pilot_pirks (pilot_pirks) wrote,
pilot_pirks
pilot_pirks

Category:

Полет японского сокола

 Мы летим, ковыляя во мгле,
Мы ползем на последнем крыле...


 

В минувшее воскресенье закончилась одна из самых напряженных страниц в истории межпланетных станции. Длилась она около семи лет. И завершилась, хоть и не полным, но успехом. В описании этой миссии я преподнес некоторые моменты с юмором, но это вовсе не значит, что я хотел посмеяться . Лично я очень уважаю всех, кто работал над этим проектом. Даже по мировым меркам миссия весьма сложна. Для Японии же это был, по сути, прыжок выше головы.

 
 

Начало

Собственно планы Японии по разработке собственных АМС начались еще в 70х годах. На тот момент в космосе шла мирная битва между СССР и США, в результате которой сделать что-либо, странам второго эшелона, было сложно. Все интересные направления они, с разным успехом,  разрабатывали, и любой зонд третьей стороны смотрелся бы крайне слабо. К этому нужно добавить отсутствие у той же Японии грузоподъемных ракет, а также опыта в конструировании космических аппаратов…

Хорошим примером могут быть первые АМС Японии: Сакигаки и Сусей направленные к комете Галлея. Они так далеко пролетели от кометы и несли так мало научных приборов, что про них порой даже забывают упомянуть. Слишком невелик оказался их вклад в общую корзину. Советские Веги и европейская Джотто были куда успешней. Что и говорить, если даже американская АМС Пионер-7 дала больший вклад, хотя она даже не проектировалась для изучения комет! Так, рядом  оказалась.

Страна - символ микроэлектроники и надежности находилась в вопросах исследования космоса  в самом конце. Сразу после США, СССР и Европы (больше стран, до недавнего времени, созданием вообще АМС не занимались).

Инженерам страны восходящего солнца хотелось большего. Собственно, ответ на вопрос, как  «прозвучать» прост. Нужно просто создать станцию для решения какой-нибудь совершенно неординарной задачи. И все! :)  Конечно, при этом ,желательно уложиться в требуемую массу и цену миссии. 

Именно так и родилась Хаябуса. Тогда у нее еще было менее благозвучное имя Muses-C


 

С самого начала эту станцию характеризовали исключительно как экспериментальную. На ней планировалось отработать электрореактивную двигательную установку малой тяги, автономную оптическую навигацию, научиться проектировать теплозащиту и т д. Правда, при этом, цель была весьма нестандартная для экспериментально аппарата: доставка на Землю грунта с астероида.

На тот момент грунт успешно удалось доставить только с Луны и, в случае успеха, мировое признание было неизбежно. Нельзя сказать, что разработчики не понимали сложности миссии. Для увеличения шансов на успех Институт космических и астронавтических наук Японии(ISAS) решил обратиться за помощью в JPL. К маю 1997 года были оговорены условия сотрудничества. Связь со станцией планировалось осуществить при помощи сети дальней связи США, посадку капсулы с грунтом планировалось осуществить на полигон в штате Юта, а испытания теплозащиты капсулы были за исследовательским центром им Эймса. За время планирования миссии место посадки было изменено. Ее было решено посадить капсулу на полигон Вумера в Австралии. Также JPL вышел со встречным предложением. Он предложил за свой счет разработать под Хаябусу минировер для более детального изучения астероида. Эту малютку предлагали оснастить телевизионной камерой, инфракрасным, рентгеновским и альфа спектрометрами. Питание от солнечных батарей, ходовая часть должна была позволить ехать, перекатываться, переворачиваться и прыгать по поверхности телескопа. За это США передавалось часть образцов грунта, и американские специалисты участвовали в научных группах сформированных вокруг японских приборов.


Для выведения планировалось использовать новую японскую ракету-носитель М-5, которая уже совершила два успешных полета.

