Фобос Грунт : хроника промаха

Продолжая тему драматических событий российской марсианской миссии Фобос Грунт, представляем статью немецкого аналитика космонавтики Берндта Ляйтенбергера (Bernd Leitenberger), в которой освещаются некоторые аспекты этой космической миссии.

Космический зонд Фобос Грунт уже через два часа после старта начал свой путь к гибели. Так сорвалось предпоследнее предприятие России к Марсу. Космический аппарат пополнил длинный список неудач с 1960 года. Это была последняя российская миссия к Красной планете. Ни одна из них не могла быть названа полностью удачной. При этом старт космического зонда был перенесен, так как в 2009 году часть математического обеспечения не была полностью готова, а интеграция приборов для проведения экспериментов не укладывалась в график работ. 

Короткое путешествие Фобос Грунт

8 ноября 2011 года в 21:16 по среднеевропейскому времени ракета-носитель «Зенит» украинского производства поднялась со своим драгоценным грузом. Необычно для западных участников космической деятельности, но общепринято для российских сателлитов являлось то, что миссия была застрахована на 5 млрд. рублей. Из этой суммы 1,2 млрд. приходилось на космический зонд. Двухступенчатая ракета «Зенит» вывела космический зонд вместе с разгонным модулем Фрегат на расчетную орбиту. С достижением эллиптической орбиты с удалением от Земли на расстояние 207 и 346 км миссия «Зенита» была закончена. В дальнейшем сам космический аппарат Фобос Грунт был ответственен за протекание миссии. Использование разгонного блока Фрегат в космическом аппарате хотя и давало упрощенный вариант перехода от ракеты-носителя Союз к Зениту, но тем самым перекладывала ответственность за пуск разгонного блока на системы управления космического аппарата. И расплата наступила. Первое зажигание двигателя должно было наступить после 1,7 оборота вокруг Земли в 23:55. Главный тяговый двигатель должен был отработать 10 минут. Это первое зажигание должно было вывести зонд на эллиптическую орбиту с удалением от 250 до 4150 км от поверхности Земли. Второе зажигание, которое должно было длиться теперь уже 17 минут, должно было произойти на один оборот вокруг Земли позднее. По плану именно оно должно было в 2 час 02 минуты 9 ноября 2011 года вывести космический зонд на орбиту движения к Марсу.

Все описанные включения главного тягового двигателя разгонного блока должны были осуществляться автономно непосредственно с блоков управления космического зонда. Команды с Центра управления полетом для этого не были предусмотрены. И все же зажигание главного двигателя не состоялось. Теперь для Роскосмоса больше не было новостей. Собственно было только известно, что зажигание не произошло, и следует приложить усилия для контакта с зондом. Днем позднее стало известно, что данные переданные при старте, сигнализировали о нормальном состоянии космического аппарата. Имелась также телеметрия, переданная после первого оборота вокруг Земли. Она показывала, что Фобос Грунт надлежащим образом был ориентирован на Солнце, и его солнечные батареи раскрылись.

В последующие дни специалисты Российского космического агентства пробовали наладить связь с Фобос Грунт, обойти защитную программу бортового компъютера станции и включить главный тяговый двигатель непосредственно командой с Земли. Причиной ошибочного поведения должно было быть то, что сенсор, который поставлял информацию об ориентации космического аппарата, отдал ошибочный сигнал. Это планировалось достигнуть за счет передачи обновлений для программного обеспечения блока управления Фобос Грунт.

В результате этого оставалось в бездействии ждать дальнейшего развития событий. Через неделю после старта от официальной стороны имелась только информация, что Фобос Грунт активен. Солнечные батареи раскрыты и развернуты в правильном направлении и только зажигание маршевого двигателя отсутствует, то есть в принципе та же информация, которая уже имелась непосредственно после старта. Для проработки решения времени оставалось до начала декабря, потому что космический аппарат каждый день снижался приблизительно на 2 км. Если будет пройдена точка по высоте орбиты в 180 км, зонд загорится при вхождении в плотные слои атмосферы. Измерения орбиты показывали, что в первые дни Фобос Грунт немного поднял орбиту. Ближайшая допустимая по высоте точка на орбите была пройдена по меньшей мере дважды. Фобос Грунт в одиночку противостоял безмолвному космосу. И все-же все попытки робота наладить контакт со станцией в следующие две недели потерпели неудачу.

22 ноября закрылось стартовое окно к планете Марс. И страховка со стороны ЕSА (Европейское космическое агентство) долгое время не помогала, пока 23 ноября наземная станция ЕSА не смогла восстановить связь с Фобос Грунтом. Космическая станция находилась уже слишком близко к Земле. Она слишком быстро двигалась над горизонтом. Так что было трудно с нею связаться по радиосвязи и своевременно, прежде чем она появится на небосводе, передать данные на станцию или принять ее телеметрию. Теперь стало известно, что попытки российских специалистов связаться с зондом априори должны были потерпеть неудачу: «робот» (охранная программа бортового компъютера станции) для экономии электропитания на ночной стороне отключил все неважные системы. Среди них был и блок приема радиокоманд с Земли. Положение осложнялось геометрией орбиты космического аппарата: пролетая над Россией зонд находился все время на ночной стороне. ЕSА тоже должно было преренастроить свою антенну, чтобы ею можно было следовать за Фобосом Грунтом.

