기술 뉴스 채널은 최근에 대한 이야기로 떠들썩했습니다. 돌아오는 이상한 신호 보이저 1. 평범한 용의자들이 뻔한 결론을 내리면서 - 외계인!! — 변칙성에 대한 확고한 설명이 없는 상황에서 우리 중 일부는 이 사건을 40년이 넘은 두 대의 보이저 우주선이 여전히 우리의 우주선과 지속적으로 접촉하고 있다는 사실에 경탄할 기회로 보았습니다. 이것은 상상할 수 있는 가장 적대적인 환경 중 하나에서 약 20억 킬로미터를 커버했음에도 불구하고 지구로 돌아왔습니다.
많은 NASA 프로그램과 마찬가지로 Voyager는 원래 설계 목표를 훨씬 초과했으며 오늘날까지 유용한 과학 데이터를 보고하고 있습니다. 그러나 어떻게 그것이 가능합니까? 1970년대 시대의 무선 기술은 쌍둥이 우주 탐사선에 탑재되어 외부 행성을 탐험하는 주요 임무를 수행할 뿐만 아니라 성간 공간으로 확장된 임무를 수행하고 양방향 접촉을 유지하도록 했습니다. ? 밝혀진 바와 같이 Voyager의 라디오에는 마법 같은 것이 없습니다. 건강한 이중화로 맛을 낸 견고한 엔지니어링과 몇 년 동안 상당한 행운을 빕니다.
큰 접시
여러 면에서 아폴로 이후의 행성 탐사 시대를 정의한 프로그램의 경우 보이저는 놀라울 정도로 일찍 구상되었습니다. 복잡한 임무 프로필은 1960년대 후반에 발생할 외부 행성의 정렬을 이용하기 위해 계획된 1970년대 중반의 "Planetary Grand Tour" 개념에서 시작되었습니다. 적시에 발사된다면, 탐사선은 초기 동력 부스트 후에 중력 지원만을 사용하여 목성, 토성, 천왕성 및 해왕성에 도달할 수 있을 것이며, 결국에는 성간 공간으로 그것을 데려갈 코스로 튕겨져 나갈 것입니다.
모든 외부 행성을 방문한다는 아이디어는 너무 매력적이어서 그냥 지나칠 수 없었습니다. 개척자 임무 드레스 리허설로 사용되는 목성에 보이저 프로그램이 설계되었습니다. 모든 NASA 프로그램과 마찬가지로 보이저에는 프로젝트 관리자가 달성할 수 있다고 합리적으로 확신할 수 있는 최소한의 행성 과학 실험인 특정 주요 임무 목표가 있었습니다. 보이저 우주선은 이러한 핵심 임무 목표를 달성하도록 설계되었지만 계획자들은 또한 우주선이 마지막 행성 조우 후에도 생존하고 공허를 넘을 때 귀중한 데이터를 제공하기를 희망했습니다. 따라서 우주선과 지상의 하드웨어는 그 희망을 반영합니다.
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DSN(Deep Space Network)의 두 지상국의 가장 두드러진 물리적 특징은 깊이 포함 이미 Voyager 우주선 자체가 포물선 안테나입니다. 규모는 다를 수 있지만 DSN 스포츠 망원경은 최대 70미터까지 확장할 수 있지만 Voyager 쌍둥이는 각각 Titan IIIE 발사체의 페어링에 들어갈 수 있는 가장 큰 접시와 함께 발사되었습니다.
