День, когда приземлился Philae

Коэн Гертс Ландер (Koen Geurts), технический менеджер посадочного модуля Philae, Немецкий аэрокосмический центр (DLR)

В то время как весь остальной свет находился в ожидании радостного события, команда управления спускаемым аппаратом Немецкого аэрокосмического агентства (DLR) в Кёльне осознала, что что-то идёт не по плану. Проанализировав все имеющиеся данные, эксперты отметили необычный резкий скачок спускаемого аппарата через комету, после чего начали гонку на опережение времени, чтобы успеть провести все научно-исследовательские мероприятия, прежде чем сядет аккумулятор.

Европа запомнит 12 ноября 2014 года как день, когда она вошла в историю космонавтики, осуществив первую высадку роботизированного зонда на комету. Ожидание этого события и озабоченность его успешным завершением уже привлекли всеобщее внимание, а неожиданная «прыгучесть» КА во время посадки вызвала ещё больший интерес во всём мире.

Опытно-конструкторские работы – основа благоприятного исхода любого проекта – берут своё начало в середине 90-х годов, со времени проведения этапа исследований и проектирования Philae. В частности, в конструкции шасси следовало должным образом предусмотреть его реакцию на встречу с различными типами поверхности кометы. Поскольку проблема восстановления после приземления связана с известным риском, чтобы его минимизировать, были разработаны две отдельные системы.

Во-первых, Philae был оснащён парой гарпунов для выстрела в комету при посадке. Во-вторых, для противодействия равной, но противоположной силе, которую гарпуны оказывают при стрельбе, был интегрирован подруливающий двигатель с целью – обеспечить толчок к поверхности кометы.                

Проблема заключалась в том, что оба устройства представляли собой системы одноразового действия, поэтому не было возможности протестировать выстрел в течение 12-летнего маршевого полёта к комете. Эти системы, с отсутствием функции тестового диагностирования, оказались критически важными факторами в уже проблемной посадке на комету.

Подготовка

Philae был переведён в режим подготовки к приземлению в конце второй половины дня 10 ноября, хотя сама посадка на комету произошла 12 ноября. Такой порядок работы требуется для обеспечения 24-часовой фазы подогрева, чтобы довести Philae до требуемых температур. После этого мы приступили к проведению важнейших мероприятий в рамках подготовки к фазам сепарации и посадки.

Перед этим включением Philae уже переводился на повышенный режим работы в общей сложности 77 раз без каких-либо проблем, но на момент 78-го включения не всё пошло гладко, а через 10 минут связь с Philae была потеряна. Так «расслабляющая» 24-часовая фаза подогрева сразу же превратилась в стрессовый день «разборки полётов». Вместе с оперативной командой Европейского центра космических операций (ESOC) Европейского космического агентства (ESA) в Дармштадте (Германия) мы пришли к выводу, что единственным эффективным решением будет попытка опять выключить и включить спускаемый аппарат. К счастью, это сработало, и опять, как и планировалось, наступила фаза нагрева.

Эти неожиданно неприятные моменты привели к первой бессонной ночи и аварийным телеконференциям с руководством Rosetta. В частности, планировалась ещё одна перезагрузка Philae по расписанию, вечером перед посадкой, и на этот раз были высказаны сомнения относительно этого действия.

В тот вечер перед посадкой поступили ещё более скверные новости, когда выяснилось, что топливный бак двигателя малой тяги открыт. Двигатель управляется через клапан, однако, чтобы предотвратить любое нежелательное удаление газов из-за отказа клапана, во время маршевого полёта была использована дополнительная мембрана для герметизации резервуара. При подготовке двигателя эта мембрана должна быть открыта для выпуска газа в трубах, ведущих к закрытому клапану. Датчики контролируют давление в резервуаре и в трубопроводе. После открытия давление в трубе должно подняться до равного значения давления в резервуаре. К сожалению, этого не произошло. Был установлен только один датчик давления трубы, поэтому отказ датчика не мог быть исключением. В любом случае всё повторилось, и с теми же результатами.

