Можно ли масштабировать выходную мощность радиосигналов зондов "Вояджер"?

Вкратце: усилитель на лампе бегущей волны X-диапазона (TWTA) Voyager может быть настроен на выходную мощность 18 или 12 Вт. Это соответствует 71,9 и 48,3 Вт электрической мощности, поэтому краткий ответ — да.

Поскольку так много говорят об окончании миссии «Вояджера» примерно в 2025 году из-за отсутствия питания для каких-либо инструментов (кроме связи), возможно, что они уже переключились на более низкую настройку мощности.

Но я не знаю, поэтому спросил отдельно:

• Установлены ли в настоящее время TWTA X-диапазона космических кораблей "Вояджер" на высокую или низкую мощность передачи? Какова их история изменений?
• Как «Вояджеры» в конце концов умрут, если им позволят передавать до самого конца?

Фон

С точки зрения строгого бюджета связи , безусловно, осталось много лет для связи между Deep Space Network (также DSN Now ) и Voyager.

• В настоящее время определенно достаточно мощности для скорости нисходящей линии связи 160 бит / с в соответствии с этим ответом на Как рассчитать скорость передачи данных Voyager 1?
• Согласно этому ответу на вопрос «Почему DSN иногда использует две антенны одновременно для приема «Вояджера-1»?
• Существует достаточно места для увеличения мощности восходящего канала от DSN, которая обычно составляет номинальные 20 кВт, но, по крайней мере, 70-метровая антенна DSN в Голдстоуне оборудована для увеличения мощности до 400 кВт. Подробнее об этом см. Использовался ли когда-либо DSS-43 в режиме большой мощности (>>20 кВт) в аварийной ситуации? . Для покрытия "Вояджера-2" необходимо добавить более мощную 70-метровую тарелку в Канберре в южном полушарии. Подробнее об этом см. в этом ответе на вопрос «Что, если бы «Вояджеры» остались в плоскости эклиптики?»

Источником информации о связи в дальнем космосе является серия DESCANSO (см. также Когда впервые возникла идея серии книг DESCANSO, кем и какова ее «миссия»? ).

В частности, статья 4 серии «Сводная информация о дизайне и характеристиках DESCANSO» ; Телекоммуникации Voyager от Роджера Людвига и Джима Тейлора.

Вот интересная таблица и цитата в Разделе 1 на странице 6:

Продолжительность VIM ограничена в первую очередь уменьшением электрической мощности космического корабля (от двух радиоизотопных термоэлектрических генераторов [РТЭГ]) и возможностями телеметрической линии. В Таблице 1-1 приведены расчетные сроки службы электроэнергии, телекоммуникаций и гидразина (для управления ориентацией). Поскольку «Вояджер-2» сейчас находится далеко к югу от эклиптики, он не виден со станций северного полушария. В таблице показаны ограничения скорости передачи данных телеметрии для двух размеров станции дальнего космоса в Голдстоуне, Калифорния, для "Вояджера-1" и недалеко от Канберры, Австралия, для "Вояджера-2". Ограничения для третьего места, недалеко от Мадрида, Испания, аналогичны ограничениям в Голдстоуне для "Вояджера-1".

Voyager постоянно пересматривает, обновляет и консолидирует процессы, чтобы повысить эффективность и повысить окупаемость государственных инвестиций. Во время VIM Voyager сократил штат своей летной группы на 97%, примерно с 300 в 1989 году до 10 в 2002 году. Сокращение штата все больше ограничивает VIM в области планирования, выполнения и анализа нестандартных действий, а также реагирования на аномалии.

Распределение скорости телеметрии VIM по типам данных выглядит следующим образом. При скорости 160 бит/с или 600 бит/с разные типы данных чередуются.

Примечания:

• Это было опубликовано в марте 2002 года, поэтому оно основано на всех инженерных данных, доступных за 25 лет, начиная с их запуска в 1977 году. Оно не отражает ничего, что было известно об условиях "Вояджеров" после 2002 года.
• VIM = Межзвездная миссия "Вояджера", несомненно, признак оптимизма!
• С прогнозируемой пропускной способностью 40 бит в секунду в 2045 и 2050 годах для "Вояджеров-1" и "Вояджеров-2" соответственно, в то время считалось, что при наилучших оценках деградации РИТЭГ Pu-239 (период полураспада радиоизотопа плюс потеря эффективности преобразователь термопары из-за радиационного повреждения и других эффектов старения) системы все еще будут в состоянии управлять своими передатчиками, по крайней мере, в течение этого времени.

