Ist die Funkausgangsleistung der Voyager-Sonden skalierbar?

tl;dr: Der X-Band-Wanderfeldröhrenverstärker (TWTA) von Voyager kann entweder auf 18 oder 12 Watt Ausgangsleistung eingestellt werden. Diese entsprechen 71,9 und 48,3 Watt elektrischer Leistung, daher lautet die kurze Antwort ja.

Da so viel über das Missionsende der Voyager um 2025 herum gesprochen wird, weil für Instrumente (über die Kommunikation hinaus) keine Leistung mehr vorhanden ist, ist es möglich, dass sie bereits auf die niedrigere Leistungseinstellung umgeschaltet haben.

Aber ich weiß es nicht, also habe ich separat gefragt:

• Sind die X-Band-TWTAs der Voyager-Raumfahrzeuge derzeit auf hohe oder niedrige Sendeleistung eingestellt? Was sind ihre Änderungsgeschichten?
• Wie würden die Voyager schließlich sterben, wenn man ihnen erlaubte, bis zum bitteren Ende zu senden?

Hintergrund

Aus strenger Sicht des Link-Budgets bleiben sicherlich noch viele Jahre für die Kommunikation zwischen dem Deep Space Network (auch DSN Now ) und Voyager.

• Derzeit ist laut dieser Antwort auf Wie berechnet man die Datenrate von Voyager 1?
• DSN kann empfangene Signale von mehreren Schüsseln kombinieren, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, gemäß dieser Antwort auf Warum verwendet DSN manchmal zwei Schüsseln gleichzeitig, um Voyager-1 zu empfangen?
• Es gibt viel Spielraum, um die Uplink-Leistung von DSN zu erhöhen, die normalerweise nominal 20 kW beträgt, aber zumindest die DSN-70-m-Schüssel in Goldstone ist für eine Leistung von 400 kW ausgestattet. Weitere Informationen hierzu finden Sie unter Wurde DSS-43 jemals im Hochleistungsmodus (>>20 kW) für eine Notsituation verwendet? . Für die Abdeckung durch Voyager 2 müsste der 70-m-Schüssel in Canberra auf der Südhalbkugel eine höhere Leistung hinzugefügt werden. Weitere Informationen hierzu finden Sie in dieser Antwort auf Was wäre, wenn die Voyager in der Ebene der Ekliptik geblieben wären?

Die Anlaufstelle für Informationen zur Weltraumkommunikation ist die DESCANSO-Reihe (siehe auch Wann wurde die Idee hinter der DESCANSO-Buchreihe zum ersten Mal entwickelt, von wem und was ist ihre „Mission“? ).

Insbesondere Artikel 4 der DESCANSO Design and Performance Summary Series; Voyager Telecommunications von Roger Ludwig und Jim Taylor.

Hier ist eine interessante Tabelle und ein Zitat in Abschnitt 1 auf Seite 6:

Die Dauer des VIM wird hauptsächlich durch die abnehmende elektrische Leistung des Raumfahrzeugs (von den zwei thermoelektrischen Radioisotopengeneratoren [RTGs]) und die Telemetrieverbindungsfähigkeit begrenzt. Tabelle 1-1 enthält Lebensdauerschätzungen für elektrische Energie, Telekommunikation und Hydrazin (zur Lageregelung). Da Voyager 2 jetzt weit südlich der Ekliptik liegt, ist sie von den Stationen auf der Nordhalbkugel aus nicht sichtbar. Die Tabelle zeigt die Grenzwerte für die Telemetriedatenrate für zwei Deep Space Station-Größen in Goldstone, Kalifornien, für Voyager 1 und in der Nähe von Canberra, Australien, für Voyager 2. Die Grenzwerte für den dritten Standort in der Nähe von Madrid, Spanien, ähneln denen in Goldstone für Voyager 1.

Voyager überprüft, aktualisiert und konsolidiert Prozesse kontinuierlich, um die Effizienz zu steigern und die Rentabilität öffentlicher Investitionen zu verbessern. Während VIM hat Voyager die Personalstärke seines Flugteams um 97 % reduziert, von etwa 300 im Jahr 1989 auf 10 im Jahr 2002. Der Personalabbau schränkt VIM zunehmend in den Bereichen Planung, Ausführung und Analyse von nicht routinemäßigen Aktivitäten sowie Reaktion auf Anomalien ein.

Die Zuordnungen der VIM-Telemetrierate zu Datentypen sind wie folgt. Bei 160 bps oder 600 bps werden die verschiedenen Datentypen verschachtelt.

Anmerkungen:

• Dies wurde im März 2002 veröffentlicht und basiert daher auf allen technischen Daten, die in den 25 Jahren seit ihrem Start im Jahr 1977 verfügbar waren. Es spiegelt nichts wider, was über den Zustand der Voyagers nach 2002 gelernt wurde.
• VIM = Voyager Interstellar Mission, sicherlich ein Zeichen von Optimismus!
• Mit einer vorhergesagten Downlink-Fähigkeit von 40 Bit pro Sekunde von 2045 bzw. 2050 für Voyager 1 und 2 war man damals der Ansicht, dass mit den besten Schätzungen der RTG-Verschlechterung von Pu-239 (Halbwertszeit des Radioisotops plus Effizienzverlust des Thermoelement-Wandler selbst durch Strahlungsschäden und andere Alterungseffekte) würden die Anlagen ihre Sender zumindest bis dahin noch betreiben können.

