Hvordan snakker Voyager fortsatt etter alle disse årene?

De teknologiske nyhetskanalene var nylig full av historier om merkelige signaler som kommer tilbake fra Voyager 1. Mens de vanlige mistenkte hoppet til de vanlige konklusjonene – romvesener!! – I mangel av en sikker forklaring på uregelmessigheten, så noen av oss på denne hendelsen som en mulighet til å undre seg over det faktum at de to Voyager-romfartøyene, nå over 40 år gamle, fortsatt er i konstant kontakt med de av oss tilbake på jorden, og dette til tross for å ha tilbakelagt rundt 20 milliarder kilometer i et av de mest fiendtlige miljøene man kan tenke seg.

Som mange NASA-programmer har Voyager langt overskredet sine opprinnelige designmål, og rapporterer fortsatt nyttige vitenskapelige data til i dag. Men hvordan er det i det hele tatt mulig? Hvilken radioteknologi fra 1970-tallet gjorde det på tvillingromsondene som gjorde at den ikke bare kunne utføre sitt primære oppdrag med å utforske de ytre planetene, men også la dem gå inn i et utvidet oppdrag til det interstellare rommet, og fortsatt være i toveiskontakt ? Det viser seg at det ikke er noe magisk med Voyagers radio – bare solid ingeniørkunst krydret med en sunn dash av redundans, og en god del lykke til gjennom årene.

Den store retten

For et program som på mange måter definerte planetarisk utforskning etter Apollo-tiden, ble Voyager unnfanget overraskende tidlig. Den komplekse oppdragsprofilen hadde sin opprinnelse i “Planetary Grand Tour”-konseptet på midten av 1960-tallet, som var planlagt for å dra nytte av en justering av de ytre planetene som skulle oppstå på slutten av 1970-tallet. Hvis den ble lansert til akkurat rett tid, ville en sonde kunne nå Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun ved å bruke bare gravitasjonsassistanse etter dens første drevne boost, før den ble kastet ut på en kurs som til slutt ville føre den ut i det interstellare rommet.

Ideen om å besøke alle de ytre planetene var for fristende til å gå fra seg, og med suksess Pioneer-oppdragene til Jupiter som generalprøver, ble Voyager-programmet designet. Som alle NASA-programmer, hadde Voyager visse primære oppdragsmål, et minimumssett med planetariske vitenskapelige eksperimenter som prosjektledere var rimelig sikre på at de kunne oppnå. Voyager-romfartøyene ble designet for å oppfylle disse kjerneoppdragsmålene, men planleggere håpet også at kjøretøyene ville overleve forbi deres siste planetariske møter og gi verdifulle data når de krysset tomrommet. Og så gjenspeiler maskinvaren, både i romfartøyet og på bakken, dette håpet.

Voyager primærreflektor produseres, ca. 1975. Fatet er laget av honeycomb aluminium og er dekket med grafittimpregnert epoksylaminatskinn. Overflatepresisjonen til det ferdige fatet er 250 μm. Kilde: NASA/JPL

Den mest fremtredende fysiske egenskapen til begge bakkestasjonene til Deep Space Network (DSN), som vi har dekket i dybden allerede, og Voyager-romfartøyet selv er deres parabolske parabolantenner. Selv om målestokken kan variere – DSN-sportteleskopene på opptil 70 meter i tvers – ble Voyager-tvillingene skutt opp med den største parabolen som kunne passe inn i kåpa til Titan IIIE-raketten.

Voyager High-Gain Antenna (HGA) skjematisk. Legg merke til Cassegrain-optikken, samt den frekvensselektive subreflektoren som er transparent for S-båndet (2,3 GHz), men reflekterer X-båndet (8,4 GHz). Klikk for å forstørre. Kilde: NASA/JPL

Den primære reflektoren til High Gain Antenna (HGA) på hvert Voyager-romfartøy er en parabolsk tallerken på 3,7 meter i diameter. Skålen er laget av honeycomb aluminium som er dekket med en grafittimpregnert epoksylaminathud. Overflaten på reflektoren er ferdigbehandlet til en høy grad av glatthet, med en overflatepresisjon på 250 μm, som er nødvendig for bruk i både S-båndet (2,3 GHz), brukt til opplink og nedlink, og X-bånd (8,4) GHz), som kun er nedlink.

I likhet med deres jordbundne motstykker i DSN, er Voyager-antennene en Cassegrain-reflektordesign, som bruker en Frequency Selective Subreflector (FSS) i fokus for den primære reflektoren. Subreflektoren fokuserer og korrigerer innkommende X-båndsbølger tilbake ned mot midten av primærskålen, der X-bånds matehornet er plassert. Dette arrangementet gir omtrent 48 dBi forsterkning og en strålebredde på 0,5° på X-båndet. S-båndsarrangementet er litt annerledes, med matehornet plassert inne i subreflektoren. Den frekvensselektive naturen til subreflektormaterialet lar S-båndssignaler passere rett gjennom det og belyse primærreflektoren direkte. Dette gir omtrent 36 dBi forsterkning i S-båndet, med en strålebredde på 2,3°. Det er også en lavforsterket S-båndsantenne med et mer eller mindre kardioidstrålingsmønster plassert på den jordvendte siden av subreflektorenheten, men den ble bare brukt de første 80 dagene av oppdraget.