И всё-таки сразу же после этого ЧП были получены и некоторые хорошие новости, которые наконец-то принесли хоть какое-то облегчение: выяснилось, что запланированная перезагрузка Philae прошла успешно, без каких-либо аномалий.

Несмотря на отсутствие давления в двигателе, команда посадочного модуля передала в ЕКА свою установку – «ГОТОВНОСТЬ к отделению». Это означало, что мы были готовы приступить к следующему шагу – манёвру доставки на орбиту в запланированные сроки. Манёвр завершился отлично: Rosetta и Philae встали в правильное положение для отделения.

Пока ещё прикреплённый к Rosetta, Philae постоянно производил обмен данных с Rosetta, который передавал данные Philae на Землю. В момент отделения эта «пупочная» связь оборвалась. Philae и Rosetta пришлось заново устанавливать связь через соответствующие свои антенны. Для того чтобы «увидеть» спускаемый аппарат, Rosetta пришлось маневрировать после разделения, что означало отключение связи приблизительно через 2 часа после отделения.

Мы предполагали, что в это время Philae должен был раскрыть свои шасси. Если этого не произойдёт, то будет не посадка, а катастрофа. Так мы получили ещё два часа общего напряжения, пока не поступило сообщение: «Связь есть!».

Philae передал данные на Rosetta, и тот, в свою очередь, сразу же перенаправил их на Землю. Так мы узнали, что всё – разделение и последующие действия – прошли безупречно. Тем не менее, оставался один большой вопрос: насколько правильно было развёрнуто шасси?

На Philae нет датчиков, чтобы передать эту информацию; таким образом, мы оставались в подвешенном состоянии, пока с OSIRIS – камеры Rosetta ― не поступило изображение, где виден Philae на своём пути к поверхности кометы. Для меня то был момент наивысшего облегчения: я увидел, что спустя 12 лет межпланетного космического путешествия Philae был готов «шагнуть» на комету. Теперь оперативная команда может немного оглянуться назад: всё, что теперь нам осталось, – контролировать текущие операции и ждать сигнала приземления.

Посадка

Момент, к которому мы так долго, в течение многих лет, готовились, наконец, настал: поступил сигнал приземления. Связь между Philae и Rosetta оставалась непрерывной и устойчивой. Мы всё видели на наших экранах и ожидали поступления сообщений.

И тем не менее в моей голове продолжали раскручиваться всевозможные сценарии того, что может ещё произойти: а что если связь пропадёт после приземления? Это будет означать, что мы опрокинулись? Или, возможно, мы перезагрузились из-за электростатического разряда? Или что-то ещё, о чём я забыл подумать?

Затем были сигнал и поток информации. Всё произошло одновременно: сигнал посадки, выстрел гарпуна, команда подруливающего устройства, отключение махового колеса, смена режимов устройства, телеметрия в норме, научная информация. Сразу же возник вопрос: а что, гарпуны на самом деле выстрелили? Они играли основную роль в обеспечении надёжности приземления на поверхность при посадке.

Осмысливание всей информации – процесс нетривиальный: слишком много людей всем этим занимается, многое сбивает с толку. Люди говорили по контуру  речевой связи, триумфально поднимали руки, поздравляли друг друга и начали празднование. Я стоял и размышлял: «Что-то прошло мимо меня? Почему мне кажется, что что-то пошло не так?».

Через несколько минут специалисты, отвечающие за функционирование гарпунов, пришли с сообщением, что они не выстрелили, заявление об успешном срабатывании гарпунов не соответствовало действительности. Теперь другие вопросы формировались в сознании людей: почему мы всё ещё видим вращение Philae? Мы наблюдали вращение Philae во время спуска, мы могли это чётко видеть, потому что одна за другой подсвечивались солнечные панели, но почему мы всё ещё видим это? Philae должен стационарно находиться на поверхности кометы, а он до сих пор вращается.

Теперь вращение было менее регулярным, в дополнение ко всему канал связи между Philae и Rosetta более не был стабильным. Через несколько минут картина стала ясна: мы отскочили от поверхности.