Вскоре начались проблемы. Первые, еще на этапе выбора конечной цели миссии.  Сначала планировали лететь к астероиду Нереус, старт планировали на 7 января 2002 года. К астероиду станция долетела бы 9 сентября 2003 года, вернулась к Земле 28 января 2006. Но уже на этапе технического проекта были выяснены реальные возможности и аппарата и его времени запуска. В результате от Нереуса пришлось отказаться, и целью стал маленький астероид даже не имеющей своего собственного имени, он скрывался в каталогах под номером 10302, а сам пуск перенесли на июль 2002 года.

                Следующую неприятность преподнесла ракета. В третьем пуске 10 февраля 2000 года она потерпела аварию. В результате пуск перенесли уже на ноябрь 2002 года. Раньше исправить в ракете неполадки, по мнению специалистов, было нельзя.

                Вместе с датой пуска изменилась и цель. Теперь Хаябусу планировали направить к еще одному безымянному астероиду 1998SF36 . Хуже всего было то, что опять возможности станции оказались недостаточными для прямого перелета к астероиду. У станции просто не хватило бы топлива. Так что изменения коснулись и схемы перелета. Теперь станция должна была через полтора года после запуска вернуться к Земле, совершить гравитационный маневр, и только после этого направиться к цели.

   
         Через некоторое время стало ясно, что аппарат полетит к астероиду без ровера. Сотрудники
JPL, после начала разработки, поняли, в какие тяжелые условия они сами же себя поставили. Ровер никак не вписывался в требуемые ограничения по массе. А его цена была действительно астрономической. Когда стоимость разработки уже превысила 30 млн долларов (побив тем самым все рекорды по цене за кг массы) проект было решено закрыть. 3 ноября 2000 года исполняющий обязанности директора по исследованиям Солнечной системы Джей Бергстал распорядился о закрытие проекта. Свое решение он сам же назвал «трудным и бестактным», но он просто не видел другого выбора.  

            В декабре 2001 года Muses-C вышла на стадию испытаний в чистовой комнате. В конце апреля была обнаружена утечка газа через клапан регуляции системы ориентации из -за неправильного кольцевого уплотнения. Уплотнение заменили, но этот отказ потребовал проверки всех остальных уплотнений. Эта вызвало задержку на несколько месяцев и… станция пропустила стартовое окно в конце 2002 года.

            На сей раз цель миссии было решено не менять, а просто дождаться следующего окна старта к 1998 SF36. Оно открывалось 5 мая 2003 года.


Полет

9 мая 2003 года 04.29.25 UTC станция оторвалась от Земли. Через 610 секунд аппарат отделился от ракеты, еще через полчаса, он был переведен в полетную конфигурацию (раскрылись солнечные батареи, выдвинулся рупор грунтозаборного устройства) и станцию нарекли собственным именем. Теперь Muses-C стала Hayabusa  («Хаябуса») (в переводе с японского – Сокол).

В течении мая и июня операторы готовились к началу разгона на электроракетных двигателях. Тестировали системы, отлаживали действия на Земле, только  25 июня была подана команда на начало разгона, и началось медленное приращение скорости станции. Вскоре после запуска появилась собственное имя и у астероида. Его назвали в честь пионера японского ракетостроения Хидео Итокавы.

   В маю 2004 года аппарат вновь вернулся к Земле. Это был отличный способ проверить работу бортовых систем. 17 мая, когда зонд находился на расстоянии 910 тыс км аппарат провел фотографирование Земли, а через 17 часов Луны. Все было замечательно. 19 мая 2004  Хаябуса совершила гравитационный маневр у Земли. Теперь ее ждала Итокава.

Полет к астеройду был омрачен только относительно нестрашной проблемой в материальной части. 31 июля 2005 отказал один из трех гироскопов в системе ориентации и стабилизации. Но это было еще не критично. Ведь было еще два. Пока… 

Официальной датой прибытия является 12 сентября 2005 года, именно в этот день аппарат стабилизировался на высоте около 20 км над астероидом. В любом другом случае следовало бы сказать «на орбите» но это было не так. Астероид был столь маленьким, что давление Солнца на станцию оказывала большее возмущение чем его гравитационное поле.


Судя по первым снимкам, Итокава оказалась похожа на картофель. Неправильное небесное тело, усыпанное камнями. Был начат осторожный спуск к его поверхности. К 29 сентября станция была зафиксирована на высоте 6.8 км от поверхности. После этого станция начала медленно передвигаться над его поверхностью к полюсам астероида.