Электроэнергетическая система

Что еще мы знаем о системе питания?

Когда энергии, доступной от РИТЭГ, более чем достаточно, «Вояджеры» поддерживают постоянное напряжение питания, шунтируя переменное количество энергии на набор шунтирующих резисторов, которые излучают тепло в космос, согласно ответу @Hobbes на вопрос «Почему «Вояджеру» пришлось шунтировать ? неиспользованная электрическая мощность и излучается в виде тепла?

Но что происходит, когда нет избыточной мощности?

Мощность передачи X-диапазона

3.3.4 Возбудители X-диапазона

Возбудитель X-диапазона преобразует частоту на выходе возбудителя S-диапазона в X-диапазон для управления TWTA X-диапазона. По сравнению с функцией возбудителя S-диапазона, фаза возбудителя X-диапазона модулирует РЧ-сигнал составным сигналом телеметрии от блока TMU и, если включен канал измерения дальности X-диапазона, сигналом измерения дальности, обнаруженным приемником.

3.3.5 Усилители мощности X-диапазона

Одновременно может быть включен только один X-TWTA. Кроме того, управляющий вход от CCS обеспечивает отключение питания X-TWTA, когда X-возбудитель выключен. Как и в случае с S-диапазоном, независимо от того, включено питание или нет, уровень мощности X-TWTA выбирается на один из двух уровней ⁴ с помощью управляющего входа CCS.

В октябре 1987 года "Вояджер-1" X-TWTA-2 вышел из строя, как показано на рис. 3-1, пункт 3 условных обозначений. Основной канал связи был переключен на X-TWTA-1. В ноябре 1998 года "Вояджер-2" перешел с X-TWTA-2 на X-TWTA-1 [6]. ⁵ Для обоих космических аппаратов пункт 1 условных обозначений на рисунке отмечает изменения с правой линии связи с круговой поляризацией X-TWTA-2 на линию связи с левой круговой поляризацией X-TWTA-1. ⁶

⁴ ВЧ-уровни малой и высокой мощности для HGA для X-TWTA составляют 12 Вт и 18 Вт.

⁵ Переключение на резервный X-TWTA находится в отчете о состоянии http://vraptor.jpl.nasa.gov/voyager/pressrel/vg981117.html

⁶ Взаимосвязь между выбором X-TWTA и результирующей поляризацией нисходящей линии связи X-диапазона описана в следующем разделе SXA.

В примечании №4 указано, что существует по крайней мере один метод снижения мощности передачи Voyager, встроенного в систему. Команда с земли может дать указание возбудителям антенны с высоким коэффициентом усиления (HGA) X-диапазона переключаться между 18 Вт и 12 Вт мощности передачи, подаваемой на антенну. Но что это означает с точки зрения электроэнергии?

Рисунок 3.1 из статьи 4; Телекоммуникации Voyager (щелкните, чтобы увеличить), обсуждаемые далее в вопросе Частотные характеристики рупорного облучателя антенны с высоким коэффициентом усиления S-диапазона Voyager и входного каскада приемника и ПЧ?

Согласно Таблице 3-3. Суммарная потребляемая мощность и масса космического корабля "Вояджер" , отражающая изменение между 71,9 и 48,3 Вт электрической мощности, разница более 23 Вт, что составляет значительную часть общего энергетического бюджета "Вояджера"!

Что дальше?

Согласно этому ответу и этому вопросу, у "Вояджеров" закончится мощность, чтобы "управлять одним инструментом" в 2025 году для "Вояджера-2" и немного дольше для "Вояджера-1". Предполагается, что это будет конец миссии.

Однако простое наличие самой несущей радиосвязи позволяет хотя бы немного заняться наукой, основанной на доплеровском сдвиге и силе сигнала. Так что я еще не уверен, действительно ли они отключат его, потому что нет данных, поступающих от других инструментов (только внутренние инженерные данные), или просто позволят ему продолжать посылать сигнал к Солнцу и Земле, чтобы его можно было принять с время от времени. Вспомните оптимизм межзвездной миссии "Вояджер" с датами 2045 и 2050 для скорости передачи данных 40 бит/с!

Я думаю, можно с уверенностью сказать, что потенциальный конец миссии настолько близок из-за низкой мощности, что усилители X-tube уже настроены на более низкую настройку мощности.