programa Voyager

Voyager hizo cosas que nadie predijo, descubrió escenas inesperadas y promete perdurar más que sus inventores. Como una gran obra de arte o una institución perdurable, ha adquirido una existencia propia, un destino que escapa al control de quienes la manejan.

Las dos sondas espaciales Voyager fueron concebidas originalmente como parte del Gran Tour Planetario, planeado a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, cuyo objetivo era explorar Júpiter , Saturno , Titán ( la luna de Saturno) , Urano , Neptuno y Plutón . La misión se originó a partir del programa Gran Tour , conceptualizado por Gary Flandro , ingeniero aeroespacial del Laboratorio de Propulsión a Chorro, en 1964, que aprovechaba una rara alineación planetaria que ocurre una vez cada 175 años. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Esta alineación permitía que una nave alcanzara todos los planetas exteriores mediante asistencia gravitatoria . La misión consistía en enviar varios pares de sondas y cobró impulso en 1966 cuando fue respaldada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA . Sin embargo, en diciembre de 1971, la misión Gran Tour fue cancelada cuando la financiación se redirigió al programa del Transbordador Espacial . ^{[ 17 ]}

En 1972, se propuso una misión a escala reducida (cuatro planetas, dos naves espaciales idénticas), utilizando una nave espacial derivada de la serie Mariner , inicialmente destinada a ser Mariner 11 y Mariner 12. La técnica de asistencia gravitatoria , demostrada con éxito por Mariner 10 , se utilizaría para lograr cambios de velocidad significativos mediante maniobras a través del campo gravitatorio de un planeta intermedio para minimizar el tiempo hacia Saturno. ^{[ 18 ]} Las naves espaciales se trasladaron entonces a un programa separado llamado Mariner Júpiter-Saturno (también Mariner Júpiter-Saturno-Urano , ^{[ 19 ]} MJS o MJSU ), parte del programa Mariner , posteriormente renombrado porque se pensó que el diseño de las dos sondas espaciales había progresado lo suficiente más allá del de la familia Mariner como para merecer un nombre separado. ^{[ 20 ]}

El 4 de marzo de 1977, la NASA anunció un concurso para renombrar la misión, pues consideraba que el nombre existente no era apropiado, ya que la misión había diferido significativamente de las misiones Mariner anteriores . Se eligió Voyager como el nuevo nombre, haciendo referencia a una sugerencia previa de William Pickering , quien había propuesto el nombre Navigator . Debido a que el cambio de nombre se produjo poco antes del lanzamiento, las sondas aún se denominaban ocasionalmente Mariner 11 y Mariner 12, o incluso Voyager 11 y Voyager 12. ^{[ 17 ]}

Se establecieron dos trayectorias de misión: la del JST apuntaba a Júpiter, Saturno y a mejorar un sobrevuelo de Titán , mientras que la del JSX servía como plan de contingencia. El JST se centraba en un sobrevuelo de Titán, mientras que el JSX proporcionaba un plan de misión flexible. Si el JST tenía éxito, el JSX podía continuar con el Gran Tour, pero en caso de fracaso, el JSX podía ser redirigido para un sobrevuelo de Titán independiente, renunciando a la oportunidad del Gran Tour. ^{[ 18 ]} La segunda sonda, ahora Voyager 2 , siguió la trayectoria del JSX, lo que le otorgó la opción de continuar hacia Urano y Neptuno. Una vez que la Voyager 1 completó sus objetivos principales en Saturno, la Voyager 2 recibió una extensión de misión, lo que le permitió continuar hacia Urano y Neptuno. Esto permitió que la Voyager 2 divergiera de la trayectoria del JST originalmente planeada. ^{[ 17 ]}

Las sondas se lanzarían en agosto o septiembre de 1977, con el objetivo principal de comparar las características de Júpiter y Saturno, como sus atmósferas , campos magnéticos , entornos de partículas, sistemas de anillos y lunas . Sobrevolarían planetas y lunas siguiendo una trayectoria del JST o del JSX. Tras completar sus sobrevuelos, las sondas se comunicarían con la Tierra, transmitiendo datos vitales mediante magnetómetros , espectrómetros y otros instrumentos para detectar radiación interestelar , solar y cósmica . Sus generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) limitarían el tiempo máximo de comunicación con las sondas a aproximadamente una década . Tras sus misiones principales, las sondas continuarían su viaje a la deriva por el espacio interestelar. ^{[ 18 ]}

