Rosetta: начать с чистого листа

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 1(7) 2016

Паоло Ферри (Paolo Ferri), Руководитель полётных операций, ESOC, Дармштадт, Германия

Ещё в 1996 году, когда Европейский центр космических операций (ESOC) только приступил к подготовительным работам по обеспечению полёта космического аппарата Rosetta, ни у кого не было ответа на этот вопрос. Даже у специалистов NASA, которые в течение последних десятилетий оставались единственными в мире, кто имел опыт обеспечения функционирования и управления межпланетным кораблём в Солнечной системе и даже за её пределами.

В первой из серии четырёх эксклюзивных статей для журнала ROOM Паоло Ферри предоставит нам уникальную точку зрения компетентного человека, сопричастного этому новаторскому космическому полёту и его отработке, от концепции до достижения желанной цели.

Космический аппарат Rosetta изначально был задуман в начале 1980-х, задолго до появления флота международных космических аппаратов, в том числе зонда Giotto Европейского космического агентства, пролетевшего рядом с ядром кометы Галлея в марте 1986 года и впервые в истории предоставившего изображения ядра кометы.

Встреча с кометой Галлея стала знаковым событием в истории освоения Солнечной системы. Тем не менее сближение с небесным телом для проведения наблюдений лишь на кроткий промежуток времени приводит космический корабль в непосредственную близость с ядром кометы, причём при очень высокой характеристической скорости.

Фотографии и процесс измерения величины ядра выполнялись лишь в течение пары часов на момент встречи – весьма ограниченный способ изучения этих таинственных небесных объектов.

Идея космического полёта Rosetta заключалась в том, чтобы сделать следующий шаг вперёд: встретиться с кометой, что означает приблизиться к комете и оставаться рядом с ней, летать вокруг неё на расстоянии нескольких десятков километров, получать изображения и проводить измерения ядра и его окружения в течение нескольких месяцев или лет на пути следования кометы вокруг Солнца.

Изначально идея была ещё более амбициозной: совершить посадку на поверхности, собрать образцы материала и вернуть их на Землю.

Для успешного выполнения подобной задачи космический корабль должен выйти на уровень орбитальной энергии кометы, но даже самая мощная пусковая установка не в состоянии придать космическому кораблю необходимую динамическую энергию.

По этой причине во время космического полёта пришлось прибегнуть к трюку под названием гравитационный манёвр, в результате которого траектория выстраивается таким образом, что космический аппарат пролетает в непосредственной близости от планеты и использует её гравитационное поле для дальнейшего ускорения в её гелиоцентрической орбите, таким образом украв немного орбитальной энергии этой планеты.

Такой манёвр в значительной степени по времени увеличивает путешествие, но в итоге космический аппарат достигает кометы с той же орбитальной скоростью ядра и получает возможность выполнять с ней групповой полёт вокруг Солнца.

Конструкция антенны New Norcia

Изначально идея была ещё более амбициозной: совершить посадку на поверхности, собрать образцы материала и вернуть их на Землю. Тем не менее ранние исследования показали, что космический полёт с возвращением проб с кометы был бы слишком дорогим, слишком рискованным и неэффективным с точки зрения научной отдачи. Лучше использовать имеющиеся ресурсы для доставки сложных научных приборов на комету, проводить исследования на месте и передавать результаты на Землю с помощью радиосигналов.

Однако идея спускаемого аппарата осталась. Если один летательный аппарат проходит весь путь для свидания с кометой, почему заодно не прихватить с собой небольшой посадочный модуль и не попытаться осуществить тот замысел, что в первоначальных исследованиях представлялся сумасшедшим, почти немыслимым, – посадка на поверхность маленького неизвестного объекта диаметром в несколько километров, с активной поверхностью, которая испускает газ и пыль в непредсказуемом направлении и путешествует в пространстве со скоростью в несколько десятков км/с на расстоянии от Земли в несколько сотен миллионов километров!

Даже многие ранние наработки специалистов НАСА не содержали и доли того, что мы собирались сделать. Нам пришлось решать их самостоятельно, и у нас оставалось менее шести лет.

