Các kênh tin tức công nghệ gần đây đang xôn xao với những câu chuyện về tín hiệu lạ đến từ Voyager 1. Trong khi những người nghi ngờ thông thường đã chuyển sang kết luận thông thường - người ngoài hành tinh !! - trong trường hợp không có lời giải thích chắc chắn cho sự bất thường, một số người trong chúng tôi coi sự kiện này như một cơ hội để ngạc nhiên trước thực tế là hai tàu vũ trụ Voyager, hiện đã hơn 40 tuổi, vẫn thường xuyên liên lạc với chúng tôi. trở lại Trái đất, và điều này mặc dù đã bao phủ khoảng 20 tỷ km trong một trong những môi trường thù địch nhất có thể tưởng tượng được.
Giống như nhiều chương trình của NASA, Voyager đã vượt xa các mục tiêu thiết kế ban đầu và vẫn đang báo cáo lại các dữ liệu khoa học hữu ích cho đến ngày nay. Nhưng làm thế nào mà điều đó thậm chí có thể? Công nghệ vô tuyến từ những năm 1970 nào đã đưa nó vào hai tàu thăm dò vũ trụ cho phép nó không chỉ hoàn thành sứ mệnh chính là khám phá các hành tinh bên ngoài, mà còn cho phép họ thực hiện một sứ mệnh mở rộng đến không gian giữa các vì sao và vẫn giữ liên lạc hai chiều ? Hóa ra, không có gì kỳ diệu về đài của Voyager - chỉ là kỹ thuật vững chắc dày dặn với một chút dư thừa lành mạnh và một chút may mắn trong những năm qua.
Món ăn lớn
Đối với một chương trình xác định thời kỳ khám phá hành tinh sau Apollo theo nhiều cách, Voyager đã được hình thành sớm một cách đáng ngạc nhiên. Hồ sơ nhiệm vụ phức tạp bắt nguồn từ khái niệm "Hành tinh Grand Tour" vào giữa những năm 1960, được lên kế hoạch để tận dụng sự liên kết của các hành tinh bên ngoài sẽ xảy ra vào cuối những năm 1970. Nếu được phóng vào đúng thời điểm, một tàu thăm dò sẽ có thể tiếp cận Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương chỉ bằng cách sử dụng lực hấp dẫn sau lần tăng sức mạnh ban đầu của nó, trước khi bị văng ra trên một lộ trình cuối cùng sẽ đưa nó ra ngoài không gian giữa các vì sao.
Ý tưởng đến thăm tất cả các hành tinh bên ngoài quá hấp dẫn để từ bỏ, và với sự thành công của nhiệm vụ tiên phong chương trình Voyager đã được thiết kế để phục vụ cho việc diễn tập trang phục của sao Mộc. Giống như tất cả các chương trình của NASA, Voyager có một số mục tiêu nhiệm vụ chính nhất định, một tập hợp tối thiểu các thí nghiệm khoa học hành tinh mà các nhà quản lý dự án chắc chắn rằng họ có thể hoàn thành. Tàu vũ trụ Voyager được thiết kế để đáp ứng các mục tiêu nhiệm vụ cốt lõi này, nhưng các nhà lập kế hoạch cũng hy vọng rằng các phương tiện này sẽ tồn tại sau những lần chạm trán hành tinh cuối cùng của chúng và cung cấp dữ liệu có giá trị khi chúng vượt qua khoảng không. Và phần cứng, cả trong tàu vũ trụ và trên mặt đất, phản ánh hy vọng đó.
”Data-medium-file =” https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg?w=400 ″ data-large-file = ”https://hackaday.com/wp -content / uploads / 2022/05 / jpegPIA21480.jpg? w = 779 ″ loading = ”lazy” class = ”wp-image-537875 size-full” src = ”https://hackaday.com/wp-content/uploads /2022/05/jpegPIA21480.jpg ”alt width =” 2529 ″ height = ”2029 ″ srcset =” https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg 2529w, https: // hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg?resize=250,201 250w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg?resize=400,321 400w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg?resize=779,625 779w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg?resize = 1536,1232 1536w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/05/jpegPIA21480.jpg?resize=2048,1643 2048w ”kích thước =” (max-width: 2529px) 100vw, 2529px ”>
Đặc điểm vật lý nổi bật nhất của cả hai trạm mặt đất của Mạng không gian sâu (DSN) mà chúng tôi đã bao phủ sâu rồi, và bản thân tàu vũ trụ Voyager đã là ăng-ten đĩa hình parabol của chúng. Mặc dù quy mô có thể khác nhau - kính thiên văn thể thao DSN có chiều ngang lên tới 70 mét - cặp song sinh Voyager đều được phóng với đĩa lớn nhất có thể vừa với ống dẫn của phương tiện phóng Titan IIIE.