La Voyager 2 fue la primera en ser lanzada. Su trayectoria fue diseñada para permitir sobrevuelos de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. La Voyager 1 fue lanzada después de la Voyager 2 , pero a lo largo de una trayectoria más corta y rápida diseñada para proporcionar un sobrevuelo óptimo de Titán , la luna de Saturno , ^{[ 21 ]} que se sabía que era bastante grande y poseía una atmósfera densa. Este encuentro envió a la Voyager 1 fuera del plano de la eclíptica, finalizando su misión de ciencia planetaria. ^{[ 22 ]} Si la Voyager 1 no hubiera podido realizar el sobrevuelo de Titán, la trayectoria de la Voyager 2 podría haberse alterado para explorar Titán, renunciando a cualquier visita a Urano y Neptuno. ^{[ 23 ]} La Voyager 1 no fue lanzada en una trayectoria que le hubiera permitido continuar hacia Urano y Neptuno, pero podría haber continuado desde Saturno hasta Plutón sin explorar Titán. ^{[ 24 ]}

Durante la década de 1990, la Voyager 1 superó a las sondas espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11, más lentas , convirtiéndose en el objeto artificial más distante de la Tierra, un récord que mantendrá en el futuro previsible. La sonda New Horizons , que tuvo una mayor velocidad de lanzamiento que la Voyager 1 , viaja más lentamente debido a la velocidad adicional que esta última adquirió durante su sobrevuelo de Saturno. La Voyager 1 y la Pioneer 10 son los objetos artificiales más alejados del mundo, ya que viajan en direcciones prácticamente opuestas al Sistema Solar .

En diciembre de 2004, la Voyager 1 cruzó el choque de terminación , donde el viento solar se ralentiza a velocidad subsónica, y entró en la heliofunda , donde el viento solar se comprime y se vuelve turbulento debido a las interacciones con el medio interestelar . El 10 de diciembre de 2007, la Voyager 2 también alcanzó el choque de terminación, aproximadamente 1600 millones de kilómetros (1000 millones de millas) más cerca del Sol que desde donde la Voyager 1 lo cruzó por primera vez, lo que indica que el Sistema Solar es asimétrico . ^{[ 25 ]}  

En 2010, la Voyager 1 informó que la velocidad de salida del viento solar había caído a cero, y los científicos predijeron que se acercaba al espacio interestelar . ^{[ 26 ]} En 2011, los datos de las Voyager determinaron que la heliofunda no era lisa, sino que estaba llena de burbujas magnéticas gigantes . Se teorizó que se formaron cuando el campo magnético del Sol se deformó en el borde del Sistema Solar. ^{[ 27 ]}

En junio de 2012, científicos de la NASA informaron que la Voyager 1 estaba muy cerca de entrar en el espacio interestelar, lo cual fue indicado por un fuerte aumento de partículas de alta energía provenientes de fuera del Sistema Solar. ^{[ 28 ] [ 29 ]} En septiembre de 2013, la NASA anunció que la Voyager 1 había cruzado la heliopausa el 25 de agosto de 2012, convirtiéndose así en la primera nave espacial en entrar en el espacio interestelar. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

En diciembre de 2018, la NASA anunció que la Voyager 2 había cruzado la heliopausa el 5 de noviembre de 2018, convirtiéndose así en la segunda nave espacial en entrar en el espacio interestelar. ^{[ 3 ]}

A partir de 2017Las sondas Voyager 1 y Voyager 2 continuaron monitoreando las condiciones en las regiones exteriores del Sistema Solar. ^{[ 33 ]} Se esperaba que las naves Voyager pudieran operar instrumentos científicos hasta 2020, cuando la limitación de energía obligaría a desactivarlos uno por uno. Se preveía que alrededor de 2025 ya no habría suficiente energía para operar ningún instrumento científico.

En julio de 2019, se implementó un plan de gestión de energía revisado para las menguantes fuentes de alimentación de las dos sondas. ^{[ 34 ]}

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  Vista inferior de algunos de los instrumentos de la Voyager. A la izquierda: las cámaras, los espectrómetros ultravioleta e infrarrojo (extremo izquierdo), el detector de plasma (caja negra en la parte inferior derecha) y los detectores de partículas y radiación (extremo derecho). En el brazo, en el centro y a la derecha, se encuentran los detectores de plasma, partículas y rayos cósmicos.
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  El brazo del magnetómetro de 13 metros de longitud de la Voyager, completamente extendido.

En las naves espaciales Voyager hay tres tipos diferentes de computadoras, dos de cada tipo, que a veces se usan para redundancia. Son computadoras propietarias, construidas a medida con circuitos integrados CMOS y TTL de escala media y componentes discretos, principalmente de la serie 7400 de Texas Instruments . ^{[ 41 ]} El número total de palabras entre las seis computadoras es de aproximadamente 32K. Voyager  1 y Voyager  2 tienen sistemas informáticos idénticos. ^{[ 35 ] [ 42 ]}

El Sistema de Comando Informático (CCS), el controlador central de la nave espacial, cuenta con dos procesadores de interrupción de 18 bits con 4096 palabras cada uno de memoria no volátil de hilo chapado . Durante la mayor parte de la misión Voyager, los dos ordenadores CCS de cada nave espacial se utilizaron de forma no redundante para aumentar la capacidad de comando y procesamiento de la nave. El CCS es prácticamente idéntico al sistema utilizado en la nave espacial Viking. ^{[ 43 ]}

El Sistema de Datos de Vuelo (FDS) consta de dos máquinas de palabras de 16 bits con memorias modulares y 8198 palabras cada una.