보이저 고이득 안테나(HGA). Cassegrain 광학과 S-대역(2.1GHz)에 투명하지만 X-대역(8.4GHz)을 반사하는 주파수 선택 부반사체에 주목하십시오. 출처: NASA/JPL" data-medium-file="https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/voyager-HGA.png?w=378" data-large-file=”https://hackaday.com /wp-content/uploads/2022/05/voyager-HGA.png?w=590″ loading=”lazy” class=”wp-image-537874″ src=”https://hackaday.com/wp-content/ 업로드/2022/05/voyager-HGA.png” alt 너비=”392″ 높이=”415″ srcset=”https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/voyager-HGA.png 970w , https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/voyager-HGA.png?resize=236,250 236w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/voyager- HGA.png?resize=378,400 378w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/voyager-HGA.png?resize=590,625 590w” 크기=”(최대 너비: 392px) 100vw, 392px">
각 보이저 우주선에 있는 고이득 안테나(HGA)의 주요 반사체는 직경 3.7미터의 포물선 모양의 접시입니다. 접시는 흑연이 함침된 에폭시 라미네이트 스킨으로 덮인 벌집형 알루미늄으로 만들어졌습니다. 반사경의 표면은 상향 및 하향링크에 사용되는 S-band(250GHz)와 X-band(2.3GHz) 모두에서 사용되는 8.4μm의 표면 정밀도로 높은 평활성으로 마감되었습니다. GHz), 이는 다운링크 전용입니다.
DSN의 지구 결합 안테나와 마찬가지로 Voyager 안테나는 Cassegrain 반사기 설계로, 주 반사기의 초점에 FSS(Frequency Selective Subreflector)를 사용합니다. 서브리플렉터는 X-밴드 피드 혼이 있는 기본 접시의 중앙을 향해 들어오는 X-밴드 파동을 초점을 맞추고 수정합니다. 이 배열은 X-대역에서 약 48dBi의 이득과 0.5°의 빔폭을 제공합니다. S-밴드 배열은 서브리플렉터 내부에 위치한 피드 혼과 함께 약간 다릅니다. 부반사체 재료의 주파수 선택 특성으로 인해 S-대역 신호가 바로 통과하여 기본 반사체를 직접 밝힐 수 있습니다. 이것은 36°의 빔폭으로 S-대역에서 약 2.3dBi의 이득을 제공합니다. 또한 서브리플렉터 어셈블리의 지구를 향하는 쪽에 위치한 다소의 단일지향성 방사 패턴을 가진 저이득 S-밴드 안테나가 있지만 이는 임무의 처음 80일 동안만 사용되었습니다.
둘은 하나
각 Voyager의 버스에 있는 40개의 베이 중 XNUMX개는 RFS(Radio Frequency Subsystem)의 송신기, 수신기, 증폭기 및 변조기 전용입니다. 모든 고위험 우주 임무와 마찬가지로 이중화는 게임의 이름입니다. RFS의 거의 모든 잠재적인 단일 실패 지점에는 일종의 백업이 있습니다. 두 가지 모두에서 둘 이상의 인스턴스에서 임무 절약이 입증된 엔지니어링 설계 결정입니다. 지난 XNUMX년간 우주선.
업링크 측면에서, 각 Voyager에는 1978개의 S-대역 이중 변환 슈퍼헤트 수신기가 있습니다. XNUMX년 XNUMX월, 예정된 목성과 조우하기 불과 XNUMX년 전인 XNUMX년 XNUMX월. 보이저 2 우주선의 결함 보호 알고리즘으로 인해 오랜 기간 동안 지구에서 명령을 수신하지 못했습니다. 백업 수신기가 켜져 있었지만 주로 지구의 움직임으로 인한 주파수의 도플러 편이 변화를 조정하기 위한 위상 고정 루프 회로에 불량 커패시터가 있는 것으로 나타났습니다. 미션 컨트롤러는 우주선에 기본 수신기로 다시 전환하도록 명령했지만 다시 실패하여 보이저 2 지상에서 명령을 받을 방법도 없이.
