Фобос-Грусть
9 ноября 2011 года в космос отправилась первая в XXI веке российская автоматическая межпланетная станция “Фобос-Грунт”. Задачи на нее возлагались беспрецедентной сложности: вернуть на Землю грунт со спутника Марса - Фобоса. Успешный старт стал первым шагом на сложном пути к Красной планете и обратно, но уже на втором шаге - отлете с околоземной орбиты - что-то пошло не так.
Жизнь зонда “Фобос-Грунт” началась в нелегкое переходное время. С советских времен отечественной космонавтике не везло с Марсом. Практически ни один космический аппарат, отправленный к четвертой планете не выполнил полностью свою научную программу, хотя отдельные успехи достигнуты были: первая посадка, первое непосредственное изучение атмосферы, первые цветные снимки с орбиты. Уже на закате Советского Союза, в 1988 году к Марсу отправились две автоматические станции “Фобос”. Их главной целью выбрали ближайший к Марсу и крупнейший из его спутников. И снова марсианских исследователей преследовали неудачи: сначала потеряли “Фобос-1” из-за программной ошибки еще по пути, а “Фобос-2” прекратил работу через несколько месяцев. Он вышел на орбиту Марса и уже приступил к сближению с Фобосом, но тут прервалась связь, а причину сбоя так и не установили.
Уже в российских реалиях, практически на последнем издыхании, отечественная космонавтика вложила весь свой энтузиазм и стремление в космос в новую программу: “Марс-96”. Люди работали в тяжелых условиях, с многомесячными задержками невысоких зарплат. Как и “Фобосы”, “Марс-96” был международным проектом, на его борту установили немало иностранных научных приборов. Но все чаяния инженеров и ученых распались где-то над Тихим океаном или Южной Америкой, когда разгонный блок не произвел второго включения для вывода аппарата на отлетную орбиту. На третьем витке вокруг Земли станция прекратила поддерживать связь с Землей, а четвертого уже не состоялось.
Потеря “Марса-96” тяжело ударила по космической отрасли, и в особенности НПО им. С.А. Лавочкина - главном предприятии СССР и России по межпланетной тематике и беспилотным научным комплексам. Именно тогда с завода и КБ ушло немало специалистов, чья компетенция и опыт пригодились бы спустя 15 лет.
В условиях ограниченного финансирования отрасли, российское космическое академическое сообщество наметило новую амбициозную цель для возвращения пошатнувшегося авторитета отечественной межпланетной космонавтики, и избрана была еще более сложная задача — добыча грунта с Фобоса. Научную составляющую проекта возложили на себя Институт космических исследований РАН и Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, совместно с российскими учеными в проекте приняли участие научные группы Франции, Германии, Голландии, Швейцарии, Италии, Швеции, Болгарии, Украины, Китая, США.
Фобос - это картофелеобразное космическое тело, вращающееся на высоте примерно 6 тыс км над поверхностью Марса в плоскости близкой к экваториальной. Несмотря на сходство с бесформенными астероидами, Фобос отличается от них плотностью, спектральными характеристиками, особенностями орбиты. Существует две основных гипотезы его возникновения: захват пролетающего астероида или выброс грунта с Марса в результате катастрофического столкновения. Ни одна из гипотез не находит полного подтверждения, исходя из имеющихся данных. В любом случае, ученые признают, что его реголит должен содержать как марсианскую породу, выброшенную в космос ударами астероидов по Марсу, так и древнее прото-вещество, из которого формировалась вся Солнечная система, поэтому грунт Фобоса может рассказать не только об эволюции Марса, но и всех окрестных планет, в том числе и Земли.
Задачу нашей космонавтики поставили сложную, и сроки назвали близкие - 2003 год. Но станцию, как и всю космическую отрасль, преследовали общие проблемы: недофинансирование, постоянные изменения планов, переделки и полный пересмотр всей концепции. Накладывался еще общий кризис высокотехнологичной промышленности, отсутствие отечественной современной электроники космического класса.
Сначала автоматическая межпланетная станция готовилась к старту средней ракетой “Союз-2”, и достижение Марса предполагалось при помощи электроракетной двигательной установки. В проекте “Фобос-Грунт” присутствовало требование обеспечить не менее 20% финансирования за счет привлечения коммерческих партнеров. Они нашлись в 2007 году в Китае. К без того сложной автоматической межпланетной станции добавился попутный малый космический аппарат “Инхо-1”. Проект пришлось серьезно переделывать. Электрический двигатель отменили, и выбрали химический, разрабатывая маршевую двигательную установку на базе недавно созданного на НПО им. С.А. Лавочкина разгонного блока “Фрегат”. Выведение серийным разгонным блоком было невозможно т.к. аппарат требовал коррекции во время перелета и торможения у Марса, поэтому требовались переделки бортового комплекса управления. Пуск перенесли на 2009 год. Ракета “Союз” уже оказалась мала для такой нагрузки, поэтому ее заменили на более мощный украинский носитель “Зенит-2”. Обновленная масса превысила 13 тонн. За полгода до открытия пускового окна 2009 года старт сдвинули до ноября 2011-го - из-за особенностей планетных орбит, на Марс с Земли легче всего лететь, если стартовать в течение одного месяца с периодом в два года.
