В конце 1960-х годов американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) решило провести эксперимент «Большой тур», идея которого состояла в следующем.
Обычно космический аппарат может достичь одной планеты. Но иногда, раз в несколько десятилетий, планеты Солнечной системы как бы выстраиваются друг за другом, и траекторию полета удается провести сразу мимо нескольких. Подобная ситуация должна была сложиться в конце 1970-х – начале 1980-х годов, и американцы задались целью осмотреть за один полет все планеты, начиная с Марса. Для этого они решили использовать так называемый гравитационный маневр, когда космический аппарат догоняет планету и та «подтягивает» его, ускоряя и поворачивая. Но на «Большой тур» не хватило средств, пришлось ограничиться планетами-гигантами. Программа «Вояджер» за пять лет разработки и двенадцать лет оперативной работы потребовала девятьсот миллионов долларов.
В августе–сентябре 1977 году стартовали две автоматические межпланетные станции «Вояджер» массой 798 килограммов каждая. Устроены они одинаково.
Наиболее заметная часть «Вояджеров» — чашка остронаправленной антенны диаметром 3,66 метра, с помощью которой обеспечивается связь с Землей. На тыльной стороне антенны находится герметичный отсек для служебных приборов, имеющий форму десятигранной призмы. В нем размещены радиосистемы, аппаратура управления с бортовой электронно-вычислительной машиной, рулевые двигатели, преобразователи электропитания; на трех гранях отсека смонтированы радиаторы системы терморегулирования.
Электроэнергией станцию снабжают три радиоизотопных генератора, смонтированные на одной из трех штанг. Мощность генераторов в начале полета достигала 431 Вт.
Научные приборы находятся на двух других штангах. На одной из них установлено четыре магнитометра, на другой, на поворотной платформе, — две телекамеры с теле- и широкоугольным объективами, спектрометры ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, детекторы космического излучения, заряженных частиц и многое другое.
Станции когда-нибудь выйдут за пределы Солнечной системы и могут быть обнаружены внеземными цивилизациями. Поэтому на аппаратах установили контейнер с записью обращения Курта Вальдхайма, в то время Генерального секретаря ООН, приветствий на 60 языках, звуков и шумов Земли общей продолжительностью 110 минут и 115 изображений.
«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. С 10 декабря того же года по 8 сентября следующего он шел через пояс астероидов и 5 марта 1979 года сблизился с Юпитером, 12 ноября 1980 года — с Сатурном.
«Вояджер-2» был запущен раньше — 20 августа 1974 года, но по другой, более «медленной» траектории. Юпитера он достиг 9 июля 1979 года, а 26 августа 1981 года «Вояджер-2» вслед за своим предшественником пронесся на расстоянии 101 тысяча километров от Сатурна. Приборы станции позволили прояснить характер некоторых явлений, впервые обнаруженных «Вояджером-1» и «Пионером-11». Так, разрешение на снимках колец Сатурна удалось довести до 10 километров (вместо 70 километров при первой встрече), и выявились тончайшие структуры, из которых сотканы кольца. В день максимального сближения «Вояджер-2» сфотографировал Узловатое и Эксцентричное кольцо «Ф». Снимки с разрешением в считанные километры выявили 4 компонента, составляющие кольцо. Можно было различить пряди, переплетенные в разных местах, а в других — вытягивающиеся параллельно. Через определенные промежутки в несколько тысяч километров обнаружены сгущения и узлы.
«Вояджер-2» дал дополнительную информацию и о спутниках Сатурна. Станция прошла Титан, Рею и Тефию. В районе орбит Реи и Дионы он открыл плазменный тороид, раскаленный до самой высокой температуры, наблюдавшейся где-либо в Солнечной системе. Плазма оказалась в триста раз горячее, чем солнечная корона, и в два раза горячее, чем окружение Юпитера.
Успешно встретившись с Сатурном, станции выполнили «программу-минимум» проекта «Вояджер». Первый аппарат после пролета Сатурна «взвился» над плоскостью эклиптики, и ему больше не суждено было встретить на своем пути планет. Зато «Вояджер-2» полем тяготения Сатурна был отклонен на траекторию, позволяющую достичь Урана и Нептуна. «Активисты» программы готовы были преодолеть все финансовые и технические проблемы ради осуществления идеи проекта «Большой Тур». Официально «бросок» к Урану был одобрен НАСА в январе 1981 года.
В декабре 1985 года возникли трудности с навигацией, заставившие заново вычислить массу надвигавшегося на станцию Урана, чтобы расчетная траектория стала вновь совпадать с реальной.
30 декабря станция обнаружила неизвестный ранее спутник Урана, находящийся между орбитой Миранды и внешней границей колец. До момента максимального сближения с Уралом было открыто 10 новых спутников. Их диаметры составляли 40–80 километров, за исключением первого, 160-километрового спутника.
14 января 1986 года, когда «Вояджер» находился на расстоянии 12,9 миллионов километров от цели, в течение четырех часов была сделана серия снимков диска Урана, на которых впервые в истории исследований планеты были замечены детали атмосферы — серповидное облако блестело вблизи лимба планеты.
17 января камера с длиннофокусным объективом с расстояния 9,1 миллионов километров показала гигантскую планету, которая выглядела зелено-голубым шаром.