Данная концепция сохранила свою жизнеспособность после одобрения космического полёта Комитетом по научным программам Европейского космического агентства (ЕКА) в 1993 году. Намеченная цель представляла собой небольшой по оценкам объект радиусом 1-2 километра, затерявшийся на огромном расстоянии в глубоком космосе, имеющий название «комета 46P/Виртанен».

В начале 1996 года, после создания проектной концепции космического полёта, Европейский центр космических операций (ESOC) приступил к подготовке наземного сегмента и полётных операций. Руководитель наземным сегментом (GSM) Манфред Уораут был назначен для обеспечения контроля за всей деятельностью ESOC от формирования концепции инициирующих операций на протяжении всего этапа подготовки до фактического претворения плана операций в полёте. Через несколько месяцев Манфред пригласил меня присоединиться к его команде в качестве менеджера операций космического аппарата (SOM).

Ещё в 1996 году специалисты ESOC имели достаточно скромный опыт в области летающих межпланетных зондов, а инфраструктура для поддержки подобного типа космических операций отсутствовала напрочь. В принципе, мы должны были всё начинать с нуля.

Подготовка к старту космического аппарата Rosetta и посадочного модуля Philae

У Манфреда было чёткое видение того, что необходимо сделать: во-первых, собрать весь бесценный, уже имеющийся внутриорганизационный опыт. Он сформировал небольшую группу опытных инженеров с целью охватить все основные профессиональные знания и практические навыки; затем он наладил контакты со специалистами NASA в рамках мероприятий по международному сотрудничеству по проекту Rosetta и имеющих большой опыт межпланетных операций.

Мы начали регулярно встречаться со специалистами НАСА, чтобы заложить основу сотрудничества и получить как можно больше знаний. С другой стороны, даже многие ранние наработки специалистов НАСА не содержали и доли того, что мы собирались сделать: запуск космического аппарата на солнечных батареях на расстоянии 800 миллионов километров от Солнца, консервация космического корабля в течение 2,5 года, навигация вокруг небольшого активного ядра кометы и посадка на её поверхность.

Наш случай стал первым в истории космических полётов, когда предстояло решить подобные проблемы. Нам пришлось столкнуться с ними лично и у нас оставалось менее шести лет до намеченной даты запуска в начале января 2003 года.

Во время первых поставок системы управления полётом сплошь и рядом возникали сложные ситуации: система тренажёра запаздывала, создание новых интерфейсов с наземными станциями также продвигалось вперёд очень медленными темпами.

Видение Манфреда ушло далее того. Он напрочь был уверен в том, что EКA будет в состоянии осуществить амбициозный исторический запуск космического аппарата, наподобие Rosetta, только если будет располагать своими собственными антенными устройствами для связи с ним, а не полагаться исключительно на поддержку Сети дальней космической связи НАСА, как планировалось изначально.

А это уже подразумевало, что ЕКА придётся построить большую антенну системы дальней космической связи где-то в южном полушарии и развернуть сложное контрольно-измерительное оборудование, включая криогенные усилители или мазерные часы, необходимые для установления и поддержания радиосвязи с КА на расстоянии в несколько сотен миллионов километров.

Когда Манфред впервые поделился со мной своей идеей построить собственную антенну системы дальней космической связи ЕКА, я ответил ему, что он никогда не сможет убедить наши финансирующие организации обеспечить покрытие расходов на столь ​​дорогой проект, особенно если в грядущих планах ЕКА имелся лишь один межпланетный космический полёт Rosetta.

И всё же он был достаточно упрям ​​и очень решительно настроен, чтобы окончательно убедить всех, кого только было можно и нужно. Так, в течение нескольких лет перед запуском Rosetta ЕКА построило под его руководством станцию дальней космической связи с антенной в 35 м в Нью-Норсиа, небольшом местечке в 130 км к северу от Перта, Западная Австралия.

Этой станции в полной мере было достаточно для обеспечения потребностей Rosetta, но амбиции Манфреда упирались в предоставление EКA независимого доступа к межпланетному пространству. Таким образом, он не ослабил свои усилия, а, наоборот, благодаря утверждению планов дальнейших межпланетных полётов, таких как Mars Express и Venus Express, ему удалось построить сеть из трёх антенн системы дальней космической связи: после Нью-Норсиа последовали Себрерос в Испании, которая была ведена в эксплуатацию в 2005 году, и Маларг в Аргентине в конце 2012 года.