El Sistema de Control de Actitud y Articulación (AACS) consta de dos máquinas de palabras de 18 bits con 4096 palabras cada una.

A diferencia de los demás instrumentos a bordo, el funcionamiento de las cámaras de luz visible no es autónomo, sino que está controlado por una tabla de parámetros de imagen almacenada en uno de los ordenadores digitales de a bordo , el Subsistema de Datos de Vuelo (FDS). Las sondas espaciales más recientes, desde aproximadamente 1990, suelen tener cámaras completamente autónomas .

El subsistema de control informático (CCS) controla las cámaras. El CCS contiene programas informáticos fijos , como rutinas de decodificación de comandos, detección y corrección de fallos, rutinas de apuntamiento de antenas y rutinas de secuenciación de la nave espacial. Este ordenador es una versión mejorada del que se utilizó en el orbitador Viking . ^{[ 43 ]} El hardware de ambos subsistemas CCS personalizados de las Voyager es idéntico. Solo existe una pequeña modificación de software en uno de ellos, que incluye un subsistema científico del que carece el otro.

Según el Libro Guinness de los Récords, CCS ostenta el récord del "período más largo de funcionamiento continuo para una computadora". Ha estado funcionando ininterrumpidamente desde el 20 de agosto de 1977. ^{[ 44 ]}

El subsistema de control de actitud y articulación (AACS) controla la orientación de la nave espacial (su actitud). Mantiene la antena de alta ganancia apuntando hacia la Tierra, controla los cambios de actitud y orienta la plataforma de escaneo. Los sistemas AACS, diseñados a medida para ambas naves, son idénticos.

Se ha informado erróneamente ^{[ 45 ]} en Internet que las sondas espaciales Voyager estaban controladas por una versión del RCA 1802 ( microprocesador RCA CDP1802 "COSMAC" ), pero tales afirmaciones no están respaldadas por los documentos de diseño originales. El microprocesador CDP1802 se utilizó posteriormente en la sonda espacial Galileo , que fue diseñada y construida años después. La electrónica de control digital de las Voyager no se basaba en un circuito integrado de microprocesador.

Las comunicaciones de enlace ascendente se realizan mediante comunicaciones de microondas en banda S. Las comunicaciones de enlace descendente se llevan a cabo mediante un transmisor de microondas en banda X a bordo de la nave espacial, con un transmisor en banda S como respaldo. Todas las comunicaciones de largo alcance hacia y desde las dos Voyager se han realizado utilizando sus antenas de alta ganancia de 3,7 metros (12 pies) . La antena de alta ganancia tiene un ancho de haz de 0,5° para la banda X y de 2,3° para la banda S. ^{[ 46 ] : 17} (La antena de baja ganancia tiene una ganancia de 7 dB y un ancho de haz de 60°). ^{[ 46 ] : 17}  

Debido a la ley del cuadrado inverso en las comunicaciones de radio , las tasas de datos digitales utilizadas en los enlaces descendentes de las Voyagers han disminuido continuamente a medida que se alejan de la Tierra. Por ejemplo, la tasa de datos utilizada desde Júpiter era de aproximadamente 115.000 bits por segundo. Esa se redujo a la mitad a la distancia de Saturno, y ha disminuido continuamente desde entonces. ^{[ 46 ]} Se tomaron algunas medidas en tierra a lo largo del camino para reducir los efectos de la ley del cuadrado inverso. Entre 1982 y 1985, los diámetros de las tres antenas parabólicas principales de la Deep Space Network se aumentaron de 64 a 70 m (210 a 230 pies) ^{[ 46 ] : 34} aumentando drásticamente sus áreas para captar señales de microondas débiles.  

Mientras la nave se encontraba entre Saturno y Urano, el software a bordo se actualizó para realizar cierto grado de compresión de imágenes y utilizar una codificación de corrección de errores Reed-Solomon más eficiente . ^{[ 46 ] : 33}

Luego, entre 1986 y 1989, se pusieron en práctica nuevas técnicas para combinar las señales de múltiples antenas terrestres en una señal más potente, en una especie de conjunto de antenas . ^{[ 46 ] : 34} Esto se hizo en Goldstone, California , Canberra (Australia) y Madrid (España) utilizando las antenas parabólicas adicionales disponibles allí. También, en Australia, el radiotelescopio de Parkes se incorporó al conjunto a tiempo para el sobrevuelo de Neptuno en 1989. En Estados Unidos, el Very Large Array en Nuevo México se puso en uso temporalmente junto con las antenas de la Deep Space Network en Goldstone. ^{[ 46 ] : 34} El uso de esta nueva tecnología de conjuntos de antenas ayudó a compensar la inmensa distancia de radio entre Neptuno y la Tierra.