Вот тут-то и отказал второй гироскоп (3 октября). Ситуация оказалась близка к критической. Если бы отказал последний, миссия была бы провалена. Программу работы у астероида урезали до минимума. Нужно было как можно быстрее закончить облет астероида, взять грунт и направиться домой. После чего молиться, чтобы за время полета последний гироскоп был в порядке. Вместо трех проб грунта было решено взять только две. К 29 октября станция вернулась в исходную точку. За это время было передано около 1500 снимков объемом немного меньше 1 Гбайта, лазерный высотомер определил расстояние до астероида в 1.4 млн точек, получены данные о составе грунта. В любом другом случае этого было уже достаточно, хотя опять все это могло выглядеть только как повторение уже подобного. На данные момент далеко не один астероид был изучен дистанционными методами, да и слишком громкой была озвученная цель миссии. Добыть грунт было необходимо.

 Астероид оказался весьма сложным объектом. Его поверхность покрывали камни размером до 50 метров. Вот плотность Итокавы оказалась низкой, всего 2.3+/-0.3 г/см3, это ниже чем у каменных пород или уже известных астероидов. Потом было выдвинута версия, что Итокава не является астероидом в прямом смысле этого слова. Это просто куча песка и камней сформировавшая под действием гравитации некое подобие твердого тела.

 1 ноября началась подготовка к первому тренировочному спуску. План полета был прост, нужно было сбросить тренировочную мишень и исследовательский зонд Миневра. Сброс мишеней планировалось на высоте 30 метров, затем станция должна была опуститься до 17 метров, зафиксироваться и сбросить Миневру.

3 ноября в 19:17 UTC начался спуск. Увы, на высоте 700 метров наступила непредвиденная ситуация, по сути, ошибка в программе, компьютер не смог выделить на изображении центр яркости, в результате  чего завис и ушел на перезагрузку. Разобравшись в ситуации, с Земли была послана команда на прекращение посадки и подъем.

9 ноября была предпринята вторая попытка. На сей раз, основной задачей было тестирование нового алгоритма введенного в бортовой компьютер. Хаябуса успешно опустилась до высоты 70 метров, затем поднялась до 3200 метров, после опять спустилась на 500 м. Для проверки системы отделения была отстрелена одна из мишеней, но не в сторону астероида. На одном из снимков Итокавы даже удалось различить тень от аппарата.  Первоначально для посадки был выбран район Вумера. Но уже после анализа фотографий, полученных во время этого спуска, там обнаружили много крупных камней и место посадки перенесли в Море Мьюзес. Это вызвало определенные изменения в режиме работы со станцией. Аппарат проходил Море Мьюзес вне зоны видимости с японской станции Усуда, и управление могло идти только через американскую сеть дальней космической связи.
 

 12 ноября аппарат пошел на свой третий спуск. В этом спуске было решено сбросить Миневры на Итокаву. Станция сначала успешно опустилась до высоты 120 метров и начала фотосъемку поверхности. После этого начался спуск до высоты 70 метров. Отделение Миневры было решено производить по команде с Земли. Это было очень странное решение, и именно оно оказалось роковым. Радиосигнал до станции шел 16 минут и совершенно не мог учитывать все, что происходило с аппаратом за это время.  Как потом оказалось, станция снижалась гораздо быстрее, чем рассчитывали на Земле. Когда высота станции достигла критической, на высоте 44 метра от поверхности компьютер выдал команду на подъем. И именно тут на станцию пришел сигнал об отделении Миневры! Никакого ограничения на этот случай заложено не было и компьютер четко выполнил команду.

Меневра была отделена уже на высоте 200 метров от астеройда, когда станция отделялась от него со скоростью порядка 10 см/с. Толкателей станции было достаточно чтобы погасить эту скорость, к сожалению, направление полученного импульса оказалось не верным и... зонд пролетел мимо астеройда. Датчики препятствий на Хаябусе зафиксировали ее отделение, потом был пойман сигнал.  С Миневры пришла фотография одной из солнечных батарей Хаябусы. Затем Хаябуса смог сфотографировать небольшую «звездочку» рядом с краем Итокавы –Миневру. Все. Миссия Миневры была провалена. Как будто в насмешку, еще 18 часов с Миневры принимался сигнал о нормальном функционировании всех бортовых систем.


