В основе почти всех сложных космических миссий НАСА лежит невидимый помощник, ключевая система, которую часто называют "глазами" агентства: Сеть глубокого космоса.
Крупнейшая и самая чувствительная телекоммуникационная система на планете, Deep Space Network, или DSN, представляет собой международный массив гигантских радиоантенн. Сеть состоит из трех наземных объектов по всему миру, каждый из которых расположен на расстоянии 120 градусов по долготе (или между 5 000 и 10 000 миль) друг от друга. Один из них базируется в Голдстоуне около Барстоу, Калифорния, другой - в Мадриде, Испания, а последний - в Канберре, Австралия.) Эта мощная сеть позволяет NASA поддерживать постоянную связь с космическими аппаратами, которые отправляются далеко за пределы земной орбиты.
Эксплуатируемая Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL) в Пасадене, штат Калифорния, эта система играет важнейшую роль в обеспечении связи в дальнем космосе с момента начала ее непрерывной работы в 1963 году. В молодости эта сеть была важной частью отслеживания и связи с миссией высадки на Луну "Аполлона-11", а с тех пор она способствовала благополучию десятков самых исторических проектов НАСА. Например, он помогал передавать данные туда и обратно таким миссиям, как DART, Lucy, солнечный зонд Паркера и космический телескоп Джеймса Уэбба. По состоянию на 2021 год DSN регулярно отслеживает и поддерживает 39 миссий, и еще 30 миссий НАСА находятся в разработке.
Джефф Бернер, главный инженер Deep Space Network, говорит, что сеть до сих пор отслеживает даже зонды НАСА "Вояджер" - аппараты-близнецы, запущенные в 1977 году и продолжающие плавать далеко за пределами Солнечной системы. "По мере удаления космических аппаратов от Земли мощность, получаемая от них, падает", - говорит он. "Поэтому сигнал становится все слабее и слабее по мере того, как космический корабль удаляется все дальше и дальше".
Веб-сайт NASA Deep Space Network позволяет просматривать прямые трансляции между антеннами и космическими аппаратами. НАСА/Калифорнийский технологический институтДля сравнения, отправка и получение данных на Луну и обратно (в среднем 477 710 миль) займет всего несколько секунд, но тот же сигнал, отправленный на Марс (около 280 миллионов миль в обе стороны), может занять от 10 до 20 минут. По словам Бернера, для аппарата, находящегося так далеко за пределами досягаемости человечества, как "Вояджер", время прохождения сигнала в двух направлениях (время, необходимое для того, чтобы добраться до аппарата и вернуться обратно на Землю) может занять до 29 часов. Кроме того, поскольку любую миссию можно отследить с помощью любой из мощных антенн DSN, легкая гибкость этой сложной ретрансляционной сети является одной из причин того, что DSN - это "действительно многомиссионная система", - объясняет Бернер. В каждом комплексе находится антенна шириной 230 футов и множество антенн шириной 111 футов, которые, помимо связи с космическими аппаратами при вращении Земли, также используются для проведения радиотехнических исследований, таких как изучение планет и черных дыр. Однако внимательное изучение внутренней работы этой системы показывает, насколько неотъемлемой частью DSN будет последняя попытка НАСА достичь лунной поверхности в рамках программы Artemis.
Доставка Артемиды I на Луну и обратно
На прошлой неделе космический корабль НАСА "Орион" поцеловал Луну, и теперь он движется прямо за нашим спутником, скрытно делая новые потрясающие снимки высокой четкости его усеянной кратерами поверхности. Но если Orion - это новейший шпион Земли, то DSN - это, по сути, управление миссией, голос в ухе каждого хорошего героя.
Согласно JPL, DSN в настоящее время поддерживает большой и постоянный поток данных от капсулы без экипажа, и этот процесс будет продолжаться на протяжении всего путешествия, маневров между ними, а также долгожданного возвращения аппарата. Этот процесс обеспечит отправку команд и быстрый возврат данных, даже если сеть будет ловко поддерживать множество других миссий. Изначально Artemis полагался на сеть NASA Near Space Network (NSN), еще одну систему ретрансляционной связи, управляемую Центром космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, которая может соединяться с правительственными или коммерческими миссиями на околоземной орбите. Но поскольку ее антенны не могут получать достаточно энергии для поддержки высокой скорости передачи данных или быстрой передачи данных на наземные станции, когда космический аппарат выходит за пределы низкой околоземной орбиты, DSN стала более подходящим вариантом для Artemis, чтобы преодолеть расстояние. Без существования DSN "вы не смогли бы получить такую скорость передачи данных, которую они получают для Луны", - говорит Бернер. Это означает, что все те фантастические фотографии и изображения, которые аппарат уже отправил назад, были бы менее точными и, конечно, более скучными".
Непосредственно перед тем, как Orion должен будет опуститься на Землю, DSN снова передаст эстафету NSN. Эта передача знаменует собой новую главу в освоении человеком космоса - вместе с программой космической связи и навигации телекоммуникационные системы заложат основу для будущих запусков кораблей Artemis с экипажем к Луне.
Космическая сеть для будущего
Чтобы успеть за насыщенным графиком миссий НАСА, почти 60-летней сети потребуется несколько модернизаций. "У нас есть оборудование, которое работает в сети уже 30-40 лет, и нет необходимости говорить, что его очень трудно обслуживать", - говорит Бернер, который присутствовал при переводе аналоговых систем DSN в цифровые в начале 1990-х годов. Но для приведения DSN в соответствие с новейшими технологиями "требуется время и деньги".
Бернер говорит, что в ближайшие несколько лет сеть будет усовершенствована для обеспечения возможности поддержки новых миссий, в частности Gateway, аванпоста НАСА, который будет находиться на орбите Луны и обеспечивать поддержку долгосрочных исследований человеком Луны и дальнего космоса. Поскольку многие из этих будущих систем будут использовать более высокие скорости передачи данных на более высоких частотах, чем предыдущие миссии, антенны на каждом комплексе DSN модернизируются для поддержки гораздо более высоких скоростей передачи данных в восходящем и нисходящем каналах, или передачи данных на аппарат и с аппарата.
Но поскольку человечество вновь стремится установить свой флаг на Луне (надеемся, на этот раз более долговечный), Бернер отмечает, что успех миссии космического аппарата часто зависит от поддерживающей его наземной системы слежения - концепции, которая иногда может затеряться в общей массе и отодвинуться в тень во время празднования новых открытий. В конечном счете, за каждым далеко идущим, жаждущим данных космическим аппаратом стоит гармония способных антенн, позволяющих ему идти дальше.
"Когда вы видите фотографии в газетах об открытиях, [если бы] у нас не было сети на местах, вы бы ничего этого не увидели", - говорит Бернер.