Алан Стерн - За новыми горизонтами. Первый полет к Плутону

Как мы уже упоминали ранее, «Новые горизонты» столкнулись с чрезвычайно трудной задачей: подготовить и провести экспедицию, уложившись в более скромный бюджет, чем их предшественник «Вояджер». Если учитывать инфляцию, то средств было в пять раз меньше, и это заставляло серьезно поразмыслить о том, как и где имеет смысл экономить деньги, а где скупердяйничать не стоит.

Создание нового космического аппарата обходится очень дорого, поскольку каждая его часть и каждый процесс должны быть проверены и подтверждены, чтобы убедиться: машина перенесет тяготы далекого путешествия, в котором рядом с ней никого не будет. Чтобы сэкономить и одновременно повысить надежность, в «Новых горизонтах» использовались разработки электронной техники для предыдущих межпланетных экспедиций Лаборатории прикладной физики. Где только возможно, команда старалась не начинать работу с чертежей. Например, Лаборатория прикладной физики почти полностью скопировала систему передачи команд и данных со своих только что законченных аппаратов «Мессенджер» и «Контур», а Юго-Западный исследовательский институт собрал ультрафиолетовый спектрометр Alice «по мотивам» подобного спектрометра, разработанного для полета орбитальной АМС «Розетта» к комете.

В «Новых горизонтах» были значительно усовершенствованы системы связи, позволяющие передавать и получать информацию в обе стороны: с Земли на зонд — команды, а данные и информацию о «состоянии здоровья» (телеметрию) — с зонда на Землю. Как мы уже говорили, команда «Новых горизонтов» приняла решение понизить функциональные возможности системы связи у Плутона, потому что антенны имеют большой вес, а для передачи из глубокого космоса требуется много энергии. Также подобное уменьшение скорости передачи данных экономило средства, чтобы уложиться в бюджет, выделенный NASA. Но это означало, что после пролета Плутона потребуется больше года на то, чтобы передать всю собранную информацию на Землю. Алан сказал команде: «Если мы не уложимся в финансовые рамки, то вообще никуда не полетим. Я понимаю, что вы бы предпочли передавать данные побыстрее, но, если мы действительно хотим отправиться к Плутону, мы должны не превышать смету NASA, а это означает: нам придется идти на компромиссы».

Мудрые конструкторские решения для создания экономной и почти невесомой системы связи для «Новых горизонтов» являются всего лишь одним из примеров того, как принималось множество решений — от двигателя и управления полетом до хранения данных и регулирования температуры, — чтобы создать космический аппарат, направляющийся к внешним планетам и полностью меняющий все представления о том, сколько должен стоить такой полет.

Чтобы добраться до Плутона так быстро, как только возможно, команде «Новых горизонтов» требовалось построить очень легкий космический аппарат и обзавестись мощной ракетой. Такое сочетание (вместе с гравитационным маневром в поле притяжения Юпитера) было способом добиться самой высокой возможной скорости для того, чтобы достичь границ Солнечной системы. В то время, когда начинался проект «Новые горизонты», в США не было достаточно мощной ракеты, готовой к эксплуатации, но в разработке находились две новые ракеты-носителя. Lockheed Martin строил новую тяжелую ракету «Атлас-5», а Boeing — «Дельту IV». Обе ракеты были громадные — более 60 м высотой каждая — и способны развить тягу в сотни тонн.

Boeing и Lockheed Martin жестко соперничали, сражаясь за контракты на каждый пуск. В 2002 и 2003 гг., когда аппарат только проектировался, NASA и команда «Новых горизонтов» тщательно выбирали между двумя ракетами, сравнивая, например, то, как на каждую из них устанавливается космический аппарат, а также их различные энергетические возможности, ускорение, условия воздействия вибраций и стоимость. В конце концов победила «Атлаc V», отчасти из-за того, что должна была быть готова раньше, и планировалось, что до 2006 г. пройдет больше ее пусков.

Для запуска «Новых горизонтов» была выбрана самая мощная версия «Атласа V», имеющая цифровое обозначение 551. Первая ступень этого монстра имеет высоту 32 м и 3,81 м в диаметре. На ней установлен мощный двигатель, построенный в России [17] Жидкостный ракетный двигатель РД-180. — Прим. пер. , внутри которого сгорают жидкий кислород и керосин. К первой ступени крепятся пять гигантских твердотопливных ракетных ускорителей, которые начинают работать одновременно с ней. Вместе им предстояло разогнать «Новые горизонты» (и верхние ступени ракеты) до гиперзвуковой скорости, превышающей 16 000 км/ч. В качестве второй ступени используется разгонный блок «Центавр». Он имеет высоту 13 м и дает тягу 10,1 т. На второй ступени стоит американский двигатель компании Aerojet Rocketdyne RL-10. Особенно важно, что «Центавр» можно запустить и остановить несколько раз, для того чтобы направить «Новые горизонты» на верный курс к Юпитеру.

«Центавр» и «Новые горизонты» венчал обтекатель ракеты, то есть носовой конус, разработанный для того, чтобы защитить аппарат от мощного напора, возникающего из-за набегающего воздушного потока во время старта. Для «Новых горизонтов» заказали самый легкий носовой конус, который позволял сэкономить вес и еще больше улучшить характеристики запуска «Атласа V» в конфигурации 551.

Тем не менее даже этой максимальной конфигурации ракеты-носителя было недостаточно, чтобы отправить «Новые горизонты» в путешествие к Плутону. «Центавр» мог поднять аппарат на околоземную орбиту, а затем отправить его на траекторию, позволяющую добраться до пояса астероидов за орбитой Марса. Но чтобы достичь рабочих характеристик, дающих возможность добраться до Юпитера, а затем — до Плутона, было необходимо добавить к «Атласу V» построенную по заказу третью ступень. Команда «Новых горизонтов» выбрала чрезвычайно надежную, хорошо себя показавшую твердотопливную ракетную ступень под названием STAR 48. Эта ступень, которая работала всего 82 секунды, должна была создать ускорение почти в 14 g и, таким образом, сделать «Новые горизонты» самым быстрым космическим аппаратом, когда-либо запущенным людьми, способным достичь орбиты Луны в десять раз быстрее, чем «Аполлоны», и лететь с этой скоростью почти десять лет, чтобы преодолеть 4,8 млрд км до Плутона.

Как можно обеспечить электричеством космический аппарат, которому предстоит путешествовать по крайней мере десять лет и так далеко отойти от Солнца, что до этого места доходят только тысячные доли того света, который мы получаем на Земле? Солнечные батареи там не будут работать, а никакой аккумулятор не является достаточно мощным и легким, чтобы проработать в течение десяти лет. Но при естественном радиоактивном распаде плутония (элемента, который был открыт в 1940 г. и назван в честь Плутона) тепло выделяется без сбоев, и оно может быть превращено в электричество. Именно по этой причине термоэлектрические генераторы с плутониевым топливом являются оптимальным выбором источников питания для межпланетных экспедиций в глубокий космос, к самым отдаленным от Солнца планетам. Но в использовании работающего на плутонии генератора есть свои сложности. Некоторые из них относятся к техническим проблемам, другие — к политическим или нормативно-правовым.