26-ого числа в Роскосмосе получено сообщение, что принятая Европейским космическим агентством ESA телеметрия была как минимум частично нечитаемой. Спекуляции по поводу выхода из строя космической станции следовали дальше. По неофициальным каналам говорили о вышедшем из строя звездном датчике (Star Tracker). Без его сигнала Фобос Грунт не смог бы произвести зажигание маршевого двигателя, потому что он поставляет информацию о пространственной ориентации зонда.

Ученые из IKI в тот же день (26 ноября 2011) сообщили, что теперь миссия окончательно потеряна. Теперь уже нужно было бы подготовить зонд к входу в плотные слои атмосферы, также и потому что в баках разгонного блока еще имелось свыше 10 тон ядовитого топлива.

Попытки в последующие дни принять от зонда новую телеметрию и «вслепую» последовательными командами на борт инициировать зажигание маршевого двигателя провалились. Наземная станция слежения Европейского агентства тоже не принимала больше никаких данных. 2 декабря 2011 года европейцы уведомили Роскосмос, что они прекращают попытки контакта с межпланетной станцией. Днем позже по радилокационным наблюдениям американских специалистов от станции отделились два малых объекта, которые вскоре сгорели в атмосфере. Потом вокруг станции воцарилась информационная тишина, хотя различные толкования и острая полемика в кругах специалистов продолжались. Поднялись упреки в сторону американцев про намеренный срыв миссии Фобос Грунт. После того как даже дилетанты признали, что радар на Аляске не мог повредить систему управления российского зонда, начались упреки в сторону радара на Маршалловых островах. Влияние метеорологического радара на Аляске на межпланетный зонд было технически невозможным. Траектория орбиты Фобос Грунт проходила в районе 51-ого градуса северной широты. Во время первого оборота, о котором идет речь, курс станции проходил на юг далеко в сторону от Аляски, которая лежит севернее траектории Фобос Грунт. Только через 8 часов после старта российская станция появилась бы у самой северной границы Соединенных Штатов.

В ситуации с Маршалловыми островами не было очевидной невозможности. В конце концов, НАСА, которое держит там радиолокационную станцию для слежения за приближающимися к Земле астероидами, вынуждено было дать разъяснение, что этот радар во время старта российского зонда не был задействован. Россия же придерживалась той версии, что чувствительные приборы зонда должны быть протестированы на чувствительность к излучению радиолокатора. Поэтому бортовой компъютер межпланетной станции должен был аварийно отключиться при встрече с сильным излучением радара на Маршалловых островах, и попытки его повторного запуска должны были разрядить батареи.

В конце декабря Фобос Грунт начал быстро терять высоту и, наконец, 15 января 2012 вошел в плотные слои атмосферы. Российское космическое агентство Роскосмос сообщило, что поверхности Земли достигло около 200 кг обломков станции. Межпланетная станция сгорела над тихим океаном приблизительно на 1250 км западнее острова Веллингтон.

От чего не удалась миссия

Итак, время проанализировать неудачу Фобос Грунт. Сообщение следственной комиссии, которое было представлено очень быстро, уже в феврале, главной причиной называет одновременный перезапуск двух «рабочих каналов» (электронных модулей) бортового компъютера. Ответственной за перезагрузку была неисправность электронных компонентов из-за космического излучения, которая с другой стороны возникла только потому, что были применены не пригодные для космоса микросхемы. В деталях речь идет о микросхеме 512 K x 32 Bit SRAM типа WS512K32V20G2TM, которая была смонтирована на обеих платах бортового компъютера. Эти микросхемы не были в исполнении стойком к ионизирующему излучению по заключению Стивена Макклура (Steven McClure) из JPL (лаборатория реактивных двигателей НАСА), группа радиационных эффектов. Речь идет о чипах с более высокими предельными значениями допустимой температуры и других факторов влияния окружающей среды. Они удовлетворяют требованиям «военной спецификации» для применения в авиации и управляемом ракетном вооружении. Это означает, что они надежны при использовании в традиционной технике, так как они тоже должны функционировать при очень высоких и при очень низких температурах. Они должны также в некоторой степени быть устойчивы к ионизирующему излучению, так как самолеты в стратосфере подвергаются более высокой лучевой нагрузке. Но они разумеется не стойки к излучению, следовательно не предусмотрены для длительного применения в космосе. По мнению Стивена Макклура из JPL, можно было бы допустить применение этих микросхем для краткосрочных миссий длительностью в несколько дней, но никак не для многолетней марсианской миссии. На протяжении 10 дней, как было заявлено в сообщении Роскосмоса, космическая станция находилась под контролем бортового автопилота, он поддерживал ориентацию станции на солнце и регулярно включал для этого двигатели рулевые ориентации. Тем самым одновременно в течение первых дней проводилась и коррекция орбиты космического зонда. Только после этого удалась коммуникация со станцией. При этом система связи не была отключена, батареи разрядились, и ориентация на солнце была потеряна. Теперь Фобос грунт был утрачен окончательно.