Как добывали грунт

Теперь в схеме полета оставался только один пункт - забор грунта. 19 ноября Хаябсуа  начала спуск для выполнения своей главной миссии: взятие грунта с Итокавы. Время спуска было подобрано, для возможности управления с японской станции Усуда. Все системы, кроме двух гироскопов, работали нормально. Станция пошла на посадку, ориентируясь по мишени, и анализируя рельеф. Основным отличием от основных миссий было то, что совершенно все операции по взятию грунта станция должна была выполнить на чистом автомате. Земля ничем не могла помочь, а случай с Миневрой показал, что могла и помешать. По программе полета, станция даже прервала передачу телеметрии, переведя передатчик в режим радиомаяка. В этом режиме было проще определять скорость станции благодаря эффекту Доплера. Но в этом решении был и отрицательный момент, так как на Земле узнали о том, что происходило рядом с Итокавой только через несколько дней. Расшифровав записанную телеметрию.

Сначала, как водится, все шло хорошо. На высоте 54 метра, на астероид была сброшена мишень. В отличие от двух других, на этой мишени были имена более чем 880 тысяч человек из 149 стран, в рамках программы «полет навстречу звездному принцу». Эта программа была объявлена 13 мая 2002 года. Все, кого она заинтересовала, мог отправить организаторам полета свое имя, эти имена были помещены на алюминиевую фольгу,  которую прикрепили к одной из мишеней. И вот, эта фольга была доставлена на поверхность Итокавы.

В 05:31 JST когда высота составила 35 метра, включились посадочные дальномеры.  На участке их работы и произошла первая неприятность: система управления сформировала сигнал о препятствии (как оказалось ложный) и был выдан небольшой тормозной импульс, станция стала медленно подниматься. При подъеме система обнаружила, что препятствия больше нет, но из-за глюка в бортовом ПО не выдала команду на активацию датчика касания! Аппарат медленно поднялся до высоты 28 метров, после чего стал падать на Итокаву.

В 6:10 станция коснулась астероида, по программе полета именно здесь должен был произойти забор грунта, но он активировался, по команде с датчика касания, который сам был не активен.  После касания, станция оттолкнувшись от астеройда  вновь началась подниматься. Импульса хватила на подъем до 22 метров, после чего станция вновь (в 6:41) упала на астероид, точно на грунтоприемное устройство, на сей раз окончательно.

На Земле тем временем царила паника. Судя по анализу его скорости, аппарат делал что угодно, но только не пытался взять грунт. Инженеры до последнего момента надеялись зафиксировать быстрый подъем, сигнализирующий о успешном взятие грунта, а затем и передачу телеметрии, но аппарат медленно «плавал» около поверхности и возвращаться не собирался.  Хуже всего, что  приближалась передача слежения с Голдстоуна на Усуду. Передатчик в японской станции работал со сбоями, и мог не выдать нужный сигнал на станцию. Долгое нахождение рядом с астероидом, нагретым под сотню градусов Цельсия, грозил повреждением аппаратуры.  В самый последний момент  перед передачей слежения (6:58) был отдан приказ «вслепую», на борт станции была передана  команда о немедленном подъеме и переходе в защитный режим с закруткой на Солнце. Узнать принял ли он этот сигнал и как воспринял можно было только через 34 минуты.  Станция ушла  за местный горизонт.

 

Хаябуса же просто лежала на поверхности. Лежала.. Что характерно, все это время система ориентации успешно работала, выполняя свое назначение, в результате чего подобрать нужные слова и охарактеризовать положение аппарата сложно. Итокавы касалось только грунтоприемное устройство и концы солнечных батарей. В обычных условиях, это неустойчивое положение. И другой аппарат неминуемо свалился бы на бок. Но система управления Хаябусы пыталась бороться с этим, непонятным для нее, возмущающим моментом. Так что крен хоть и рос, но очень медленно. В 07:11 когда крен достиг 16 градусов, станция оторвалась от Итокавы и зависла над поверхностью. Что бы дальше предприняла системе управления не ясно, есть версия что она  все-таки бы активировала датчик касания и взяла грунт, но через 4 минуты был получен сигнал с Земли, и станция устремилась прочь от астероида.