Ăng ten thu được cao của tàu du hành (HGA). Lưu ý quang học Cassegrain, cộng với thực tế là bộ phản xạ phụ chọn lọc tần số trong suốt với băng tần S (2.1 GHz) nhưng phản xạ băng tần X (8.4 GHz). Nguồn: 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/ uploads / 2022/05 / voyager-HGA.png ”alt width =” 392 ″ height = ”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 ”kích thước =” (max-width: 392px) 100vw, 392px ”>
Tấm phản xạ chính của Ăng-ten tăng cao (HGA) trên mỗi tàu vũ trụ Voyager là một đĩa hình parabol có đường kính 3.7 mét. Đĩa được làm từ nhôm tổ ong được bao phủ bởi một lớp da ép epoxy tẩm than chì. Bề mặt của tấm phản xạ được hoàn thiện ở độ mịn cao, với độ chính xác bề mặt là 250 μm, cần thiết để sử dụng ở cả băng tần S (2.3 GHz), được sử dụng cho đường lên và đường xuống và băng tần X (8.4 GHz), chỉ là đường xuống.
Giống như các đối tác ở phía Trái đất của chúng trong DSN, các ăng ten của Voyager là một thiết kế phản xạ Cassegrain, sử dụng một phản xạ phụ chọn lọc tần số (FSS) ở tâm điểm của phản xạ chính. Bộ phản xạ phụ tập trung và hiệu chỉnh các sóng băng tần X tới quay ngược lại về phía trung tâm của đĩa chính, nơi đặt sừng nạp băng tần X. Sự sắp xếp này cung cấp độ lợi khoảng 48 dBi và độ rộng chùm tia là 0.5 ° trên băng tần X. Cách sắp xếp băng tần S hơi khác một chút, với còi cấp dữ liệu nằm bên trong bộ phản xạ phụ. Bản chất chọn lọc tần số của vật liệu phản xạ phụ cho phép tín hiệu băng tần S đi qua nó và chiếu sáng trực tiếp vật liệu phản xạ chính. Điều này mang lại độ lợi khoảng 36 dBi trong băng tần S, với độ rộng chùm tia là 2.3 °. Ngoài ra còn có một ăng ten băng tần S độ lợi thấp với mẫu bức xạ cardioid nhiều hơn hoặc ít hơn nằm ở mặt quay về phía Trái đất của cụm phản xạ phụ, nhưng nó chỉ được sử dụng trong 80 ngày đầu tiên của sứ mệnh.
Hai là một
Ba trong số mười khoang trên mỗi bus của Voyager được dành riêng cho các bộ phát, bộ thu, bộ khuếch đại và bộ điều chế của Hệ thống con tần số vô tuyến hoặc RFS. Như với tất cả các nhiệm vụ không gian có rủi ro cao, dự phòng là tên của trò chơi - hầu hết mọi điểm lỗi tiềm ẩn trong RFS đều có một số loại dự phòng, một quyết định thiết kế kỹ thuật đã chứng minh khả năng tiết kiệm nhiệm vụ trong nhiều trường hợp trên cả hai. tàu vũ trụ trong 40 năm qua.
Ở phía đường lên, mỗi Voyager có hai máy thu siêu chuyển đổi kép băng tần S. Vào tháng 1978 năm XNUMX, chỉ một năm trước cuộc gặp gỡ theo lịch trình của nó với Sao Mộc, máy thu băng tần S chính trên Voyager 2 đã bị tắt bởi các thuật toán bảo vệ lỗi trên tàu vũ trụ không nhận được bất kỳ lệnh nào từ Trái đất trong một thời gian dài. Máy thu dự phòng đã được bật, nhưng người ta phát hiện có tụ điện không tốt trong mạch vòng bị khóa pha nhằm điều chỉnh cho các thay đổi tần số dịch chuyển Doppler chủ yếu do chuyển động của Trái đất. Người điều khiển sứ mệnh đã ra lệnh cho tàu vũ trụ chuyển trở lại máy thu chính, nhưng điều đó lại thất bại, họ rời đi Voyager 2 mà không có bất kỳ cách nào để được chỉ huy từ mặt đất.
May mắn thay, các quy trình bảo vệ lỗi đã bật lại bộ thu dự phòng sau một tuần không liên lạc, nhưng điều này khiến bộ điều khiển gặp trục trặc. Để tiếp tục nhiệm vụ, họ cần tìm cách sử dụng thiết bị thu dự phòng winky để chỉ huy tàu vũ trụ. Họ đã đưa ra một sơ đồ phức tạp trong đó bộ điều khiển DSN đoán tần số đường lên sẽ dựa trên sự dịch chuyển Doppler đã dự đoán. Vấn đề là, nhờ tụ điện kém, tín hiệu cần nằm trong phạm vi 100 Hz của tần số khóa của máy thu và tần số đó thay đổi theo nhiệt độ của máy thu, khoảng 400 Hz mỗi độ. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển cần thực hiện các bài kiểm tra hai lần một tuần để xác định tần suất khóa hiện tại, đồng thời để tàu vũ trụ ổn định nhiệt trong ba ngày sau khi liên kết bất kỳ lệnh nào có thể thay đổi nhiệt độ trên tàu vũ trụ.