Из-за постоянных переносов срока, переделок, и недостаточного финансирования многие выражали опасения по поводу успешности миссии. За месяц до старта на заседании Госдумы тогдашний глава Роскосмоса Владимир Поповкин пояснял, что сроки и так затянуты, и если не запустить в 2011-м, то лучше уже не пускать никогда, поскольку технологии постоянно устаревают, опытные специалисты уходят. Вероятность успеха миссии, при условии пуска в 2011 году посчитали в 0,93 и госкомиссия приняла решение о пуске, хотя были и более сдержанные оценки в 0,225, но им не придали значения.
“Фобос-грунт” проектировался с учетом последних достижений техники, по модульной негерметичной многоступенчатой схеме. В перспективе, такая платформа рассматривалась как основа будущих космических программ от Меркурия до Юпитера. Компоновка позволяла широко варьировать состав полезной нагрузки, двигательную установку, менять назначение и программу будущих аппаратов. Таким образом “Фобос-грунт” выполнял не только научные, но и технологические задачи, должен был стать первой испытательной ласточкой целой армады российских межпланетных зондов, которые готовило НПО им. С.А. Лавочкина.
Программа полета предполагала выведение космического аппарата на опорную низкую околоземную орбиту с высшей точкой орбиты в 360 км. Там он в автоматическом режиме должен был сориентироваться сначала по Солнцу, чтобы солнечные батареи начали питание бортовой сети, затем более точная ориентация достигалась по звездам. Звездная ориентация позволяла выдать маршевой двигательной установке первый импульс для выхода на переходную эллиптическую орбиту с высшей точкой 4162 км. После первого импульса отбрасывался дополнительный топливный бак, и устанавливалась двусторонняя связь с Землей. До этого со станции на Землю предполагалась передача телеметрии, но никаких команд на аппарат передать было невозможно. Такое решение было вынужденным, из-за экономии массы решили отказаться от двусторонней связи на низкой околоземной орбите, а для передачи на аппарат модернизировали только самые большие антенны Дальней космической связи России. Они могли вести передачу только с расстояния в несколько тысяч километров. Даже на переходной орбите не предполагалась никакая передача команд, если полет “Фобос-Грунт” проходит по программе. Связью воспользовались бы только если потребовалось внести навигационные поправки для перехода на отлетную траекторию к Марсу.
Перелет от Земли к Марсу кажется самым легким и простым этапом программы полета “Фобос-Грунт”. Потом предстояло выйти на марсианскую орбиту, сбросить маршевую двигательную установку с тяжелым топливным баком, отделить соединительную ферму, высвободить из нее китайского “пассажира”, и только потом приступить к сближению с Фобосом. После посадки на Фобосе ожидалась напряженная и сложная работа. Сбор грунта и отправка к Земле была лишь частью задачи. На поверхности оставалась долгоживущая станция для длительного изучения породы на местности и внешних условий. Место посадки выбрали такое, с которого никогда бы не было видно Марс - чтобы не создавал лишней тени солнечным батареям. Возвратиться на Землю предстояло совсем небольшому модулю массой в 7 кг, который доставил бы 100-200 г инопланетного грунта. Вместе с ним вернулись бы образцы бактерий и других живых существ, впервые в истории совершившие межпланетный перелет.
К сожалению, ничего из намеченной программы выполнено не было. Никто не ожидал, что полет “Фобос-Грунта” с пугающими подробностями повторит печальный опыт своего предшественника - “Марс-96”, отличаясь только длительностью полета, и ускользающим шансом спасти миссию.
Ночью 9 ноября 2011 года ракета-носитель “Зенит-2SБ” вывела “Фобос-Грунт” на опорную орбиту. Через 2,5 часа ожидалось первое включение маршевой двигательной установки. После старта ракеты космический аппарат скрылся из пределов видимости российских станций, но иностранные станции подтвердили прием телеметрии и построение солнечной ориентации — выполнение программы полета началось успешно.
