Почему «Кассини» добирался до Сатурна через Венеру, Землю и Юпитер

Сатурн находится от Солнца дальше, чем Земля, Марс и Юпитер. Станция «Кассини-Гюйгенс» стартовала к нему с мыса Канаверал 15 октября 1997 года и первым делом пошла в противоположную сторону, к орбите Венеры. Со стороны маршрут напоминал ошибку навигатора. Прямой дороги к Сатурну у этого аппарата просто не было.

Масса, скорость и топливо

Ракета Titan IVB с верхней ступенью «Центавр» стартовала 15 октября 1997 года в 08:43 по всемирному времени. Станция вместе с зондом «Гюйгенс» весила около 5,6 тонны. Возможностей ракеты-носителя и запаса топлива станции не хватало для прямого перелёта к Сатурну. Поэтому «Кассини» отправили по маршруту с гравитационными манёврами у нескольких планет.

«Центавр» включался дважды. Первый запуск двигателя вывел аппарат на промежуточную орбиту вокруг Земли. Через 17 минут ступень сработала снова и направила «Кассини» к Венере. Путешествие до Сатурна заняло 6,7 года.

Миссию совместно разрабатывали NASA, Европейское космическое агентство и Итальянское космическое агентство. Её главной задачей было подробно изучить Сатурн, его кольца и спутники, а также доставить на Титан спускаемый зонд «Гюйгенс». Европейское космическое агентство создало «Гюйгенс», а итальянские специалисты внесли большой вклад в разработку антенны связи.

Ключом к маршруту стал гравитационный манёвр. При пролёте мимо движущейся планеты её гравитация меняла скорость и направление движения аппарата относительно Солнца. Энергия для этого изменения поступала от орбитального движения планеты, поэтому сам манёвр не требовал расхода топлива. Из-за огромной разницы в массах движение планеты практически не менялось.

Инженеры рассчитали последовательность пролётов так, чтобы каждый манёвр помогал станции выйти на следующий участок маршрута и набрать скорость, необходимую для полёта к Сатурну.

Подобный подход уже использовали при подготовке миссии «Галилео» к Юпитеру. Изначально аппарат планировали запустить в 1986 году с борта шаттла, используя мощную ступень «Центавр» для разгона. Но 28 января 1986 года шаттл «Челленджер» разрушился вскоре после старта. После катастрофы NASA отказалось от использования «Центавра» на шаттлах.

Для «Галилео» выбрали менее мощную ступень IUS. Её энергии не хватало для прямого перелёта к Юпитеру, поэтому инженеры пересчитали маршрут: сначала аппарат должен был пролететь мимо Венеры, затем дважды — мимо Земли. Гравитация этих планет обеспечивала необходимое изменение скорости.

«Галилео» стартовал 18 октября 1989 года и 10 февраля 1990 года прошёл мимо Венеры. Маршрут получил название VEEGA — по первым буквам английских слов Venus, Earth, Earth, Gravity Assist, то есть «Венера — Земля — Земля — гравитационный манёвр».

Для «Кассини» рассчитали собственную схему — VVEJGA: Венера, Венера, Земля, Юпитер. Четыре гравитационных манёвра позволили станции набрать необходимую скорость и добраться до Сатурна.

Сначала к Венере

Венера находится ближе к Солнцу, чем Земля: 108 против 150 миллионов километров. Именно поэтому после старта «Кассини» направился к ней. Этот пролёт был первым этапом заранее рассчитанного маршрута к Сатурну.

26 апреля 1998 года станция пролетела всего в 284 километрах над поверхностью Венеры. Скорость относительно планеты составляла 11,8 километра в секунду. Гравитация Венеры изменила направление движения «Кассини» и увеличила его скорость относительно Солнца примерно на 7,3 километра в секунду. Для этого не понадобилось включать двигатель.

Во время пролёта Венера оказалась между станцией и Землёй, поэтому связь прервалась примерно на два часа. Научных наблюдений в этот период почти не вели: основное внимание уделяли проверке приборов и подготовке их к дальнейшей работе.