Đường xuống đôi
”Data-medium-file =” https://hackaday.com/wp-content/uploads/2021/07/amplifier-opened.jpg?w=400 ″ data-large-file = ”https://hackaday.com /wp-content/uploads/2021/07/amplifier-opened.jpg?w=800 ″ loading = ”lazy” class = ”size-medium wp-image-487119 ″ src =” https://hackaday.com/wp -content / uploads / 2021/07 / ampli-opens.jpg? w = 400 ″ alt width = ”400 ″ height =” 179 ″ srcset = ”https://hackaday.com/wp-content/uploads/2021/07 /amplifier-opened.jpg 4043w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2021/07/amplifier-opened.jpg?resize=250,112 250w, https://hackaday.com/wp-content/uploads /2021/07/amplifier-opened.jpg?resize=400,179 400w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2021/07/amplifier-opened.jpg?resize=800,358 800w, https://hackaday .com / wp-content / uploads / 2021/07 / ampli-open.jpg? resize = 1536,687 1536w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2021/07/amplifier-opened.jpg? resize = 2048,916 2048w ”kích thước =” (max-width: 400px) 100vw, 400px ”>
Về phía máy phát, cả máy phát băng tần X và băng tần S đều sử dụng các bộ kích thích và bộ khuếch đại riêng biệt, và mỗi bộ lại sử dụng nhiều bộ để dự phòng. Mặc dù đường xuống chủ yếu thông qua bộ phát băng tần X, một trong hai bộ kích thích băng tần S có thể được đưa vào một trong hai bộ khuếch đại công suất khác nhau. Bộ khuếch đại trạng thái rắn (SSA) cung cấp đầu ra công suất có thể lựa chọn là 6 W hoặc 15 W cho đầu nguồn, trong khi một đầu ra riêng bộ khuếch đại ống sóng du lịch (TWTA) cung cấp 6.5 W hoặc 19 W. Các bộ kích thích băng tần X kép, sử dụng các bộ kích thích băng tần S làm tham chiếu tần số của chúng, sử dụng một trong hai TWTA chuyên dụng, mỗi bộ trong số đó có thể gửi 12 W hoặc 18W đến ăng-ten có độ lợi cao .
Dự phòng được tích hợp trong phía đường xuống của hệ thống vô tuyến sẽ đóng một vai trò trong việc cứu nhiệm vụ chính trên cả hai tàu vũ trụ. Vào tháng 1987 năm XNUMX, Voyager 1 bị thất bại trong một trong các TWTA của X-band. Hơn một năm sau, Voyager 2 đã trải qua cùng một vấn đề. Cả hai tàu vũ trụ đều có thể chuyển sang TWTA khác, cho phép Voyager 1 để gửi lại sự nổi tiếng "Chân dung gia đình" của hệ Mặt trời bao gồm hình ảnh Chấm xanh nhạt của Trái đất và cho Voyager 2 để gửi dữ liệu trở lại từ chuyến bay của nó trên Sao Hải Vương vào năm 1989.
Chậm hơn và chậm hơn
Hệ thống vô tuyến trên hệ thống Voyager chủ yếu được thiết kế để hỗ trợ các flybys hành tinh, và do đó đã được tối ưu hóa để truyền tải càng nhiều dữ liệu khoa học về DSN càng tốt. Các phương pháp tiếp cận gần với từng hành tinh bên ngoài có nghĩa là mỗi tàu vũ trụ được tăng tốc đáng kể trong suốt quá trình bay, ngay tại thời điểm sản xuất dữ liệu tối đa từ mười công cụ khoa học trên tàu. Để tránh tắc nghẽn, mỗi Voyager bao gồm Máy ghi băng kỹ thuật số (DTR), về cơ bản là một boong băng 8 rãnh lạ mắt, để đệm dữ liệu khoa học cho đường xuống sau này.
Ngoài ra, khoảng cách ngày càng tăng đến mỗi Voyager đã làm giảm đáng kể băng thông có sẵn cho dữ liệu khoa học đường xuống. Khi tàu vũ trụ thực hiện lần bay đầu tiên trên Sao Mộc, dữ liệu truyền trực tuyến với tốc độ tương đối nhanh 115,200 bit mỗi giây. Giờ đây, với việc các tàu vũ trụ đang tiến đến cách chúng ta một ngày ánh sáng hoàn toàn, dữ liệu chỉ nhỏ giọt với tốc độ 160 bps. Các lệnh được liên kết thậm chí còn chậm hơn, chỉ 16 bps và được phát ra trong không gian từ ăng-ten đĩa 70 mét của DSN bằng cách sử dụng công suất 18 kW. Mất đường dẫn lên trong khoảng cách 23 tỷ km hiện tại tới Voyager 1 vượt quá 200 dB; ở phía đường xuống, kính thiên văn DSN phải phát hiện ra một tín hiệu đã mờ dần về mức công suất (10-18 W) phạm vi.
Rằng hệ thống vô tuyến của Voyager 1 và Voyager 2 đã làm việc trong khi họ vẫn đang trong phần chính của sứ mệnh hành tinh của họ là một thành tựu kỹ thuật đáng được kỷ niệm. Việc cả hai tàu vũ trụ vẫn liên lạc được với nhau, bất chấp những thách thức của bốn thập kỷ trong không gian và nhiều lỗi hệ thống, gần như là một điều kỳ diệu.