Оставалось дожидаться включения маршевой двигательной установки. Институт космических исследований даже разместил обращение к астрономам-любителям мира — посмотреть в телескоп на полет “Фобос-Грунта” и подтвердить вспышку запущенного двигателя. Но вспышки так никто и не дождался. Двигатели молчали, станция молчала, хотя продолжала держаться солнечными батареями к солнцу.
На следующих витках еще удавалось поймать телеметрию с бортового передатчика. Инженеры и программисты по скупым цифрам пытались понять причины сбоя, писали программу повторного запуска двигательной установки. Но на вторые сутки после старта прекратилась и передача телеметрии. В это же время начались первые попытки передачи на борт обновленного набора команд. Российским специалистам предложили свою помощь европейские ученые. Они подключили свою наземную станцию космической связи в Австралии.
Хотя причины сбоя пока никто не понимал, теперь решающее значение имела возможность приема данных с Земли на борт. “Фобос-Грунт” был еще жив и ждал новых команд, но не мог их получить. Остронаправленная антенна, которая должна была развернуться на российские станции космической связи с расстояния 4 тыс км, оказалась практически неспособна поддерживать связь с высоты 300 км. Спутник летел слишком быстро относительно поверхности Земли, и узкий “луч” диаграммы направленности антенны безвольно скользил по ней, не имея возможности остановиться, чтобы принять новые команды. Тяжелые многометровые антенны Дальней космической связи не успевали следить за быстро проносящейся по небу станцией, а мощность их передатчиков могла просто сжечь приемник “Фобоса-Грунта” с близкого расстояния.
Низкая орбита позволяла держаться “Фобос-Грунту” в полете еще нескольких недель, но пусковое окно к Марсу закрывалось гораздо быстрее. Надежды на успешный пуск к Марсу таяли с каждым днем, но создатели межпланетной станции продолжали борьбу за свое детище. Теперь при каждом удобном пролете над российскими наземными станциями в сторону аварийного аппарата неслись запросы чтобы оценить его готовность к приему команд, и готовились аварийные программы, для возвращения к нормальной жизни бортового вычислительного комплекса, и старта к Марсу. В другом полушарии то же самое пытались сделать европейские коллеги на станции космической связи в Перте, Австралия.
Ответ удалось получить только через две недели - 23 ноября. Во время пролета над освещенной стороной Земли, когда солнечные батареи могли питать бортовую сеть, из Австралии смогли получить ответ от станции: по громкой связи специалисты Байконура слышали ликование европейских коллег. Анализ телеметрии показал, что “Фобос-Грунт” находится в аварийном режиме работы, и его бортовой вычислительный комплекс работает только тогда, когда есть солнечный свет на батареях. В это время над Россией проходила ночная часть орбиты, а значит все попытки связи и отправки команд оказались бесполезны.
Орбита космического аппарата постепенно снижалась. Тормозящее воздействие атмосферы возрастало с каждым витком. Еще через неделю наблюдатели заметили начало разрушения станции - от нее отделилось один или два фрагмента. Полет продолжался, и нескольким астрономам любителям удалось произвести съемку аппарата. “Фобос-Грунт” летел с развернутыми солнечными батареями, подтверждая успешное начало работы на орбите. На некоторых кадрах удалось разглядеть даже отделяемый топливный бак, который должен был отделиться после первого включения двигателя, но он так и остался в составе аппарата.
“Фобос-Грунт” вошел в плотные слои земной атмосферы 15 января 2012 года на 1097 витке вокруг Земли. Он распался где-то над Тихим Океаном или Южной Америкой.
После завершения всех спасательных работ, когда судьба второй российской автоматической межпланетной станции была решена, встал главный вопрос о причинах аварии. Первое время вину возлагали на программную ошибку, на этапе построения ориентации по звездным датчикам, перед первым пуском маршевой двигательной установки. Была даже попытка обвинить американских военных в воздействии на космический аппарат. По мнению, высказанному главой Роскосмоса Владимиром Поповкиным, “Фобос-Грунт” мог попасть в излучение радара, которым американская станция облучала пролетающий поблизости астероид 2005 YU55 с целью зондирования. Но последующий более глубокий анализ телеметрии и моделирование на наземном макете бортового вычислительного комплекса позволил отсечь лишние и определить более убедительную причину.
Главной причиной аварии признали недостатки конструкции космического аппарата. Первоначальный сбой бортового вычислительного комплекса был вызван воздействием космической радиации — тяжелой заряженной частицы. Такие частицы не редкость в космосе, что в межпланетном пространстве, что на околоземной орбите. Из-за высоких энергий таких частиц защититься практически невозможно, мы и наша техника на Земле прикрыты десятками километров атмосферы, а в космосе конструкторы предусматривают различные методы защиты от сбоев, вызываемых такими частицами. Для повышения надежности, обычно используют два бортовых вычислительных комплекса, которые страхуют друг друга. Возможно применение специальных алгоритмов определения ошибок в программе. Электронику для космических аппаратов тоже используют специальную, военного или космического исполнения, которое обеспечивает более стабильную работу в потоках космического излучения.
