¿La potencia de salida de radio de las sondas Voyager es escalable?

tl; dr: El amplificador de tubo de onda viajera (TWTA) de banda X de Voyager se puede configurar en 18 o 12 vatios de potencia de salida. Estos corresponden a 71,9 y 48,3 Watts de potencia eléctrica, por lo que la respuesta corta es Sí.

Dado que se habla tanto sobre el final de la misión de la Voyager alrededor de 2025 debido a la falta de energía para cualquier instrumento (más allá de las comunicaciones), es posible que ya hayan cambiado a la configuración de energía más baja.

Pero no lo sé, así que he preguntado por separado:

• ¿Los TWTA de banda X de las naves espaciales Voyager están configurados actualmente en potencia de transmisión alta o baja? ¿Cuáles son sus historiales de cambio?
• ¿Cómo morirían finalmente las Voyagers si se les permitiera transmitir hasta el amargo final?

Fondo

Desde un punto de vista estrictamente relacionado con el presupuesto , ciertamente quedan muchos años para la comunicación entre Deep Space Network (también DSN Now ) y Voyager.

• Actualmente, definitivamente hay suficiente potencia para una velocidad de enlace descendente de 160 bits/seg de acuerdo con esta respuesta a ¿Cómo calcular la velocidad de datos de la Voyager 1?
• DSN puede combinar las señales recibidas de varias antenas para mejorar la relación señal/ruido, de acuerdo con esta respuesta a ¿Por qué DSN a veces usa dos antenas al mismo tiempo para recibir la Voyager-1?
• Hay mucho espacio para aumentar la potencia del enlace ascendente de DSN, que suele ser de 20 kW nominales, pero al menos el plato DSN de 70 m en Goldstone está equipado para llegar a 400 kW. Para obtener más información, consulte ¿ Se ha utilizado alguna vez el DSS-43 en modo de alta potencia (>>20 kW) para una situación de emergencia? . Para la cobertura de la Voyager 2, se tendría que agregar una mayor potencia al plato de 70 m en Canberra, en el hemisferio sur. Para obtener más información sobre esto, consulte esta respuesta a ¿Qué pasaría si los Voyagers hubieran permanecido dentro del plano de la eclíptica?

La fuente de información sobre comunicación en el espacio profundo es la serie DESCANSO (ver también ¿Cuándo se concibió por primera vez la idea detrás de la serie de libros DESCANSO, por quién y cuál es su "misión"?) .

En particular, la Serie de Resumen de Diseño y Desempeño de DESCANSO Artículo 4; Telecomunicaciones Voyager por Roger Ludwig y Jim Taylor.

Aquí hay una tabla interesante y una cita en la Sección 1 en la página 6:

La duración del VIM está limitada principalmente por la disminución de la energía eléctrica de la nave espacial (de los dos generadores termoeléctricos de radioisótopos [RTG]) y la capacidad del enlace de telemetría. La Tabla 1-1 proporciona estimaciones de vida útil para la energía eléctrica, las telecomunicaciones y la hidracina (para el control de actitud). Con la Voyager 2 ahora muy al sur de la eclíptica, no es visible desde las estaciones del hemisferio norte. La tabla muestra los límites de velocidad de datos de telemetría para dos tamaños de estaciones de espacio profundo en Goldstone, California para Voyager 1 y cerca de Canberra, Australia para Voyager 2. Los límites para el tercer sitio, cerca de Madrid, España, son similares a los de Goldstone para Voyager 1.

Voyager revisa, actualiza y consolida continuamente los procesos para aumentar la eficiencia y mejorar el retorno de la inversión pública. Durante VIM, Voyager redujo la dotación de personal de su equipo de vuelo en un 97%, de aproximadamente 300 en 1989 a 10 en 2002. La reducción de personal restringe cada vez más a VIM en las áreas de planificación, ejecución y análisis de actividades no rutinarias, y respuesta ante anomalías.

Las asignaciones de la tasa de telemetría VIM a los tipos de datos son las siguientes. A 160 bps o 600 bps, los diferentes tipos de datos se intercalan.

Notas:

• Esto se publicó en marzo de 2002, por lo que se basa en todos los datos de ingeniería disponibles durante los 25 años a partir de su lanzamiento en 1977. No refleja nada de lo que se haya aprendido sobre las condiciones de las Voyagers después de 2002.
• VIM = Misión Interestelar Voyager , ¡sin duda una señal de optimismo!
• Con una capacidad de enlace descendente prevista de 40 bits por segundo de 2045 y 2050 para las Voyagers 1 y 2 respectivamente, se consideró en ese momento que con las mejores estimaciones de la degradación RTG Pu-239 (vida media del radioisótopo más pérdida de eficiencia del convertidor de termopar en sí mismo debido al daño por radiación y otros efectos de envejecimiento), los sistemas aún podrían operar sus transmisores al menos hasta entonces.