La energía eléctrica es suministrada por tres generadores termoeléctricos de radioisótopos MHW-RTG (RTG). Estos se alimentan con plutonio-238 (distinto del isótopo Pu-239 utilizado en armas nucleares) y proporcionaron aproximadamente 470 W a 30 voltios CC cuando se lanzó la nave espacial. El plutonio-238 se desintegra con una vida media de 87,74 años, ^{[ 47 ]} por lo que los RTG que utilizan Pu-238 perderán un factor de 1−0,5 ^(1/87,74) = 0,79 % de su potencia de salida por año.

En 2011, 34 años después de su lanzamiento, la potencia térmica generada por un RTG de este tipo se reduciría a (1/2) ^(34/87,74) ≈ 76% de su potencia inicial. Los termopares del RTG , que convierten la energía térmica en electricidad, también se degradan con el tiempo, reduciendo la potencia eléctrica disponible por debajo de este nivel calculado.

Para el 7 de octubre de 2011, la potencia generada por las sondas Voyager 1 y Voyager 2 había descendido a 267,9 W y 269,2 W respectivamente, aproximadamente el 57 % de la potencia inicial. El nivel de potencia de salida fue mejor que las predicciones previas al lanzamiento, basadas en un modelo conservador de degradación de termopares. A medida que disminuye la potencia eléctrica, las cargas de las naves espaciales deben apagarse, lo que elimina algunas capacidades. Es posible que para 2032 no haya suficiente potencia para las comunicaciones. ^{[ 48 ]}

Al inicio de la misión VIM, la Voyager 1 se encontraba a 40 UA de la Tierra, mientras que la Voyager 2 estaba a 31 UA. La misión VIM consta de tres fases: choque de terminación, exploración de la heliofunda y exploración interestelar. La nave espacial inició la misión VIM en un entorno controlado por el campo magnético del Sol, donde las partículas de plasma estaban dominadas por las contenidas en el viento solar supersónico en expansión. Este es el entorno característico de la fase de choque de terminación. A cierta distancia del Sol, el viento solar supersónico se ve frenado por el viento interestelar, impidiendo su mayor expansión. La primera característica que encuentra una nave espacial como resultado de esta interacción —entre el viento interestelar y el viento solar— es el choque de terminación, donde el viento solar disminuye su velocidad a subsónica y se producen grandes cambios en la dirección del flujo de plasma y la orientación del campo magnético. La Voyager 1 completó la fase de choque de terminación en diciembre de 2004 a una distancia de 94 UA, mientras que la Voyager 2 la completó en agosto de 2007 a una distancia de 84 UA. Tras entrar en la heliofunda, las naves espaciales se encontraban en una zona dominada por el campo magnético del Sol y las partículas del viento solar. Después de atravesar la heliofunda, las dos Voyager iniciaron la fase de exploración interestelar. El límite exterior de la heliofunda se denomina heliopausa. Esta es la región donde la influencia del Sol comienza a disminuir y se puede detectar el espacio interestelar. ^{[ 62 ]}

La Voyager 1 está escapando del Sistema Solar a una velocidad de 3,6 UA por año a 35° al norte de la eclíptica en la dirección general del ápice solar en Hércules , mientras que la velocidad de la Voyager 2 es de aproximadamente 3,3 UA por año, dirigiéndose a 48° al sur de la eclíptica. Las naves espaciales Voyager eventualmente llegarán a las estrellas. En unos 40 000 años , la Voyager 1 estará a 1,6 años luz (al) de AC+79 3888, también conocida como Gliese 445 , que se está acercando al Sol. En 40 000 años, la Voyager 2 estará a 1,7 al de Ross 248 (otra estrella que se está acercando al Sol), y en 296 000 años pasará a 4,6 al de Sirio , que es la estrella más brillante en el cielo nocturno. ^{[ 2 ]} No se espera que la nave espacial colisione con una estrella durante 1 sextillón (10 ²⁰ ) años. ^{[ 63 ]}

En octubre de 2020, los astrónomos informaron de un aumento significativo e inesperado de la densidad en el espacio más allá del Sistema Solar , detectado por las sondas espaciales Voyager . Según los investigadores, esto implica que "el gradiente de densidad es una característica a gran escala del VLISM ( medio interestelar muy local ) en la dirección general de la nariz heliosférica ". ^{[ 64 ] [ 65 ]}