Телевизионный экран в Центре управления посадочным модулем показывал празднующих людей в Европейском центре космических операций (ESOC). Это были не мы. Здесь, в Кёльне, зрители смотрели на экран и на нас и были озадачены столь разной реакцией. Ответственная PR-служба забрасывала нас вопросами: «Так мы приземлились или нет?!». Ну мы как спустились, так и снялись обратно.

Сейчас мы должны были сосредоточиться на главном: что мы знаем? что будет дальше? Мы собрали некоторых ведущих инженеров и вместе проанализировали ситуацию: мы знали, что приземлились около 20 минут назад, гарпуны не сработали, но мы не знаем почему; двигатель не обеспечил тяговое усилие; связь между Philae и Rosetta ещё есть, хотя и менее стабильная; бортовой компьютер функционирует в пределах допуска и выполняет все операции пост-приземления.

Теперь всем всё стало ясно: мы отскочили с неизвестной скоростью от поверхности кометы, мы не имеем возможности определить ни как высоко и далеко мы подпрыгиваем, ни когда мы вернёмся. И мы ничего с этим поделать не можем.

Минута за минутой мы вели контроль за состоянием линии связи и вращением, ведь в какой-то момент что-то должно было измениться. Мы либо потеряем связь, по мере того как Philae выйдет из поля зрения Rosetta, либо изменится режим вращения, потому что мы снова коснёмся поверхности кометы. Ко всеобщему облегчению случилось последнее. Данные, поступающие от солнечных панелей, стали стабильными. Это означало, что мы перестали вращаться и у нас всё ещё есть связь, что это было той посадкой на комету, которую мы ждали 2 часа спустя после первого приземления.

Первая ночь на комете

Спустя 30 минут после окончательного приземления связь была потеряна, но эксперты связи быстро выяснили, что это результат ухода Philae за горизонт. Больше всего нас волновал вопрос о том, где мы приземлились, когда будет связь, если она будет, и каким образом новая посадочная площадка повлияет на выполнение нашей задачи.

Проектно-технические группы из Немецкого аэрокосмического центра (DLR), Европейского космического агентства (ESA) и Французского космического агентства (CNES) вместе с другими научными группами начали анализировать все имеющиеся данные и в течение ночи более-менее внесли ясность в ситуацию с отскоком. Мы уверились в том, что связь вернётся приблизительно через 12 часов после того, как она пропала, хотя точное время назвать не могли.

Мы были готовы приступить к буровым работам после номинальной посадки, но все согласились, что это уж слишком рискованно. Сначала нужно получить изображения, чтобы определить наше местонахождение. После принятия этого решения, мы наконец-то поняли, что стоит немного поспать.

После всего лишь нескольких часов сна поступило телефонное сообщение: «Philae вернулся!». Мы получили первые снимки, сделанные нашим зондом: они нас ошеломили. Сразу стало понятно, что Philae находится не в вертикальном положении на ровной местности, и это будет иметь последствия для заданного научного графика работ в космическом полёте. К счастью, все научно-технические команды располагались в DLR в Кёльне; таким образом, коммуникационный цикл был коротким и эффективным, и после него последовали «американские горки» перепланирования научной деятельности, обновление прогнозов срока службы батареи и надежды на следующий канал связи.

Вскоре стало понятно, что света, падающего на Philae, недостаточно, чтобы зарядить его вторичные батареи. Это означает, что спустя около 46 часов работы первичной батареи Philae отправится «спать». Чем на более позднее время запланированы научные исследования, тем выше риск того, что срок службы аккумуляторов не позволит их выполнить. Приблизительно каждые 12 часов период определяется интервалом между линиями связи; научная группа будет ставить приоритеты и принимать решения о том, какие измерения будут выполнены далее. Оперативная группа затем взяла на себя исполнение и управление этим процессом. Это завело всех до предела, но результат был таков, что на каждом приборе была возможность выполнить все измерения, даже те, которые не были запланированы ранее.