Пройдя Уран, станция благополучно «вырулила» на траекторию полета к Нептуну, и теперь мало кто сомневался в предстоящем успехе. Оценивая состояние станции, специалисты вносили коррективы в детали предстоящего рандеву. В первый числах декабря 1986 года НАСА объявило, что трасса «Вояджер» будет проложена дальше, чем предполагалось, от Нептуна и соответственно от его спутника Тритона. Опасность радиационных поясов, осколков неизвестных размеров, составляющих кольца, магнитных полей и другие подобные неприятности заставили отодвинуть предполагаемую точку пролета Нептуна на расстояние 29200 километров, а Тритона — на 40000 километров. С этой целью на 13 марта 1987 года была назначена коррекция траектории.
В течение 1987 года на «Вояджере» в очередной раз было заменено программное обеспечение бортовых компьютеров с расчетом на еще более пониженную освещенность и продленное время экспозиции при фотографировании. Специальные меры были приняты для повышения стабильности поворотной платформы с научными приборами. Решено было еще замедлить движение платформы для предотвращения смазывания изображений. Как и перед встречей с Ураном, опробование нового режима работы прошло на «Вояджере-1».
Диаметр главных антенн станции дальней космической связи НАСА был увеличен с 64 до 70 метров. В свою очередь, в единый комплекс со станциями слежения НАСА были объединены антенны Национального научного фонда США, австралийские и японские радиотелескопы.
С января 1989 год, находясь на расстоянии 310 миллионов километров от цели, «Вояджер-2» начал съемку Нептуна. В отличие от безликого диска Урана на снимках Нептуна с разрешением всего около шести тысяч километров уже были различимы облачные образования. 3 апреля 1989 года камеры станции выявили структуру в атмосфере Нептуна такой же формы и относительных размеров, как и Большое Красное Пятно Юпитера. Проведя повторный анализ снимков, ученые убедились, что признаки этого атмосферного явления присутствуют на фотографиях как минимум с 23 января 1989 года. Впоследствии оно получило наименование Большого Темного Пятна.
5 июня, одновременно с началом калибровки аппаратуры, «Вояджер» приступил к специальному сеансу съемки, в ходе которого изображение диска планеты передавалось через каждую пятую часть оборота вокруг ее оси. В середине июня на Землю были переданы фотографии, на которых был выявлен первый неизвестный спутник Нептуна, получивший временное наименование в 1989 году. В начале августа было объявлено уже об открытии четырех новых спутников. Все они были зафиксированы на фотографии, сделанной 30 июля. Новые спутники представляли собой темные бесформенные глыбы размером от 50 до 400 километров. Затем было открыто еще два спутника диаметром 50 и 90 километров. 6 августа начались исследования теплового баланса Нептуна и съемка диска планеты с высоким разрешением.
Следующие открытия были связаны с кольцами Нептуна. Снимки станции, полученные более чем за неделю до максимального сближения с планетой, первоначально подтвердили существование незамкнутых дуг вокруг Нептуна. Однако чем ближе станция оказывалась к цели, тем полнее вырисовывались на снимках нити дуг, в итоге превратившиеся в кольца разной плотности на разных участках. Всего было выявлено четыре кольца Нептуна.
Ночью 24 августа, огибая северный полюс Нептуна, «Вояджер-2» прошел на минимальном расстоянии от планеты — 4895 километров от верхней границы облачного слоя. Всего двумя часами ранее станция сделала лучшие фотографии атмосферы Нептуна.
Через 4 часа 15 минут после встречи с Нептуном «Вояджер-2» под действием поля тяготения планеты оказался на расстоянии 38600 километров от Тритона — наибольшего спутника Нептуна. Перед глазами землян возник неведомый мир хребтов и разломов, заполненных льдообразной вязкой лавой, котловин и озер жидкой грязи. Диаметр спутника оказался 2730 километров. 9 октября было объявлено об открытии на Тритоне действующего гейзера. На изображении, полученном 24 августа с расстояния 99920 километров, был выявлен выброс темного вещества, взметнувшегося на высоту восемь километров. Вещество, по предположению ученых, представляло собой азот с примесями органических молекул, придающих ему темную окраску.
Данные «Вояджера» позволили уточнить диаметр другого известного спутника Нептуна — Нереиды. Ее диаметр составил 340 километров.
В ходе встречи с Нептуном «Вояджер-2» работал почти на пределе своих возможностей. Всего было выполнено около 80 различных маневров, в том числе 9 плавных разворотов платформы с научными приборами. Продолжительность экспозиции при съемках достигала десяти минут, при этом всякий раз удавалось избежать смазывания изображения.
После пролета семейства Нептуна станция «нырнула» под плоскость эклиптики и под углом пятьдесят градусов стала удаляться из Солнечной системы в направлении звезды Росс 248, которой он, видимо, достигнет в 42000 году. Планетная часть миссии «Вояджеров» закончилась, и их системы получения изображений после заключительной серии фотографировании были выключены. Тем не менее ресурсы электросистем обеих «Вояджеров» позволят в течение довольно длительного времени передавать научную информацию о состоянии теперь уже межзведной среды.
За это время на Земле принято более ста тысяч изображений и другой информации обо всех планетах-гигантах и их окружении.
Научная информация, полученная «Вояджерами», была доступна не только ученым всего мира, но и всей международной общественности. Снимки планет, сделанные станциями, обошли обложки массовых журналов, познакомив человечество с самыми отдаленными уголками Солнечной системы.