Спустя 14 месяцев, 24 июня 1999 года, «Кассини» снова пролетел мимо Венеры, на этот раз на высоте около 603 километров. Скорость относительно планеты составляла 13,6 километра в секунду. Последнюю коррекцию курса выполнили за 37 дней до подлёта. Фактический пролёт отличался от расчётного на две секунды по времени и на четыре километра по высоте.

После второго пролёта станция продолжила путь к Земле.

Мимо Земли на высоте 1171 километр

Земля, от которой станция уходила почти два года, стала следующей точкой гравитационного манёвра.

18 августа по всемирному времени — в Калифорнии ещё был вечер 17 августа — аппарат прошёл над юго-восточной частью Тихого океана на высоте около 1171 километра. Скорость «Кассини» относительно Солнца выросла на 5,5 километра в секунду.

Девять из двенадцати научных приборов на время пролёта переключили на наблюдения за системой Земля — Луна. NASA допускало, что станцию могли заметить с небольших островов региона, например с Питкэрна или острова Пасхи.

Из четырёх планетных пролётов нервнее всего прошёл земной. В радиоизотопных генераторах «Кассини», где электричество получают из тепла распада плутония, находилось около 33 килограммов диоксида плутония. Противники ядерных технологий опасались аварии при возвращении аппарата к Земле.

В NASA объясняли, что вдали от Солнца солнечные батареи не обеспечили бы станцию необходимой энергией, а радиоизотопные генераторы были надёжным источником питания. Протесты проходили и во время запуска: участники акций перелезали через ограждения и обращались в суд, но безуспешно.

Перед земным пролётом, 11 августа, главный двигатель включили на 130 секунд для последней точной коррекции курса.

Юпитер издалека

30 декабря 2000 года «Кассини» прошёл в 9,7 миллиона километров от верхней границы облаков Юпитера — примерно в 130 радиусах планеты. Даже на таком расстоянии притяжение гиганта изменило траекторию станции, как и предусматривал расчёт.

В это время у Юпитера уже работал «Галилео». Впервые две станции одновременно наблюдали одну планету, кроме Земли. Совместная работа продолжалась около полугода: «Кассини» следил за колебаниями солнечного ветра, а «Галилео» фиксировал реакцию магнитосферы Юпитера.

Предварительный анализ видеосъёмки показал, что крупные штормы могут набирать энергию, поглощая более мелкие. Во время пролёта Юпитера зонд «Гюйгенс» оставался пристыкованным к «Кассини». Большая антенна станции использовалась в качестве солнцезащитного экрана, защищавшего чувствительные элементы аппаратуры от прямого солнечного излучения в необходимых условиях.

Тринадцать лет у Сатурна

1 июля 2004 года «Кассини» стал первым аппаратом на орбите Сатурна. 25 декабря от него отделился «Гюйгенс», а 14 января 2005 года зонд опустился на Титан. Спуск на парашютах с высоты около 200 километров занял примерно 150 минут.

Затем начались тринадцать лет исследований системы Сатурна. Миссию продлевали дважды: сначала на два года, затем ещё на семь. Одним из последних этапов стали 22 еженедельных пролёта в зазоре шириной около 2000 километров между Сатурном и его кольцами. До этого ни один аппарат не проходил по такой траектории.

Миссия завершилась 15 сентября 2017 года управляемым погружением «Кассини» в атмосферу Сатурна. Это решение помогло защитить спутники планеты, прежде всего Энцелад с его подлёдным океаном, от возможного загрязнения земными микроорганизмами.

Курс на финальное погружение задала последняя встреча с Титаном 11 сентября. При входе в атмосферу двигатели ориентации включались короткими импульсами, удерживая антенну направленной на Землю. Радиосигнал до станции слежения в Австралии шёл около 83 минут. Когда последний сигнал достиг Земли, миссия «Кассини» уже завершилась.