Группа управления полётом космического аппарата Rosetta, 2002 год

Пока суть да дело, но пришёл черёд этапа проектирования космического аппарата. Генеральным подрядчиком была назначена Dornier – немецкая аэрокосмическая компания, расположенная на озере Констанс. Специалисты компании Matra Marconi Space в Тулузе, Франция, построили функциональный узел бортовой радиоэлектроники – наш основной интерфейс с КА.

Первые годы мы провели в обсуждениях проектных решений с промышленниками, то есть тех функциональных возможностей, которые нам были необходимы для управления этим сложным космическим полётом. Проект Rosetta был очень новаторским и для них также. Таким образом, все мы обучались на своих рабочих местах и едва ли кто ещё мог научить нас, как это сделать лучше.

К концу тысячелетия была закончена концептуальная фаза наземного сегмента, и мы переключились на опытно-конструкторские работы по всем направлениям, включая системы динамики полёта, системы управления полётом, тренажёры и наземные станции. В 1999 пришёл и мой черёд: настало время приступить к созданию операционной группы. Моя идея заключалась в создании команды, причём не обязательно с упором на опыт, а скорее на мотивацию, серьёзное образование и молодость.

Мне было необходимо заложить основополагающие принципы команды, которая сможет благополучно развиваться в течение последующих 15 лет. Я был обязан составить чёткую программу действий, чтобы предусмотреть предопределённую реорганизацию штатов и текучесть кадров в течение столь длительного периода, так что у меня получился неплохой состав из всех возрастов, полов и национальностей, охватывающий различные области необходимой специализации. Оглядываясь на те времена, я думаю, что команда, которую нам удалось собрать, была одним из лучших достижений проекта Rosetta.

Чтобы добавить ещё «немного» напряжённости в нашу и без того стрессогенную обстановку, тренажёры обнаружили новые ошибки в бортовом программном обеспечении космического корабля, которые уже не могли быть устранены до полёта.

Лётные директора и операционные менеджеры, которые в день высадки, спустя полтора десятилетия, взяли на себя руководство оперативной деятельностью, – Андреа Аккомаццо, Сильвен Лодиот, Эльза Монтаньон, Игнасио Танко были приняты на работу между 1999 и 2001 годами.

За эти годы они росли вместе с Rosetta, нарабатывали аналогичный опыт или временно покидали проект, только чтобы вернуться на более позднем этапе. Они никогда не переставали демонстрировать свою вовлечённость в это невероятно смелое предприятие, посвятили проекту большую часть своей профессиональной карьеры и подчинили ему свою личную жизнь с конечной целью сыграть свою большую роль в этом фантастическом приключении под названием Rosetta.

В то время как строительство антенны системы дальней космической связи в Австралии вошло в свою горячую фазу в начале 2001 года, наша команда управления полётом приступила к выполнению своих ежедневных обязанностей по интеграции наземных систем в центре управления ESOC.

Специализированный пункт управления космического аппарата Rosetta, 2001 год

Во время первых поставок системы управления полётом сплошь и рядом возникали сложные ситуации: система тренажёра запаздывала, разработка новых интерфейсов с наземными станциями также продвигалась вперёд очень медленными темпами.

Когда мы впервые получили возможность подключить наши наземные системы к космическому кораблю, монтаж функциональных узлов которого в это время проводился в Турине, в этот момент мы обнаружили, что бортовое программное обеспечение не функционирует в соответствии с нашими техническими условиями. 2001 год стал одним из самых напряжённых периодов в плане работы – разочарований, задержек, тестирования, отказов и опять тестирования – с медленным прогрессом и без каких-либо серьёзных улучшений.

Стремительное приближение намеченной даты запуска вызывало у нас серьёзное беспокойство: будет ли готов космический аппарат? Будут ли достаточно надёжными наши наземные системы? Сможем ли мы обучить нашу команду управления полётом на тренажёре, приближенном к практике, и который не ломается каждые 30 минут?