Американские Горки

В добавление к эмоциям, испытанным во время езды на «американских горках» на предыдущей неделе, вопреки нашим ожиданиям последний временной канал связи поздно вечером, в пятницу 15, не открылся. Предыдущие расчётные линии радиосвязи были точны в пределах от 5 до 10 минут. Как мы ни ждали в тот вечер, мы запаздывали уже на 15 минут, потом на 20, потом на 30. Оперативный пункт всё более и более затихал, наконец, наступило полное молчание. Каждый подумал об этом, но никто не решился сказать: «может быть, батареи уже выработали свой ресурс». Группы по научным проблемам смотрели на инженерно-технические группы; инженерно-технические группы смотрели на свои экраны, а я уже было начал задаваться вопросом: как долго всё это будет продолжаться. Контур речевой связи с ЕКА молчал, что для той недели можно было считать странным, потом вдруг что-то ожило, и голос произнёс: «У нас была кратковременная связь». Батареи всё ещё обеспечивали питание, Philae всё ещё был там.

Начали поступать данные. Во время этого канала связи были получены научные данные по бурению и выполнены заключительные научные измерения. Кроме того, в начале вечера оперативная группа загрузила новый набор команд для Rosetta. Они приказали Philae поднять свои шасси, чтобы максимально принять поступающую солнечную энергию для фазы гибернации.

Данные показали, что бурение было успешным (итальянская буровая группа начала подпрыгивать и ликовать); шасси были подняты; изображение ROLIS передано по каналу «борт – Земля»; в результате измерений, сделанных прибором PTOLEMY, была увеличена нагрузка на неисправную батарею, тем не менее замеры завершились, и включился радар CONSERT. Мы проделали это в полной последовательности до самого конца. Мы сделали это. Нам даже пришлось ждать полного истощения батареи.

Этот момент произошёл случайно, во время канала живого общения, поэтому мы всей командой стала свидетелями того, как напряжение батареи достигло того критического уровня, при котором Philae отключился. В финале этого невероятного процесса мы не могли и мечтать о таком эмоционально насыщенном его завершении. Philae проводил научные эксперименты до последней секунды жизни аккумулятора.

Будить Philae?

Наш спускаемый аппарат в настоящее время находится в спящем режиме, а у нас всё ещё остаётся открытым один главный вопрос: куда мы, наконец, приземлились? Это необходимо знать, чтобы интерпретировать научные данные и ответить на вопрос: «когда проснётся Philae?». По мере приближения кометы к Солнцу всё больше и больше солнечного света попадает на солнечные панели, увеличивая шансы на пробуждение.

Мы использовали несколько методик, чтобы определить его местоположение. С помощью измерений радаром CONSERT дистанции между Rosetta и Philae была получена информация, по которой можно было определить траекторию посадки. Вместе с корреляцией измерений магнитного поля между аппаратом ROMAP на борту Philae и аппаратом RPC-MAG на борту Rosetta можно реконструировать очень точно позицию Philae, что было подтверждено телеметрическими данными, полученными в ходе операций на комете, в частности энергетическими и коммуникационными данными. По солнечным панелям можно определить время восхода и захода солнца, что соотносится с определёнными участками кометы.

Наложение всей этой информации ограничивает место окончательной посадки Philae внутренним эллипсом радиусом около 50 метров. Впоследствии эта область была отображена Rosetta, но на большом удалении, поэтому разрешение изображений не допускает прямой идентификации Philae. Несколько групп разработали программные алгоритмы с целью обнаружения Philae на изображениях, но на сегодняшний день они не увенчались успехом.

К сожалению, Rosetta не подойдёт близко к комете в оставшееся время года, поэтому кампанию по детальному поиску можно будет организовать только во время продления миссии в 2016 году.

Конечно, мы надеемся услышать Philae задолго до этого и даже провести дальнейшие научные эксперименты. Наш ближайший подход к Солнцу случится в августе, поэтому по мере нашего движения к перигелию шансы увеличиваются с каждым днём.

Однако независимо от того, что произойдёт дальше, не осталось никого, кто был там с нами и кто смог бы забыть ту удивительную неделю. Так вершилась история Космоса.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке The day Philae landed: how a rough touchdown still made history at the Rosetta Mission,
 журнал «ROOM» № 2(4) 2015