Если бы выход из строя микросхем оперативной памяти был главной причиной, тогда миссия в любом случае провалилась бы, так как на околоземной орбите станция еще находилась в зоне влияния земных излучений. Тем самым магнитное поле Земли защищало станцию от большей части космического излучения. Теперь глава Роскосмоса Поповкин возложил ответственность на московского разработчика НПО им. Лавочкина.

Неофициальные комментарии инженеров гласят, что большая часть из 90.000 чипов не только не испытывалась на стойкость к излучению, но и не была предназначена для работы в условиях сильного излучения. Многие западные эксперты наиболее вероятной причиной считают «небрежно» выполненное программное обеспечение. То, что может выйти из строя непригодное для применения в космосе «железо» было бы возможным, но это произошло уже менее чем через два часа после старта, что является все-же чрезвычайно неправдоподобным. И хотя микросхемы SRAM не подходят для длительных миссий, но их выход из строя произошел слишком быстро, что само по себе являлось большой неудачей. То, что у обоих бортовых компъютеров одновременно прошла команда на перезагрузку еще более невероятно. Скорее всего, это свидетельствует о системной ошибке, очевидно в программном обеспечении. Если бы на перезагрузку пошел только один из компъютеров, управление маршевым двигателем не было бы блокировано. Бесспорным является то, что в программном обеспечении космической станции имелась системная ошибка, которая не была названа в сообщении следственной комиссии. Бросается в глаза тот факт, что российские наземные станции в первые часы после старта вообще не имели возможности контактировать с Фобос Грунт, который находился на околоземной орбите.

Истинные причины

Знатокам российской космонавтики это во многом напоминает более ранние неудачи. Фобос 1 и Фобос 2 в 1988 году были потеряны, потому что космические аппараты не имели на борту никакого программного обеспечения, которое при проблемах подобного рода переводило бы космический аппарат в «безопасный режим». В то время подобные системы были уже стандартны у НАСА и ЕКА (Европейское космическое агентство). Они не делали ничего иного, кроме ориентации космического аппарата на солнце, тем самым гарантируя его энергоснабжение. Все другие нежизненно важные системы деактивируются, и зонд пробует наладить связь с Землей.

Марс 96 был потерян, потому что последняя ступень вывела космический аппарат на неправильную орбиту, после того как она вскоре после зажигания маршевого двигателя преждевременно прекратила работу последнего. Космический зонд не справился с заданной программой. Положение еще более осложнилось от того, что зонд после запуска маршевого двигателя проходил через точку орбиты, имевшую минимальное расстояние от поверхности Земли (точку перигея).

Пожалуй, наиболее похожей была ситуация с миссией Марс 4-7. И этот космический аппарат стартовал с дефектными космическими деталями. Точнее сказать, перед стартом знали, что космические зонды из-за того, что новые контакты микросхем вместо золота были изготовлены из аллюминиевых сплавов имели шанс достичь Марса только 50%, прежде чем по причине коррозии транзисторы бы вышли из строя. В то время доминировали политические мотивы. Советская марсианская миссия должна былы начаться в стартовом окне 1973 года, в то время как американцы для посадки свого аппарата планировали использовать стартовое окно 1975 года.

В этом и заключается различие в конструктивном исполнении межпланетных космических аппаратов. Не случайно официально российские космические аппараты назывались «автоматическими». Старт Фобос Грунт, как и Марс 96 проходил по жесткому во времени графику. Он ни в коем случае не предусматривал влияние извне посредством внешних воздействий с наземных станций. Как и на Марсе 96 было невозможно с наземного центра исследовать проблему и предпринять действия для повторного зажигания. Фобос Грунт должен был автономно повторить зажигание маршевого двигателя. Еще более скверным было то, что на этой фазе полета вообще никогда не планировалось вмешиваться в действие бортовой аппаратуры, почему и не мог быть активирован контроль наземного центра над процессами на космическом аппарате.

У американских космических аппаратов с момента старта имеется непрерывный стабильный поток данных к наземному центру, даже если зонд ничего не совершает, а только является пассивным пассажиром. Конечно это более сложная и некомфортная для специалистов наземного центра ситуация, но, как показывает случай с Фобосом Грунт, необходимая, чтобы даже при неудаче миссии вообще знать, что же произошло. Правда, и у НАСА были ошибки, что показывает потеря аппарата Mars Polar Lander, у которого в последние четверть часа полета (собственно при посадке на поверхность Марса) прервался радиоконтакт. Но без постоянного потока информации с космического аппарата было бы невозможно найти причины провала миссии.

И все же Роскосмос имел шанс исправить ситуацию. Но только через 12 дней после старта он обратился с просьбой к Европейскому космическому агентству, которое на полетной траектории станции располагало большим числом наземных станций, проследить за Фобосом Грунт особенно в течение первых оборотов вокруг Земли. Они могли бы принять телеметрию с космического аппарата, и ситуация могла бы быть иной.

Окончание читайте тут