운 좋게도 오류 보호 루틴은 통신이 없는지 일주일 후에 백업 수신기를 다시 켰지만 이로 인해 컨트롤러가 잼에 빠졌습니다. 임무를 계속하기 위해 그들은 이상한 백업 수신기를 사용하여 우주선을 지휘할 방법을 찾아야 했습니다. 그들은 DSN 컨트롤러가 예측된 도플러 이동을 기반으로 업링크 주파수가 무엇인지 추측하는 복잡한 방식을 생각해 냈습니다. 문제는 불량 커패시터로 인해 신호가 수신기의 잠금 주파수의 100Hz 이내에 있어야 하고 그 주파수가 수신기의 온도에 따라 400도당 약 XNUMXHz씩 변한다는 것입니다. 즉, 컨트롤러는 현재 잠금 주파수를 결정하기 위해 일주일에 두 번 테스트를 수행해야 하며 우주선의 온도를 변경할 수 있는 명령을 업링크한 후 XNUMX일 동안 우주선이 열적으로 안정화되도록 해야 합니다.
더블 다운링크
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전송 측에서 X-대역 및 S-대역 송신기는 모두 별도의 여자기와 증폭기를 사용하며 중복성을 위해 각각의 배수를 사용합니다. 다운링크는 주로 X대역 송신기를 통해 이루어지지만 두 개의 S대역 여기기 중 하나는 두 개의 서로 다른 전력 증폭기 중 하나로 공급될 수 있습니다. 솔리드 스테이트 증폭기(SSA)는 피드혼에 6W 또는 15W의 선택 가능한 전력 출력을 제공하는 반면 별도의 진행파관 증폭기(TWTA) 6.5W 또는 19W 제공 .
무선 시스템의 다운링크 측면에 내장된 중복성은 두 우주선의 주요 임무를 저장하는 역할을 합니다. 1987년 XNUMX월, 보이저 1 X-band TWTA 중 하나에서 실패했습니다. XNUMX년 조금 더 지난 후, 보이저 2 같은 문제를 경험했습니다. 두 우주선 모두 다른 TWTA로 전환할 수 있었습니다. 보이저 1 유명인을 돌려보내기 위하여 태양계의 "가족 초상화" 지구의 창백한 푸른 점 그림을 포함하여 보이저 2 1989년 해왕성 비행에서 데이터를 다시 보내기 위해
더 천천히
보이저 시스템의 무선 시스템은 주로 행성 플라이바이를 지원하도록 설계되었으므로 가능한 한 많은 과학 데이터를 DSN으로 다시 스트리밍하도록 최적화되었습니다. 외부 행성 각각에 근접하게 접근한다는 것은 각 우주선이 비행 중에 극적으로 가속된다는 것을 의미했으며, 바로 그 순간에 탑재된 XNUMX개의 과학 장비에서 최대 데이터 생성이 이루어졌습니다. 병목 현상을 피하기 위해 각 Voyager에는 디지털 테이프 레코더(DTR), 본질적으로 멋진 8트랙 테이프 데크였으며, 이후 다운링크를 위해 과학 데이터를 버퍼링했습니다.
또한 각 Voyager까지의 거리가 멀어짐에 따라 과학 데이터를 다운링크하는 데 사용할 수 있는 대역폭이 크게 감소했습니다. 우주선이 목성을 처음 비행했을 때 데이터는 초당 115,200비트의 비교적 빠른 속도로 스트리밍되었습니다. 이제 우주선이 160광일 거리에 가까워지면서 데이터는 16bps로 떨어집니다. 업링크된 명령은 훨씬 더 느리고 70bps에 불과하며 18kW의 전력을 사용하여 DSN의 23미터 접시 안테나에서 공간을 가로질러 발사됩니다. 현재 XNUMX억 킬로미터 거리에 대한 업링크 경로 손실 보이저 1 200dB 초과; 다운링크 측에서 DSN 망원경은 attowatt(10-18 여) 범위.
그 무선 시스템의 보이저 1 과 보이저 2 그들이 여전히 행성 임무의 주요 부분에 있는 동안 전혀 일하지 않았다는 것은 축하할 가치가 있는 기술적 성취입니다. 우주에서의 XNUMX년의 도전과 여러 시스템 오류에도 불구하고 두 우주선이 여전히 통신하고 있다는 사실은 거의 기적에 가깝습니다.