Sistema de energía eléctrica

¿Qué más sabemos sobre el sistema de energía?

Cuando hay energía más que suficiente disponible del RTG, las Voyagers mantienen un voltaje de suministro constante derivando una cantidad variable de energía a un conjunto de resistencias de derivación que irradian calor al espacio, según la respuesta de @Hobbes a ¿Por qué la Voyager tuvo que derivar ? energía eléctrica no utilizada e irradiar en forma de calor?

Pero, ¿qué sucede cuando no hay exceso de potencia?

Potencia de transmisión de banda X

3.3.4 Excitadores de banda X

El excitador de banda X convierte la frecuencia en la salida del excitador de banda S a banda X para impulsar el TWTA de banda X. Similar a la función de excitador de banda S, la fase de excitador de banda X modula la señal de RF con la señal de telemetría compuesta de la TMU y, si el canal de determinación de distancia de banda X está activado, la señal de determinación de distancia detectada por el receptor.

3.3.5 Amplificadores de potencia de banda X

Solo se puede alimentar un X-TWTA a la vez. Además, una entrada de control del CCS asegura que el X-TWTA esté apagado cuando el X-exciter esté apagado. Como es el caso de la banda S, ya sea que esté encendido o no, el nivel de potencia X-TWTA se selecciona en cualquiera de los dos niveles ⁴ mediante la entrada de control CCS.

En octubre de 1987, la Voyager 1 X-TWTA-2 falló, como se indica en la figura 3-1, elemento de leyenda 3. El enlace descendente principal se cambió a X-TWTA-1. En noviembre de 1998, la Voyager 2 cambió de X-TWTA-2 a X-TWTA-1 [6]. ⁵ Para ambas naves espaciales, el elemento de leyenda 1 en la figura señala los cambios del enlace descendente polarizado circular derecho de X-TWTA-2 al enlace descendente polarizado circular izquierdo de X-TWTA-1. ⁶

⁴ Los niveles de RF de alta y baja potencia al HGA para el X-TWTA son 12 W y 18 W.

⁵ El cambio al X-TWTA de respaldo se encuentra en el informe de estado http://vraptor.jpl.nasa.gov/voyager/pressrel/vg981117.html

⁶ La relación entre la selección de X-TWTA y la polarización resultante del enlace descendente de banda X se describe en la sección SXA que sigue.

La nota al pie n.° 4 indica que existe al menos un método para disminuir la potencia de transmisión de la Voyager integrada en el sistema. Un comando desde tierra puede indicar a los excitadores de antena de alta ganancia (HGA) de banda X que cambien entre 18 W y 12 W de potencia de transmisión entregada a la antena. Pero, ¿qué significa eso en términos de energía eléctrica?

Figura 3.1 del Artículo 4; Voyager Telecommunications (haga clic para ver más grande), discutido más detalladamente en la pregunta ¿ Respuestas de frecuencia de la bocina de alimentación y el extremo frontal del receptor de la antena de alta ganancia de banda S de Voyager y IF?

Según la Tabla 3-3. Resumen de masa y potencia de entrada de la nave espacial Voyager que refleja un cambio entre 71,9 y 48,3 vatios de energía eléctrica, una diferencia de más de 23 vatios, que es una parte considerable del presupuesto total de energía de la Voyager.

¿Que sigue?

De acuerdo con esta respuesta y esta pregunta, las Voyagers se quedarán sin energía para "operar un solo instrumento" en 2025 para la Voyager 2 y un poco más para la Voyager 1. Se supone que es el final de la misión.

Sin embargo, el simple hecho de tener la propia portadora de radio permite hacer al menos un poco de ciencia basada en el desplazamiento Doppler y la intensidad de la señal. Así que todavía no estoy seguro de si realmente lo apagarán porque no hay datos provenientes de otros instrumentos (solo datos de ingeniería interna), o si simplemente dejarán que continúe enviando una señal hacia el Sol y la Tierra para que pueda ser captada desde tiempo al tiempo. ¡Recuerde el optimismo de la Misión Interestelar Voyager con fechas de 2045 y 2050 para la tasa de datos de 40 bps!

Sin embargo, creo que es seguro decir que tan cerca de un posible final de la misión debido a la baja potencia que los amplificadores X-tube ya están configurados en la configuración de potencia más baja.