To er en

Tre av de ti buktene på hver Voyagers buss er dedikert til senderne, mottakerne, forsterkerne og modulatorene til Radio Frequency Subsystem, eller RFS. Som med alle høyrisiko-romoppdrag, er redundans navnet på spillet – nesten alle potensielle feilpunkter i RFS har en slags backup, en ingeniørdesignbeslutning som har vist seg å spare oppdrag i mer enn ett tilfelle på begge. romfartøy de siste 40 årene.

På uplink-siden har hver Voyager to S-bånds superhetmottakere med dobbeltkonvertering. I april 1978, knapt et år før det planlagte møtet med Jupiter, den primære S-båndsmottakeren på Voyager 2 ble stengt av feilbeskyttelsesalgoritmer på romfartøyet som ikke klarte å fange opp noen kommandoer fra jorden i en lengre periode. Reservemottakeren ble slått på, men den viste seg å ha en dårlig kondensator i den faselåste sløyfekretsen beregnet på å justere for Doppler-skifteendringer i frekvens på grunn av bevegelsen til jorden. Oppdragskontrollører befalte romfartøyet å bytte tilbake til den primære mottakeren, men det mislyktes igjen og dro Voyager 2 uten noen måte å bli kommandert fra bakken.

Heldigvis slo feilbeskyttelsesrutinene backup-mottakeren på igjen etter en uke uten kommunikasjon, men dette førte til at kontrollerne satt i en jamning. For å fortsette oppdraget, måtte de finne en måte å bruke den wonky backup-mottakeren til å kommandere romfartøyet. De kom opp med et komplekst opplegg der DSN-kontrollere gjetter på hva uplink-frekvensen vil være basert på det anslåtte Doppler-skiftet. Problemet er, takket være den dårlige kondensatoren, må signalet være innenfor 100 Hz fra låsefrekvensen til mottakeren, og den frekvensen endres med temperaturen på mottakeren, med omtrent 400 Hz per grad. Dette betyr at kontrollerne må utføre tester to ganger i uken for å bestemme gjeldende låsefrekvens, og også la romfartøyet stabilisere seg termisk i tre dager etter oppkobling av kommandoer som kan endre temperaturen på romfartøyet.

Doble nedkoblinger

Ken Shirriff

” 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″ 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/amplifier-opened.jpg?resize=1536,687 1536w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2021/07/amplifier-opened.jpg?resize=2048,916 2048w” sizes=”(max-width: 400px) 100vw, 400px”/>

På sendesiden bruker både X-bånds- og S-båndssendere separate excitere og forsterkere, og igjen, multiplum av hver for redundans. Selv om nedlink primært er via X-båndssenderen, kan en av de to S-båndsgeneratorene mates inn i en av to forskjellige effektforsterkere. En Solid State Amplifier (SSA) gir en valgbar effekt på enten 6 W eller 15 W til matehornet, mens en separat traveling-wave tube forsterker (TWTA) gir enten 6,5 W eller 19 W. Dual X-band exciterne, som bruker S-bånds exciterne som sin frekvensreferanse, bruker en av to dedikerte TWTAer, som hver kan sende enten 12 W eller 18W til høyforsterkningsantennen .

Redundansen innebygd i nedlinksiden av radiosystemet ville spille en rolle i å redde hovedoppdraget på begge romfartøyene. I oktober 1987, Voyager 1 fikk en feil i en av X-band TWTAene. Litt mer enn et år senere, Voyager 2 opplevd det samme problemet. Begge romfartøyene var i stand til å bytte til den andre TWTAen, noe som tillot Voyager 1 å sende tilbake den berømte “Familieportrett” av solsystemet inkludert Pale Blue Dot-bildet av jorden, og for Voyager 2 å sende data tilbake fra flybyen Neptun i 1989.

Tregere og tregere

Radiosystemene på Voyager-systemene ble først og fremst designet for å støtte planetariske forbiflyvninger, og ble derfor optimalisert for å streame så mye vitenskapelig data som mulig tilbake til DSN. De nære tilnærmingene til hver av de ytre planetene betydde at hvert romfartøy akselererte dramatisk under forbiflyvningene, akkurat i øyeblikket med maksimal dataproduksjon fra de ti vitenskapelige instrumentene ombord. For å unngå flaskehalser, inkludert hver Voyager en digital båndopptaker (DTR)som egentlig var en fancy 8-spors båndspiller, for å bufre vitenskapelige data for senere nedkobling.

Dessuten har den økende avstanden til hver Voyager drastisk redusert båndbredden som er tilgjengelig for nedkobling av vitenskapelige data. Da romfartøyet foretok sine første forbiflukter av Jupiter, strømmet data med relativt livlige 115 200 bits per sekund. Nå, med hvert romfartøy som nærmer seg en hel lysdag unna, drypper data inn med bare 160 bps. Opplinkede kommandoer er enda tregere, bare 16 bps, og blir sprengt over rommet fra DSNs 70-meters parabolantenner ved å bruke 18 kW kraft. Oppkoblingsbanetapet over dagens 23 milliarder kilometers avstand til Voyager 1 overstiger 200 dB; på nedlinksiden må DSN-teleskopene grave et signal som har falmet til attowatten (10^-18 W) rekkevidde.

At radiosystemene til Voyager 1 og Voyager 2 jobbet i det hele tatt mens de fortsatt var i hoveddelen av deres planetariske oppdrag, er en teknisk prestasjon verdt å feire. Det faktum at begge romfartøyene fortsatt kommuniserer, til tross for utfordringene fra fire tiår i verdensrommet og flere systemfeil, er nesten et mirakel.