Двухсторонняя связь была восстановлена только в 9:38. Станция действительно находилась в защитном режиме. Хаябуса в это время находилась от астероида на расстоянии 60-70 км и продолжала медленно удаляться. 21 ноября станцию удалось вывести из защитного режима, а 22 ноября восстановили трехосную ориентацию, передали на Землю записанную телеметрию и наконец-то узнали, что же происходило с аппаратом.

                На самом деле, не смотря на то, что аппарат доставил много неприятных минут Земле, все оказалась не так и плохо. Все системы работали нормально и если бы датчик касания не был бы заблокирован, грунт был бы взят. Получасовое нахождение рядом с астероидом на первый взгляд мало повлияло на работу систем. Больше всего на земле опасались, что при посадке были повреждены двигатели ориентации. Хотя на этот случай предусматривалось их дублирование. Особенно порадовали запасы рабочего тела, их было вполне достаточно для повторения попытки.

                Следующая попытка взятия грунта состоялась 26 ноября, в том же районе, используя уже сброшенную мишень. Датчики препятствий, ложная команда с которых сорвала миссию, решили вообще не использовать. Вместо 1 пульки, для увеличения выбрасываемого грунта, станция должна была выпустить две. Еще одну оставили прозапас.  

В 06:35 26 ноября Хаябуса вышла к своей мишени и зафиксировалась на высоте 35 метров. К 07:00 станция снизилась до высоты 17 метров и развернулся к нормали к поверхности. Как и в прошлом спуске радиопередатчик прекратил передавать телеметрию и был переведен в режим радиомаяка.

                В 07:07 минут Хаябуса коснулась астероида. Датчик касания сработал и две пули были всажены в грунт. Осколки попали в применый контейнер и, спустя секунду, станция начала набор скорости. В 07:19 передатчик опять переключился на телеметрию. И в 07:35 станция в Голдстоуне приняла сигнал: «Грунт Взят!»

Что интересно,  Итокава стала третьим небесным телом с которого стартовали космические аппараты посланные с Земли (после Луны и самой Земли). И первым, с которого один и тот же аппарат стартовал дважды!


Катастрофа.. 

К сожалению, как показали дальнейшие события, открывать шампанское было рано. В том, что происходило дальше у Итокавы  много не ясного. В течении всего нескольких часов рабочий аппарат, выполнивший самый сложный этап в своей миссии, вдруг превратился в жалкую развалину. А ликование от взятия грунта, в подозрение, что этот грунт могут так и не увидеть на Земле.

С борта шла совершенно нормальная телеметрия, двигатели работали, аппарат уверенно удалялся от Итокавы. Была расшифрована телеметрия во время посадки, станция при взятии грунта занимала правильное положение, все команды были выполнены без сбоев. В 09:00 было решено остановить станцию, пока она не успела улететь слишком далеко. Запасов рабочего тела было достаточно для еще одной посадки.

В 11:02 изменение скорости сигнализировало, что тормозной двигатель успешно отработал. Но через десять минут, к удивлению всех, был выдан еще один тормозной импульс. Хаябуса потеряла трехосную ориентацию и остронаправленная антенна «ушла» от Земли. Перед самым окончанием связи на станцию успели направить серию команд для выключения всех возможных двигателей, но подтвердить их прием  уже не успели. После взятия грунта, решив что самое сложное уже позади, американскую антенну дальней связи было решено больше не задействовать, и обойтись только своими силами. Но при таком ЧП  вновь пришлось просить помощь у США.

Для сеанса с Хаябусой даже была прервана штатная работа с межпланетным зондом Кассини. Но и совместными усилиями восстановить ориентацию не удалось. Телеметрия с аппарата шла, но ничего кроме уныния не вызывала. Двигатели уже не развивали заданной тяги, а температура в верхней части корпуса упала до -30 градусов по Цельсию. При такой температуре топливо просто замерзло в трубопроводах! Станция же тем временем опять стала падать на Итокаву!.