Решение Джона Элвуда, управляющего проектом Rosetta, стало прорывом: отделить разработку и тестирование бортового программного обеспечения космического аппарата от монтажно-испытательной кампании лётного образца космического корабля. В то же время он позволил ESOC принимать более непосредственное участие в кампании тестирования бортового программного обеспечения на технологической модели космического аппарата.

После несколько тестовых сессий совместным группам, состоящим их представителей ЕКА и предприятий, удалось выявить и устранить основные проблемы в бортовом ПО. Наряду с этим активные испытания непосредственно на космическом аппарате позволили нам улучшить наземное программное обеспечение и повысить степень уверенности в наземных системах взаимодействия с космическим аппаратом.

Испытания проводились в круглосуточном режиме, в две смены, в ESOC и Турине, где Rosetta находился в процессе интеграции.

Проверка развёртывания широкоформатных панелей с солнечными элементами космического аппарата Rosetta

Между тем в ESOC стартовала кампания имитационного моделирования. Это процесс, когда команда управления полётом, состоящая из групп специалистов, присутствие которых требуется на момент наиболее ответственной начальной стадии полётных операций после старта, собираются вместе два раза в неделю и используют программный тренажёр для прохождения всего сценария операций и режимов полёта.

В этих сессиях тренажёр применяется для создания ситуаций отказа, чтобы сотрудники центра управления космическими полётами могли распознать их, среагировать должным образом, принимая все необходимые меры для восстановления функционирования оборудования и продолжения операции.

Тренажёры требуют большой отдачи от команд, поскольку каждая ошибка в любой части системы находится в центре внимания и подвергается критике, обсуждается всеми членами команды. Действия для разрешения создавшейся ситуации должны быть завершены до начала следующего моделирования как раз через нескольких дней. Запуск кампании имитационного моделирования вместе с кампанией комплексных испытаний космического аппарата создали огромную нагрузку для команды.

Чтобы добавить ещё «немного» напряжённости в нашу и без того стрессогенную обстановку, тренажёры обнаружили новые ошибки в бортовом программном обеспечении космического корабля, которые не были замечены в ходе испытаний системы и которые уже не могли быть устранены до полёта из-за ограниченного времени, оставшегося до старта.

Большинство обсуждений проходило на проектном уровне, чтобы оценить степень риска, который мы брали на себя из-за запуска космического аппарата с известными серьёзными неполадками в программном обеспечении.

Для устранения проблемы команда разработчиков бортового радиоэлектронного оборудования на предприятии немедленно приступила к работе над другой версией бортового программного обеспечения, но оно было бы готово для закачки на космическом корабле только в июльском полёте 2003 года.

Rosetta предстояло лететь в течение нескольких месяцев с имеющимся программным обеспечением. Риск, конечно, присутствовал, но, учитывая, что ​​коррекция произойдёт в течение промежутка времени, достаточно короткого по сравнению с продолжительностью всего полёта, и что на тот период Rosetta всё ещё будет находиться относительно близко к Земле, считался приемлемым.

Помещение главного поста управления и контроля в Центре управления космическими полётами ЕКА в Дармштадте (2002)

Запуск был намечен на 13 января 2003 года, на открытие стартового окна в 21 день. Пропустить это окно означало пропустить встречу с нашей целью – Кометой Виртанен.

Всё в Солнечной системе постоянно движется, в том числе и наша отправная точка, наш пункт назначения и планеты, которые мы наметили использовать в качестве гравитационной пращи для придания ускорения космическому аппарату в сторону кометы.

Путешествие в межпланетном пространстве означает найти путь в пространстве и времени, чтобы обеспечить прибытие космического корабля на встречу с другими небесными объектами в нужное время. Путешествие к Виртанен пришлось начинать в январе 2003, а иначе комета и космический полёт к ней будут потеряны навсегда.

В декабре 2002 года кампания имитационного моделирования практически завершилась. Все наши тестовые проблемные места с космическим аппаратом были пройдены. Наш новый «глубокий космос» в Нью-Норсиа, Австралия, был готов и замер в ожидании первого сигнала от Rosetta из космического пространства.

Наши команды прошли обучение и с нетерпением ждали начала большого приключения. Космический аппарат находился в Куру, Французская Гвиана, готовился к запуску. Мы были готовы.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Rosetta – Starting from Scratch
 журнал ROOM №1 (7) 2016