Elektrisches Energiesystem

Was wissen wir noch über das Energiesystem?

Wenn vom RTG mehr als genug Strom zur Verfügung steht, halten die Voyager eine konstante Versorgungsspannung aufrecht, indem sie eine variable Strommenge an eine Reihe von Shunt-Widerständen leiten, die Wärme in den Weltraum abstrahlen, so die Antwort von @Hobbes auf Why did Voyager have to shunt ungenutzte elektrische Energie und strahlen diese als Wärme ab?

Aber was passiert, wenn es keine überschüssige Leistung gibt?

X-Band-Sendeleistung

3.3.4 X-Band-Exciter

Der X-Band-Erreger wandelt die Frequenz am Ausgang des S-Band-Erregers in das X-Band um, um den X-Band-TWTA anzutreiben. Vergleichbar mit der S-Band-Exciter-Funktion moduliert die X-Band-Exciter-Phase das HF-Signal mit dem zusammengesetzten Telemetriesignal von der TMU und, wenn der X-Band-Ranging-Kanal eingeschaltet ist, dem vom Empfänger erfassten Ranging-Signal.

3.3.5 X-Band-Leistungsverstärker

Es kann immer nur ein X-TWTA mit Strom versorgt werden. Ferner stellt ein Steuereingang vom CCS sicher, dass die X-TWTA ausgeschaltet wird, wenn der X-Erreger ausgeschaltet ist. Wie im Fall des S-Bands wird der X-TWTA-Leistungspegel unabhängig davon, ob er eingeschaltet ist oder nicht, durch den CCS-Steuereingang auf einen von zwei Pegeln ^{4 ausgewählt.}

Im Oktober 1987 fiel die Voyager 1 X-TWTA-2 aus, wie in Abbildung 3-1, Legende Punkt 3, angemerkt. Der primäre Downlink wurde auf X-TWTA-1 umgeschaltet. Im November 1998 wechselte Voyager 2 von X-TWTA-2 zu X-TWTA-1 [6]. ⁵ Für beide Raumfahrzeuge kennzeichnet Legendenelement 1 in der Abbildung die Änderungen von der rechtszirkular polarisierten Abwärtsverbindung von X-TWTA-2 zu der linkszirkular polarisierten Abwärtsverbindung von X-TWTA-1. ⁶

⁴ Die Low-Power- und High-Power-HF-Pegel zum HGA für das X-TWTA sind 12 W und 18 W.

⁵ Der Wechsel zum Backup X-TWTA ist im Statusbericht http://vraptor.jpl.nasa.gov/voyager/pressrel/vg981117.html

⁶ Die Beziehung zwischen der X-TWTA-Auswahl und der daraus resultierenden Polarisierung des X-Band-Downlinks wird im folgenden SXA-Abschnitt beschrieben.

Fußnote Nr. 4 weist darauf hin, dass es mindestens eine Methode gibt, um die Sendeleistung von Voyager zu verringern, die in das System integriert ist. Ein Befehl vom Boden kann die X-Band High Gain Antenna (HGA) Exciter anweisen, zwischen 18 W und 12 W Sendeleistung zu wechseln, die an die Antenne geliefert wird. Aber was bedeutet das in Bezug auf die elektrische Leistung?

Abbildung 3.1 aus Artikel 4; Voyager Telecommunications (zum Vergrößern anklicken), weiter diskutiert in der Frage .

Gemäß Tabelle 3-3. Zusammenfassung der Eingangsleistung und Masse des Voyager-Raumfahrzeugs , die eine Änderung zwischen 71,9 und 48,3 Watt elektrischer Leistung widerspiegelt, eine Differenz von über 23 Watt, was einen beträchtlichen Teil des gesamten Leistungsbudgets von Voyager darstellt!

Was kommt als nächstes?

Laut dieser Antwort und dieser Frage wird den Voyagern im Jahr 2025 für Voyager 2 und etwas länger für Voyager 1 die Energie ausgehen, um "ein einziges Instrument zu betreiben". Es soll das Ende der Mission sein.

Allerdings erlaubt es einem, einfach den Funkträger selbst zu haben, zumindest ein bisschen Wissenschaft basierend auf der Doppler-Verschiebung und der Signalstärke zu betreiben. Ich bin mir also noch nicht sicher, ob sie es wirklich abschalten werden, weil keine Daten von anderen Instrumenten kommen (nur interne technische Daten), oder es einfach weiterhin ein Signal in Richtung Sonne und Erde senden lassen, damit es abgeholt werden kann von Zeit zu Zeit. Erinnern Sie sich an den Optimismus der Voyager Interstellar Mission mit Daten von 2045 und 2050 für die Datenrate von 40 bps!

Ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass aufgrund der geringen Leistung ein potenzielles Ende der Mission so nahe ist, dass die X-Röhrenverstärker bereits auf die niedrigere Leistungseinstellung eingestellt sind.