27 ноября были «вслепую» переданы команды на увод станции от астероида, как потом оказалось, не все они были выполнены. 28 числа выйти на связь с аппаратом вообще не удалось. 29 был пойман сигнал радиомаяка, но  без телеметрии. Частичный успех пришел 30 ноября, только тогда  станцию смогли перевести в режим тестирования.

 

Первого декабря наконец удалось получить телеметрию, но с очень медленной скоростью 8 бит/с. Хаябуса находилась в аварийном состоянии. Электроэнергии, получаемой с солнечных батарей, было недостаточно для работы всех систем. У литий -ионных аккумуляторов замкнуло 4 ячейки из 11 и появились опасения, что при зарядке они просто взорвутся. Датчики давления в баках показывали ноль. Это означало, что весь гидразин вытек, причем заметная часть внутрь самой станции, и к какому эффекту он там привел не знал никто. Двигатели включаться отказывались. Для сохранения ориентации пришлось выпустить через сопла компенсаторов часть ксенона необходимого для полета к Земле. Но полностью погасить вращение так было нельзя, радовало только то, что расчеты показывали, что колебания рано или поздно сами затухнут.

Казалось, ситуация не могла быть еще хуже.. Увы, при дополнительном анализе телеметрии появилось опасение, что грунт вообще не был взят! А больше попыток у станции  не было..

Тем не менее, станции предстояло еще пробыть рядом с астероидом более года.  Стартовое окно открывалось только в начале 2007. Для экономии ксенона, с лета 2006 года вообще отказались от его использования,  а для ориентации  использовали давление солнечного света на солнечные батареи аппарата.  За эти полгода станция не потратила на ориентацию ни грамма ксеона. В определенном смысле рекорд.

Не просто было и пережить сентябрь 2006 года. Именно в сентябре Хаябуса прошла афелий своей орбиты, и и так тяжелая ситуация по энергообеспечению стала еще хуже.

Осенью  стали готовить аппарат к обратному перелету. Был раскручен единственный, рабочий, маховик. Проверенны ионники. Три из четырех оказались  полностью работоспособны, но смогут ли они выдать необходимые 10 000 часов работы  было неизвестно. В конце января смогли зарядить батареи, повезло - они не взорвались.

Дата запуска к Земле в начале стояла на 10 февраля, потом перешла на конец февраля, а потом и  на март.

Старт состоялся 25 апреля 2007 года. Хаябуса летела к Земле. Если не откажет последний гироскоп, выдержат ионные двигатели, не подведет аккумуляторная батарея и не произойдет еще какой-нибудь отказ, то капсула приземлиться на полигоне Вумера в июне 2010 года. И только тогда узнаем, взяла ли Хаябуса пробы грунта. Что ж времени не так и много. Поживем -увидим!


 

 Вышеприведенные строчки я написал в начале 2008 года. Теперь мы знаем. Станция выдержала весь обратный полет, вошла в атмосферу и 13 июня 2010 успешно приземлилась в Австралии. Где была встречена поисковой группой.  Браво! Это часть летописи закрыта. Правда, пока еще зонд не был вскрыт и есть в нем грунт неизвестно. Но с другой стороны, сейчас для науки  достаточно и нескольких крупинок.  






А здесь лежит ролик с описанием основных этапов миссии:
http://www.youtube.com/watch?v=2B0UI5RVHrM&feature=related
Subscribe

  • ПЕРВЫЕ «ЗОНДЫ» Часть 1

    В начале января 1963 года М. В. Келдыш направил С. П. Королёву записку, в которой были обобщены соображения Академии наук об…

  • В ТОМ ЖЕ 1962-М

    Но и на этом дело не закончилось. Даже без учёта «Маринера-2», 1962 год оказался богат на астрономические события, связанные с…

  • Разбор полета Mariner-2. Часть вторая.

    Ещё более занятные результаты дало радиозондирование на 1,35 и 1,9 см. Данные, полученные со станции, можно увидеть на рисунках. Здесь нужно…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 7 comments