питание предполагалось от шести больших панелей солнечных батарей. А вот носители, годы старта и траектории выбрали уже тогда.
В январе 1969 г. в составе проекта бюджета на 1970 ф.г. впервые были запрошены средства на создание двух КА в рамках общей программы «Пионер». Теперь уже достижение Юпитера значилось официальной целью нового проекта, как и оценка потенциальных угроз для «Большого тура». Предстояло измерить свойства заряженных частиц, магнитных полей и радиоизлучения вблизи Юпитера. На основании этих данных можно было изучить состав и динамику атмосферы планеты и ее взаимодействие с межпланетной средой, а также проанализировать тепловой баланс Юпитера и разобраться с источником его внутренней энергии. Однако еще только рассматривалась возможность поставить на «Пионеры» какую-нибудь телевизионную систему для съемки планеты[13].
Теперь два старта планировались в 1972 и 1973 гг. Аппараты проектировали под носитель «Атлас-Центавр» с дополнительной третьей ступенью, однако NASA намеревалось отправить первый из них на ракете «Титан-Центавр», чтобы испытать ее перед двумя запусками «Викингов» к Марсу весной 1973 г.
Тогда же и в рамках той же программы у Конгресса запросили деньги на совместный межпланетный проект Западной Германии и США под названием «Гелиос» (Helios) с той самой целью, с которой все началось: измерить свойства космической среды вплоть до дистанции 0,3 а.е. от Солнца. Роль головного разработчика взяла на себя ФРГ, которая в основном и финансировала два новых солнечных зонда, а США поставляли часть научной аппаратуры и обеспечивали запуски в 1974 и 1975 гг.
Средств на новые «Пионеры» и на приборы для «Гелиосов» требовалось немного, так что Конгресс не стал упрямиться и деньги выделил. Проект отправки двух «Пионеров» к Юпитеру был утвержден руководством NASA 8 февраля 1969 г. Руководили работами те же люди, что и отвечали за создание зондов предыдущей серии. Менеджером проекта остался Чарльз Холл, глава специального проектного отдела Центра Эймса. Разработку служебного борта вел Ральф Холтцклау, а комплекса научной аппаратуры Джозеф Лепетич. Роль научного руководителя проекта взял на себя д-р Джон Вулф, он же руководитель эксперимента по изучению солнечного ветра.
Контракт на разработку, изготовление, испытания и поставку двух одинаковых КА общей стоимостью 38 млн долларов был выдан 11 февраля 1970 г. компании TRW Systems. На фирме проект вел Бернард О'Брайен.
В январе 1970 г. старты «Викингов» были отложены с весны 1973-го на лето 1975 г. Как следствие, отпала необходимость в испытательном пуске ракеты «Титан-Центавр» в 1972 г.[14], и единственным носителем «Пионеров» остался «Атлас-Центавр» компании General Dynamics/Convair с дополнительным разгонным блоком TE-M-3644. Фактически это была верхняя ступень от ракеты «Дельта» с твердотопливным двигателем тягой 6800 кгс от фирмы Thiokol Chemical Company. Эта комбинация обеспечивала для аппарата стартовой массой 258 кг при прямом выведении (без промежуточной опорной орбиты) отлетную скорость 14,5 км/с и достижение Юпитера через 600750 суток.
Чтобы зонд влез под головной обтекатель диаметром 3,05 м, параболическую остронаправленную антенну высокого усиления HGA[15] сделали диаметром 2,74 м. В частотном диапазоне S она имела коэффициент усиления 33 дБ[16] при ширине луча 3,3°. Над ее чашей на трехногой опоре на высоту 1,2 м была вынесена рупорная антенна среднего усиления MGA, дающая 12 дБ усиления в луче шириной 32°. Высота аппарата от кольца адаптера для установки на третьей ступени ракеты-носителя (РН) и до антенны MGA составила 2,9 м.
Корпус станции был выполнен в виде шестиугольной призмы высотой 0,36 м и диаметром описанной окружности 1,42 м стороны соответственно были по 0,71 м, то есть ровно по одному аршину в ширину. С одного бока к корпусу крепился контейнер с научной аппаратурой, тоже шестиугольный, толщиной 0,49 м, с другого блок оптических датчиков космической пыли. Между корпусом и антенной HGA располагалась третья антенна всенаправленная низкого усиления LGA (5 дБ).
В проекте «Пионер-F/G» впервые в практике автоматических межпланетных КА был применен радиоизотопный источник питания. Как известно, мощность, приходящая от Солнца на единицу площади, ослабевает как квадрат расстояния, и уже у Юпитера она в 26 раз меньше, чем у Земли. Сейчас существуют высокоэффективные фотоэлементы, способные давать достаточное питание на таком расстоянии от светила. В начале 1970-х это еще было фантастикой.
Поэтому аппарат был запитан от радиоизотопных генераторов SNAP-19 на плутонии-238, изготовленных компанией Teledyne Isotopes из топливных дисков Лос-Аламосской лаборатории и оснащенных термоэлектрическими преобразователями. Четыре таких генератора вместе выдавали 155 Вт электрической мощности при запуске и 140 Вт к моменту достижения Юпитера. Для питания систем КА было нужно 100 Вт, для научной аппаратуры еще 26 Вт. Избытком мощности заряжали серебряно-кадмиевую аккумуляторную батарею либо излучали его через шунт-радиатор. Бортовая сеть работала при напряжении 28 В.
Чтобы генераторы создавали как можно меньше помех научной аппаратуре, их установили попарно на концах двух ферменных штанг, отводимых в сторону от корпуса на 2,7 м. На третьей штанге длиной 5,2 м разместили датчик магнитометра, так что он отстоял на 6,6 м от оси. Таким образом, аппарат был не вполне симметричен, и ось вращения его отстояла от оси антенны HGA примерно на 20 см.
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
238
Pu (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
238
Pu 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