“Фобос-Грунт” имел дублированный бортовой вычислительный комплекс, в котором использовалась электроника военного назначения. Российские ГОСТы это позволяют. Космическая электроника имеет высокую стоимость, поэтому конструкторы вынуждены были прибегнуть к такому выбору из-за ограниченности бюджета. В чем конструкторы бортового вычислительного комплекса просчитались, так это во внутренней компоновке. Два дублированных полукомплекта вычислительного комплекса располагались близко друг к другу в параллельных плоскостях, в результате одна космическая частица пробила оба полукомплекта сразу и привела к прекращению программы полета и перезагрузке компьютера. Космический аппарат еще сохранял полную работоспособность, и ждал команд с Земли, но из-за невозможности установить связь на низкой орбите эту команду передать не удавалось.
Позже выяснилось, что пробитые микросхемы оперативного запоминающего устройства относились как раз к тому типу, который наиболее уязвим именно к таким типам излучения.
Согласно заключению госкомиссии, авария произошла “вследствие недооценки фактора космического пространства разработчиками и создателями межпланетной станции”. Виновные в просчёте сотрудники НПО имени Лавочкина были привлечены к административной ответственности.
Таким образом, виновными назвали разработчиков космического аппарата, которые выбрали слабые микросхемы и не предусмотрели возможности связи на низкой околоземной орбите. При этом никто не вспомнил, что их решения определялись не их желанием или компетенцией, а бюджетом и поставленными сроками. Тут можно вспомнить марсианскую аварию, которая произошла за десятилетие до “Фобос-Грунта”: американский научный зонд Mars Polar Lander должен был впервые совершить посадку в полярных регионах Марса, изучить грунт и местный лед, провести климатические наблюдения. Аппарат успешно стартовал с Земли, но после входа в атмосферу Марса связь с ним прервалась. Миссия погибла по невыясненной причине, а госкомиссия, в качестве главной причины неудачи назвала недофинансирование и давление сроков. Конструкторов и программистов к административной ответственности не привлекали, а увеличили бюджет и через 4 года они реализовали сверхуспешную экспедицию двух марсоходов Spirit и Opportunity, один из которых работает по сей день — четырнадцатый год.
Полет “Фобоса-Грунта” показал, что сегодня российская межпланетная космонавтика совсем не та, которая досталась в наследство от СССР. Стало ясно, что требуется тренировка, повторение прежних успехов, и реализация более простых проектов для отработки новой технологии и получения опыта молодыми инженерами. Следующая серия межпланетных станций - “Луна-25-26-27” (“Луна-Глоб”, “Луна-Глоб-2”, “Луна-Ресурс”) по задачам полета повторяют “Луну-9”, “Луну-10”, “Луну-16” 60-х годов прошлого века, хотя для них предусмотрена более сложная схема полета и научная программа.
Результатом полета “Фобос-Грунт” стал перенос или отмена последующих межпланетных аппаратов, которые готовились к реализации на платформе “Фобос-Грунт”: полет к астероиду Апофис отменили, посадку на Венеру перенесли на 15 лет, практически забыты несколько марсианских проектов в том числе “Марс-Грунт”.
Россия поддержала европейскую программу “ЭкзоМарс” и в ней надеется взять свой марсианский реванш. Программа включает два запуска российскими ракетами: первый этап - спутник TGO уже успешно работает на орбите у Марса, второй этап - марсоход - будет садиться на российской посадочной платформе в 2021 году.
Работа в проекте “Фобос-Грунт” стала практической школой для молодого поколения инженеров предприятия. Они взялись, под руководством немногочисленных опытных специалистов, решать уникальные для отечественной космонавтики задачи: создание системы посадки на базе лазерного высотомера, лидара и телевизионной стереосистемы. Разрабатывали различные варианты манипуляторного грунтозаборного устройства и даже своеобразного искусственного интеллекта, способного самостоятельно, без указания с Земли, выбирать наиболее интересные образцы грунта. Их труды и приобретенные знания должны воплотиться в запуске “Фобос-Грунт-2”, который включен в Федеральную космическую программу на 2015-2025 годы под названием “Экспедиция-М”. Однако, активная подготовка станции к полету начнется только после успешной посадки “Луны-25” в 2019 году, и европейского марсохода “Экзомарс” в 2021-м.
Подготовлено для "Вокруг Света" публикуется в авторской редакции.